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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Glühstiftkerze für eine Brennstoffkraftmaschine,
bestehend im wesentlichen aus einem Kerzengehäuse, einem keramischen Glühstift und
einem integrierten Drucksensor.
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Dieselmotoren
benötigen
für ein
gutes Start- und Warmlaufverhalten bei tiefen Temperaturen eine Wärmequelle,
die entweder das Gasgemisch, die Ansaugluft oder den Brennraum vorwärmen. Für PKW-Motoren wird in der
Regel die Verwendung von Glühstiftkerzen
vorgeschlagen. Diese bestehen aus einem Kerzengehäuse und
einem aus dem Kerzengehäuse
ragenden Glühstift,
der in seinem montierten Zustand in den Brennraum einer Brennstoffkraftmaschine
hineinragt.
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In
der Regel ragen die Glühstifte
der Glühstiftkerzen
um 4 mm in den Brennraum der Brennstoffkraftmaschine und erwärmen das
Diesel-Luft-Gemisch.
Erreichte Glühtemperatur
und Nachglühzeit
der Glühstiftkerze
haben dabei einen erheblichen Einfluss auf das Abgasverhalten und
den Kraftstoffverbrauch der Brennstoffkraftmaschine.
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Eine
keramische Glühstiftkerze
besitzt einen keramischen Glühstift.
Dieser weist ein isolierendes keramisches Mittelteil auf, das von
einer ebenfalls keramischen, aber elektrisch leitfähigen Schicht
umgeben ist. Der Glühbereich
wird in der Spitze durch einen gegenüber den Zuleitungen höheren elektrischen
Gesamtwiderstand eingestellt, entweder durch eine spezielle geometrische
Ausformung der Spitze, welche beispielsweise durch eine Querschnittsverengung
gebildet wird, oder durch die Verwendung einer weiteren elektrisch
leitfähigen
keramischen Schicht mit einem gegenüber dem Zuleitungsmaterial
deutlich höheren
spezifischen Widerstand.
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Zur
Herstellung des Glühstifts
werden die entsprechenden Massen, die zunächst als kunststoffartiges
Material mit geeigneten Füllstoffen
vorliegen, durch ein plastisches Formgebungsverfahren (z.B. Plattenpressen
oder Transfer-Molding) in geeigneten Pressformen ausgeformt. Die
Herstellung der isolierenden Schicht erfolgt in einem ersten Arbeitsgang,
die Anordnung der später
leitfähigen
Schicht wird in einem zweiten Arbeitsschritt ausgeführt. Die endgültigen Eigenschaftsprofile
erhalten die Schichten bei einem abschließenden Pyrolyseprozess, bei dem
das Bauteil bei einer Temperatur zwischen 1200°C und 1300°C keramisiert wird.
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Um
die vorgegebenen Ziele, weiter Kraftstoff einzusparen und Emissionen
zu senken, zu erreichen, besteht ein zunehmendes Interesse darin,
kostengünstige
Sensoren zu entwickeln, die Informationen über den Verbrennungsverlauf
direkt aus dem Brennraum des Motors liefern können. Aus diesen Informationen
könnte
z.B. die Einspritzmengenregelung vorgenommen werden. Die Auswertung
einer Messserie von Druckwerten innerhalb des Brennraums hätte wesentliche
Vorteile beispielsweise gegenüber
der Ionenstrommessung, die lediglich eine lokale Information liefert,
da die Druckmesswerte bzw. deren Änderungen größer und
daher einfacher erfassbar sind.
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Sensorintegrative
Konzepte, bei denen ein Drucksensor an oder in der Glühstiftkerze
angeordnet sind, haben den Vorteil, dass kein zusätzliches Bohrloch
in der Brennstoffkraftmaschine vorgesehen sein muss. Dieser Vorteil
vergrößert sich
um so mehr, da bei modernen Brennstoffkraftmaschinen der Bauraum
zum Anbringen von zusätzlichen
Sensoren sehr eingeschränkt
ist.
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Aus
dem Stand der Technik werden Lösungen
vorgeschlagen, die ein piezoelektrisches Element zwischen dem Gehäuse und
der Verschraubung am Zylinder einer Glühstiftkerze vorsehen, so beschrieben
beispielsweise in der EP-A 109 6141. Des weiteren wird in der Druckschrift
WO-A 97 09567 ein zusätzlicher
Drucksensor in der Glühstiftkerze vorgeschlagen,
der zwischen einem Fixierungsglied und einem Zylinderdruckaufnahmeglied
in einem Körper
einer Glühstiftkerze
zwischengeschaltet ist.
