DE102011055283A1

DE102011055283A1 - Glühkerze und Verfahren zum Herstellen eines Glühstifts

Info

Publication number: DE102011055283A1
Application number: DE102011055283A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hammer Jochen; Michael Eberhardt; Johannes Hasenkamp; Stefan Knoll; Markus Schittkowski; Martin Allgaier
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2011-11-11
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-11-12
Also published as: DE102011055283B4; US9074574B2; CN103104396A; CN103104396B; US20130118432A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze für einen Dieselmotor, mit einem keramischen Glühstift (2), der einen Heizabschnitt aufweist, und einem Gehäuse (1), aus dem der Glühstift (2) herausragt, wobei der Glühstift (2) einen keramischen Innenleiter (2a), eine den Innenleiter (2a) umgebende Isolationsschicht (2b) und eine auf der Isolationsschicht (2b) liegende keramische Außenleiterschicht (2c, 2d) aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Außenleiterschicht (2d) in dem Heizabschnitt die Isolationsschicht (2b) nur teilweise bedeckt.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Glühkerze mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Glühstifte für derartige Glühkerzen können hergestellt werden, indem durch Extrusion zunächst ein Grünkörper erzeugt wird, der einen Kern aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial, eine den Kern umgebende Zwischenschicht aus nach Sinterung elektrisch isolierendem Keramikmaterial und eine die Zwischenschicht umgebende Schicht aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial aufweist. Nach dem Sintern des Grünkörpers bildet die äußere Schicht den Außenleiter des Glühstifts und der Kern den Innenleiter des Glühstifts. Um den Glühstift mit einen Heizabschnitt zu versehen, wird vor dem Sintern von einem Endabschnitt des Grünkörpers die äußere Schicht aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial entfernt und dieser Endabschnitt mit einer Schlickerschicht aus einem anderen Keramikmaterial umhüllt, das nach Sinterung elektrisch leitfähig ist. Durch Sintern des Grünkörpers entsteht aus der Schlickerschicht eine Außenleiterschicht mit einem erhöhten elektrischen Widerstand, d. h. eine Heizleiterschicht.
Glühkerzen mit solchen Glühstiften werden manchmal als außenheizende Glühstifte bezeichnet, da der Heizleiter als ein Abschnitt des Außenleiters ausgebildet ist. Dies hat Vorteile gegenüber innenheizenden Glühstiften, bei denen ein Abschnitt des Innenleiters als Heizleiter ausgebildet ist. Bei außenheizenden Glühstiften kann die in dem Heizleiter erzeugte Wärme nämlich sehr schnell und effizient an ein Kraftstoff-Luft Gemisch im Brennraum eines Motors abgegeben werden.
Die Oberflächentemperatur außenheizender Glühstifte reagiert auf eine Änderung der Heizleistung so schnell, dass außenheizende Glühkerzen mit modernen Glühkerzensteuergeräten in Abhängigkeit vom Arbeitstakt eines Verbrennungsmotors angesteuert werden können. Moderne Glühkerzen und Glühkerzensteuergeräte können so die Kraftstoffverbrennung effizient unterstützen und die Glühung an individuelle Erfordernisse eines Motors anpassen, beispielsweise um dessen Leistung zu erhöhen oder seinen Schadstoffausstoß zu reduzieren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie die Anforderungen eines Motors hinsichtlich optimaler Unterstützung der Kraftstoffverbrennung noch besser erfüllt werden können.
Bei einer erfindungsgemäßen Glühkerze bedeckt die Außenleiterschicht die Isolationsschicht in dem Heizabschnitt nur teilweise. In dem Heizabschnitt ist also ein erster Teil der Fläche der Isolationsschicht frei von der Außenleiterschicht, während ein zweiter Teil der Fläche der Isolationsschicht von der Außenleiterschicht bedeckt ist. Durch das Verhältnis dieser beiden Flächen lässt sich der elektrische Widerstand einer Glühkerze an die Anforderungen eines gegebenen Motoren- oder Fahrzeugtyps anpassen.
Eine präzise definierte Außenleiterschicht, die Teilflächen der Isolationsschicht unbedeckt lässt, kann man herstellen, indem auf einen Grünkörper eine Schicht aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial aufgedruckt wird. Besonders gut geeignet sind Strahldruckverfahren. Möglich sind aber beispielsweise auch Tampondruckverfahren.
