DE60029415T2

DE60029415T2 - Glühkerze

Info

Publication number: DE60029415T2
Application number: DE60029415T
Authority: DE
Inventors: c/o NGK Spark Plug Co. Masato Nagoya Taniguchi; c/o NGK Spark Plug Co. Hiroyuki Nagoya Kimata
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1999-12-08
Filing date: 2000-12-07
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2020-12-08
Also published as: US20010009254A1; US6326595B2; EP1113225A3; EP1113225B1; EP1113225A2; DE60029415D1; JP2001165440A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glühkerze gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine solche Glühkerze ist aus dem Dokument Patent Abstracts of Japan, Vol. 1998, Nr. 09, 31. Juli 1998, und aus JP 10 089 226 bekannt. Genauer betrifft die Erfindung eine Glühkerze, die exzellente Haltbarkeit aufweist, in der Lage ist, einen möglicherweise durch Adhäsion von Kohlenstoff verursachten Kurzschluss zu verhindern, Sicherheit garantiert, und in der Lage ist, Ionenstrom genau nachzuweisen.
In den vergangenen Jahren ist es für das Motorverbrennungssteuerungssystem des Motors notwendig geworden, den Zustand der Verbrennung des Motors nachzuweisen, um Abgas und Abgasrauch eines Benzinmotors oder Dieselmotors zu reduzieren. Der Zustand der Verbrennung des Motors ist bezüglich beispielsweise des Zylinderdrucks, des Lichts der Verbrennung oder des Ionenstroms erfasst worden. Insbesondere der Nachweis von Ionenstrom ist als nützlich erachtet worden, da eine chemische Reaktion, die die Verbrennung begleitet, direkt beobachtet werden kann. Um Ionenstrom nachzuweisen, ist eine Glühkerze vorgeschlagen worden, in welche eine Ionennachweiselektrode eingearbeitet ist (siehe z. B. die japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungs-Nr. (kokai) 10-122114 ).
Im Fall eines mit einer Glühkerze ausgestatteten Dieselmotors, in welche eine Ionennachweiselektrode eingearbeitet ist, wird, wenn in der Verbrennungskammer produzierter Kohlenstoff an die Ionennachweiselektrode anhaftet, ein Kurzschluss gebildet, oder es fließt ein Kriechstrom mit einer resultierenden Beeinträchtigung der Genauigkeit des Ionenstromnachweises. Folglich muss die Ionennachweiselektrode einer Region in einer Temperaturzone ausgesetzt sein, in der Kohlenstoff mittels eines Heizelements abgebrannt wird. Daher muss der bloßliegende Anteil der Ionenelektrode notwendig exzellente Hitze- und Abnutzungsresistenz aufweisen. Konventionelle Glühkerzen, die obige Probleme gelöst haben, umfassen z. B. eine Glühkerze, in welcher eine Ionennachweiselektrode aus einem Edelmetall, wie beispielsweise Pt, gebildet ist, um Hitze- und Abnutzungsresistenz derselben zu garantieren, oder in welcher ein bloßliegender Anteil der Ionennachweiselektrode mit einer leitenden Schicht metallisiert ist ( japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungs-Nr. (kokai) 10-89687 ); und eine Glühkerze, in welcher eine Ionennachweiselektrode mit einem Edelmetall, wie beispielsweise Pt, Ir oder Rh, oder einer isolierenden porösen Schicht beschichtet ist, welche mittels Sinterns eines elektrisch isolierenden keramischen Pulvers, wie z. B. Tonerde, gebildet ist ( japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungs-Nr. (kokai) 10-110952 oder 10-89226 ).
Jedoch resultiert die Benutzung einer Ionennachweiselektrode oder Beschichtungslage aus einem Edelmetall, wie z. B. Pt, in einer sehr teuren Glühkerze. Weiterhin neigt die Benutzung einer aus Edelmetall, wie z. B. Pt, gefertigten Ionennachweiselektrode eher dazu, Spannungskonzentrationen in einem Isolator in der Nähe der Ionennachweiselektrode hervorzurufen, da sich Wärmeausdehnung von Edelmetall und Keramik, aus der der Isolator gefertigt ist, unterscheidet. Als Ergebnis kann die Glühkerze Schaden erleiden, beispielsweise zerbrechen. Der Fall, in dem ein bloßliegender Teil einer Ionennachweiselektrode mit einer leitenden Schicht metallisiert ist, ist mit der Schwierigkeit der Auswahl eines Materials für die Beschichtungslage verbunden, da das Material Korrosionsbeständigkeit bei einer Betriebstemperatur einer Glühkerze, d. h. 1000°C oder höher, aufweisen und in der Lage sein muss, eine Abtrennung der Beschichtungslage zu verhindern, die möglicherweise aus einer Differenz in der Wärmeausdehnung resultiert. In dem Fall, in dem ein bloßliegender Teil einer Ionennachweiselektrode mit einer isolierenden porösen Schicht beschichtet ist, kann die Haltbarkeit der Beschichtungslage ein Problem erzeugen, da das Merkmal der Porösität der Beschichtungslage ein Ansteigen des Oberflächenbereichs der Beschichtungslage bedeutet, der Verbrennungsgasen ausgesetzt ist.
