DE4117253C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Glühkerzen für Dieselmotoren, die dazu verwendet werden, das Innere einer Hilfsverbrennungskammer oder einer Verbrennungskammer eines Dieselmotors vorzuheizen, und betrifft insbesondere verbesserte Glühkerzen für Dieselmotoren mit einem keramischen Heizer, mit dem sich eine verlängerte Nachglühperiode sowie bessere Selbstsättigungseigenschaften erzielen lassen.

Allgemein weisen Dieselmotoren schlechte Starteigenschaften auf und wenden ein Verfahren der Installation einer Glühkerze in einer Hilfsverbrennungskammer oder einer Verbrennungskammer an, wobei die Glühkerze durch elektrischen Strom zur Anhebung der Ansauglufttemperatur für die Zündung der Kraftstoffmischung erwärmt wird und so die Starteigenschaften verbessert werden. Die meist verbreitet verwendete Glühkerze dieser Art ist eine sogenannte hülsenartige Kerze, bei der eine Heizdrahtspule, die aus Ferrochrom, Nickel usw. besteht, in einem hitzebeständigen isolierenden Pulver eingebettet ist, das in eine Metallhülse eingefüllt ist. Darüber hinaus ist ein keramischer Heizer einer Art bekannt, wie sie in der japanischen Offenlegungsschrift 41 523/1982 beschrieben ist, bei dem ein stabförmiger Heizer verwendet wird, in dem ein Heizdraht aus Wolfram in einem isolierendem Keramikmaterial wie beispielsweise Siliciumnitrid eingebettet ist. Diese Keramikheizerart wurde in den letzten Jahren weit verbreitet verwendet, da sie eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit und überlegene Schnellheizeigenschaften, nämlich verbesserte Aufheizcharakteristiken, bei denen Rotglüh-Wärme während der Aufheizung in einer kurzen Zeitperiode erreicht wird, im Vergleich zum obigen Hülsentyp aufweist, der die indirekte Erwärmung des Heizdrahts über das hitzebeständige Isolationspulver und die Hülle beinhaltet.

Da jedoch die Glühkerze der Keramikheizerart normalerweise einen solchen Aufbau aufweist, daß ein metallischer Heizdraht aus Wolfram usw. in einem isolierenden Keramikmaterial wie Siliziumnitrid eingebettet ist und beide Teile unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, können ein scharfer Temperaturanstieg beim Aufheizen und die wiederholte Verwendung die Haltbarkeit des keramischen Heizers verschlechtern. Dies stellt ein Problem der Zuverlässigkeit des Heizers dar, wie seines Wärmewiderstandes, und kann häufig erhöhte Kosten zur Folge haben.

Um die obigen Probleme zu lösen, sind in den japanischen Offenlegungsschriften 9 085/1985 und 14 784/1985 keramische Heizer vorgeschlagen worden, die so aufgebaut sind, daß ein Heizdraht aus elektrisch leitendem Keramikmaterial mit beinahe dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie dem des isolierenden keramischen Materials hergestellt ist. Jedoch weisen diese Konstruktionen keramischer Heizer eine Anzahl struktureller und funktionaler Probleme auf und haben nicht das Stadium kommerzieller Praktikabilität erreicht.

So beinhalten zahlreiche Probleme, einschließlich einer nicht ausreichenden Schnellheizfunktion, aufwendigen und schwierigen Formgebungsprozessen, komplexer Elektrodenkonstruktionen und der Schwierigkeit, die Nachglühzeit zu verlängern.

Um wiederum diese Probleme zu beseitigen, hat die Anmelderin in den japanischen Anmeldungen 299 338/1985, 299 339/1985, 256 354/1986, 256 335/1986, 133 682/1987, 134 040/1987 und der japanischen Gebrauchsmusteranmeldung 81 651/1987 Glühkerzen für Dieselmotoren vorgeschlagen, bei denen ein keramischer Heizer aus einem U-förmigen elektrisch leitenden keramischen Material mit einem hohlen Halter verbunden ist und von diesem gehalten wird. Auch die DE 38 17 843 A1, von der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, zeigt eine solche Glühkerze.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt des wesentlichen Teils einer Glühkerze 10 für Dieselmotoren dieser Art. Die Glühkerze 10 weist einen stabförmigen keramischen Heizer 11 auf, dessen Spitze als Heizelement dient, und einen im wesentlichen röhrenförmigen metallischen Halter 12, der beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist und den keramischen Heizer 11 an seinem vorderen Ende haltert. Auf der äußeren Umfangsfläche des Halters 12 ist ein mit Gewinde versehenes Teil 12a ausgebildet, das in eine (nicht dargestellte) mit Gewinde versehene Bohrung am Zylinderkopf des Motors geschraubt ist. Die Anschlüsse des Halters sind mit Leiterabschnitten 21 und 22, die den keramischen Heizer 11 bilden, über Metalldrähte 16 und 17, beispielsweise in Form flexibler Drähte, und Anschlußkappen 28 und 29 verbunden.