Der elektrische Widerstand eines erfindungsgemäßen Glühstifts lässt sich durch Aufdrucken geeignet ausgebildeter Heizleiterabschnitte mit geringem Aufwand auf einen gewünschten Wert einstellen. Vorteilhaft kann deshalb mit einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren kostengünstig eine Glühkerze produziert werden, die an die Anforderungen eines gegebenen Motortyps oder Einsatzzwecks angepasst ist.
Bevorzugt bedeckt die Außenleiterschicht in dem Heizanschnitt eine oder mehrere bandförmige Flächen der Isolationsschicht und Teilflächen der Isolationsschicht zwischen benachbarten Abschnitten der Heizleiterschicht frei lässt. Möglich ist dabei, dass die Außenleiterschicht in dem Heizabschnitt nur eine einzige Leiterbahn bildet, beispielsweise eine wendelförmig gewundene Leiterbahn. Der elektrische Widerstand wird in diesem Fall durch die Länge und Breite dieser Leiterbahn bestimmt. Bevorzugt bildet die Außenleiterschicht in dem Heizabschnitt aber mehrere Leiterbahnen, die jeweils in einem Abstand von einander angeordnet sind. Diese Leiterbahnen können im einfachsten Fall geradlinig in Längsrichtung des Glühstifts verlaufen oder eine kompliziertere Form haben, beispielsweise meanderförmig gewunden oder wendelförmig gebogen sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Außenleiterschicht in dem Heizabschnitt von einer Schutzschicht bedeckt ist. Mit einer solchen Schutzschicht lässt sich vorteilhaft die Lebensdauer einer erfindungsgemäßen Glühkerze erhöhen. Da die Außenleiterschicht einer erfindungsgemäßen Glühkerze die Isolationsschicht in dem Heizabschnitt nur teilweise bedeckt, bildet die Außenleiterschicht mehr oder weniger stark ausgeprägte Stufen. Bei der Handhabung der Glühkerze, beispielsweise beim Einbau in einen Motor, besteht deshalb die Gefahr, dass die Glühkerze mit diesen Stufen an Hindernissen hängen bleibt und deshalb ein Teil der Außenleiterschicht abplatzt oder beschädigt wird. Durch eine elektrisch isolierende Schutzschicht kann die Außenleiterschicht wirksam vor Beschädigungen geschützt werden. Insbesondere kann eine solche Schutzschicht auch Höhenunterschiede zwischen bedeckten und unbedeckten Abschnitten der Isolationsschicht ausgleichen.
Durch das erfindungsgemäße Aufdrucken einer Schicht, die nach Sinterung des Grünkörpers die Außenleiterschicht in dem Heizabschnitt bildet, lässt sich vorteilhaft die Schichtdicke in engen Fertigungstoleranzen präzise vorgeben. Der elektrische Widerstand erfindungsgemäß hergestellter Glühstifte streut deshalb nur noch in geringem Umfang, was die Ansteuerung der Glühkerzen auf eine gewünschte Solltemperatur wesentlich erleichtert. Bevorzugt wird die Schicht in einer Stärke von weniger als 50 μm, vorzugsweise weniger als 30 μm aufgedruckt. Beim Sintern nimmt die Schichtdicke in der Regel etwas ab. Bevorzugt hat die Außenleiterschicht in dem Heizabschnitt des erfindungsgemäßen Glühstifts in dem Heizabschnitt eines erfindungsgemäßen Glühstifts eine Stärke von weniger als 50 μm, vorzugsweise weniger als 30 μm.
Wie bereits erwähnt kann die Außenleiterschicht des Heizabschnitts mit einem Strahldruckverfahren aufgedruckt werden. Besonders gut geeignet sind dabei kontinuierliche Strahlverfahren, die in der englischsprachigen Literatur häufig mit „continuous ink jet” bezeichnet werden. Bei diesen Druckverfahren läuft die zu druckende Flüssigkeit, die üblicherweise als Tinte bezeichnet wird, kontinuierlich durch den Druckkopf, unabhängig davon, ob momentan gedruckt werden soll oder nicht. Aus dem kontinuierlichen Strom wird ein Teil der Flüssigkeit bildabhängig zum Drucken auf die Materialoberfläche gelenkt, d. h. der Teil der Tropfen, der die Oberfläche erreichen soll, wird elektronisch angesteuert. Der Flüssigkeitsstrom bzw. die Tropfen werden dabei mittels einer Ladeelektrode aufgeladen. Durch diese Ladung kann die Flüssigkeit dann im elektrischen Feld einer Ablenkplatte abgelenkt und so der Druckvorgang gesteuert werden. Wenn bei diesem Verfahren momentan nicht gedruckt werden soll, wird der Flüssigkeitsstrahl nicht auf die zu bedruckende Materialoberfläche abgelenkt. Die Flüssigkeit kann dann über ein Fängerrohr wieder aufgefangen und in einen Vorratsbehälter zurückgeführt werden. Andere Strahldruckverfahren, die an sich ebenfalls für die vorliegende Erfindung geeignet sind, sind im Zusammenhang mit Tintenstrahldruckern unter den Schlagworten bubble jet, drop an demand und Piezodruck bekannt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Glühkerze;
2 eine schematische Darstellung eines Glühstifts;
3 eine Schnittansicht zu 2;
4 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
5 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;
6 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels;
7 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Glühkerze in einer teilweise geschnittenen Ansicht. Die dargestellte Glühkerze hat ein Gehäuse 1, aus dem ein keramischer Glühstift 2 heraus ragt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 1 ein Außengewinde 1a und einen Sechskant 1b zum Einschrauben in einen Motor auf. Glühkerzen können aber auch auf andere Weise an einem Motor montiert werden, so dass anstelle des Außengewindes 1a und des Sechskants 1b auch andere Befestigungsmittel vorgesehen sein können.
