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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von bekannten Glühkerzen, insbesondere Glühstiftkerzen, welche insbesondere als Kaltstarthilfe für Dieselmotoren oder andere selbstzündende Verbrennungsmotoren eingesetzt werden können. Auch in anderen Gebieten sind derartige Glühkerzen jedoch einsetzbar, beispielsweise anderen Arten von Verbrennungsmotoren und/oder als Zündvorrichtungen in anderen Arten von Verbrennungsvorrichtungen.
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DE 100 31 893 A1 beschreibt eine keramische Glühstiftkerze für Dieselmotoren, welche einen Ionenstromsensor aufweist. Die Glühstiftkerze umfasst ein stabförmiges keramisches Heizelement mit mindestens einer Isolationsschicht und zwei Zuleitungsschichten. Weiterhin ist mindestens eine Elektrode zur Ionenstromerfassung vorgesehen, welche aus elektrisch leitendem keramischem Material besteht.
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Wünschenswert wäre, Glühkerzen, insbesondere Glühstiftkerzen, mit einem Temperaturfühler auszustatten und die Glühstiftkerze somit als Temperaturmesskerze zu präparieren. Auf diese Weise ließen sich Temperaturen der Glühstiftkerze im Fahrzeug für bestimmte Applikationen oder auch in einem Teststand über längere Messzyklen hinweg erfassen. Zudem wäre eine parallele Überwachung der Glühstiftkerzen-Temperatur bei Labordauerläufen sowohl durch Pyrometermessungen als auch Messungen der Signale der Temperaturfühler, insbesondere der Thermoelemente, möglich. Zu diesem Zweck könnte grundsätzlich ein Heizelement der Glühkerze, beispielsweise ein keramischer Glühstift, mit einer Nut versehen werden und ein Temperaturfühler in diese Nut eingebracht werden. Hierbei stellt jedoch die Fixierung des Temperaturfühlers in dieser Nut eine Herausforderung da.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung basiert auf Versuchen mit Glühstiftkerzen aus Siliziumnitrid, welche als Temperaturmesskerzen dadurch präpariert wurden, dass eine Nut in diese Glühstiftkerze gefräst wurde. Das Thermoelement wurde in die Nut eingelegt und mit einem Al2O3/ZrSiO4-Kleber fixiert. Derartig präparierte Temperaturmesskerzen wurden sowohl für Laborversuche als auch für Applikationen im Fahrzeug präpariert. Dabei stellte sich heraus, dass der Kleber, der zur Fixierung der Thermoelemente verwendet wurde, einen signifikant anderen Ausdehnungskoeffizienten aufwies als die Siliziumnitrid (Si3N4)-Keramik des Heizelements. Dadurch kann es zu Zerrüttung des Klebermaterials und letztendlich zu Materialausbrüchen kommen.
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Zur Lösung dieser bisher aus dem Stand der Technik nicht bekannten Problematik wird daher eine Glühkerze zum Einsatz in einem Verbrennungsmotor vorgeschlagen, welche ein keramisches Heizelement, insbesondere einen Glühstift, umfasst. Beispielsweise kann das keramische Heizelement ein Siliziumnitrid-Heizelement sein, welches Siliziumnitrid (Si3N4) als Werkstoff aufweist oder vollständig aus Siliziumnitrid hergestellt ist. Alternativ oder zusätzlich könnten jedoch grundsätzlich auch andere keramische Materialien eingesetzt werden.
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Insbesondere kann das Heizelement als Glühstift, also als stabförmiges Element, ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Glühstift eine zylindrische Gestalt aufweisen, beispielsweise mit einem runden, insbesondere kreisförmigen, oder polygonalen Querschnitt. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Geometrien möglich. Für die Ausgestaltung des Heizelements kann beispielsweise auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden.
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Weiterhin umfasst die vorgeschlagene Glühkerze mindestens einen Temperaturfühler. Grundsätzlich können dabei beliebige aus dem Stand der Technik bekannte Temperaturfühler verwendet werden, welche den in Glühkerzen typischerweise auftretenden Temperaturen standhalten, beispielsweise Glühtemperaturen von bis zu 1.300°C oder sogar 1.500°C. Beispielsweise lassen sich als Temperaturfühler Temperaturmesswiderstände einsetzen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Besonders bevorzugt ist jedoch die Verwendung von Thermoelementen, welche unterschiedliche, miteinander verbundene Metalle aufweisen, die bei einer Temperaturdifferenz aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung erzeugen. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Arten von Temperaturfühlern einsetzbar.
