DE3802233A1 - Gluehkerze fuer einen dieselmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze zum Vor­ heizen einer Unterverbrennungs- oder Verbrennungs­ kammer eines Dieselmotors und insbesondere eine Glühkerze mit einem bipolaren Zweileitungs­ system, die einen keramischen Heizkörper mit Hochgeschwindigkeits- und Eigentemperatursättigungs­ eigenschaften aufweist, der für eine große Zeit­ spanne eine "Nachglüh"-Operation ermöglicht.

Herkömmliche Glühkerzen mit verschiedenen Typen von Strukturen wurden bereits vorgeschlagen. Unter diesen Glühkerzen hat eine solche mit einem keramischen Heizkörper große Bedeutung als eine schnell aufheizbare Kerze gefunden.

Eine Glühkerze mit einem keramischen Heizkörper ist in der japanischen Patentveröffentlichung 60-14 784 beschrieben. Diese Glühkerze weist eine Struktur auf, bei der ein Heizelement auf der äußeren Oberfläche eines Heizkörpers freiliegt, unter Verwendung eines keramischen Widerstands­ materials, das im wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat wie ein den Heizkörper isolierendes Element bildendes keramisches Isolationsmaterial, so daß das Heizelement integral mit dem den Heizkörper isolierenden Element gebildet ist. Bei dieser Struktur kann das distale Ende des Heizkörpers unmittelbar aufgeheizt werden, so daß eine schnell aufheizbare Glühkerze erhalten wird. Gleichzeitig kann die Verbindung zwischen dem Heizelement und dem den Heizkörper isolierenden Element optimal und zweckmäßig ausgestaltet sein, um die Zuverlässigkeit der Wärmefestigkeit und dergleichen zu verbessern.

Bei der vorbeschriebenen bekannten Glühkerze mit einem keramischen Heizkörper sind jedoch noch viele Probleme aufgrund struktureller und funktioneller Gesichtspunkte ungelöst, die beim praktischen Einsatz der Glühkerze auftreten.

Bei einer Glühkerze dieses Typs kann das distale Ende des Heizkörpers direkt aufgeheizt werden, so daß man eine schnell aufheizbare Glühkerze hoher Leistungsfähigkeit erhält. Zudem kann eine geeignete und gleichmäßige Verbrennung im Motor erreicht werden aufgrund kürzlicher Verbesserungen hinsichtlich der Starteigenschaften des Diesel­ motors und der Dauerhaftigkeit bei Hochtemperatur- Arbeitsbedingungen, die durch die Verbreitung von Turbomechanismen sowie die Aufrechterhaltung eines Erregungszustandes der Glühkerze für eine vorbestimmte Zeitspanne nach dem Starten des Motors bewirkt werden. Dieser Verbrennungs­ zustand ermöglicht eine Reduzierung der Abgase und des Lärms. Die Nachfrage für ein derartiges Nachglühsystem ist gestiegen und eine maximale Verlängerung der Nachglühzeit (z. B. 10 Minuten) wird gefordert. Um die Nachglühzeit zu verlängern, muß die dem Heizelement zugeführte Leistung selbst gesteuert sein, damit die Heizeigenschaften wesentlich verbessert werden; es muß eine Über­ hitzung des Heizkörpers verhindert werden und es ist eine Eigentemperatursättigungsfunktion erforderlich, bei der die Sättigungstemperatur unterhalb eines geeigneten Temperaturwertes liegt. Zur Zeit des Nachglühvorganges wird die an die Glühkerze angelegte Spannung niedriger gehalten als die während der Erregung der Glühkerze angelegte Spannung, um die Dauerhaftigkeit des Heizdrahtes zu erhöhen. Der herkömmliche keramische Heizkörper kann diesen Anforderungen nicht in befriedigender Weise genügen. Bei diesem ist der Aufheizbereich des distalen Endes des Heiz­ körpers im allgemeinen dünn ausgebildet, um eine schnelle Aufheizung zu erreichen. Mit dieser Struktur können jedoch die Eigentemperatur­ sättigungseigenschaften nicht erhalten werden. Zusätzlich ist auch die Wärmefestigkeit der herkömmlichen Struktur nicht befriedigend. Angesichts dieser Umstände wurden Gegenmaßnahmen gesucht, um besondere Eigentemperatursättigungs­ eigenschaften zu erhalten.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Glühkerze für Dieselmotoren zu schaffen, bei der eine schnelle Aufheizung erreicht wird. Weiterhin besteht die Aufgabe darin, eine Glühkerze mit einer kleinen Wärmekapazität des Heizelementes und guten Eigentemperatursättigungseigenschaften zu schaffen, wodurch die Sättigungstemperatur in geeigneter Weise gesteuert wird. Auch soll die Spannung während des Nachglühvorganges auf einfache Weise gesteuert werden können. Schließlich soll auch die Lebensdauer des Heizelements verlängert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiter­ bildungen der erfindungsgemäßen Glühkerze ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung zeichnet sich bei einer Glühkerze für einen Dieselmotor mit einem hohlen Halter und einem keramischen Heizkörper, der sich durch einen distalen Endabschnitt des hohlen Halters erstreckt und durch diesen gehalten wird, dadurch aus, daß der keramische Heizkörper mit einem U-förmigen Heizelement und einem Paar von sich von beiden Enden des U-förmigen Heizelementes rückwärts und parallel zueinander erstreckenden Leiterbereichen versehen ist, die integral mit dem Heizelement aus einem keramischen Wider­ standsmaterial bestehen, und daß dasVerhältnis ε (= SH/SL) der Querschnittsflächen SH des U-förmigen Heizelements zu den Querschnitts­ flächen SL der Leiterbereiche in den Bereich von 0,15 ≦ ε ≦ 0,6 fällt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungs­ beispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Schnittdar­ stellung des Hauptteils einer Glühkerze für einen Dieselmotor gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel,