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Die
gängigen
Drucksensoren, die z.B. auf der Basis der Metall-Dünnschicht
(MDS)Technik oder der Silicon-on-Insulator (SOI) Technik arbeiten,
zeigen ein stark temperaturabhängiges
Verhalten. Daher wird der Druck in den bislang vorgestellten Glühstiftkerzen
mit integriertem Drucksensor stets zu dem vom Brennraum weg weisenden
Anschlussbereich der Glühstiftkerze
geführt.
Dies kann durch eine druckinduzierte Materialverschiebung oder -längung er folgen
oder über
einen Gaskanal, der innerhalb oder unmittelbar neben der Glühstiftkerze
vorgesehen ist.
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Es
können
auch hochtemperaturstabile Sensoren verwendet werden, die z.B. ein
nicht ferroelektrisches Piezoelektrikum, wie Langasit, oder eine Aluminiumnitrid-Dünnschicht
enthalten.
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Neben
den starken Temperaturschwankungen, die an einem Glühstift vorliegen,
wirken sich auch die Motorvibrationen störend auf den Signalverlauf
aus, insbesondere wenn die Messung außerhalb des eigentlich interessierenden
Brennraums vorgenommen wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine keramische Glühstiftkerze
mit integriertem Drucksensor derart weiterzuentwickeln, dass eine Druckmessung
in unmittelbarer Nähe
des Brennraums einer Brennstoffkraftmaschine möglich ist. Außerdem soll
ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Glühstiftkerze
vorgeschlagen werden.
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Lösung der Aufgabe
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Die
Aufgabe wird gelöst,
indem ein Drucksensor in den keramischen Glühstift eingebettet ist.
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Eine
derartige Glühstiftkerze
kann in folgenden Verfahrensschritten gefertigt werden:
- – Umspritzen
eines vorgefertigten Sensormoduls sowie dessen elektrische Kontakte
und Zuleitungen mit einer isolierenden Schicht,
- – kraftschlüssiges Umspritzen
mit leitfähigem
Material, sodass ein Glühstift
gebildet wird,
- – Keramisierung
des Glühstifts,
und
- – Einsetzen
des Glühstifts
in ein Kerzengehäuse.
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Ein
alternatives Herstellungsverfahren ist durch die folgenden Verfahrensschritte
gekennzeichnet:
- a. Herstellen einer ersten
isolierenden Halbschicht durch plastische Formgebung,
- b. Aufbau eines Drucksensormoduls auf die Halbschicht,
- c. Vervollständigung
der ersten Isolationshalbschicht mit Drucksensormodul durch Aufbringen einer
zweiten isolierenden Halbschicht in einem plastischen Formgebungsprozess,
- d. kraftschlüssiges
Umspritzen mit leitfähigem Material,
sodass ein Glühstift
gebildet wird,
- e. Keramisierung des Glühstifts
und
- f. Einsetzen des Glühstifts
in ein Kerzengehäuse.
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Vorteile der Erfindung
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Die
Einbettung, d.h. eine mindest teilweise umschlossene Ausbildung
des Drucksensor innerhalb des keramischen Glühstifts, ermöglicht eine brennraumnahe
Druckmessung. Der in den Brennraum hineinragende Bereich des Glühstifts
ist dem isostatischen Brennraumdruck direkt ausgesetzt. Der Glühstift leitet
den Druck kraftschlüssig
und reproduzierbar auf den erfindungsgemäß vorgesehenen Drucksensor.
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Eine
Weiterleitung des Drucks über
größere Distanzen
ist nicht erforderlich. Insbesondere ist es nicht notwendig, Gaskanäle auszu bilden,
bei denen die Gefahr von sogenannten Pfeifenschwingungen, von einer
Verkokung des Anschlussbereichs und von einer Verstopfung durch
Verbrennungsprodukte besteht.
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Querempfindlichkeiten
durch thermomechanische induzierte Spannungen zwischen dem Material
des Drucksensors und dem des Glühstifts
können durch
eine Anpassung der Wärmeausdehnungskoeffizienten
der beteiligten Materialien ausgeglichen werden.
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Das
Sensorsignal wird bevorzugt über
geeignet vor EMV-Einflüssen
geschützte
elektrische Leitungen abgegriffen. Der Drucksensor selbst ist ebenfalls
vor EMV-Einflüssen
zu schützen.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung ist der Drucksensor zumindest teilweise von der isolierenden
Schicht des keramischen Glühstifts
umhüllt.
