DE3318458C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Glühkerze für Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Eine solche Glühkerze, die aus der DE-OS 31 46 653 bekannt ist, hat ein elektrisches Heizelement, welches auf einem elektrisch isolierenden Keramikrohr angeordnet ist und dabei im wesentlichen auf den Bereich des brennraumseitigen Bodens des Keramikrohres begrenzt ist; das Heizelement, das schichtförmig ausgebildet ist und auf der Außenseite des Keramikrohr-Bodens angeordnet und mit einer elektrisch isolierenden, dichten Schutzschicht abgedeckt ist, hat gemäß obengenannter Druckschrift eine im wesentlichen wellenförmige Konfiguration, kann aber auch als Einschnürung zwischen den beiden Anschlußleiterbahnen ausgebildet sein.

Es wurde darüber hinaus auch schon vorgeschlagen, das schichtförmige Heizelement auf dem Keramikrohr-Boden als zwei oder mehrere nebeneinander mit Abstand angeordnete, elektrisch parallelgeschaltete Leiterbahnen auszuführen (deutsche Patentanmeldung P 32 07 913.3).

Vorgeschlagen wurde bei einer derartigen Glühkerze außerdem auch die Anordnung eines schichtförmigen Überhitzungsschutzes (PTC-Widerstand) in der zum schichtförmigen Heizelement führenden Anschlußleiterbahn (deutsche Patentanmeldung P 32 31 781.6).

Aus der JP 54-1 09 536 A ist eine Glühstiftkerze mit einem stabförmigen Heizelement bekannt, das sich aus einer Vielzahl von Keramikplättchen zusammensetzt; die Keramikplättchen sind bei dem Heizelement quer zur Längsrichtung angeordnet und tragen auf ihrer Großfläche jeweils eine Widerstandsleiterbahn. Die einzelnen Keramikplättchen sind aufeinandergesintert und die Widerstandsleiterbahnen mittels Leiterbahnen miteinander verbunden, die auf der Außenseite des stabförmigen Heizelementes angeordnet sind; die Widerstandsleiterbahnen auf den einzelnen Keramikplättchen können in Reihe oder parallel geschaltet sein.

In der JP 58-46 590 A ist ein scheibenförmiger Heizkörper beschrieben, der aus übereinanderliegenden keramischen Isolierschichten und dazwischen befindlichen Widerstandsleiterbahnen zusammengesintert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel sind zwei aus leitfähiger Paste gedruckte Heizelementscheiben zwischen drei Substratscheiben aus elektrisch isolierender Keramik angeordnet; für die Kontaktierung sind die Substrat- und die Heizelementscheiben mit einer zentralen Bohrung versehen. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist ein scheibenförmiger Heizkörper dargestellt, bei dem ein schneckenförmiges Widerstandsheizelement in eine keramische Masse eingesintert ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Glühkerze mit einem Heizelement zu schaffen, das eine gute Temperaturregelung und -verteilung ermöglicht und die Einflüsse des in die Brennkraftmaschine einströmenden, kalten Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches, der heißen Verbrennungsgase und die Wärmeableitung innerhalb der Glühkerze kompensiert. Die erfindungsgemäße Glühkerze heizt außerdem noch schnell auf die Betriebstemperatur auf und verhindert ein Durchbrennen ihrer Heizleiterbahnen.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Glühkerze möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert; die

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Glühkerze in vergrößerter Darstellung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den brennraumseitigen Endabschnitt einer ersten Ausführungsform eines Heizkörpers in noch weiter vergrößerter Darstellung (parallele Leiterbahn-Bereiche des Heizelementes),

Fig. 3 die Unteransicht des Heizkörpers nach Fig. 2 (ohne äußere Schutzschicht),

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den brennraumseitigen Endabschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Heizkörpers in vergrößerter Darstellung (aneinandergereihte Leiterbahn-Bereiche des Heizelementes) und

Fig. 5 die Unteransicht des Heizkörpers nach Fig. 4 (ohne äußere Schutzschicht).

Ein Metallgehäuse 11 hat für den Einbau der Glühkerze 10 in eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine an seiner Außenseite ein Einschraubgewinde 13, ein Schlüsselsechskant 14 und einen Dichtsitz 15. In einer Längsbohrung 16 dieses rohrförmigen Metallgehäuses 11 befindet sich ein Dichtabsatz 17, welcher dem brennraumseitigen Endabschnitt der Glühkerze 10 abgewendet ist und auf welchem ein Dichtring 18 aufliegt.