Fig. 2(a) und 2(b) Schnitte entlang der Linien IIa- IIa und IIb-IIb durch die Glüh­ kerze nach Fig. 1,

Fig. 3(a) und 3(b) Diagramme für Auswahlverhältnisse von Sektorflächen des keramischen Heizkörpers zu den Sektorflächen der Leiterbereiche,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Längsschnittes der Gesamt­ struktur der Glühkerze,

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht des keramischen Heiz­ körpers als dem wesentlichen Teil,

Fig. 6(a) und 6(b) Schnitte entlang der Linien VIa- VIa und VIb-VIb durch den kera­ mischen Heizkörper nach Fig. 5,

Fig. 7 ein Diagramm über die Temperatur­ eigenschaften des keramischen Heiz­ körpers,

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine Glühkerze für einen Dieselmotor gemäß einem zweiten Ausführungs­ beispiel,

Fig. 9 einen Längsschnitt durch eine modifizierte Glühkerze und

Fig. 10(a) und 10(b) Querschnittsdarstellungen der Glüh­ kerze mit abgewandelten Merkmalen.

Die Fig. 1 bis 7 zeigen eine Glühkerze für einen Dieselmotor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die schematische Struktur einer Glühkerze 10 in Fig. 4 wird kurz erläutert. Die Glühkerze 10 weist einen stab­ förmigen keramischen Heizkörper 11, dessen distaler Endabschnitt als Heizelement dient, und einen rohrförmigen metallenen Halter 12 zum Halten des Heizkörpers 11 an seinem distalen Ende auf. Eine Endgruppe 15 ist so ausgebildet, daß ein erster und ein zweiter externer Verbindungsanschluß 13 bzw. 14 in ein isolierendes Material wie ein synthetisches Harzmaterial eingebettet sind und sich durch dieses erstrecken. Die Anschlüsse 13 und 14 sind jeweils über Metalldrähte 16 und 17, beispielsweise flexible Drähte, mit (später erläuterten) Leiterbereichen aus einem keramischen Widerstandsmaterial verbunden, die den Heiz­ körper 11 bilden. Die Metalldrähte 16 und 17 dienen zum mechanischen Schutz des Heizkörpers 11 vor äußeren Einwirkungen wie verschiedenen Arten von Vibrationen und einem Befestigungsmoment, die alle auf die äußeren Anschlüsse 13 und 14 einwirken.

In diesem Sinne müssen die Metalldrähte 16 und 17 in einem gewissen Ausmaß flexibel sein. Ein Gewindeabschnitt 12 a ist auf der Außen­ fläche des Halters 12 ausgebildet und kann in Eingriff mit einer Gewindebohrung in einem nicht gezeigten Motorzylinderkopf gebracht werden.

Die Endgruppe 15 besitzt den ersten externen Verbindungsanschluß 13, den zweiten externen Verbindungsanschluß 14 und einen Endkörper 15 a. Der erste Anschluß 13 befindet sich in der Achse der Endgruppe 15 und hat einen Stift 13 a auf deren Innenseite. Der Stift 13 a ist mit dem Metalldraht 16 verbunden. Der zweite Anschluß 14 weist ein zylindrisches Teil auf, das in einem vorbestimmten Abstand um den ersten Anschluß 13 herum angeordnet ist. Ein Leiterstück 14 a, das sich von einem Teil des inneren Endes des zweiten externen Anschlusses 14 erstreckt, ist mit dem Metalldraht 17 verbunden. Der Endkörper 15 a isoliert die Anschlüsse 13 und 14 voneinander und hat eine isolierende Schicht auf der Außen­ fläche des zweiten Anschlusses 14. Somit stützt und hält der Endkörper 15 a in integraler Weise die Anschlüsse 13 und 14. Eine Verstärkungs- Metallhülse 15 b ist der Außenfläche des End­ körpers 15 a angepaßt. Die Metallhülse 15 b ist an der Kante der hinteren Öffnung des Halters 12 bei hohem Druck eingestemmt und in axialer Richtung umgebogen. Die Innenseite der Metallhülse 15 b ist zur Seite des Endkörpers 15 a gebogen, und die Außenseite der Metallhülse 15 b ist fest gegen die innere Wandfläche des Halters 12 gebogen, wodurch mit externen Kräften und thermischer Schrumpfung verbundene Problem gelöst werden.

