DE3736310A1 - Gluehkerze fuer dieselmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze für Dieselmotoren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Damit betrifft die Erfindung allgemein eine Glühkerze bzw. einen Glühkörper zum Vorwärmen einer Hilfsverbrennungskammer oder einer Verbrennungskammer eines Dieselmotors und insbesondere eine Glühkerze für Dieselmotoren mit einer Keramikheizvorrichtung mit einer Schnellheizfunktion und Selbstsättigungseigenschaften, die ein Nachglühen über mehrere Stunden erlaubt.

Dieselmotoren haben allgemein schlechte Starteigenschaften bei niedrigen Temperaturen. Um den Startvorgang zu unterstützen, wird allgemein in einer Hilfsverbrennungskammer oder Verbrennungskammer eine Glühkerze verwendet, um die Temperatur der Ansaugluft zu erhöhen oder um als Zündquelle zu dienen, wobei die Wärme durch Zufuhr von Elektrizität zu der Kerze erzeugt wird. Die Glühkerze ist allgemein eine geschichtete Heizvorrichtung, die durch Füllen einer metallischen Schicht bzw. Hülle mit hitzebeständigem, isolierendem Pulver und Einbetten einer Heizspirale aus Ferrochrom, Nickel usw. in das Pulver hergestellt wird. Außerdem ist bereits eine Keramikheizvorrichtung aus der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 41 523/1982 bekannt, die einen Heizdraht aus Wolfram enthält, der in ein isolierendes Keramikmaterial wie Stickstoffsilicid eingebettet ist. Die Keramikheizvorrichtung ist in den letzten Jahren im breiten Umfang verwendet worden, da sie im Vergleich zu den geschichteten Heizvorrichtungen, die mittels des hitzebeständigen, isolierenden Pulvers und der Hülle indirekt geheizt werden, eine bessere Wärmeübertragungsleistung und ausgezeichnete Wärmeaufbaueigenschaften hat, wobei sie in einer kurzen Zeitspanne des Heizens rotglühend wird.

Die Glühkerze nach der keramischen Heizvorrichtungsart jedch hat einen metallischen Heizungsdraht aus Wolfram etc., der in die Innenseite eines isolierenden keramischen Materials wie beispielsweise Stickstoffsilicid, eingebettet ist. Infolge verschiedener Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Bauteile tritt ein scharfer Temperaturanstieg während des Heizens auf, so daß bei häufigem Gebrauch der Heizvorrichtung die Betriebssicherheit einschließlich des Wärmewiderstandes der keramischen Heizvorrichtung abnimmt. Dies führt zudem zu erhöhten Herstellungskosten.

Zur Lösung dieses Problems ist in den japanischen Offenlegungsschriften Nr. 9 085/1985 und 14 784/1985 eine Konstruktion für eine keramische Heizvorrichtung vorgeschlagen worden, bei der ein elektrisches Widerstandskeramikmaterial mit einem solchen Wärmeausdehnungskoeffizienten als Heizdraht verwendet wird, der demjenigen des isolierenden Keramikmaterials entspricht. Bei beiden vorgeschlagenen Glühkerzen gibt es jedoch Konstruktions- und Funktionsprobleme, so daß eine kommerzielle Anwendung nicht möglich ist.

Beispielsweise erzielt dabei eine Konstruktion, bei der ein elektrisches Widerstandskeramikmaterial als Heizelement verwendet wird, das in ein isolierendes Keramikmaterial eingebettet ist, eine bessere Wärmeübertragung als geschichteter Heizvorrichtungstyp. Jedoch ist die Schnellheizfunktion mangelhaft, da die Vorrichtung auf indirekter Erwärmung basiert, und sie erfordert komplexe Herstellungs- und Bearbeitungsvorgänge. Bei der letztgenannten Heizvorrichtung verläuft die Schnellheizfunktion zufriedenstellend, jedoch liegt das Heizelement außen an der Heizfläche. Die Konstruktion ihres Heizelements, bei der U-förmige Bauteile laminiert sind und beide Enden zum rückwärtigen Ende der Heizvorrichtung führen, macht die Elektrodenabnahmemethode äußerst kompliziert, was zu hohen Herstellungskosten führt.