Der Glühstift 2 kann an seinem in dem Gehäuse 1 angeordneten Ende einen verjüngten Abschnitt haben, der in einem Anschlusselement 3 steckt, über welches der Glühstift an einen Innenpol 4 der Glühkerze angeschlossen ist. An seinem anderen Ende weist der Glühstift 2 einen Heizabschnitt auf, der bevorzugt dünner als ein an ihn anschließender Hauptabschnitt ausgebildet ist. Der Heizabschnitt kann beispielsweise zylindrisch oder sich verjüngend, insbesondere konisch verjüngend ausgebildet sein. Zwischen seinen beiden Endabschnitten kann der Glühstift von einer Schutzhülse 5 umgeben sein.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Glühstifts 2. Dieser Glühstift 2 hat eine Glühspitze mit einem sich verjüngenden Heizabschnitt. Der Heizabschnitt kann unmittelbar an einen zylindrischen Hauptabschnitt anschließen. Möglich ist es auch, dass sich zwischen dem Heizabschnitt und dem Hauptabschnitt ein Zwischenabschnitt befindet. Der Glühstift 2 hat einen keramischen Innenleiter 2a, eine den Innenleiter 2a umgebende keramische Isolationsschicht 2b und eine auf der Isolationsschicht 2b liegende Außenleiterschicht 2c. Bei der Herstellung des Glühstifts wurde die Außenleiterschicht 2c in dem Heizabschnitt abgetragen, beispielsweise durch Drehen.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verjüngt sich der Glühstift 2 soweit, dass an seinem Ende der Innenleiter 2a freigelegt ist. Bevorzugt verjüngt sich der Heizabschnitt konisch. Der Heizabschnitt kann aber beispielsweise auch zylindrisch ausgebildet sein.
In dem Heizabschnitt ist die Isolationsschicht 2b teilweise von einer Außenleiterschicht 2d bedeckt, die einen Heizleiter bildet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bedeckt die Außenleiterschicht 2d in dem Heizabschnitt mehrere bandförmige Flächen der Isolationsschicht 2b und lässt Teilflächen der Isolationsschicht 2b zwischen benachbarten Teilflächen der Außenleiterschicht 2d frei. Die bedeckten Teilflächen der Außenleiterschicht 2d bilden mehrere Leiterbahnen, die den Innenleiter 2a mit der Außenleiterschicht 2c, die in dem Hauptabschnitt des Glühstifts 2 die Isolationsschicht vollständig bedeckt, elektrisch verbinden. Die Außenleiterschicht 2d hat bevorzugt eine Dicke von nicht mehr als 100 μm, besonders bevorzugt nicht mehr als 50 μm, insbesondere nicht mehr als 30 μm.
Die in dem Heizabschnitt auf die Isolationsschicht aufgedruckte Außenleiterschicht 2d ist dünner als die Außenleiterschicht 2c in dem zylindrischen Hauptschnitt des Glühstifts 1.
3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie AA von 2. Der elektrische Widerstand des Heizabschnitts kann durch die Anzahl und Ausgestaltung der einzelnen Leiterbahnen auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Die 4 und 5 zeigen in einer schematischen Darstellung Schnittansichten von weiteren Ausführungsbeispielen eines Glühstifts 2. Diese Ausführungsbeispiele unterscheiden sich von dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 im Wesentlichen nur durch die Anzahl und Breite der Leiterbahnen.