Der keramische Heizer 11 kann hergestellt werden, indem beispielsweise elektrisch leitendes Sialonpulver mit thermoplastischem Harz (Kunstharz) gemischt wird, die Mischung, beispielsweise durch Spritzgießen, in eine Metallform mit vorbestimmter Kavität gegossen wird und das Formteil gesintert wird. Alternativ kann eine vorab in Stabform gebrachte Vorform durch Entladungsverarbeitung oder Schleifen in eine vorbestimmte Form gebracht werden. Der Heizerabschnitt 20 wird mit kleinem Durchmesser ausgebildet, so daß die Wanddicke dieses Abschnitts dünner als die der Leiterabschnitte 21 und 22 ist. In Längsrichtung des zentralen Abschnitts des keramischen Heizers 11 ist ein Schlitz 25 vom Heizabschnitt 20, sich durch die Leiterabschnitte 21 und 22 erstreckend, ausgebildet. Der keramische Heizer 11 ist im Halter 12 in einem Zustand eingepaßt und fixiert, in dem eine Isolationslage 24 in den Schlitz 25 eingefügt oder eingeführt ist, wobei die äußere Umfangsfläche der Leiterabschnitte 21 und 22 von der Isolationsschicht 23 bedeckt ist.

Obwohl die oben erläuterten Probleme aus dem früheren Stand der Technik durch diese Entwicklung gelöst wurden, zeigten spätere Experimente und Untersuchungen, daß immer noch einige Probleme vorhanden sind. Diese bestehen darin, daß die Isolationslage 23 dazu neigt, an Dicke zu verlieren, woraus eine verschlechterte Durchschlagsfestigkeit resultiert und der elektrische Strom im Extremfall leckt.

In Fig. 3 bezeichnet die Bezugszahl 30 eine Oxidschicht, die durch Oxydationsbehandlung ausgebildet wird, die durchgeführt wird, um die Haftung der Isolationslage 23 sicherzustellen.

Während der Oxydationsbehandlung zur Ausbildung des Oxidfilms 30 auf dem keramischen Heizer 11 obigen Aufbaus kommt es leicht zu einer Blasen- oder Blisterbildung, angedeutet durch die Bezugszahl 32 in Fig. 3, wobei diese Blisterbildung auf der Außenfläche der Bindeschicht 26 auftritt. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Verwendung einer Cu-Ti-Legierung als Hartlötmaterial zur Ausbildung der Bindeschicht 26 leicht dazu führt, daß eine Ti-reiche Schicht im Grenzbereich zwischen dem Leiterabschnitt 21 und der Isolationslage 24 und eine Cu-reiche Schicht in der Zwischenschicht erzeugt werden. Dies bedeutet, daß die Neigung der Cu-reichen Schicht, leichter als die Ti-reiche Schicht oxydiert zu werden, augenscheinlich für die Ausbildung des Blisters 32 verantwortlich ist. Die Erzeugung des Blisters oder der Blase 32 reduziert die Dicke der Isolationsschicht 23, die üblicherweise immerhin nicht weniger dünn als 20 µm ist, wodurch die Durchschlagsfestigkeit abgesenkt wird oder wodurch in Extremfällen sogar ein elektrischer Leck- oder Kriechstrom auftritt.