Es gibt in letzter Zeit eine steigende Nachfrage nach derartigen Glühkerzen, um die Startleistung des Dieselmotors zu verbessern, um die Haltbarkeit zu erhöhen, indem den Hochtemperaturbedingungen standgehalten wird, die mit der Einführung der Turbolader verbunden sind, wobei eine erhöhte Verwendung von Nachglühsystemen zu verzeichnen ist, bei denen die Glühkerze bzw. der Glühkörper über eine vorbestimmte Zeitspanne nach Start des Motors erregt bleibt, um eine glatte und adäquate Verbrennung innerhalb des Motors als Abgas- und Geräuschsteuereinrichtung sicherzustellen. Außerdem besteht eine steigende Nachfrage hinsichtlich der Verlängerung der Nachglühzeit, die so lang wie möglich (beispielsweise etwa 10 Minuten) sein soll. Dies bedeutet, daß auch nach Start des Dieselmotors viel Zeit vergeht, um diesen beispielsweise in einer kalten Gegend aufzuwärmen, da er auf eine zu niedrige Temperatur abgekühlt ist. Im nicht aufgewärmten Zustand sind die Motorgeräusche im Leerlauf außerordentlich groß. Die unvollständige Verbrennung verursacht zudem häufig weißen Rauch, was in extremen Fällen zu einem Motorstillstand führt, um derartige Nachteile zu verhindern, sind das Nachglühen und weitere Maßnahmen erforderlich. Um eine längere Nachglühzeit zu erreichen, ist es erforderlich, die Heizeigenschaften des Heizelementes wesentlich zu verbessern, während ein Überhitzen durch Steuerung des Stromes zu verhindern ist, der dem Heizelement zugeführt wird, wobei die Heizvorrichtung mit einer Eigentemperatur-Sättigungsfunktion ausgerüstet sein soll, um die Sättigungstemperatur der Heizvorrichtung unterhalb einer geeigneten Temperaturgrenze zu halten. Unter Berücksichtigung dieser Punkte soll eine billige Glühkerze hergestellt werden, die eine Schnellheizfunktion und Eigentemperatur-Sättigungseigenschaften hat und äußerst zuverlässig einschließlich ihres Wärmewiderstandes ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Glühkerze für Dieselmotoren anzugeben, die schneller und zuverlässiger an der Spitze rotglühend wird als herkömmliche Glühkerzen, so daß sie als Schnellheizvorrichtung wirkt. Außerdem sollen Brüche und andere Schäden selbst bei einem scharfen Temperaturanstieg während des Heizens einer Keramikheizvorrichtung vermieden werden, so daß eine hohe Zuverlässigkeit einschließlich des Wärmewiderstandes gewährleistet ist. Schließlich soll als Abgas- und Lärmsteuereinrichtung für Motoren, in die die Glühkerze eingebaut wird, ein langes Nachglühen erreicht werden, wobei die Glühkerze zudem einen einfachen Aufbau haben und leicht herzustellen sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenn des Patenanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Keramikheizvorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm mit Temperatureigenschaften einer Keramikheizvorrichtung,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch den wesentlichen Teil einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Keramikheizvorrichtung, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung darstellt,

Fig. 6A und 6B Seitenansichten einer vierten und einer fünften Ausführungsform von Keramikheizvorrichtungen gemäß der Erfindung, gesehen von der Leitungsseite,

Fig. 7 einen Längsschnitt durch eine sechste Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 8 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Zugabe von Ti und dem elektrischen spezifischen Widerstand.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung. Nachfolgend wird der Aufbau einer Glühkerze beschrieben, die durch das Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Glühkerze 10 hat eine stabförmige keramische Heizvorrichtung 11, deren Spitze als Heizelement dient, und einen im wesentlichen rohrförmigen metallischen Halter 12, der die keramische Heizvorrichtung 11 an ihrer Spitze hält. Am rückwärtigen Ende des Halters 12 ist ein äußerer Verbindungsanschluß 14 konzentrisch über eine isolierende Buchse 13 befestigt, die aus Kunststoff besteht. Der äußere Verbindungsanschluß 14 ist mit einer Leitung 22 der keramischen Heizvorrichtung 11 über einen metallischen Leitungsdraht 15, beispielsweise einen flexiblen Draht, und eine Anschlußklappe 15 a verbunden. Bezugszeichen 13 a bezeichnet ein metallisches Rohr, das als integraler Bestandeil am Außenumfang der isolierenden Buchse 13 befestigt und am rückwärtigen Ende des Halters 12 umgebogen ist, um den isolierenden Ring 13 integral mit der Seite des Halters 12 mit einer vorbestimmten Spannung bzw. Festigkeit zu befestigen, wodurch die Auswirkungen der Temperatur eliminiert sind. 16 a, 16 b und 16 c bezeichnen einen isolierenden Ring, der auf den Gewindeabschnitt am rückwärtigen Ende des äußeren Verbindungsabschnitts 14 aufgeschraubt ist, eine Befestigungsmutter und eine Mutter zum Befestigen eines äußeren Leitungsdrahtes. Der äußere Verbindungsanschluß 14 ist elektrisch mit einer nicht dargestellten Batterie verbunden, indem ein von der Batterie kommender Leitungsdraht zwischen den Muttern 16 b und 16 c gehalten wird. Durch Einschrauben des Gewindeabschnitts 12 a am Umfang des Halters 12 in eine nicht dargestellte Gewindebohrung im Zylinderkopf des Motors wird die keramische Heizvorrichtung 10 geerdet, und ihre Spitze steht in eine Hilfsbrennkammer oder eine Brennkammer des Motors vor. Die keramische Heizvorrichtung 11 ist über den metallischen Leitungsdraht 15 mit dem äußeren Verbindungsanschluß 14 so verbunden, daß die keramische Heizvorrichtung 11 vor Vibration, Befestigungsdrehmoment und zahlreichen anderen mechanischen Kräften geschützt ist, die auf den äußeren Verbindungsanschluß 14 ausgeübt werden. Der metallische Leitungsdraht 15 besteht aus irgendeinem flexiblen Draht.