Anstatt die Leiterbahnen als Streifen auszubilden, die in Längsrichtung des Glühstifts 2 verlaufen, kann der Außenleiter 2d auch eine oder mehrere bandförmige Flächen der Isolationsschicht 2c bedecken, die um den Heizabschnitt herum gewunden sind. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Außenleiterschicht 2d in dem Heizabschnitt wendelförmig gewundene Leiterbahnen aufweist. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Glühstifts 2, bei dem die Außenleiterschicht in dem Heizabschnitt durch eine oder mehrere meanderförmig gewundene Leiterbahnen gebildet wird.
Die Außenleiterschicht kann in dem Heizabschnitt bei jedem der beschriebenen Ausführungsbeispiele von einer Schutzschicht 2e bedeckt sein. Auf eine elektrisch isolierende Schutzschicht 2e kann aber auch verzichtet werden.
Die vorstehend beschriebenen Glühstifte 2 können hergestellt werden, indem zunächst durch Koextrusion ein Grünkörper hergestellt wird, der einen Kern aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial, eine den Kern umgebende Zwischenschicht aus nach Sinterung elektrisch isolierendem Keramikmaterial und eine die Zwischenschicht umgebende Schicht aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial aufweist. Die Keramikmaterialien können beispielsweise auf Basis von Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid hergestellt werden und durch Zusätze von Molybdänsilizid oder anderen leitfähigen Keramikmaterialien leitend gemacht sein. Von einem Endabschnitt des Grünkörpers wird die Schicht aus dem nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial entfernt. Danach wird auf den Endabschnitt eine Schicht aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial aufgedruckt, beispielsweise mit einem Strahldruckverfahren. Der Grünkörper wird anschließend gesintert.
Die Schicht wird auf den Endabschnitt des Grünkörpers bevorzugt in einer Stärke von weniger als 50 μm, vorzugsweise weniger als 30 μm aufgedruckt.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
1a: Außengewinde
1b: Sechskant
2: Glühstifts
2a: Innenleiter
2b: Isolationsschicht
2c: Außenleiterschicht
2d: Außenleiterschicht
2e: Schutzschicht
3: Anschlusselement
4: Innenpol
5: Schutzhülse

Claims

Glühkerze für einen Dieselmotor, mit einem keramischen Glühstift (2), der einen Heizabschnitt aufweist, und einem Gehäuse (1), aus dem der Glühstift (2) herausragt, wobei der Glühstift (2) einen keramischen Innenleiter (2a), eine den Innenleiter (2a) umgebende Isolationsschicht (2b) und eine auf der Isolationsschicht (2b) hegende keramische Außenleiterschicht (2c, 2d) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenleiterschicht (2d) in dem Heizabschnitt die Isolationsschicht (2b) nur teilweise bedeckt.
Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenleiterschicht (2d) in dem Heizabschnitt eine oder mehrere bandförmige Flächen der Isolationsschicht (2b) bedeckt und Teilflächen der Isolationsschicht (2b) zwischen benachbarten Abschnitten der Außenleiterschicht (2d) frei lässt.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenleiterschicht (2d) in dem Heizabschnitt mehrere Leiterbahnen bildet.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenleiterschicht (2d) in dem Heizabschnitt von einer Schutzschicht (2e) bedeckt ist.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizabschnitt dünner als der Hauptabschnitt ist.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenleiterschicht (2c) in einem Hauptabschnitt des Glühstifts (2) die Isolationsschicht (2b) vollständig bedeckt.
Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Heizabschnitt verjüngt, wobei an seinem verjüngten Ende die Isolationsschicht (2b) entfernt ist und die Außenleiterschicht auf dem Innenleiter (2a) liegt.
Verfahren zum Herstellen eines Glühstifts (2) für eine Glühkerze, wobei durch Extrusion ein Grünkörper hergestellt wird, der einen Kern aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial, eine den Kern umgebende Zwischenschicht aus nach Sinterung elektrisch isolierendem Keramikmaterial und eine die Zwischenschicht umgebende Schicht aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial aufweist, von einem Endabschnitt des Grünkörpers die Schicht aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial entfernt wird, auf den Endabschnitt eine Schicht aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial aufgebracht, und der Grünkörper gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht aus nach Sinterung elektrisch leitfähigem Keramikmaterial auf den Endabschnitt aufgedruckt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht mit einem Strahldruckverfahren aufgedruckt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht in einer Stärke von weniger als 50 μm, vorzugsweise weniger als 30 μm, aufgedruckt wird.