DE102008035036B3

DE102008035036B3 - Keramische Glühkerze

Info

Publication number: DE102008035036B3
Application number: DE200810035036
Authority: DE
Inventors: Andreas Bäumer; Gerd Bräuchle; Rüdiger Hanf; Olaf Dr. Toedter
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2008-07-26
Filing date: 2008-07-26
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-07-27

Abstract

Beschrieben wird eine keramische Glühkerze mit einem Gehäuse (7), das einen Glühstift (1) trägt, der ein keramisches Heizelement (4), einen mit dem Heizelement (4) in Reihe geschalteten Innenleiter (2) und einen Isolator (3), der zwischen dem Heizelement (4) und dem Innenleiter (2) angeordnet ist, aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Glühstift (1) einen NTC-Widerstand (5) aufweist, der mit dem Heizelement (4) in Reihe geschaltet ist.

Description

Die Erfindung geht aus von einer keramischen Glühkerze mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 und einem Verfahren zur Herstellung eines Glühstifts mit den im Oberbegriff des Anspruchs 13 angegebenen Merkmalen.
Eine solche Glühkerze ist aus der US 6610964 B2 bekannt.
Um das Bordnetz eines Kraftfahrzeugs nicht zu überlasten und zum Erreichen oder Halten einer Betriebstemperatur die dafür benötigte elektrische Energie in eine Glühkerze einzuspeisen, werden Glühkerzen durch Pulsweiten modulierte Strompulse beheizt. Die Dauer und/oder die Frequenz der Strompulse wird von einem Steuergerät unter Berücksichtung der Belastbarkeit des Bordnetzes und der gewünschten Aufheizrate festgelegt.
Ein ständiges Ziel bei der Entwicklung von Glühkerzen ist es, eine möglichst kurze Aufheizzeit zu ermöglichen, damit Fahrzeuge mit Dieselmotoren ebenso wie Fahrzeuge mit Benzinmotoren praktisch sofort gestartet werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Herstellung einer keramischen Glühkerze mit einem NTC-Widerstand erleichtert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine keramische Glühkerze mit den im Anspruch 1 oder durch ein Verfahren mit den im Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit einem zwischen dem NTC-Widerstand und dem Innenleiter angeordneten Übergangsmaterial kann bei einer chemischen oder mechanischen Unverträglichkeit des NTC-Materials und des Innenleitermaterials ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem NTC-Widerstand und dem Innenleiter verhindert werden.
Bei einer erfindungsgemäßen Glühkerze weist der Glühstift einen NTC-Widerstand auf, der mit dem Heizelement in Reihe geschaltet ist. Durch den NTC-Widerstand lässt sich der Einschaltstrom einer noch kalten Glühkerze wirksam begrenzen, so dass auch in der Anfangsphase der Beheizung eine Belastung der Zuleitungen vermieden und die elektrische Leistung zu einem größeren Teil, nämlich praktisch vollständig, in dem Glühstift abfällt und dort eine Erwärmung bewirkt. Die Begrenzung der Einschaltströme durch den NTC-Widerstand reduziert zudem die Belastung des Bordnetzes, so dass die Länge und/oder die Frequenz der Strompulse im Vergleich zu bekannten keramischen Glühkerzen erhöht werden und folglich eine größere elektrische Leistung in die Glühkerze eingespeist werden kann. Eine erfindungsgemäße Glühkerze kann deshalb schneller auf ihre Betriebstemperatur aufgeheizt werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Heizelement der keramischen Glühkerze ein PTC-Widerstand ist. PTC-Widerstände werden auch als Kaltleiter bezeichnet und haben einen elektrischen Widerstand, der sich mit steigender Temperatur vergrößert. Insbesondere keramische PTC-Widerstände haben einen deutlich nicht-linearen Widerstandsverlauf. Typischerweise erhöht sich der elektrische Widerstand bei Erreichen einer kritischen Schwellentemperatur um mehrere Größenordnungen. Als keramisches Heizelement kann beispielsweise ein PTC-Widerstand auf Basis von Bariumtitanat verwendet werden.
Durch die Kombination eines NTC-Widerstands mit einem PTC-Widerstand lässt sich erreichen, dass in dem Glühstift stets die benötigte elektrische Energie umgesetzt wird. Bei hohen Temperaturen bewirkt nämlich der stark ansteigende elektrische Wi derstand des PTC-Widerstandes eine Leistungsbegrenzung und somit einen Schutz vor Überhitzung. Bei tiefen Temperaturen wird der Gesamtwiderstand des Glühstifts von dem NTC-Widerstand bestimmt, so dass trotz eines geringen elektrischen Widerstandes des Heizelementes gewährleistet ist, dass die vom Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung stehende elektrische Energie praktisch ausschließlich in dem Glühstift in Wärme umgewandelt wird. Der NTC-Widerstand und der PTC-Widerstand ergänzen sich deshalb in idealer Weise, so dass der elektrische Widerstand des Glühstifts einer erfindungsgemäßen Glühkerze stets in einem günstigen Bereich liegt und eine Selbstregelung der Glühkerze ermöglicht. Bevorzugt wird der elektrische Gesamtwiderstand der Glühkerze bei Raumtemperatur zum überwiegenden Teil, vorzugsweise zu mindestens 90%, von dem NTC-Widerstand gebildet und der elektrische Gesamtwiderstand der Glühkerze bei 1000°C zum überwiegenden Teil, vorzugsweise zu mindestens 90%, von dem PTC-Widerstand gebildet.