Fig. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der keramischen Heizvorrichtung 11. Entsprechende Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 gekennzeichnet. In Fig. 2 hat ein Heizabschnitt 20 einen kleineren Durchmesser, so daß die Dicke des Heizabschnitts 20 geringer ist als die Dicke der Leitungen 21 und 22. Ein Schlitz 25 ist im Mittelabschnitt der keramischen Heizvorrichtung von dem Heizabschnitt 20 in Richtung der Leitungen 21 und 22 ausgebildet. Eine Metallbelagschicht 23 ist an der äußeren Umfangsfläche einer Leitung 21 von den beiden Leitungen 21 und 22 ausgebildet, die einstückig mit dem Heizabschnitt 20 aus einem elektrischen Widerstandskeramikmaterial bestehen, während an der anderen Leitung 22 eine isolierende Beschichtung 24 angebracht ist. Mit Nickel überzogene Schichten (nicht dargestellt) sind an den Flächen der Metallbelagschicht 23 und der isolierenden Überzugschicht 24 ausgebildet. Die keramische Heizvorrichtung 11 wird über die metallbeschichtete und isolierende Überzugschichten 23 und 24 und die mit Nickel überzogenen Schichten daran mit der Spitze des Halters 12 (Fig. 1) verbunden und daran befestigt, wobei geeignete Mittel wie Silberlötung angewandt werden. Eine mit Nickel überzogene Schicht kann auch an der Verbindungsfläche des Halters 12 vorgesehen sein, wenn dies erforderlich ist.

Die vorstehend beschriebene Keramikheizvorrichtung 11 kann durch Mischen von elektrischem Widerstands-Sialonpulver mit einem thermoplastischen Kunststoff und Spritzgießen der Mischung in eine Metallform sowie Sintern des Gusses hergestellt werden, oder durch Herstellen einer stabförmigen Keramikheizvorrichtungsvorform, die durch elektrische Funkenformung oder eine herkömmliche Bearbeitung in eine bestimmte Form gebracht wird. Nach diesen Formvorgängen werden eine metallische Schicht 23 und eine isolierende Überzugsschicht 24 (beispielsweise durch Flammspritzen von Aluminiumoxid) auf den entsprechenden äußeren Umfangsflächen der Leitungen 21 und 22 ausgebildet, woraufhin die mit Nickel überzogenen Schichten auf den Flächen der Schichten 23 und 24 als Hilfsmittel zum Verbinden der Schichten mit dem metallischen Halter 12 (Fig. 1) ausgebildet werden. Bezugszeichen 27 in Fig. 2 ist eine metallische Schicht an einem Elektrodenende 26, auf der eine mit Nickel überzogene Schicht ausgebildet ist. Eine Heizanordnung ist durch Verbindung des metallischen Leitungsdrahtes 15 mit der metallischen Schicht 27 über die Anschlußklappe 15 a gebildet. Die so aufgebaute Heizvorrichtung 11 wird in den Halter 12 eingesetzt, und die äußeren Umfangsflächen der Leitungen 21 und 22 werden über die metallische Schicht 23 und die isolierende Überzugsschicht 24 mit Hilfe von geeigneten Verbindungsmitteln wie Silberlötung fest verbunden. Die Anordnung der Glühkerze 10 wird dann durch Verbindung des rückwärtigen Endes des metallischen Leitungsdrahtes 15 mit dem äußeren Verbindungsanschluß 14 am rückwärtigen Ende des Halters 12 vervollständigt.

Da die Dicke und anderen Abmessungen jedes Teils der keramischen Heizvorrichtung 11 bei der Formgebung frei einstellbar sind, kann der Widerstandswert der Heizvorrichtung 11 frei ausgewählt werden, indem die Dicke der Heizvorrichtung 11 eingestellt wird. In dieser Ausführungsform hat beispielsweise die keramische Heizvorrichtung 11 solche Abmessungen, daß der Durchmesser des Heizkörpers 5 mm und derjenige des Heizabschnitts 20 3 mm betragen, während die Gesamtlänge der Heizvorrichtung (ausschließlich 5 mm Länge des Elektrodenendes 26) 50 mm beträgt, wobei die Länge des Heizabschnitts 20 sich auf 10 mm beläuft. Die metallische Schicht 23 und die isolierende Überzugschicht 24 sind über eine Länge von 20 mm, und zwar 25 mm von dem Kopfende entfernt, ausgebildet. In verschiedenen Experimenten wurde sichergestellt, daß bei dieser Konstruktion der Heizabschnitt 20 eine thermische Kapazität hat, die geringer als diejenige der Leitungen 21 und 22 ist, sowie einen vorbestimmten Widerstandswert, wodurch die angestrebten Eigentemperatur-Sättigungseigenschaften erreicht werden. Wenn zudem die keramische Heizvorrichtung 11 in einer Umgebung mit schweren Arbeitsbedingungen verwendet wird, obwohl dies für die vorliegende Ausführungsform nicht beschrieben war, kann eine bessere Haltbarkeit erreicht werden, wenn ein Schutzfilm mit Antioxidationseigenschaften auf den Außenflächen der keramischen Heizvorrichtung 11 mit Absetzen oder anderen geeigneten Mitteln aufgebracht wird.