Es sind weiterhin ein Isolierring 18 a und ein Dichtungsring 18 b, die beide auf dem sich in dem hinteren Abschnitt des Halters 12 erstreckenden zweiten Anschluß 14 befestigt sind, ein Isolier­ stück 18 c, das auf der am äußeren Ende des Dichtungsringes 18 b befindlichen Seite des ersten Anschlusses 13 befestigt ist, sowie eine Federdichtung 18 d und eine Befestigungsmutter 18 e, die beide auf den am äußeren Ende des ersten Anschlusses 13 gebildeten Gewindeabschnitt aufgeschraubt sind, vorgesehen. Nicht gezeigte Leitungsdrähte, die mit einer Batterie verbunden sind, sind zwischen den Dichtungsring 18 b und das Isolierstück 18 c sowie zwischen dieses und die Federdichtung 18 d geklemmt, so daß die An­ schlüsse 13 und 14 elektrisch mit den Batterie­ anschlüssen verbunden sind. Auf den Metalldrähten 16 und 17 befinden sich röhrenförmige Isolier­ stücke 16 a und 17 a.

Bei der Glühkerze 10 mit der vorbeschriebenen Struktur hat der am distalen Ende des Halters 12 gehaltene stabartige keramische Heizkörper 11 eine im wesentlichen U-förmige Struktur, in der ein U-förmiges Heizelement 20 und ein Paar aus parallelen Leiterbereichen 21 und 22, die sich von beiden Enden des U-förmigen Heizelementes nach hinten erstrecken, integral aus einem keramischen Widerstandsmaterial hergestellt sind. Die Dicke des U-förmigen Heizelementes 20 ist geringer als die der Leiterbereiche 21 und 22, so daß ein Verhältnis ε (= SH/SL) von Sektorflächen SH des U-förmigen Heizelementen 20 zu Sektor­ flächen SL der Leiterbereiche 21 und 22 in den Bereich 0,15 ≦ ε ≦ 0,6 fällt. Dies ist das charakteristische Merkmal der vorliegenden Er­ findung. Isolierende Deckschichten 23 und 24 sind auf den Außenflächen der Leiterbereiche 21 und 22 gebildet und mit dem distalen End­ abschnitt des Halters 12 verbunden. Gleich­ zeitig sind die hinteren Endabschnitte der Leiterbereiche 21 und 22 über die Metalldrähte 16 und 17 jeweils mit dem ersten und zweiten externen Verbindungsanschluß 13 und 14 ver­ bunden, die isoliert am hinteren Endabschnitt des Halters 12 gehalten werden.

Das vorgenannte charakteristische Merkmal der vorliegenden Erfindung wird nun näher erläutert. Der keramische Heizkörper 11 umfaßt ein keramisches Widerstandsheizelement 20, dessen Außendurchmesser und Querschnitt jeweils geringer als die Leiter­ bereiche 21 und 22 sind. Ein Schlitz 25 er­ streckt sich zwischen den Leiterbereichen 21 und 22 und dem Heizelement 20 im mittleren Bereich des Heizkörpers 11 in dessen Längsrichtung. Ein isolierender Streifen 26 aus zum Beispiel isolierendem keramischen Material ist zwischen den Leiterbereichen 21 und 22 am hinteren Ende des Schlitzes 25 in diesen eingefügt. Genauer gesagt, befindet sich der isolierende Streifen 26 in einem Abschnitt, der zumindest dem distalen Endabschnitt des Halters 12 entspricht. Der isolierende Streifen 26 ist integral mit den Leiterbereichen 21 und 22 aus keramischem Wider­ standsmaterial verbunden. Daher ist der Schlitz 25 durch den distalen Endabschnitt des Halters 12 abgedichtet und Verbrennungsdruck und -temperatur führen nicht zu Undichtigkeiten.