Bevorzugt ist das Heizelement als Außenleiter des Glühstifts ausgebildet und der Leiter des Glühstifts als Innenleiter. Auf diese Weise lässt sich die für das Verbrennungsverhalten des Motors maßgebliche Oberflächentemperatur der Glühkerze besonders rasch durch Strompulse einstellen. Möglich ist es jedoch auch, das Heizelement als Innenleiter und den Leiter als Außenleiter vorzusehen.
Der NTC-Widerstand einer erfindungsgemäßen Glühkerze ist bevorzugt aus Keramik. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass sich der NTC-Widerstand durch Sintern mit dem Heizelement oder einer anderen Komponente des Glühstifts verbinden lässt.
Der NTC-Widerstand ist bevorzugt eine Scheibe. Eine Scheibe kann insbesondere in einem vorderen, im Betrieb dem Brennraum zugewandten Bereich des Glühstifts gut in den Glühstift integriert werden.
Bevorzugt ist der NTC-Widerstand an den Heizwiderstand angrenzend angeordnet, insbesondere elektrisch zwischen dem Leiter und dem Heizelement angrenzend. Auf diese Weise kann die in einer Anfangsphase von dem NTC-Widerstand abgegebene Wärme besonders rasch an den Heizwiderstand abgegeben werden, so dass sich dessen Widerstand rasch erhöht und der Heizwiderstand wirksam zum Aufheizen des Glühstifts beiträgt.
Der Glühstift einer erfindungsgemäßen Glühkerze kann vorteilhaft durch Sintern eines stiftförmigen Körpers hergestellt werden, der Bereiche aus unterschiedlichen Materialien zur Ausbildung eines keramischen Heizelements, eines keramischen Isolators, eines keramischen Leiters und eines keramischen PTC-Widerstandes aufweist. Auf diese Weise können die einzelnen Komponenten des Glühstifts zu einem kompakten Keramikkörper verbunden werden, der sich gut handhaben und mit geringem Aufwand in das Gehäuse einer Glühkerze einsetzen lässt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Bauteile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen gekennzeichnet. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer keramischen Glühkerze in einer Schnittansicht und
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Die in 1 dargestellte Glühkerze hat einen Glühstift 1 mit einem Innenleiter 2 aus einem gut leitfähigen Material, bevorzugt einem keramischen Material, beispielsweise MoSi₂ oder einem Kompositwerkstoff wie Al₂O₃ mit LaCrO₃ und/oder TiN. Der Innenleiter 2 ist von einem Isolator 3 umgeben, der bevorzugt ebenfalls aus Keramik ist, beispielsweise aus Si₃N₄ oder Al₂O₃. In seinem vorderen Bereich ist der Isolator 3 von einem keramischen Heizelement 4 umgeben. Das keramische Heizelement 4 ist bevorzugt ein PTC-Widerstand, beispielsweise auf Basis von Bariumtitanat. Das Heizelement 4 und der Innenleiter 2 sind über einen NTC-Widerstand 5 elektrisch leitend verbunden. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der NTC-Widerstand 5 eine Scheibe, die an der Stirnseite des Glühstifts 1 angeordnet ist. Der NTC-Widerstand 5 ist bevorzugt ebenfalls aus einem Keramikmaterial, beispielsweise auf Basis von SiN.
Wie 1 zeigt, ist das keramische Heizelement 4 nur in einem vorderen Bereich des Glühstifts 1 angeordnet. An das keramische Heizelement 4 schließt in einem hinteren Bereich des Glühstifts 1 ein Außenleiter 6 an, der bevorzugt aus demselben Material wie der Innenleiter 2 besteht. Der Glühstift 1 sitzt in einem metallischen Gehäuse 7 der Glühkerze, dass ihn trägt und aus dem er herausragt. Das metallische Gehäuse 7 kontaktiert den Außenleiter 6. In dem Gehäuse 7 ist eine Zuleitung 8 angeordnet, die den Innenleiter 2 kontaktiert.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem NTC-Widerstand 5 und dem Innenleiter 2 ein elektrisch gut leitendes Übergangsmaterial 9 angeordnet. Durch dieses Übergangsmaterial 9 kann ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem NTC-Widerstand 5 und dem Innenleiter 2 verhindert werden, was bei einer eventuellen chemischen oder mechanischen Unverträglichkeit des NTC-Materials und des Innenleitermaterials vorteilhaft sein kann.
Zur Herstellung des Glühstifts 1 der in 1 dargestellten Glühkerze wird zunächst durch Koextrusion ein Grünkörper hergestellt, der das Material für den Innenleiter 2, den ihn umgebenden Isolator 3 und den Außenleiter 6 enthält. Anschließend wird in einem vorderen Bereich des Grünkörpers das den Außenleiter bildende Material entfernt, beispielsweise durch Drehen. Auf den vorderen Bereich des Grünkörpers wird eine Scheibe aus einem Material zur Ausbildung des NTC-Widerstands 5 aufgesetzt. Dies kann vor oder nach dem Entfernen des Außenleitermaterials geschehen.
Wenn der Isolator 3 in einem vorderen Bereich des Grünkörpers freigelegt ist, wird darauf Material zur Ausbildung des keramischen Heizelements 4 aufgebracht, beispielsweise durch Aufsprühen oder Eintauchen. Dies kann vor oder nach dem Aufbringen des Materials für den NTC-Widerstand 5 geschehen.
In einem weiteren Fertigungsschritt wird der Glühstift 1 durch Sintern des so vorbereiteten Grünkörpers hergestellt. Nach einem eventuell erforderlichen Nachbearbeiten kann der fertige Glühstift 1 in das Gehäuse 7 der Glühkerze eingesetzt werden.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Glühkerze, das sich von dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel lediglich dadurch unterscheidet, dass der NTC-Widerstand 5 von dem keramischen Heizelement 4 bedeckt ist. Das keramische Heizelement 4 erstreckt sich bei diesem Ausführungsbeispiel an der Oberfläche des Glühstifts 1 sowohl an seiner Stirnseite als auch in dem vorderen Bereich der Mantelfläche.