Ein auf einem Teil seiner Länge vom Metallgehäuse 11 fest und abdichtend umfaßter Heizkörper 12 besitzt einen Keramikträger 19, welcher aus elektrisch isolierendem Keramikmaterial oder Glaskeramik besteht, vorzugsweise jedoch aus Aluminiumoxid hergestellt ist. Dieser Keramikträger 19 ist im wesentlichen von rotationssymmetrischer Form und hat einen anschlußseitigen Kopf 20, welcher aus dem brennraumfernen Ende der Gehäuse-Längsbohrung 16 herausragt und über eine anschlußseits weisende Dichtschulter 21 in einen angeformten Bund 22 übergeht; der Bund 22 setzt sich brennraumseits als ein Bundansatz 23 mit kleinerem Durchmesser fort und geht über eine brennraumseits weisende Dichtschulter 24 in einen Fuß 25 des Keramikträgers 19 über. Der Keramikträger 19 liegt mit seiner brennraumseits weisenden Dichtschulter 24 auf dem Dichtring 18 in der Gehäuse-Längsbohrung 16 auf, trägt auf seiner anschlußseits weisenden Dichtschulter 21 einen Dichtring 26 und wird durch einen am anschlußseitigen Endabschnitt des Metallgehäuses 11 befindlichen, auf den Dichtring 26 drückenden Bördelrand 27 fixiert. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, besitzt das Metallgehäuse 11 einen sogenannten Warmschrumpfbereich 28, welcher an sich bekannt ist (US-PS 21 11 916) und für einen abdichtenden Einbau des Heizkörpers 12 im Metallgehäuse 11 sorgt; anstelle der Anwendung dieses Bördel- und Warmschrumpfprozesses kann der Keramikträger 19 aber auch durch Einkitten oder ähnliches im Metallgehäuse 11 abdichtend festgelegt sein.

Der Keramikträger 19 besitzt ein axiales Sackloch 29, welches am brennraumfernen Ende des Keramikträgers 19 offen ist und brennraumseits seinen dünnen Boden 30 hat; ein als Kopfbohrung 31 bezeichneter anschlußseitiger Bereich des Keramikträger-Sackloches 29 geht in bevorzugter Weise über einen kegelstumpfförmigen Bohrungsübergang 32 in eine Fußbohrung 33 über, welche einen kleineren Durchmesser hat als die Kopfbohrung 31. Der Boden 30 des Keramikträgers 19 ist in diesem Beispiel in bevorzugter Ausführungsform als Kuppe ausgebildet, kann jedoch auch von anderer Konfiguration sein. Der Boden 30 des Keramikträgers 19 ragt in der vorliegenden Darstellung brennraumseits aus der Längsbohrung 16 des Metallgehäuses 11 etwas heraus und ist mittels einer Schutzkappe 34 zum nicht dargestellten Brennraum der Brennkraftmaschine abgeschirmt; diese Schutzkappe 34 besteht aus warmfestem Material, ist am brennraumseitigen Ende des Metallgehäuses 11 durch Schweißen oder ähnliches befestigt, hält Abstand vom Boden 30 des Keramikträgers 19 und ist mit Durchbrüchen 35 versehen, die dem Zutritt von unverbranntem Kraftstoffdampf- Luft-Gemischen bzw. dem Austritt von verbrannten Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen zum bzw. vom Heizkörper 12 dienen.

Ein Heizelement 36 dieses Heizkörpers 12 ist - wie bereits aus der DE-OS 31 46 653 bekannt - schichtförmig auf die Außenseite des Keramikträger-Fußes 25 aufgetragen und bevorzugt im Bereich des Bodens 30 angeordnet; zur Verbindung dieses Heizelementes 36 mit einer nicht dargestellten Stromquelle sind auf der Außenseite des Keramikträgers 19 Anschlußleiterbahnen 37 und 38 aufgebracht, welche jeweils zu einem Anschlußbereich 39, 40 führen. Im vorliegendem Beispiel geht die erste Anschlußleiterbahn 37 von einem Anschlußbereich 39 aus, der sich auf dem brennraumfernen Endabschnitt des Keramikträgers 19 befindet und etwas in die Kopfbohrung 31 hineinragt. Der Anschlußbereich 40 der zweiten Anschlußleiterbahn 38 liegt in diesem Beispiel auf der Dichtschulter 24 des Keramikträgers 19; anstelle dieses auf der Dichtschulter 24 des Keramikträgers 19 liegenden Anschlußbereiches 40 könnte die Anschlußleiterbahn 38 aber auch bis zum brennraumfernen Endabschnitt des Keramikträgers 19 verlängert werden; er wäre dann jedoch vom Anschlußbereich 39 elektrisch isoliert zu halten. Aus den Fig. 2 und 3 ist die Ausführungsform des Heizelementes 36 genauer zu ersehen: Die vom Anschlußbereich 39 des Keramikträgers 19 kommende Anschlußleiterbahn 37 ist mittels bekannter Dickschichttechnik auf den Keramikträger 19 aufgetragen, vorzugsweise auf drucktechnische Art; diese Anschlußleiterbahn 37 besteht bevorzugt aus einer Mischung von Platin und Aluminiumoxid, kann aber auch anstelle von Platin ein Nichtedelmetall (z. B. Wolfram) enthalten. Der brennraumseitige Endabschnitt dieser Anschlußleiterbahn 37 ist im Bereiche des Keramikträger-Bodens (Anschlußpunkt 41) mit dem Heizelement 36 verbunden, das sich über die Außenseite des Keramikträger-Bodens 30 erstreckt. Das Ende des Heizelementes 36 (Anschlußpunkt 42) ist mit der zweiten Anschlußleiterbahn 38 verbunden, die bis auf die Keramikträger-Dichtschulter 24 führt und dort als Anschlußbereich 40 dient; diese Anschlußleiterbahn 38 besteht aus dem gleichen Material wie die Anschlußleiterbahn 37 und ist auch mittels eines bekannten Druckverfahrens oder ähnlichem auf den Keramikträger 19 aufgebracht worden. Die beiden Anschlußleiterbahnen 37 und 38 sind ausschließlich ihrer Anschlußbereiche 39 bzw. 40 von einer elektrisch isolierenden, dichten Schutzschicht 43 bzw. 44 abgedeckt, die bevorzugt aus einem keramischen Material, wie z. B. Aluminiumoxid oder Magnesiumspinell, besteht.