Die isolierenden Deckschichten 23 und 24 (die obersten Schichten von diesen sind Silber- Palladium-Schichten) sind in Längsrichtung auf den äußeren Oberflächen der mittleren Abschnitte der integral mit dem Heizelement 20 aus einem keramischen Widerstandsmaterial hergestellten Leiterbereiche 21 und 22 gebildet. Die Schichten 23 und 24 und die darauf geformten Silber-Palladium- Schichten ermöglichen eine Silberlötung des keramischen Heizkörpers 11 an den distalen Abschnitt des Halters 12. In diesem Fall können die Verbindungsstellen der Oberfläche des Halters 12 erforderlichenfalls Silber-Palladium-Schichten aufweisen.

Die Leiterbereiche 21 und 22 haben Elektroden­ extraktionsenden 21 a und 22 a, die sich jeweils rückwärts von diesen erstrecken. Die Elektroden­ extraktionsenden 21 a und 22 a sind elektrisch mit den distalen Enden der sich von dem ersten und zweiten externen Verbindungsanschluß 13 und 14 durch Endkappen 27 und 28 erstreckenden Metall­ drähte 16 und 17 verbunden. Ein Strom wird auf diese Weise durch den keramischen Heizkörper 11 geliefert, wie durch den Pfeil in Fig. 1 angezeigt ist. Metallisierte Schichten 21 b und 22 b sind auf den Elektrodenextraktionsenden 21 a und 22 a geformt, um die Endkappen 27 und 28 mit diesen zu ver­ binden. In diesem Fall wurde eine Nickelpaste auf die metallisierten Schichten 21 b und 22 b gegeben und bei hoher Temperatur gebrannt, und das Metall kann zweckmäßig und fest mit dem keramischen Material verbunden werden. Die End­ kappen 27 und 28 haben eine den Elektroden­ extraktionsenden 21 a und 22 a an den hinteren Endabschnitten des Heizkörpers 11 angepaßte Form. Die Endkappen 27 und 28 werden mit Silber mit den Elektrodenextraktionsenden 21 a und 22 a verlötet, während sie mit diesen in Berührung sind. Die Metalldrähte 16 und 17 sind wie in Fig. 1 gezeigt mit den Endkappen 27 und 28 verbunden, so daß die Flankenabschnitte an deren distalen Enden an den Endflächen der Endkappen 27 und 28 während des Silberlötens befestigt werden, so daß die Heizvorrichtung gebildet wird. Das andere Ende jedes der Metall­ drähte 16 und 17 ist durch Punktschweißung am Stift 13 a bzw. am Leiterstück 14 a des ersten bzw. zweiten externen Verbindungsanschlusses 13, 14 in der Endgruppe 15 befestigt. Eine Dichtungs­ scheibe 29 aus Asbest, Gummi oder dergleichen ist am äußeren Ende der Endgruppe 15 an der hinteren Öffnung des Halters 12 angeordnet, um den Öffnungsbereich mechanisch abzudichten.

Bei der bipolaren Zweileitungs-Glühkerze 10 mit der vorbeschriebenen Struktur sind die Elektrodenextraktionsabschnitte des keramischen Heizkörpers 11 innerhalb des Halters 12 im Ab­ stand vom Heizelement 20 angeordnet. Die Elektroden­ extraktionsabschnitte können auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten werden. Die Zuver­ lässigkeit der Wärmefestigkeit und dergleichen kann gegenüber den herkömmlichen Strukturen wesentlich verbessert werden. Wie vorstehend erläutert wurde, erfordert der Verbindungsbereich zwischen dem keramischen Heizkörper 11 und dem Halter 12 keine elektrische Erdung, sondern eine mechanische Verbindung. Daher kann die Zuverlässig­ keit der Verbindungsfestigkeit und dergleichen verbessert werden.

Der keramische Heizkörper 11 wird so hergestellt, daß eine keramische Widerstandspaste in eine Form injiziert wird, und daß ein geformter Körper gesintert wird. Alternativ kann ein keramischer Heizkörper mit einer Stabform in die vorbe­ stimmte Gestalt gebracht werden. Nach dieser Formbildung werden die isolierenden Deckschichten 23 und 24 (Flammenspritzen mit Aluminiumoxid) und die metallisierten Schichten 21 b und 22 b jeweils auf den Leiterbereichen 21 und 22 und den äußeren Oberflächen der Elektrodenextraktions­ enden 21 a und 22 a gebildet. Silber-Palladium- Schichten werden dann in einem nachfolgenden Schritt auf den mit dem Halter 12 zu verbindenden Oberflächenstellen hergestellt.

Der in der beschriebenen Weise hergestellte keramische Heizkörper 11 wird in bekannter Weise in den Halter eingesetzt, derart, daß die äußeren Oberflächen der Leiterbereiche 21 und 22 durch die isolierenden Deckschichten 23 und 24 gelötet sind und daß die hinteren Endabschnitte der Metalldrähte 16 und 17 mit dem ersten und zweiten externen Verbindungsanschluß 13, 14 am hinteren Endabschnitt des Halters 12 verbunden werden, wodurch die Glühkerze 10 montiert ist.