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Das keramische Heizelement weist mindestens eine Aussparung auf, wobei der Temperaturfühler zumindest teilweise in die Aussparung eingebracht ist. Bei der Aussparung kann es sich beispielsweise um mindestens eine Nut und/oder Auffräsung und/oder Abflachung und/oder Bohrung in dem keramischen Heizelement handeln. Beispielsweise kann es sich um eine Nut und/oder Auffräsung handeln, welche sich entlang eines Abschnitts eines Glühstifts erstreckt und/oder vollständig entlang der Längserstreckung des Glühstifts und/oder bis hin zu einer Spitze des Glühstifts. Auch andere Arten von Aussparungen, beispielsweise Aussparungen mit anderen Arten von Geometrien, sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise Vertiefungen und/oder Bohrungen. Aufgrund der einfachen Herstellung und der möglichen großflächigen Erstreckung entlang einer Längserstreckung des Glühstifts sind jedoch Nute besonders bevorzugt.
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Der Temperaturfühler ist mit dem keramischen Heizelement stoffschlüssig verbunden, wobei ein Füllmaterial verwendet wird, welches zumindest eine keramische Komponente aufweist, die auch das keramische Heizelement aufweist. Insbesondere können das Füllmaterial und das keramische Heizelement einen im Wesentlichen identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Unter einem im Wesentlichen identischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind dabei Ausdehnungskoeffizienten zu verstehen, welche voneinander um nicht mehr als 20%, vorzugsweise um nicht mehr als 5% und besonders bevorzugt um nicht mehr als 2% abweichen. Siliziumnitrid weist typischerweise einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 2–4·10–6 K–1 auf.
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Das keramische Heizelement kann, wie oben beschrieben, zumindest teilweise aus Siliziumnitrid (Si3N4) hergestellt sein. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, wenn auch das Füllmaterial zumindest teilweise aus Siliziumnitrid besteht und/oder Siliziumnitrid aufweist.
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Das Füllmaterial kann insbesondere in Form eines Klebers mit mindestens einer keramischen Komponente verwendet werden, beispielsweise in Form eines Klebers auf Siliziumnitrid-Basis. Der Kleber kann neben der keramischen Komponente weitere Komponenten umfassen, beispielsweise Bindematerialien und/oder andere organische Komponenten, welche beispielsweise in einem oder mehreren Temperaturbehandlungsschritten, insbesondere Sinterschritten und/oder Entbinderungsschritten, entfernt werden können. Auf diese Weise kann die Nut mit dem darin eingelegten Temperaturfühler beispielsweise in einem Gießprozess und/oder Spachtelprozess und/oder einer anderen Art der Einfüllung des Klebers mit dem Füllmaterial bzw. einem Vorstoff des Füllmaterials gefüllt werden, wonach ggf. weitere Verarbeitungsschritte folgen, beispielsweise Wärmebehandlungsschritte wie Entbindern und/oder Sintern.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Verwendung eines Klebers können jedoch auch andere Arten der Einbringung des Füllmaterials und/oder der Art des Füllmaterials gewählt werden. So kann beispielsweise das Füllmaterial mittels eines chemischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (Chemical Vapor Deposition, CVD) und/oder eines physikalischen Gasphasenabscheidungsverfahrens (Physical Vapor Deposition, PVD) aufbringbar sein und/oder aufgebracht werden.
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Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn zum Aufbringen des Füllmaterials ein Plasmaspritzprozess eingesetzt wird. Bei einem Plasmaspritzprozess wird üblicherweise mittels eines Lichtbogens ein Plasmajet erzeugt, also ein elektrisches, ionisches Gas. In diesem Plasmajet wird Pulver, beispielsweise keramisches Pulver, eingedüst, welches im Plasmajet aufgrund der hohen Plasmatemperatur zumindest teilweise aufgeschmolzen wird. Durch den Plasmastrom werden diese teilweise aufgeschmolzenen Pulverteilchen auf das zu beschichtende Werkstück aufgetragen. Als Pulver können dabei keramische Pulver oder keramische Pulvermischungen verwendet werden, welche ggf. noch Zusätze aufweisen können, wie beispielsweise organische Zusätze.
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Mit umfasst vom Begriff des Plasmaspritzprozesses im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen verwandte Spritzverfahren sein, beispielsweise Flammspritzen, Detonationsspritzen, Kaltgasspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasma-Pulver-Auftragsschweißen, oder Laserspritzen. Auch andere thermische Spritzverfahren können eingesetzt werden oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Arten thermischer Spritzverfahren. Der Begriff des Plasmaspritzprozesses ist somit weit zu fassen und umfasst grundsätzlich ein oder mehrere beliebige thermische Spritzverfahren, wobei die Verwendung eines Plasmaspritzprozesses im eigentlichen Sinne, also eines Prozesses, bei welchem mittels eines Lichtbogens einen Plasmajet erzeugt wird, besonders bevorzugt ist.