Die isolierende Schicht des keramischen Drucksensors sorgt damit
gleichzeitig für
eine Abschirmung des Sensors.
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Der
Drucksensor besteht vorzugsweise aus einem hochtemperaturstabilen
piezoelektrischen Material. Dabei kann es sich um ein nicht-ferromagnetisches
Material handeln oder um ein ferromagnetisches Material mit einer
sehr hohen kritischen Temperaturgrenze bzw. einer ausreichend hohen
Curie-Temperatur.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung enthält
der Drucksensor Aluminiumnitrid. C-Achsen orientiertes Aluminiumnitrid
wird mittels bekannter Verfahren der Dünnschichttechnik, z.B. mit
PVD, auf ein geeignetes Substrat gebracht und mit einer chemisch
inerten Metallisierung versehen. Aufgrund seiner hohen kovalenten
Bindungskräfte
ist die Aluminiumnitrid-Bindung chemisch sehr bestän dig. Das
Material verhält
sich auch während
des Pyrolyseprozesses inert und behält seine piezoelektrische Eigenschaft
auch bei hohen Temperaturen.
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Alternativ
können
auch andere nicht ferroelektrische Piezoelektrika verwendet werden,
wie z.B. kristallines Langasit. Deren Oberflächen müssen jedoch vor einer Erhitzung
zuverlässig
passiviert werden, um den Pyrolyseprozess unbeschadet zu überstehen.
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In
dem erfindungsgemäß vorgestellten
Verfahren zur Herstellung einer Glühstiftkerze wird zunächst unabhängig von
der Glühstiftkerze
ein Drucksensormodul gefertigt.
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Hierzu
wird z.B. ein piezoelektrisches Material mittels Dünnschichttechnik
auf ein Substrat aufgebracht, mit einer hochtemperaturfesten, chemisch inerten
Metallisierung versehen und hochtemperaturfest kontaktiert.
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Das
so hergestellte Drucksensormodul kann vor dem Umspritzvorgang mit
dem isolierenden Material und nochmals vor dem Umspritzvorgang mit dem
leitenden Material getestet werden.
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Auf
diese Weise ist eine Qualitätskontrolle des
Herstellungsverfahrens während
der Herstellung möglich.
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In
einem alternativen Verfahren wird zunächst eine isolierende Halbschicht
gefertigt und auf diese das Drucksensormodul aufgebracht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Materialien des Drucksensormoduls direkt auf der isolierende
Halbschicht aufgebaut, z.B. mittels einer plasma-basierten Dünnschichttechnik.
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Die
elektrische Zuleitungen werden in einer vorteilhaften Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
ebenfalls auf die erste isolierende Halbschicht aufgebracht. Geeignete
Leitungsmaterialien sind z.B. Molybdändisilizid oder Wolfram.
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Diese
können
mittels eines Siebdruckverfahrens auf die erste isolierende Halbschicht
aufgebracht werden.
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Die
Zuleitungen können
auch auf die erste Halbschicht aufgelegt oder aufgespritzt werden.
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Nachdem
das Drucksensormodul und die Zuleitungen von den keramischen Schichten
umgeben worden sind und der Pyrolyseprozess beendet ist, wird der
Glühstift
auf der von dem Brennraum wegweisenden Seite angeschliffen, die
Zuleitungsenden freigelegt und diese galvanisch oder mittels Dickschichttechnik
kontaktiert.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
sowie den Ansprüchen
und den Zeichnungen hervor.
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Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1a einen
Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze
im Schnitt;
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1b einen
Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze
durch eine Ebene I-I gemäß 1a;
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1c einen
Schnitt durch das erste Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze
durch eine Ebene II-II gemäß 1a;
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2a–2d eine
schematische Darstellung des Ablaufs der Herstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels,
teilweise in Draufsicht, teilweise im Schnitt;
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3a–3f eine
schematische Darstellung des Ablaufs der Herstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels,
teilweise in Draufsicht, teilweise im Schnitt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt den Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze
mit einem keramischen Glühstift 1 im
Schnitt. Anhand dieser Darstellung werden zwei Schnittebenen festgelegt.
Die erste Schnittebene I-I liegt in einer isolierenden Schicht 2,
die zweite Ebene II-II verläuft senkrecht
dazu, ebenfalls längst
durch den Glühstift 1 und
teilt die isolierende Schicht 2 und ein leitfähiges Material 3.