Bei einem Experiment mit einer Glühkerze 10 mit einer keramischen Heizvorrichtung 11 wurde festgestellt, daß die Temperatur der Heizvorrichtung in 3,5 s 800°C erreicht und auf etwa 1100°C ansteigt bei einer Sättigungstemperatur, die unterhalb des erlaubten Grenzwertes von 1200°C blieb.

Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Konstruktion der Glühkerze 10 ruft ein Schlitz 25 entlang der Länge der keramischen Heizvorrichtung 11 einen Raum innerhalb des Halters 12 hervor, der offen in der Motorverbrennungskammer ist, in die die keramische Heizvorrichtung 11 eingesetzt ist. Infolgedessen ist es erforderlich, zu verhindern, daß das Hochdruckverbrennungsgas, das während der Verbrennung in der Verbrennungskammer entsteht, zur Außenseite des Motors austritt. Zu diesem Zweck hat diese Ausführungsform eine mechanische Dichtungskonstruktion, bei der eine Dichtungsplatte 28, die aus Asbest, Gummi usw. bestehen kann, am außenseitigen Ende einer isolierenden Buchse 13 integral mit dem äußeren Verbindungsanschluß 14 am rückwärtigen offenen Ende des Halters 12 angeordnet ist, wie Fig. 1 zeigt. Zahlreiche Variationen der Anordnung und Methode der Abdichtung sind möglich. Beispielsweise kann ein O-Ring am innenseitigen Ende der isolierenden Buchse 13 angeordnet sein, um den Halter 12 abzudichten.

Fig. 4 ist ein Längsschnitt durch wesentliche Teile einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Gleiche Bauteile sind mit denselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet. In Fig. 4 bezeichnet 30 eine isolierende Platte bzw. Folie aus einem isolierenden Keramikmaterial, das zwischen den Leitungen 21 und 22 der keramischen Heizvorrichtung 12 angeordnet und an einem Abschnitt integral mit diesem zusammengeführt ist, der wenigstens dem vorderen Abschnitt des Halters 12 entspricht. Bei dieser Konstruktion ist der Schlitz 25 geschlossen und an dem Abschnitt des Halters 12 abgedichtet, um den Austritt von Motorverbrennungsgasen zur Außenseite des Motors hin zu verhindern. Bei dieser Konstruktion ist die mechanische Festigkeit der keramischen Heizvorrichtung 11 an dem rückwärtigen Ende, das von dem Halter 12 gehalten ist, erhöht. Gleichzeitig kann die Dichtungsplatte 28 der vorigen Ausführungsform weggelassen werden.

Als oben erwähntes isolierendes Keramikmaterial kann Sialon verwendet werden, wie in dem Fall des elektrischen Widerstandskeramikmaterials, das zur Ausbildung der keramischen Heizvorrichtung 11 verwendet wird. Bei Auswahl eines derartigen Materials kann die isolierende Platte bzw. Schicht 30 aus demselben Material bestehen mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der demjenigen des Materials des Widerstandes in etwa gleich ist, und ihre Verbindungsfestigkeit kann so erhöht werden, daß sie zuverlässig aufrecht erhalten bleibt, einschließlich der Wärmebeständigkeit. Teile aus den oben erwähnten isolierenden und elektrisch mit Widerstand behafteten, auf Sialon basierenden Keramikmaterialien können durch Sintern in Gegenwart von Y₂O₃ oder anderen Oxiden als Sinterhilfe in einem Zustand fest miteinander verbunden werden, in dem eine Diffusionsschicht an dem Verbindungsabschnitt ausgebildet wird. Es können jedoch auch andere allgemein bekannte Methoden der Verbindung von Keramikmaterialien wie die Halogenid-Methode, die Lötmethode oder die Festphasen-Verbindungsmethode angewendet werden. Außerdem hat ein Material, das hauptsächlich aus SiC, Si₃N₄, AlN oder Al₂O₃ besteht, eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und gute Verbindungsfestigkeit bei Verbindung mit elektrisch mit Widerstand behafteten Keramikmaterialien, oder ein isolierendes Material wie Glas kann als isolierendes Keramikmaterial zur Herstellung der isolierenden Schicht bzw. Platte 30 verwendet werden. Da die isolierende Schicht 30 am rückwärtigen Ende der keramischen Heizvorrichtung 11 weit entfernt von dem Heizabschnitt 20 angeordnet ist, treten keine praktischen Probleme auf, selbst wenn die Zuverlässigkeit des Verbindungsteils etwas verschlechtert ist.