Ein keramisches Widerstandsmaterial für einen im wesentlichen U-förmigen keramischen Heiz­ körper 11 ist SiAlON, das duch Steuerung eines Mischungsverhältnisses von Titaniumnitrid (TiN) zu einem SiAlON, enthaltend β-Phasen-SiAlON (88% Si₃N₄, 5% Al₂O₃ und 7% Y₂O₃) oder α + β-Phasen-SiAlON gewonnen wurde. Es wurde ge­ funden, daß eine elektrische Leitfähigkeit mit positiver Widerstands/Temperatur-Charakteristik erzielt werden kann, wenn etwa 20% oder mehr TiN dem SiAlON hinzugefügt wird (d. h. einem leitenden SiAlON). Wenn der Gehalt von TiN erhöht wird, ist bekannt, daß der spezifische Widerstand des sich ergebenden SiAlON sich kontinuierlich verändert. Daher kann eine SiAlON-Verbindung mit einem vorgegebenen Gehalt an TiN in gewünschter Weise verwendet werden. Jedoch ist das keramische Widerstandsmaterial, das als keramischer Heizkörper 11 dient, nicht auf das vorbeschriebene SiAlON beschränkt. Es ist wesentlich, ein keramisches Material zu ver­ wenden, das bei hohen Temperaturen (z. B. bis zu 1200°C) ein stabiles Verhalten und gute Wider­ standseigenschaften beispielsweise bei plötzlicher Wärmeeinwirkung zeigt. Zumindest ein nicht­ oxidisches leitendes Material, das aus der aus SiC und einem Karbonat, einem Borat, einem Nitrid oder einem Kohlenstoff-Nitrid der Gruppe IVa, Va und VIa des Periodischen Systems ausgewählt wurde, wird mit Al oder einer Al-Verbindung als Binder für die Sinterung gemischt, um einen gesinterten SiAlON-Körper herzustellen.

Ein bevorzugtes isolierendes keramisches Material für die Bildung des isolierenden Streifens 26 ist SiAlON, das durch Steuerung des Gehalts von Titaniumnitrid (TiN) gewonnen wurde, um er­ wünschte isolierende und leitende Eigenschaften in der gleichen Weise wie beim keramischen Widerstandsmaterial des Heizkörpers 11 zu erhalten. Dieses Material ist wirksam, um die Verbindungs­ festigkeit zwischen dem isolierenden Streifen 26 und dem Widerstandsmaterial zu erhöhen. Jedoch sind andere vorteilhafte isolierende keramische Materialien mit hoher Wärmebeständigkeit und großer Haftstärke gegenüber dem keramischen Widerstandsmaterial solche, die Si₃N₄ oder Al₂O₃ als wesentliche Bestandteile enthalten. Es ist auch zweckmäßig, Glas oder dergleichen als isolierendes Material zu verwenden.

Bei der vorliegenden Struktur enthält das Heiz­ element 20 aus keramischem Widerstandsmaterial keine Fremdstoffe und liegt frei auf der äußeren Oberfläche des Heizkörpers 11, um die Aufheiz­ eigenschaften an dessen distalem Ende zu ver­ bessern, wodurch das Heizelement rotglühend aufgeheizt wird. In einer praktischen Anwendung hat die Glühkerze eine hohe Zuverlässigkeit bezüglich des Wärmewiderstandes und eine hohe Lebensdauer, selbst wenn die thermische Bean­ spruchung wiederholt auf das Heizelement 20 einwirkt. Dieses hat auch eine gute Verarbeitungs­ fähigkeit und ist für eine Massenproduktion geeignet. Daher sind die Herstellungskosten niedrig.