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1b zeigt
einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze
mit einem keramischen Glühstift 1 in
Ebene I-I gemäß 1a.
Ein Drucksensor 4, versehen mit elektrischen Zuleitungen 5,
ist eingebettet in die isolierenden Schicht 2. Diese wiederum
ist umgeben von der leitfähigen
Schicht 3, welche in der in dieser Figur dargestellten
Schnittebene jedoch nur an der zu dem in der Figur nicht dargestellten
Brennraum weisenden Ende 6 des Glühstifts 1 sichtbar
ist. An die sem Ende 6 ist der Durchmesser 7 des
Glühstifts 1 verringert,
um einen höheren
Widerstand und in Folge dessen eine Erhitzung zu erreichen.
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Dass
der Drucksensor 4 tatsächlich
vollständig
in die isolierende Schicht 2 des Glühstifts 1 eingebettet
ist, wird in 1c ersichtlich, in der der Schnitt desselben
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze
mit keramischem Glühstift 1 in Ebene
II-II gemäß 1a dargestellt
ist. Der Drucksensor 4 liegt innerhalb der isolierenden
Schicht 2, welche von der leitfähigen Schicht 3 umgeben
ist.
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Die
elektrischen Zuleitungen 5 führen aus der dem nicht dargestellten
Brennraum abgewandten Seite 8 des Glühstifts 1 aus diesem
heraus.
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2a–2d zeigen
den Ablauf der Herstellung eines ersten Ausführungsbeispiels in einem erfindungsgemäßes Verfahren
anhand schematischer Ansichten, teilweise in Draufsicht, teilweise
im Schnitt.
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In 2a ist
zunächst
die Draufsicht auf eine erste isolierende Halbschicht 201 gezeigt,
welche in einem plastischen Formgebungsverfahren hergestellt wird.
Auf diese Halbschicht 201 wird, wie in 2b gezeigt,
ein Drucksensor 204 mit Zuleitungen 205 aufgebracht.
Eine weitere isolierende Halbschicht 202 wird, wie in 2c gezeigt,
darauf aufgebracht, sodass nur noch die elektrischen Zuleitungen 205 auf
der vom Brennraum wegweisenden Seite 208 des Glühstifts 200 aus
der isolierenden Schicht 202 herausragen.
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Abschließend wird
die isolierenden Schicht 201, 202 mit leitfähigem Material 203 umgeben.
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Im
Schnitt, wie es in 2d gezeigt ist, stellt sich
die endgültige
Positionierung des Ducksensors 204 und der Zuleitungen 205 gegenüber den
isolierenden Schichten 202, 201 und der leitfähigen Schicht 203 dar.
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Das
Endprodukt entspricht dem in 1c gezeigten
Ausführungsbeispiel.
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3a–3f zeigen
den Ablauf eines zweiten Ausführungsbeispiels
für ein
erfindungsgemäßes Verfahrens
anhand schematischer Ansichten, teilweise in Draufsicht, teilweise
im Schnitt.
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Es
wird, wie 3a zeigt, zunächst eine
isolierende Halbschicht 301 hergestellt. Auf diese wird, wie
in 3b angedeutet, ein Drucksensor 304 aufgebracht,
z.B. mittels eines Dünnschichtabscheidungsverfahrens.
Als Substrat dient dabei ein Teil der isolierenden Halbschicht 301.
Alternativ kann ein vorgefertigtes Drucksensormodul 304 auf
die Halbschicht 301 aufgelegt werden.
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Ebenfalls
direkt auf die isolierende Halbschicht 301 werden in einem
nachfolgenden Schritt, der in 3c dargestellt
ist, die elektrischen Zuleitungen 305 z.B. mit einem Siebdruckverfahren
aufgebracht.
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Wie 3d zeigt,
wird in dem folgenden Verfahrenschritt die zweite isolierende Halbschicht 302 aufgetragen
und anschließend
die isolierende Schicht 301, 302, wie in 3e dargestellt,
mit leitfähigem
Material 303 umgeben.
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Nach
dem in den Figuren nicht dargestellten Pyrolyseverfahren, in dem
die Keramisierung des Glühstifts 300 stattfindet,
muss, wie in 3f gezeigt, das von der Brennraumseite
wegweisende Ende 308 des Glühstifts 300 angeschliffen
werden, um die elektrischen Zuleitungen 305 freizulegen
und zu kontaktieren.