In Anbetracht der Tatsache, daß der direkte Kontakt der Bindeschicht 26 mit dem Oxidfilm 30 auch für die Blisterbildung 32 verantwortlich ist, können Mittel und Maßnahmen in Betracht gezogen werden, um zu verhindern, daß die Bindeschicht 26 in Kontakt mit dem Oxidfilm 30 gerät. Dies jedoch gestaltet die Verbindung der Leiterabschnitte 21 und 22 mit dem Oxidfilm 30 außerordentlich komplex und beinahe inpraktikabel für die tatsächlich auszuführenden Vorgänge. Darüber hinaus kommt es dazu, daß ein Teil der Bindeschicht 26 sich über die äußere Umfangsfläche der Leiterabschnitte 21 und 22 sowie der Isolationslage 24 hinaus ausbreitet. Dies kann zu einem direkten Kontakt der Bondierungs- oder Bindeschicht mit dem Oxidfilm führen, wodurch das Wachsen der Blister 32 weiter erleichtert wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Glühkerze für Dieselmotoren anzugegen, die die obigen Probleme überwinden und eine verbesserte Glühkerze mit hoher Zuverlässigkeit und verlängerter Lebensdauer schafft.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Glühkerze für Dieselmotoren umfaßt eine hohlen Halter, in dessen Spitze oder vorderem Ende ein keramischer Heizer freitragend oder auslegerartig mit seinem hinteren Ende gehaltert ist. Der Heizer ist aus einem U-förmigen Heizerabschnitt und einem Paar Leiterabschnitten aufgebaut, die sich von beiden Enden des U-förmigen Heizerabschnittes nach hinten erstecken. wobei beide Elemente, der U-förmige Heizerabschnitt und die Leiterabschnitte integral aus einem elektrisch leitenden keramischen Material geformt sind. Eine Isolationslage ist zumindest in Bereichen, die denen der Spitze oder des vorderen Endes des Halters vom Heizer entsprechen, zwischen die Leiterabschnitte eingefügt und dort fest eingepaßt und fixiert. Ein Hartlötzusatz- oder Füllmaterial, das aus einer Cu-Al-Ti-Legierung besteht, dient dazu, die Leiterabschnitte und die Isolationslage fest miteinander zu verbinden oder zu bondieren. Die so gebildete Binde- oder Bondierungsschicht kommt in direkten Kontakt mit einem Oxidfilm auf der Außenfläche der Leiterabschnitte und der Isolationslage. Der Al-Gehalt dieser Legierung beträgt vorzugsweise mehr als 4 Gew-%.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erläutert, die ein Beispiel für eine verbesserte Glühkerze zeigen, die eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine größere Lebensdauer bietet. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines wesentlichen Teils einer Glühkerze für Dieselmotoren, auf den sich die vorliegende Erfindung richtet,

Fig. 2 einen Querschnitt durch diesen wesentlichen Teil entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Darstellung, die einen Ausschnitt B in Fig. 2 hervorhebt,

Fig. 4 ein Funktionsdiagramm, das die Beziehung zwischen dem Aluminiumgehalt der verwendeten Cu-Al-Legierung und dem Massenzuwachs infolge Oxydation zeigt, und

Fig. 5 ein Funktionsdiagramm, das die Beziehung zwischen dem Al-Gehalt und der dielektrischen Stärke zeigt.

Eine Ti-Folie von angenähert 12 µm Dicke und eine Folie aus Cu-10% Al von angenähert 40 µm Dicke sind zwischen Leitungsabschnitten 21 und 22 aus elektrisch leitendem Sialon und einer Isolationslage 24 aus Mullit (3 Al₂O₃ · 2 SiO₂) eingefügt, wobei die Fig. 1 und 2 die Ausbildung und Zusammenfügung dieser Komponenten zeigen.

Das laminierte Teil wird nach Kontaktbondierung im Vakuum auf angenähert 1150°C 60 min erhitzt, um die Leitungsabschnitte 21 und 22 und die Isolationslage 24 fest miteinander zu verbinden oder zu bondieren. Das gebondete Teil wird daraufhin unter Atmosphäre für 10 min auf angenähert 830°C erhitzt, um einen Oxidfilm 30 auf der äußeren Umfangsfläche der Leitungsabschnitte 21 und 22 und der Isolationslage 24 auszubilden, der in Fig. 3 dargestellt ist. Bei Untersuchung des Querschnitts des Stückes nach Ausbildung des Oxidfilms 30 mit dem Mikroskop wurden keine Blister wie in Fig. 3 im Querschnittsbild gefunden. Es wurde auch gefunden, daß die Bondierungsschicht oder Haftschicht 26 aus einer Cu-Ti-Al- Legierung besteht und daß der Verbund des Stückes perfekt war, da ein Teil der Bondierungsschicht 26 in die Leitungsabschnitte 21 (und 22) und die Isolationslage 24 eingedrungen war. Im folgenden werden Mittel zum Aufbringen einer isolierenden Schicht 23 auf der äußeren Umfangsfläche des Oxidfilms 30 beschrieben. Amorphes Glas mit einem Erweichungspunkt von über 700°C wird gemahlen und dann mit einem Bindemittel wie beispielsweise einem Bindemittel auf Ethyl-Cellulose-Basis, sowie einem Lösungsmittel zur Ausbildung einer Paste gemischt. Diese Paste wird dann auf die äußere Umfangsfläche eines vorfabrizierten keramischen Heizers 11, beispielsweise über Siebdruck unter Verwendung eines 300-Maschen-Edelstahlsiebes aufgebracht. Bei diesem Prozeß kann die Isolationsschicht 23 mit gleicher Dicke aufgetragen werden, indem eine Bürste benutzt wird und der keramische Heizer 11 unter dem Sieb gedreht wird. Die Dicke der so ausgebildeten isolierenden Schicht 23 beträgt angenähert 15 µm, jedoch kann die Dicke der Paste beim Siebdruck variiert werden, indem die Viskosität der Paste oder der Maschenwert des Siebes geändert werden.