Die Erfindung ist nicht auf die Konstruktionen der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern die Form, Konstruktion usw. jedes Teils kann geändert und auf geeignete Weise modifiziert werden. Die Form der keramischen Heizvorrichtung 11 ist beispielsweise nicht auf eine runde Stabform beschränkt, wie sie oben beschrieben ist, sondern die Form der Heizvorrichtung 11 kann die eines quadratischen Stabes mit rechtwinkligem Querschnitt sein (Fig. 5) oder einer elliptischen Stabform, wie dies in den Fig. 6A und 6B gezeigt ist.

Bei den obigen Ausführungsformen ist eine metallische Schicht 23 auf einer Leitung 21 und eine isolierende Überzugschicht 23 auf der anderen Leitung 22 als elektrisch leitende und isolierende Schichten ausgebildet, wobei diese Schichten mit der Innenseite des Halters 12 durch Löten verbunden sind, um die keramische Heizvorrichtung 11 fest in den Halter 12 in einem Zustand zu befestigen, indem die Heizvorrichtung 11 am Kopfende des Halters 12 freitragend gehalten ist. Die Erfindung ist auf diese Konstruktion nicht beschränkt. Beispielsweise kann eine isolierende Schicht aus Glas oder jedem anderen isolierenden Material auf beiden Außenflächen der Leitungen 21 und 22 der Heizvorrichtung 11 ausgebildet sein, und ein metallischer Leitungsdraht kann mit jedem der Schichten verbunden sein. Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform mit einer solchen Konstruktion. Gleiche Bauteile sind durch dieselben Bezugszeichen wie in den Fig. 1, 2 und 4 bis 6 bezeichnet. In der Figur hat eine Anschlußanordnung 33 erste und zweite Verbindungsanschlüsse 31 und 32, die durch ein isolierendes Material wie ein Kunstharz hindurchgeführt und darin eingebettet sind, wobei dieses in das rückwärtige Ende des Halters 12 eingesetzt und darin gehalten ist und die Anschlüsse 31 und 32 mit den Leitungen 21 und 22 der keramischen Heizvorrichtung 11 über metallische Leitungsdrähte 35 und 36 verbunden sind, die die obige Konstruktion aufweisen. Die Anschlußanordnung 33 hat einen ersten äußeren Verbindungsanschluß 31, der an seinem inneren Ende einen Stababschnitt 31 a entlang der Längsachse der Anordnung 33 aufweist und mit dem Leitungsdraht 36 verbunden ist, und einen zweiten äußeren Verbindungsanschluß 32 einer zylindrischen Form mit einem vorbestimmten Zwischenraum um den ersten äußeren Verbindungsanschluß 31 mit einem Leitungsansatz 32 a, der sich von einem Teil des inneren Endes zur Verbindung mit dem Leitungsdraht 35 erstreckt, wobei ein Anordnungskörper 33 a aus Kunstharz zum Isolieren der Ansschlüsse 31 und 32 und zum Zusammenhalten der Anschlüsse in einem Teil vorgesehen ist mit einer isolierenden Schicht entlang seines Außenumfangs. Ein metallisches Rohr 33 b zur Verstärkung der Verbindung ist am Außenumfang des Anordnungskörpers 33 a vorgesehen. Das metallische Rohr 33 b ist mit einer hohen Druckkraft am Umfangsabschnitt des offenen rückwärtigen Endes des Halters 12 umgebogen. Infolgedessen wird die Innenseite des metallischen Rohres 33 b in Richtung des Anordnungskörpers 33 a, der aus Kunstharz besteht, gezwängt, und seine Außenseite in Richtung der inneren Wand des Halters 12, um die nachteiligen Auswirkungen äußerer Kräfte und thermischen Schrumpfens zu eliminieren.