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Insbesondere bei Verwendung eines Plasmaspritzprozesses, jedoch auch bei anderen Arten von Auftragsverfahren zum Aufbringen bzw. Einbringen des Füllmaterials, kann das Füllmaterial derart ausgestaltet werden, dass dies nach dem Einbringen in die Glühkerze einen Porositätsgradienten und/oder Dichtegradienten aufweist. Insbesondere kann eine Porosität des Füllmaterials in einem Oberflächenbereich geringer ausgestaltet werden als in einem tiefer gelegenen Bereich des Füllmaterials, und/oder eine Dichte des Füllmaterials kann zum Oberflächenbereich hin höher ausgestaltet werden als in einem tiefer gelegenen Bereich des Füllmaterials. Grundsätzlich kann dabei eine kontinuierliche oder auch diskontinuierliche Veränderung der Dichte und/oder der Porosität gegeben sein.
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Zur Verbesserung der Haftung des Füllmaterials auf dem Heizelement bzw. auf der Oberfläche der Aussparung kann eine Oberfläche des Heizelements und/oder der Aussparung ganz oder teilweise aufgeraut werden und/oder ganz oder teilweise mit einer isolierenden Haftvermittlungsschicht versehen werden.
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Beispielsweise kann zum Aufrauen ein Sandstrahlverfahren und/oder Ätzverfahren und/oder ein Laserstrukturierungsverfahren verwendet werden. Auch mechanische Aufrauverfahren sind grundsätzlich einsetzbar und/oder Kombinationen der genannten Aufrauverfahren. Als isolierende Haftvermittlungsschicht können beispielsweise anorganische Zwischenschichten verwendet werden, beispielsweise keramische Zwischenschichten. Zum Aufrauen dieser Haftvermittlungsschicht können wiederum verschiedene, auf die isolierenden Materialien angepasste Verfahren eingesetzt werden, beispielsweise keramische Auftragsverfahren wie z. B. Drucken und/oder chemische Gasphasenabscheidung und/oder physikalische Gasphasenabscheidung. Auch ein Plasmaspritzverfahren ist hierbei wiederum einsetzbar.
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Neben der Glühkerze in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen wird weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze vorgeschlagen, welches insbesondere zur Herstellung einer Glühkerze in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden kann. Für mögliche Ausgestaltungen des Verfahrens kann dementsprechend auf die obige Beschreibung verwiesen werden.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird mindestens eine Aussparung in ein keramisches Heizelement der Glühkerze eingebracht, und mindestens ein Temperaturfühler wird zumindest teilweise in diese Aussparung eingebracht. Der Temperaturfühler und das keramische Heizelement werden stoffschlüssig miteinander verbunden, wobei ein Füllmaterial verwendet wird, welches zumindest eine keramische Komponente des keramischen Heizelements umfasst.
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Die vorgeschlagene Glühkerze und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Glühkerzen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. So sind die beschriebenen Glühkerzen sowohl für Laborversuche als auch für den Einsatz im Fahrzeug geeignet.
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Bei Laborversuchen lassen sich insbesondere gleichzeitig Temperaturen durch Pyrometermessungen und durch Messungen der Signale des Temperaturfühlers durchführen.
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Die Fixierung des Temperaturfühlers, insbesondere des Thermoelements, durch plasmagespritztes Siliziumnitrid (Si3N4) führt zu ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die Lebensdauer der Glühkerzen mit dem Temperaturfühler lässt sich auf diese Weise erheblich erhöhen, was mit geringerem Kostenaufwand und, bei Laborversuchen, mit erheblich erhöhtem Erkenntnisgewinn verbunden ist.
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Die Glühkerzentemperatur lässt sich aufgrund der möglichen Langzeitversuche im Fahrzeug zur Diagnose der Glühkerze und/oder zu einer Verbesserung der Motorsteuerung einsetzen, insbesondere bei einem Kaltstart eines Dieselmotors. Auf diese Weise lassen sich Schadstoffemissionen reduzieren.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine Detailansicht eines Glühstifts mit einer Nut; und
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2 eine Detailansicht eines Schnitts durch die Nut mit eingelegtem Thermoelement und stoffschlüssiger Verbindung.