Das Heizelement 36 besteht nun aus zwei Leiterbahn- Bereichen 45 und 46, die aufeinander angeordnet, mit ihren Endabschnitten in den Anschlußpunkten 41 und 42 miteinander verbunden und mittels einer Elektroisolierschicht 47 voneinander getrennt sind. Während der dem Keramikträger- Boden 30 nahe, untere Leiterbahn-Bereich 45 von wellenförmiger Konfiguration ist, wurde der daraufliegende, durch die Elektroisolierschicht 47 getrennte Leiterbahn- Bereich 46 in seinem wirksamen Bereich als Einschnürung 46/1 ausgebildet. Die Leiterbahn-Bereiche 45 und 46 sind in bevorzugter Weise aus einer Platin-Rhodium-Legierung mit keramischem Anteil (z. B. 40% Aluminiumoxid) oder einem anderen geeignetem, elektrisch leitendem Material hergestellt und mittels eines bekannten Verfahrens (z. B. Drucken, Spritzen) auf den Keramikträger-Boden 30 bzw. die Elektroisolierschicht 47 aufgebracht. Die auf den Leiterbahn-Bereich 45 aufgebrachte Elektroisolierschicht 47 besteht bevorzugterweise aus Aluminiumoxid, kann aber auch aus einem anderen Material hergestellt werden; für das Auftragen dieser Elektroisolierschicht 47 auf den Leiterbahn-Bereich 45 können auch bekannte Verfahren wie Tauchen, Drucken und Aufspritzen Verwendung finden.

Bei dieser aufgezeigten Ausführungsform des Heizkörpers 12 ist auch noch der obenliegende Leiterbahn-Bereich 46 mit einer dichten, elektrisch isolierenden Schutzschicht 48 abgedeckt; zweckmäßigerweise werden die Schutzschichten 43 und 44 auf den Anschlußleiterbahnen 37 bzw. 38 und diese Schutzschicht 48 auf dem Heizelement 36 gleichzeitig auf den Heizkörper 12 aufgetragen und mit dem Keramikträger 19 und dem Heizelement 36 gemeinsam fertiggesintert. Die Gestaltung der Leiterbahn-Bereiche 45 und 46 ist dem jeweiligen Verwendungszweck angepaßt, kann also von unterschiedlicher Konfiguration sein. Bevorzugterweise hat der obenliegende Leiterbahn-Bereich 46 in seinem wirksamen Bereich (Einschnürung 46/1) einen niedrigeren ohmschen Widerstand als der untenliegende Leiterbahn-Bereich 45; infolge dieser Auslegung der Leiterbahn-Bereiche 45 und 46 wird die Einschnürung 46/1 schnell aufgeheizt, während der untere Leiterbahn- Bereich 45 als Wärmepuffer wirkt und eine thermische Überbelastung des Keramikträgers 19 unterbindet.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel hat der Fuß 25 des Keramikträgers 19 einen Außendurchmesser von 5 mm und eine Wanddicke im Bereich des Bodens 30 von 0,5 mm; aus Festigkeits- und Wärmeleitgründen und auch für ein dichtes Festlegen des Keramikträgers 19 im Metallgehäuse 11 ist die Wandstärke des Keramikträgers 19 brennraumfern von der Dichtschulter 24 ausgehend dicker ausgeführt. Während die Anschlußleiterbahnen 37 und 38 und auch die Leiterbahn-Bereiche 45 und 46 eine Dicke haben die entsprechend dem Anwendungsfall zwischen 5 und 20 µm liegt, hat die Elektroisolierschicht 47 eine Dicke von etwa 25 µm und die Schutzschichten 43, 44 und 48 eine Dicke zwischen 30 und 50 µm.