In der Figur bezeichnen 34 a und 34 b einen isolierenden Ring und eine Abdeckscheibe, 34 c ein isolierendes Material, das auf dem ersten Anschluß 31 am außenseitigen Ende der Abdeckscheibe 34 b befestigt ist, sowie 34 d und 34 e einen Federring und eine Befestigungsschraube, die auf den Gewindeabschnitt am außenseitigen Ende des ersten Anschlusses 31 aufgeschraubt ist. Die Anschlüsse 31 und 32 sind elektrisch mit Batterieanschlüssen verbunden durch Befestigung eines nicht dargestellten Leitungsdrahtes und eines negativseitigen Leitungsdrahtes (ebenfalls nicht dargestellt) von der Batterie zwischen der Abdeckscheibe 34 b und dem isolierenden Bauteil 34 c sowie zwischen dem isolierenden Bauteil 34 c und dem Federring 34 d. In der Figur bezeichnen 35 a und 36 a Isoliermittel auf den metallischen Leitungsdrähten 35 und 36. Eine isolierende Überzugschicht 24 ist auf der außenseitigen Fläche der Leitungen 21 und 22 aufgebracht und von dem Kopfende des Halters 12 abgestützt, während die rückwärtigen Enden der Leitungen 21 und 22 über die metallischen Leitungsdrähte 35 und 36 mit den ersten und zweiten äußeren Verbindungsanschlüssen 31 und 32 verbunden sind, die in einem isolierten Zustand vom rückwärtigen Ende des Halters 12 gehalten sind. Die Konstruktion der keramischen Heizvorrichtung entspricht abgesehen von dem vorstehend beschriebenen Teil derjenigen der vorigen Ausführungsbeispiele. Die Arbeitsweise der keramischen Heizvorichtung stimmt daher mit derjenigen der vorigen Ausführungsformen überein.

Nachfolgend wird das Material beschrieben, das zur Herstellung der erfindungsgemäßen keramischen Heizvorrichtung verwendet wird.

Wenn ein Sialon der β-Art als Material für die keramische Heizvorrichtung verwendet wird, ist es vorteilhaft, ein β-Typ-Sialon einer solchen Zusammensetzung zu verwenden, daß der z-Wert in Si₆_-z Al _z O _z N₈_-z größer als 0 und kleiner als 1 ist, da eine Verbindung innerhalb dieses Bereichs ein gesintertes Produkt mit einer großen Festigkeit abgibt.

Wenn ein α/β-Typ-Sialon verwendet wird, ist es vorteilhaft, ein α/β-Typ-Sialon einer Verbindung gemäß M _x (SiAl)₁₂(ON)₁₆ zu wählen, wobei M aus Y oder Ca besteht und x größer als 0 und kleiner als 2.0 ist, da eine Verbindung innerhalb dieses Bereichs ein gesintertes Produkt mit einer großen Festigkeit abgibt. Es sei angemerkt, daß Y oder Ca ganz oder teilweise durch Mg ersetzt werden kann.

Genauer gesagt, wenn eine α/β-Typ-Verbindung der Sialonphase Y _x (SiAl)₁₂ (On)₁₆ verwendet wird, ist das Molverhältnis von Si₃N₄ zu (Si₃N₄₊X₂O₃+AlN) gewöhnlich auf 50 bis 70% festgesetzt. Mit einem Molverhältnis unter 50% ist die Korngrenzphase, die durch Y₂O₃+ AlN erzeugt wird, erhöht, wodurch die Hitzebeständigkeit und Festigkeit sinken und die Verwendung als Heizeinrichtung ungeeignet wird, da die Funktion der Sialonphase nicht aufrecht erhalten werden kann. Wenn das Molverhältnis andererseits 70% übersteigt, wird das β-Sialon vorherrschend, wodurch es schwierig wird, das α-Sialon aufrecht zu erhalten. Dies verschlechtert die Sintereigenschaften auf ein zu niedriges Niveau, um durch Niedrigtemperatursintern ein dichtes gesintertes Produkt zu erzeugen.

Außerdem ist es wünschenswert, das Molverhältnis Y₂O₃/ AlN auf einen theoretischen Wert einzustellen, der nicht kleiner als 1/9 und geringer als 7/3 ist. Das Molverhältnis ist deshalb auf nicht kleiner als 1/9 festgesetzt, weil das Fehlen einer überreichlichen Menge von Y₂O₃ einen Manel von Y₂O₃ hervorrufen würde, das in der Korngrenze bzw. Kristallgrenze verbraucht wird, was zu einer erheblichen Verschlechterung der Sintereigenschaften führt, während das obige Verhältnis auf einen Wert kleiner als 7/3 festgesetzt ist, da ein 7/3 übersteigendes Verhältnis die α-Sialonphase scharf auf unter 20% verringern würde, wodurch es schwierig würde, die Hitzebeständigkeit und Zähigkeit eines komplexen Sialon aufrecht zu erhalten.

In der α/b-Komplex-Sialonphase von C _x (SiAl)₁₂(ON)₁₆ ist das Molverhältnis von Si₃N₄ zu (Si₃N₄+CaO+AlN) auf 50 bis 89% begrenzt, und das Molverhältnis von CaO/AlN ist auf 2/8 bis 8/2 aus denselben Gründen begrenzt, die oben in Verbindung mit Y _x (SiAl)₁₂(ON)₁₆ beschrieben sind.

Bei den obigen Zusammensetzungen bw. Verbindungen kann AlN durch AlN Festlösungspulver ersetzt werden, die zu AlN äquivalent sind.

Nachfolgend wird das die elektrische Leitfähigkeit spendende Material beschrieben.

Gemäß der Erfindung wird ein Nitrid oder Kohlenstoffnitrid- Festlösungen bzw. -Mischkristalle von Ti als elektrisch leitende Masse aus den folgenden Gründen hinzugefügt.