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Ausführungsbeispiele
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In
1 ist eine Detailansicht eines keramischen Heizelements
110 in Form eines Glühstifts
112 einer Glühkerze
114 dargestellt. Die Glühkerze
114 ist in ein Gehäuse
116 eingebracht, welches in
1 lediglich teilweise angedeutet ist. Für die Funktionsweise der Glühkerze
114 und den möglichen weiteren Aufbau der Glühkerze
114 kann auf den oben beschriebenen Stand der Technik, insbesondere die
DE 100 31 893 A1 verwiesen werden.
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Der Glühstift 112 weist im Wesentlichen eine stabförmiger Gestalt auf, mit einer von dem Gehäuse 116 abgewandten abgerundeten Spitze 118.
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Wie in 1 erkennbar ist, wird, ausgehend von dem Gehäuse 116, eine Aussparung 120 in Form einer Nut 122 und/oder Auffräsung seitlich in die Glühkerze 114 eingebracht.
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In diese Aussparung 120 wird, wie in der in 2 gezeigten Schnittdarstellung erkennbar ist, ein Temperaturfühler 124, beispielsweise in Form eines Thermoelements 126, eingelegt. Dabei können ein oder mehrere Anschlusskontakte 128 durch eine Durchführung in das Gehäuse 116 hineinragen und dort entsprechend kontaktiert werden.
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Nach dem Einlegen des Temperaturfühlers 124 in die Aussparung 120 wird die Aussparung 120 zumindest teilweise mit einem Füllmaterial 130 ausgefüllt und dadurch der Temperaturfühler 124 stoffschlüssig mit dem keramischen Heizelement 110 verbunden. Hierzu können optional weitere Schritte erforderlich sein, wie beispielsweise ein oder mehrere thermische Behandlungsschritte, insbesondere zum Aushärten des Füllmaterials 130.
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Bei dem keramischen Heizelement 110 kann es sich beispielsweise um einen Siliziumnitrid-Keramikheizer handeln. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, wenn das Füllmaterial 130 selbst zumindest teilweise als Siliziumnitrid-Füllung ausgestaltet ist und/oder Siliziumnitrid enthält.
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Das Auffüllen der Aussparung 120 kann beispielsweise durch einen Kleber auf Si3N4-Basis erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann das Füllmaterial 130 auch mittels eines CVD- und/oder PVD-Verfahrens eingebracht werden und/oder mittels eines Plasmaspritzprozesses. Allgemein ist die Verwendung von Siliziumnitrid als Füllmaterial bevorzugt, insbesondere wenn auch das keramische Heizelement 110 ganz oder teilweise aus Siliziumnitrid hergestellt ist.
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Besonders bevorzugt als Verfahren zum Einbringen des Füllmaterials 130 in die Aussparung 120 ist ein Plasmaspritzprozess. Bei einem Plasmaspritzprozess kann auch eine graduelle Porosität des Füllmaterials 130 eingestellt werden. Hierbei kann beispielsweise das Füllmaterial 130 in seinem Inneren, also dem keramischen Heizelement 110 zuweisend, eine höhere Porosität aufweisen als in einem Oberflächenbereich 132. Im Oberflächenbereich 132 kann hingegen das Füllmaterial 130 dichter ausgestaltet werden als im Inneren. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, den Unterschied der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Temperaturfühlers 124 und des Materials des keramischen Heizelements 110 und/oder des Füllmaterials 130 auszugleichen, beispielsweise des Siliziumnitrids, wodurch wiederum eine verlängerte Nutzungszeit der Glühkerze 114 ermöglicht werden kann.
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Um die Aussparung 120, beispielsweise eine Bohrung, im Bereich der Spitze 180 aufzufüllen, kann beispielsweise in allen Fällen Si3N4-Kleber verwendet werden, da hier die Materialausbruchswahrscheinlichkeit deutlich geringer ist als im Seitenbereich. Auch ein Auffräsen der gesamten Seite des keramischen Heizelements 110 wäre möglich, um beispielsweise eine Plasmabeschichtung auch im Bereich der Spitze 118 zu ermöglichen.
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Die Haftung des Füllmaterials 130 kann durch vorherige Aufrauung der Aussparung 120, beispielsweise mittels Sandstrahlens, Ätzens, Laserstrukturierens oder ähnlicher Aufrauverfahren, verbessert werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Aufbringen einer isolierenden Haftvermittlungsschicht auf eine Oberfläche 134 des keramischen Heizelements 110 im Bereich der Aussparung 120 erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10031893 A1 [0002, 0028]