Bei dem vorliegenden keramischen Heizkörper 11 kann der spezifische Widerstand des leitfähigen SiAlON, das das Heizelement 20 und das Paar von Leiterbereichen 21 und 22 bildet, durch den Gehalt von Titaniumnitrid gesteuert werden, und die Dicke der Elemente kann willkürlich eingestellt werden. Insbesondere kann die Breite (d. h. die Querschnittsfläche) des Heizelementes 20 klein gehalten werden, um eine schnelle Auf­ heizung zu erzielen, und seine Sättigungs­ temperatur kann geeignet gesteuert werden, um den Nachglühvorgang für eine lange Zeit­ spanne durchzuführen. Gemäß der vorliegenden Er­ findung wird das Verhältnis der Querschnitts­ flächen des Heizelementes 20 zu den Querschnitts­ flächen der Leiterbereiche 21 und 22 wie vor­ beschrieben vorherbestimmt. Das Heizelement kann unmittelbar aufgeheizt werden, um eine schnelle Aufheizung zu erreichen, und die Sättigungstemperatur kann zweckmäßig gesteuert werden, wodurch der Nachglühvorgang für eine lange Zeitspanne erhalten wird. Genauer gesagt, werden die Eigentemperatursättigungseigenschaften so eingestellt, daß das Querschnittsflächenver­ hältnis ε (= SH/SL) des Volumens (Querschnitts­ flächen SH) des Heizelementes 20 zum Volumen (Querschnittsflächen SL) der Leiterbereiche 21 und 22 in den Bereich fällt, der den Bedingungen (z. B. Festigkeit, Starteigenschaften des Motors und Temperaturanstiegseigenschaften) für den Heizkörper 11 in befriedigender Weise genügt. Wenn die Wärmekapazität des Heizelementes 20 verringert wird, können die Temperaturanstiegs­ eigenschaften (Fig. 3(a)) verbessert werden. Wenn jedoch die Wärmekapazität übermäßig gering ist, wird die Verbrennungskammer des Motors durch zum Startzeitpunkt versprühten Brennstoff gekühlt und die Temperatur fällt schnell ab, wodurch sich die Starteigenschaften des Motors verschlechtern. Dies wirkt sich auch nachteilig auf die mechanische Festigkeit der Glühkerze aus. Wenn die Wärmekapa­ zität erhöht wird, benötigt der Temperaturanstieg auf 800°C 10 Sekunden oder mehr, wie in Fig. 3(a) gezeigt ist, und die Temperaturanstiegseigenschaften verschleichtern sich. Wenn weiterhin die Sätti­ gungstemperatur 1100°C übersteigt, wie in Fig. 3(b) dargestellt ist, dann nimmt die Festigkeit der Glühkerze ab. Unter Berücksichti­ gung der vorstehenden Umstände muß daher das Querschnittsflächenverhältnis ε in den folgenden Bereich fallen:

0,15 ≦ ε (= SH/SL) ≦ 0,6.

Wenn verschiedene Zustände in Betracht gezogen werden, dann ist ein ideales Verhältnis innerhalb dieses Bereiches ε = 0,3 (angedeutet durch den Punkt P in den Fig. 3(a) und 3(b)).

Bei dem vorliegenden keramischen Heizkörper 11 ist der Widerstandsteil integral aus einem keramischen Widerstandsmaterial hergestellt. Im Vergleich zum herkömmlichen Metallheizwiderstand können die Verarbeitbarkeit, Dauerhaftigkeit und dergleichen des keramischen Widerstandes verbessert werden. Zusätzlich hat das beschriebene leitfähige SiAlON einen großen positiven Widerstands/Temperatur- Koeffizienten und liefert vorteilhaft gute Eigen­ temperatursättigungseigenschaften.

Die Dicken des Heizelementes 20 und der Leiter­ bereiche 21 und 22 des Heizkörpers 11 können bei der Formgebung in gewünschter Weise gesteuert werden und damit kann auch ein beliebig gewünschter Widerstandswert für den Heizkörper 11 erhalten werden. Wenn beispielsweise für den Durchmesser des Heiz­ körpers 11 5 mm, den Durchmesser des Heizelementes 20 3 mm und dessen Länge 50 mm (ausgeschlossen eine Länge von 5 mm für die Elektrodenextraktionsenden 26 und 27), dann wird die Länge des Heizelementes 20 auf 10 mm eingestellt und die isolierenden Deckschichten 23 und 24 werden mit einer Länge von 20 mm gebildet ausgehend von einer Position 25 mm vom distalen Ende entfernt. Die Wärme­ kapazität des Heizelementes 20 kann geringer als die Leiterbereiche 21 und 22 sein. Es kann ein gewünschter Widerstandswert eingestellt werden, um die erforderlichen Eigentemperatursättigungs­ eigenschaften zu erhalten. In diesem Fall ist das Querschnittsflächenverhältnis ε = 0,27 und nahe dem idealen Wert von 0,3.

Wenn ein im wesentlichen U-förmiger integraler keramischer Heizkörper 11 aus keramischem Wider­ standsmaterial verwendet wird, kann eine Glüh­ kerze 10 mit guten Eigenschaften erhalten werden, wie aus Fig. 7 ersichtlich ist. Genauer gesagt, kann die Glühkerze bei einer Temperatur von etwa 1100°C gehalten werden, wenn die Glühkerze in 3,5 Sekunden auf 800°C aufgeheizt wird und der zulässige Bereich der Sättigungstemperatur auf 1200°C oder weniger eingestellt ist, wie durch die ausgezogene Linie in Fig. 7 angezeigt ist.