Obwohl die Verwendung von allen Karbiden, Nitriden oder Boriden der Säule IVa, Va oder VIa ein elektrisch resistives gesintertes Sialon erzeugen kann, ist die Wahl auf Karbide und Nitride von Ti beschränkt, wenn die Sintereigenschaften im kalten oder Gasdruck-Sintern und die Antioxidationseigenschaften der gesinterten Produkte berücksichtigt werden. Außerdem kann die Verwendung einer Kohlenstoffnitrid-Festlösung anstelle eines Karbides oder Nitrides allein den Vorzug der Erzeugung von Sialon-Sinterprodukten mit variiertem elektrischem Widerstand erreichen durch Änderung der Verhältnisse von C und N in der Festlösung.

Die oben erwähnte Nitrid- oder Kohlenstoffnitridfestlösung von Ti wird in einer Menge zugegeben, die größer als 20 Vol.-% und kleiner als 70 Vol.-% ist, und zwar aus folgenden Gründen. Die Zugabe von nicht mehr als 20 Vol.-% würde keine geeigneten Leitungsbahnen durch Kontakt der Kristalle der Nitrid- oder Kohlenstoffnitrid- Festlösung bzw. Mischkristalle schaffen, wodurch die Leitungsfähigkeit unzureichend wäre, während ein gesintertes Produkt mit einem Ti-Gehalt über 20 Vol.-% eine elektrische Leitfähigkeit schafft, die auf den positiven bzw. zwangsläufigen Widerstands-Temperatureigenschaften basiert, wobei der elektrische Widerstand mit ansteigendem Ti-Anteil sich stetig ändert. Mit einem Ti-Gehalt von nicht weniger als 70 Vol.-% werden die Antioxidationseigenschaften und die Hochtemperaturfestigkeit von Sialon erheblich verschlechtert. Daher sollte die Zugabe von Ti vorzugsweise über 22 Vol.-% und unter 50 Vol.-% liegen.

Die Zugabe einer Nitrid- oder Kohlenstoffnitrid-Festlösung von Ti wird nachfolgend in Einzelheiten beschrieben.

Die nachfolgende Tabelle zeigt Meßergebnisse der Dichte, der Kältefestigkeit und der Festigkeit bei 1000°C von gesinterten Produkten bei Änderungen in der TiN-Zugabe zu einem β-Typ-Sialon (Si₃N₄ - 7wt.% Y₂O₃ - 5wt.% Al₂ O₃ - 3wt.% Aln). Die Festigkeitswerte der Tabelle wurden nach der Drei-Punkt-Biegemethode gemessen mit einer Einspannlänge von 30 mm und einer Querkopfgeschwindigkeit von 0,5 mm/min.

Aus der obigen Tabelle ergibt sich, daß die Dichte mit zunehmender TiN-Zugabe sinkt, insbesondere wenn die Menge der TiN-Zugabe 70 Vol.-% übersteigt, wobei die Festigkeit bei Raumtemperatur und bei 1000°C stark abnimmt. Diese Tendenz ergab sich auch, wenn eine Kohlenstoffnitrid-Festlösung zugefügt wurde. Aus diesem Grunde ist die Zugabe einer Nitrid- oder Kohlenstoffnitrid-Festlösung von Ti auf den oben bezeichneten Bereich beschränkt.

Fig. 8 zeigt Meßergebnisse von Änderungen des elektrischen spezifischen Widerstandes, wenn TiN dem oben erwähnten b-Typ-Sialon zugefügt wird. Aus der Darstellung ist zu ersehen, daß bei einem TiN-Gehalt unter 20% der elektrische spezifische Widerstand auf einen großen Wert ansteigt, wodurch das gesinterte Produkt als elektrisch leitendes Material ungeeignet ist. Die Darstellung zeigt, daß die elektrischen Widerstandswerte in einem Bereich unterhalb 10° Ohm-cm oder 1 Ohm-cm relativ stabil bleiben.

Die Zugabe von TiCn anstelle von TiN verlagert den elektrischen spezifischen Widerstand auf geringfügig größere Werte als in der Figur. Wie im Falle von TiN verbleiben die Widerstandswerte in einem Bereich unterhalb 1 Ohm-cm relativ stabil.

Das oben erwähnte α/b-Typ Sialon enthält hauptsächlich folgende vier Phasen: ein Y oder Ca-lagerndes α-Sialon, ausgedrückt als M _x (SiAl)₁₂ (ON)₁₆ und ein β-Sialon, ausgedrückt als Si₆_-z Al _z O _z N₈_-z als Hauptphasen des α/β- Typ-Komplex-Sialon, eine amorphe oder kristalline Substanz, die Y, Si, O, N und Al oder Ca, Si, O, N und Al als Kristallgrenzphase enthält, und TiN Kristalle bzw. Körner als Additive. Es ist ebenfalls möglich, die Kornphase durch Wärmebehandlung oder Steuerung der Kühlgeschwindigkeit während des Sinterns zu kristallisieren.