Am Kopf 20 des Keramikträgers 19 ist eine Vertiefung 49 mit eingeformt, die zum lagerichtigen Aufstecken eines nicht dargestellten Anschlußsteckers dient; zur Arretierung des nicht dargestellten Anschlußsteckers ist auf der Außenseite des Keramikträger-Kopfes 31 eine Ringnut 50 vorgesehen.

In den Fig. 4 und 5 ist eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Heizelementes 36′ dargestellt, welches auf dem Boden 30′ eines Keramikträgers 19′ aufgebracht ist. Die eine von einer Schutzschicht 43′ bedeckte Anschlußleiterbahn 37′ ist nahe dem Keramikträger-Boden 30′ im Anschlußpunkt 41′ mit dem Heizelement 36′ verbunden, und zwar mit dem direkt auf dem Boden 30′ aufliegenden Leiterbahn-Bereich 45′; dieser Leiterbahn- Bereich 45′ ist wie auch im Beispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 von wellenförmiger Konfiguration, kann aber auch entsprechend dem Anwendungszwecke anders gestaltet sein. Das Ende dieses Leiterbahn-Bereiches 45′ ist in einem Verbindungspunkt 51 mit dem Anfang des anderen Leiterbahn- Bereiches 46′ verbunden und - ebenfalls voneinander getrennt mittels einer Elektroisolierschicht 47′ - oben auf dem Leiterbahn-Bereich 45′ aufgebracht. Der obenliegende Leiterbahn-Bereich 46′ ist in seinem Wirkbereich wieder als Einschnürung 46/1′ ausgebildet. Das dem Verbindungspunkt 51 entgegengesetzte Ende des Leiterbahn-Bereichsd 46′ bildet den Anschlußpunkt 42′ für die Anschlußleiterbahn 38′, welche ausschließlich ihres Anschlußbereiches 40′ ebenfalls eine Schutzschicht 44′ trägt. Wie auch im vorstehenden Beispiel ist der obenliegende Leiterbahn-Bereich 46′ bevorzugt mit einer Schutzschicht 48′ abgedeckt.

Um auch bei dieser Ausführungsform den obenliegenden Leiterbahn-Bereich 46′ möglichst schnell aufzuheizen, ist es zweckmäßig, wenn dieser einen höheren ohmschen Widerstand hat als der untenliegende Leiterbahn-Bereich 45′. Vorteilhafterweise kann aber auch der untenliegende Leiterbahn-Bereich 45′ aus einem Widerstandsmaterial mit PTC-Charakteristik bestehen; bei einer solchen Ausführung wird sich der obenliegende Leiterbahn- Bereich 46′ ganz besonders schnell erhitzen und dabei infolge des zunehmenden elektrischen Widerstandes des untenliegenden Leiterbahn-Bereiches 45′ vor einem Durchbrennen bewahrt. Als Widerstandsmaterial mit PTC-Charakteristik ist ein Nickel- oder Wolfram-Keramik- Gemisch geeignet.

Im übrigen gelten für diese Ausführungsform die Angaben zu dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3.

Claims (4)

1. Glühkerze für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Brennkraftmaschinen ohne Fremdzündung, mit einem Heizkörper, der dicht in der Längsbohrung eines rohrförmigen Metallgehäuses befestigt ist und ein mit einem brennraumseitigen Boden versehenes Keramikrohr besitzt, auf dessen Außenseite ein schichtförmiges elektrisches Heizelement angeordnet ist, welches in mindestens zwei, mit Abstand voneinander angeordnete Leiterbahn-Bereiche unterteilt ist, die mittels zu den Anschlußbereichen des Keramikrohres führenden, bevorzugt mit elektrisch isolierender Schutzschicht bedeckten Anschlußleiterbahnen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn-Bereiche (45, 46; 45′, 46′) des Heizelementes (36, 36′) übereinander angeordnet, jeweils mittels einer Elektroisolierschicht (47, 47′) voneinander getrennt und hintereinandergeschaltet sind, und daß ein Leiterbahn-Bereich (45′) aus einem Widerstandsmaterial mit PTC-Charakteristik besteht.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des aus dem Widerstandsmaterial mit PTC Charakteristik bestehenden Leiterbahn-Bereichs (45′) ein Leiterbahn-Bereich (46′) ohne ausgeprägten variablen Widerstand angeordnet ist.

3. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der obenliegende Leiterbahn-Bereich (46, 46′) des Heizelementes (36, 36′) mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht (48, 48′) abgedeckt ist.

4. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahn-Bereiche (45, 46, 45′, 46′) des Heizelementes (36, 36′) im wesentlichen auf dem Keramikträger-Boden (30, 30′) angeordnet sind.