In dem vorstehenden Ausführungsbeispiel hat die Glühkerze 10 mit einem bipolaren keramischen Zweileitungs-Heizkörper 11 eine Struktur, bei der der erste und zweite externe Verbindungsanschluß 13 und 14 der am hinteren Endabschnitt des Halters 12 angeordneten Endgruppe 15 mit dem Motor verbunden sind. Jedoch ist die vorliegende Er­ findung nicht auf diese Struktur begrenzt. Es kann beispielsweise auch die in Fig. 8 gezeigte Glühkerze verwendet werden. Bei dieser ist nur ein Leiterbereich 21 mit dem Motor über einen durch eine isolierende Buchse 60 geführten externen Verbindungsanschluß 13 verbunden, während ein Leiterbereich 22 über den Halter 12 geerdet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist ein Metalldraht 17 mit einem Endstück 61 verbunden, das sich von einem mit dem Halter 12 verbundenen und auf der Außenfläche der isolieren­ den Buchse 60 angeordneten Metallrohr 60 a er­ streckt. Die Struktur ist jedoch nicht auf diese Ausführung beschränkt. Es können zahlreiche Ab­ wandlungen für die Verbindung zum Halter 12 gemacht werden.

Bei der vorliegend beschriebenen Erfindung sind in dem am distalen Endabschnitt des Halters ge­ haltenen stabförmigen keramischen Heizkörper das Paar von externen Leiterbereichen, die sich von beiden Enden des U-förmigen Heizelements rückwärts erstrecken, und das keramische Wider­ standsmaterial integral hergestellt.

Die Dicke des U-förmigen Heizelementes ist geringer als die der Leiterbereiche, so daß das Verhältnis ε (= SH/SL) der Querschnittsflächen des U-förmigen Heizelementes zu den Querschnittsflächen SL der Leiterbereiche in den Bereich von 0,15 ≦ ε ≦ 0,6 fällt. Da das Heizelement auf der Oberfläche des einfachen, kostengünstigen Heizkörpers freiliegt, kann das distale Ende des Heizkörpers unmittelbar aufgeheizt werden, so daß eine schnell aufheizbare Glühkerze erhalten wird. Die Wärmekapazität des Heizelementes am distalen Ende des keramischen Widerstandsmaterials ist herabgesetzt, um gute Eigentemperatursättigungseigenschaft zu erhalten, wodurch die Sättigungstemperatur geeignet ge­ steuert wird. Der Nachglühvorgang kann für eine lange Zeitspanne durchgeführt werden, so daß sich die Abgase und der Lärm des Motors ver­ ringern. Zusätzlich kann die Spannung auf ein­ fache Weise während des Nachglühvorganges ge­ steuert werden und die Lebensdauer des Heiz­ elementes wird erhöht.

Fig. 9 zeigt eine weitere Abwandlung der vor­ liegenden Erfindung. Hierbei ist der metallene Halter 12 geerdet oder mit einer anderen Elektrode verbunden. Einander entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1.

Gemäß Fig. 9 ist von den externen verbindenden Leiterbereichen 21 und 22 des stabförmigen kera­ mischen Heizkörpers 11 der Leiterbereich 21 mit dem metallenen Halter 12 durch eine leitfähige Deckschicht 23 A verbunden und wird von diesem gehalten. Der Leiterbereich 22 ist durch eine isolierende Deckschicht 24 vom metallenen Halter 12 in der gleichen Weise wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen isoliert. Das hintere Ende 22 a des Leiterbereiches 22 ist mit einer leitfähigen Deckschicht 22 b überzogen. Ein Ende des Metall­ drahtes 17 ist zusammen mit der Endkappe 27 auf der leitfähigen Deckschicht 22 b befestigt. Das Heizelement 20 mit kleinen Querschnittsflächen und die Leiterbereiche 21 und 22 mit demgegenüber größeren Querschnittsflächen sind in gleicher Weise ausgebildet wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen.

Der externe Verbindungsanschluß 24 verläuft koaxial zu dem hinteren Endabschnitt des Halters 12 durch die isolierende Buchse 23. Der externe Verbindungsanschluß 24 ist über den flexiblen Leiterdraht 17 mit keramischen Leiterbereichen des Heizkörpers 11 verbunden. Ein Metallrohr 23 a ist auf der Außenfläche der isolierenden Buchse 23 befestigt. Das Metallrohr 23 a wird bei der Montage der Glühkerze durch einen hohen Druck am hinteren Endabschnitt des Halters 12 axial verformt. Die isolierende Buchse 23 wird mit vorgegebener mechanischer Festigkeit am Halter 12 befestigt, um Temperatur­ einflüsse zu vermeiden. Ein Isolierring 26 a, eine Befestigungsmutter 26 b und eine externe Leitungsbefestigungsmutter 26 c sind jeweils auf ein Gewinde auf dem hinteren Endabschnitt des externen Verbindungsanschlusses 24 aufgeschraubt. Der externe Verbindungsanschluß 24 ist zwischen die Muttern 26 b und 26 c geklemmt und elektrisch mit einem Batterieanschluß verbunden. Mittels eines Gewindes 12 a auf dem Halter 12 kann die Glühkerze in eine Gewindebohrung im Zylinder­ kopf eines Motors eingeschraubt werden, so daß der Halter 12 elektrisch geerdet wird. Dabei erstreckt sich das distale Ende des Halters 12 in eine Unterverbrennungs- oder Verbrennungskammer.