1: Glühstift
2: Leiter/Innenleiter
3: Isolator
4: Heizelement
5: NTC-Widerstand
6: Außenleiter
7: Gehäuse
8: Zuleitung
9: Übergangsmaterial

Claims

Keramische Glühkerze mit einem Gehäuse (7), das einen Glühstift (1) trägt, der ein keramisches Heizelement (4), einen mit dem Heizelement (4) in Reihe geschalteten Innenleiter (2), einen Isolator (3), der zwischen dem Heizelement (4) und dem Innenleiter (2) angeordnet ist, und einen mit dem Heizelement (4) in Reihe geschalteten NTC-Widerstand (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem NTC-Widerstand (5) und dem Innenleiter (2) ein elektrisch leiten des Übergangsmaterial (9) angeordnet ist.
Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) ein PTC-Widerstand ist.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) als Außenleiter des Glühstifts (1) ausgebildet ist.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NTC-Widerstand (5) eine Scheibe ist.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NTC-Widerstand (5) aus Keramik ist.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (2) aus Keramik ist.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NTC-Widerstand (5) durch Sintern mit dem Heizelement (4), dem Isolator (3) und/oder dem Innenleiter (2) verbunden ist.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass. der Glühstift (1) ein Keramikkörper ist, der Bereiche aus unterschiedlichen keramischen Werkstoffen aufweist, die das Heizelement (4), den Innenleiter (2), das Übergangsmaterial (9), den NTC-Widerstand (5) und den Isolator (3) bilden.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (2) und der Isolator (3) aus einem koextrudierten Grünkörper hergestellt sind.
Glühkerze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung des Heizelements (4) der Grünkörper mit einem PTC-Material umhüllt, vorzugsweise umspritzt, wird.
Glühkerze nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein NTC-Material an einer Stirnseite des durch Koextrusion hergestellten Grünkörpers angebracht wird.
Glühkerze nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper zur Ausbildung des Glühstifts (1) gesintert wird.
Verfahren zur Herstellung eines Glühstifts (1) für eine Glühkerze durch Sintern eines stiftförmigen Körpers, der Bereiche aus unterschiedlichen Materialen zur Ausbildung eines keramischen Heizelements (4), eines keramischen Isolators (3), eines keramischen Innenleiters (2) und eines keramischen NTC-Widerstands (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem stiftförmigen Körper zwischen dem Material zur Ausbildung des NTC-Widerstands (5) und dem Material zur Ausbildung des Innenleiters (2) ein elektrisch leiten des Übergangsmaterial (9) angeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der stiftförmige Körper durch Koextrusion hergestellt ist.