Nachdem die Paste auf den keramischen Heizer 11 aufgebracht worden ist, wird die Paste in einer Wärmebehandlung bei 830°C 10 min lang unter Atmosphäre eingebrannt, woraufhin eine Bondierungsschicht oder Bindeschicht 31 ausgebildet wird, indem ein Silber/Palladium-Hartlötzusatzmetall (unter Atmosphäre 10 min lang bei angenähert 830°C) benutzt wird, um den keramischen Heizer 11 mit dem Halter 12 in der in Fig. 1 gezeigten Weise fest zu verbinden. Das Keramikmaterial, das zur Ausbildung der Isolationslage 24 benutzt wird, sollte vorzugsweise ein Material sein, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dicht bei dem des Materials liegt, welches zur Ausbildung des keramischen Heizers 11 verwendet wird. Wenn beispielsweise ein gesintertes Material aus elektrisch leitendem Sialon als Keramikmaterial zur Ausbildung des keramischen Heizers 11 verwendet wird, das gewonnen wird, indem mehr als 20 Vol.-%, jedoch nicht mehr als 50 Vol.-% TiN zu einer β-Sialonmischung hinzugefügt wird, die durch Si_6-zAl_zO_zN_8-z ausgedrückt wird, wobei der z-Wert 0 übersteigt, jedoch nicht mehr als 1 beträgt, so kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Keramikmaterials für die Isolationsschicht 23 dichter an der des Keramikmaterials für den keramischen Heizer 11 liegen, indem ein gesintertes Material eines isolierenden Sialons als Keramikmaterial für die Isolationsschicht 23 verwendet wird, welches gewonnen wird, indem 5 bis 15 Vol.-% TiN zur oben erwähnten Zusammensetzung oder Mischung hinzugefügt wird.

Eine Glühkerze 10, die man erhält, indem der gesamte keramische Heizer 11 zusammengefügt wird, bildete eine Einheit von angenähert 5 mm ⌀ × 50 mm, wobei der Heizerabschnitt 20 als eine Einheit von angenähert 3 mm ⌀ × 10 mm ausgebildet war. Die getestete Glühkerze 10 mit dem Heizerabschnitt 20 weist solche Eigenschaften auf, daß der Heizer in angenähert 3,5 s 800°C erreichen kann und daß er die Temperatur auf angenähert 1100°C anheben kann, wobei die Sättigungstemperatur unter der zulässigen Grenze von 1200°C gehalten wird. Darüber hinaus wurde gefunden, daß die dielektrische Stärke bzw. Durchschlagsfestigkeit von 50 V auf 150 V verbessert worden war.

Im Ausführungsbeispiel wurde ein keramischer Heizer mit kreisrundem Querschnitt beschrieben. Jedoch kann der Heizer auch jede andere Querschnittsform einschließlich rechteckiger, quadratischer, polygonaler und länglicher Querschnitte aufweisen. Darüber hinaus kann die Form, der Aufbau und auch die Zusammensetzung jeder Komponente in weiten Grenzen frei geändert werden, ohne die oben beschriebenen Wirkungen nachteilig zu beeinflussen.