Die Form des keramischen Heizkörpers 11 ist nicht auf die Stabform begrenzt, sondern kann einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt haben. Die Querschnittsform des keramischen Heizkörpers 11 kann elliptisch sein, wie in den Fig. 10(a) und 10(b) gezeigt ist. Bei dem Heizkörper 11 jedweder Gestalt ist offensichtlich, daß ein Bereich mit kleinem Durchmesser gebildet wird, dessen Größe dem vorbeschriebenen Querschnittsflächenver­ hältnis des Heizelementes 20 und der Leiter­ bereiche 21 und 22 genügt, so daß die ge­ wünschten Eigenschaften für die Schnellauf­ heizung und die Selbstsättigung erhalten werden. Ein Schlitz 25 ist zwischen den Leiterbereichen 21 und 22 ausgebildet und erstreckt sich vom Heizelement aus in Längsrichtung des Heizkörpers 11. Ein isolierender Streifen 26 aus isolierendem keramischem Material ist in einem zumindest dem distalen Endabschnitt des Halters 12 ent­ sprechenden Bereich eingefügt. Der isolierende Streifen 26 ist integral mit den keramischen Leiterbereichen 21 und 22 verbunden, wodurch in geeigneter Weise verhindert wird, daß durch die Verbrennung erzeugter Druck oder Hitze durch den Schlitz entweichen können. Dieser isolierende Streifen 26 kann in der Praxis jedoch auch weg­ gelassen werden.

Claims (6)

1. Glühkerze für einen Dieselmotor mit einem hohlen Halter und einem keramischen Heizkörper, der sich durch einen distalen Endabschnitt des hohlen Halters erstreckt und durch diesen gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Heizkörper (11) mit einem U-förmigen Heizelement (20) und einem Paar von sich von beiden Enden des U-förmigen Heizelements (20) rückwärts und parallel zu­ einander erstreckenden Leiterbereichen (21, 22) versehen ist, die integral mit dem Heizelement (20) aus einem keramischen Widerstandsmaterial bestehen, und daß das Verhältnis ε (= SH/SL) der Querschnittsflächen SH des U-förmigen Heizelementes (20) zu den Querschnittsflächen SL der Leiterbereiche (21, 22) in den Bereich von 0,15 ≦ e ≦ 0,6 fällt.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der eine Leiterbereich (21) elektrisch mit dem hohlen Halter (12) ver­ bunden und der andere Leiterbereich (22) mit einem externen Verbindungsanschluß in Berührung und elektrisch verbunden sind, und daß ein hinterer Endabschnitt des hohlen Halters (12) Mittel zur Befestigung der darin untergebrachten Teile aufweist.

3. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der keramische Heizkörper (11) integral aus keramischem Material geformt ist, durch das die isolierenden und leitenden Eigenschaften derart steuerbar sind, daß der Gehalt von zu SIALON der β-Phase oder einer Mischung aus α- und β-Phase hinzuge­ fügtem Titannitrid gesteuert wird.

4. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein externer Verbindungsanschluß (24) und ein Isolierteil (23) zur Halterung des Verbindungsanschlusses (24) derart, daß dieser gegenüber dem hohlen Halter (12) isoliert ist, vorgesehen sind, und daß der externe Verbindungsanschluß (24) mit dem einen Leiterbereich (22) des keramischen Heiz­ körpers (11) durch eine Leitungsverbindung (17) und der hohle Halter (12) mit dem anderen Leiterbereich (21) des Heizkörpers (11) ver­ bunden sind.

5. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Paar von externen Verbindungs­ anschlüssen (13, 14), ein Isolierteil (15 a) zur Halterung des Paares von externen Ver­ bindungsanschlüssen (13, 14) derart, daß diese gegeneinander und gegenüber dem hohlen Halter (12) isoliert sind, ein weiteres Isolierteil (23, 24) zur Isolierung des Paares von Leiter­ bereichen (21, 22) des keramischen Heizkörpers (11) vom hohlen Halter (12), und ein Paar von Leitungsverbindungen (16, 17) zur Verbindung des Paares von Leiterbereichen (21, 22) des keramischen Heizkörpers (11) mit dem Paar von externen Verbindungsanschlüssen (13, 14) vorgesehen sind.

6. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein isolierendes Material zwischen den Leiterbereichen (21, 22) eingefügt ist.