Mit dem oben beschriebenen Aufbau hat der erfindungsgemäße Glühkörper für Dieselmotoren folgende Vorteile:

• 1. Trotz einer einfachen Konstruktion hat die Glühkerze einen Heizabschnitt, der an der Außenfläche der Heizvorrichtung frei liegt und dessen Spitze schneller und zuverlässiger als bei herkömmlichen Arten rotglühend wird, wodurch die Schnellheizfunktion voll erfüllt ist.
• 2. Da die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Widerstandes und der isolierenden Materialien einschließlich der Heiz- und Leitungsabschnitte in etwa gleich sind, ist die Verbindungsfestigkeit des Widerstandes und der isolierenden Materialien erhöht, so daß Brüche und andere Beschädigungen selbst bei scharfen Temperaturanstiegen während des Heizens nicht auftreten. Dies führt zu einer verbesserten Zuverlässigkeit der Hitzebeständigkeit.
• 3. Wegen der kleinen thermischen Kapazität der Spitze des Heizabschnitts hat die Heizvorrichtung Eigentemperatur-Sättigungseigenschaften, die ein langes Nachglühen als Abgas- und Lärmsteuermaßnahme für Dieselmotoren ermöglicht.
• 4. Mit einer einfachen Gesamtkonstruktion sind Formgebung, Bearbeitung und Zusammenbau der Glühkerze leicht, was zu einer verbesserten Produktivität führt.

Claims (11)

1. Glühkerze für Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß eine keramische Heizvorrichtung (11) einen U-förmigen Heizabschnitt (20) und zwei Leitungen (21, 22) enthält, die integral mit dem U-förmigen Heizabschnitt ausgebildet sind und sich von beiden Enden des U-förmigen Heizabschnitts nach hinten erstrecken, daß die Heizvorrichtung am Kopfende eines hohlen Halters (12) in einem freitragenden Zustand gehalten ist, in dem ein Ende der Heizvorrichtung nach außen vorsteht, daß wenigstens die Außenfläche einer der Leitungen (21) mit der Innenseite des Halters über eine isolierende Schicht verbunden und gehalten ist und daß wenigstens das rückwärtige Ende der anderen Leitung über einen metallischen Leitungsdraht (15) mit einem äußeren Verbindungsanschluß (14) verbunden ist, der im isolierten Zustand vom rückwärtigen Ende des Halters gehalten ist, wobei die keramische Heizvorrichtung (11) einstückig durch ein mit elektrischem Widerstand behaftetes, gesintertes Sialon hergestellt ist, das durch Zugabe von 20 bis 70 Vol.-% Ti Nitrid oder Kohlenstoffnitrid als Spender der elektrischen Leitfähigkeit zu einem β-Typ-Sialon oder α/β- Typ-Sialon gebildet ist.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des U-förmigen Heizabschnitts (20) der keramischen Heizvorrichtung (11) kleiner als die Dicke der Leitungen (21, 22) ist.

3. Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur des gesinterten Sialon kleiner als 1 Ohm-cm ist, wobei der Widerstands-Temperatur-Koeffizient positiv ist.

4. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das β-Typ-Sialon Si₆_-z Al _z N₈_-z mit einer solchen Zusammensetzung ist, daß z größer als 0 und kleiner als 1 ist.

5. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das α/β-Typ-Sialon M _x (SiAl)₁₂ (ON)₆ mit einer solchen Zusammensetzung ist, daß MY oder Ca und x größer als 0 und kleiner als 2,0 sind.

6. Glühkerze nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngrenzschicht des elektrisch leitenden, gesinterten Sialon eine amorphe Substanz ist, die Y, Si, O, N und Al enthält.

7. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die elektrische Leitfähigkeit spendende Stoff TiN ist.

8. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der die elektrische Leitfähigkeit spendende Stoff eine Kohlenstoffnitrid-Feststofflösung von Ti ist.

9. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine isolierende Schicht (30) zum Abdichten des Verbrennungsdrucks einstückig zwischen den beiden Leitungen (21, 22) an einem Abschnitt angeordnet ist, der dem Kopfende des keramischen Heizvorrichtungshalters (12) entspricht.

10. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Leitungen (21) über eine elektrisch leitende Schicht (23) mit dem Halter (12) elektrisch verbunden ist und daß die andere Leitung (22) über einen metallischen Leitungsdraht (15) mit dem äußeren Verbindungsanschluß (14) verbunden ist, der von dem rückwärtigen Ende des Halters gehalten ist.

11. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Außenflächen der beiden Leitungen über eine isolierende Schicht mit der Innenseite des Halters verbunden und dort gehalten ist und daß jede der Leitungen über einen metallischen Leitungsdraht (35, 36) mit je einem äußeren Verbindungsanschluß verbunden ist.