Die Fig. 4 zeigt ein Funktionsdiagramm, in dem die Beziehung zwischen dem Al-Gehalt der Cu-Al-Legierung und der Gewichts- oder Massenzunahme infolge der Oxydation gezeigt ist. Die dargestellten Daten wurden als Ergebnis eines Heiztests gewonnen, bei den Proben, die unter Verwendung von Cu-Al-Legierungen unter Atmosphäre 10 min auf angenähert 830°C erwärmt wurden. Aus Fig. 4 geht hervor, daß die Testprobe, die nur Cu enthielt, infolge der Oxydation eine extrem hohe Massenzunahme zeigte, was einen geringen Widerstand gegenüber Oxydation zeigt. Bei ansteigendem Al-Gehalt nimmt die Massenzunahme infolge von Oxydation ab, und der Widerstand gegenüber Oxydation wird verbessert. Übersteigt dabei der Al-Gehalt 10 Gew.-%, so wurde gefunden, daß der genannte Effekt beinahe seine Sättigung erreicht. Es wurde gefunden, daß die Massenzunahme infolge von Oxydation, die in Fig. 4 dargestellt ist, Korrelationen zur Blisterausbildung, die in Fig. 3 gezeigt ist, aufweist. Die Bewertungen ergaben die Abschätzung, daß Blister oder Blasen 32 verhindert werden können, wenn der Al-Gehalt mehr als 4 Gew.-% beträgt.

Das Funktionsdiagramm der Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Al-Gehalt und der Durchschlagsfestigkeit, wobei Meßergebnisse dargestellt sind, die beim Messen der Durchschlagsfestigkeit einer Glühkerze gewonnen wurden, die unter Verwendung einer Cu-Al-Ti-Legierung mit angenähert 15,5 Gew.-% Ti und unter Bondierung der Leitungsabschnitte 21 und 22 und der Isolationslage 24 der Fig. 1 und 2 über eine Erwärmung auf 1100°C über 60 min hergestellt wurde. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, zeigt die unter Verwendung einer Cu-Al-Ti-Legierung hergestellte Glühkerze im Vergleich zu einer Glühkerze mit nur einer Cu-Ti-Legierung eine verbesserte Durchschlagsfestigkeit.

Eine Glühkerze für Dieselmotoren gemäß der Erfindung mit dem oben beschriebenen Aufbau kann die folgenden Wirkungen und Effekte erbringen.

• (1) Es kann verhindert werden, daß die Cu-reiche Schicht in der Bondierungs- oder Bindeschicht, die zwischen die Leitungsabschnitte und die Isolationslage eingefügt ist, oxydiert und auf diese Weise können Blisterbildungen verhindert werden. Die auf die äußere Umfangsfläche der Leitungsabschnitte aufgebrachte Isolationsschicht kann mit jeder gewünschten Dicke ausgebildet werden.
• (2) Die elektrische Isolation zwischen dem keramischen Heizer und dem Halter kann aufrechterhalten werden, und beide können positiv miteinander durch Bondierung verbunden werden. Dies unterstützt die Verhinderung schlechter Luftdichtheit und schlechter Isolation, woraus die verlängerte Lebensdauer der Glühkerze und ihre verbesserte Zuverlässigkeit resultieren.

Claims (3)

1. Glühkerze für Dieselmotoren, in der ein keramischer Heizer mit einem seiner Enden freitragend nach außen gerichtet durch das vordere Ende eines hohlen Halters gehaltert ist, der keramische Heizer aus einem U-förmigen Heizabschnitt und einem Paar Leiterabschnitten aufgebaut ist, die sich von beiden Enden des U-förmigen Heizabschnitts nach hinten erstrecken, wobei diese Komponenten integral aus einem elektrisch leitenden Keramikmaterial geformt sind, und in welcher eine Isolationslage zumindest in dem vorderen Ende des Halters des keramischen Heizers entsprechenden Bereichen zwischen die Leiterabschnitte eingefügt und fest eingepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterabschnitte (21, 22) und die Isolationslage (24) über ein Hartlötzusatzmetall, das aus einer Cu-Al- Ti-Legierung besteht, miteinander verbunden sind.

2. Glühkerze für Dieselmotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch ein aus einer Cu-Al-Ti-Legierung bestehendes Hartlötzusatzmetall ausgebildete Verbindungsschicht (26) in direktem Kontakt mit einem Oxidfilm (30) kommt, der auf der äußeren Oberfläche der Leiterabschnitte (21, 22) und der Isolationslage (24) ausgebildet ist.

3. Glühkerze für Dieselmotoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Al-Gehalt der Cu-Al-Ti-Legierung mehr als 4 Gew.-% beträgt.