Da die Spitze einer Glühkerze hohe Temperaturen annimmt, sind Studien an Glühkerzen durchgeführt worden, in welchen die Ionennachweiselektrode in einer Seitenfläche eines Isolators bloßliegt, nicht in einer Region der Spitze des Isolators, um Hitzebeständigkeit zu garantieren (siehe 1). Diese Konfiguration ist mit der Schwierigkeit verbunden, Ionen wahrzunehmen, die eine Seitenregion des Isolators gegenüber der Ionennachweiselektrode erreicht haben. Weiterhin variiert die Orientierung der Ionennachweiselektrode in Abhängigkeit von dem Zustand der Anbringung der Glühkerze, was in Variationen im Nachweis von Io nenstrom resultiert; d. h. beeinträchtigte Genauigkeit im Nachweis des Ionenstroms.
Die vorliegende Erfindung ist hinsichtlich der vorangehenden Fakten erzielt worden, und eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Glühkerze bereitzustellen, die exzellente Haltbarkeit aufweist, in der Lage ist, einen möglicherweise durch Adhäsion von Kohlenstoff verursachten Kurzschluss zu verhindern, Sicherheit garantiert, und in der Lage ist, Ionenstrom genau nachzuweisen.
Die gegenwärtigen Erfinder haben eine Glühkerze und ein Verfahren zum Herstellen einer solcher im Hinblick auf die vorangehenden Tatsachen studiert, und haben herausgefunden, das Glas, welches als isolierende Schicht betrachtet wird, genügend Ionenleitfähigkeit zum Nachweis eines Ionenstroms aufweist, wenn die Temperatur des Glases als ein Resultat des Betriebes eines Motors oder einer Glühkerze ansteigt. Basierend auf diesen Erkenntnissen haben die Erfinder die vorliegende Erfindung erhalten. Speziell fanden sie heraus, dass eine Glühkerze, die einen Heizwiderstand und eine Ionennachweiselektrode umfasst, welche innerhalb eines Isolator angeordnet sind, exzellente Haltbarkeit aufweist, einen möglicherweise durch Adhäsion von Kohlenstoff verursachten Kurzschluss verhindern und Ionenstrom genau nachweisen kann mittels Benutzung der folgenden strukturellen Merkmale: Ein Teil der Ionennachweiselektrode liegt an der Oberfläche des Isolators bloß und der bloßliegende Teil ist mit einer Glasbeschichtungslage beschichtet.
Eine erfindungsgemäße Glühkerze umfasst ein keramisches Heizelement, welches seinerseits einen Isolator umfasst, einen in dem Isolator angeordneten Heizwiderstand und eine in dem Isolator angeordnete Ionennachweiselektrode. Die Glühkerze ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Ionennachweiselektrode aus dem Isolator der keramischen Heizelementes heraus bloßliegt und dass der bloßliegende Teil mit einer Glasbeschichtungslage beschichtet ist.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun, nur beispielhaft, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 einen Längsquerschnitt einer Glühkerze gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2(a) einen vergrößerten Längsquerschnitt eines Hauptteils der Glühkerze aus 1 darstellt; und
(b) einen Querschnitt entlang der Linie B-B' aus 2(a) darstellt;
3 eine Ansicht darstellt zum Erklären eines integrierten Aufbaus eines Heizwiderstandes und Anschlussdrähten;
4 eine Ansicht darstellt zum Erklären des Spritzgießens zum Herstellen eines integrierten Aufbaus eines Heizwiderstandes und Anschlussdrähten;
5 eine Ansicht darstellt zum Erklären eines Schrittes des Bildens einer Formteilanordnung durch Pressen;
6 einen vergrößerten Längsquerschnitt eines Hauptteils einer Glühkerze gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung darstellt;
7 eine Ansicht darstellt zum Erklären eines Zustandes, in welchem die Glühkerze aus 1 in einen Motor montiert ist, während sie mit einem Glühkerzenbetriebsschaltkreis verbunden ist; und
8 eine Seitenansicht eines Hauptteils der Glühkerze gemäß der Ausführungsform zeigt, aus Sicht gegenüber einer Ionennachweiselektrode.
Bezugszeichen zum Identifizieren von in den Zeichnungen gezeigten Elementen werden wie folgt benutzt:

A: Glühkerze;
1: metallische Hülse;
2: zylindrisches metallisches Gehäuse;
3: Terminalelektrode;
4: keramisches Heizelement;
41: Heizwiderstand;
411: Ionennachweiselektrode;
42, 43: Anschlussdrähte;
44: Isolator;
5: Glasbeschichtungslage;
61, 62, 63: externe Verbindungsdrähte;
64, 65: externe Anschlussdrähte;
7: Terminalanschlussleitung;
8: Glasdichtung;
9: Zylinderkopf;
91: Wirbelkammer;
92: Hauptverbrennungskammer;
93: Kolben;
94: Kraftstoffeinspritzdüse;
10, 11: Glührelais;
12: Batterie;
13: Gleichstromquelle;
14: Ionenstromnachweiswiderstand;
141: Potentiometer;
15: Lötmaterial;

1 und 2 zeigen ein Beispiel einer Glühkerze der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Wie in 1 gezeigt, umfasst eine Glühkerze A eine metallische Hülse 1; ein zylindrisches metallisches Gehäuse 2, welches die metallische Hülse 1 hält; eine Terminalelektrode 3, welche in das zylindrische metallische Gehäuse 2 hinein befestigt ist, während sie davon isoliert ist; ein keramisches Heizelement 4, welches in die metallische Hülse 1 eingepasst ist und eine Glasbeschichtungslage 5.
Ein hinterer Teil der metallischen Hülse 1 ist starr an der inneren Wand des zylindrischen metallischen Gehäuses 2 mittels einer Glasdichtung befestigt. Die Ter minalelektrode 3 ist starr an dem zylindrischen metallischen Gehäuse 2 und einer Terminalanschlussleitung 7 befestigt, während sie davon mittels einer Glasdichtung 8 isoliert ist. Das keramische Heizelement 4 besitzt einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt. Die Glasbeschichtungslage 5 ist auf dem keramischen Heizelement 4 derart gebildet, dass sie den bloßliegenden Teil der Ionennachweiselektrode bedeckt und sich entlang des im Wesentlichen kreisförmigen Umfangs des keramischen Heizelementes 4 erstreckt.
Wie in 2 gezeigt, ist das keramische Heizelement 4 so eingerichtet, dass ein U-förmiger Heizwiderstand 41 und Anschlussdrähte 42 und 43 in einem Isolator 44 eingebettet sind. Der U-förmige Heizwiderstand 41 umfasst eine Ionennachweiselektrode 411, welche aus einer Seite davon herausragt. Die Ionennachweiselektrode 411 liegt an einer Seite des keramischen Heizelementes 4 bloß.
Wie in 2 gezeigt, sind ein Ende 42A des Anschlussdrahtes 42 und ein Ende 43A des Anschlussdrahtes 43 mit den entsprechenden Endteilen des Heizwiderstandes 41 verbunden. Das andere Ende 42B des Anschlussdrahtes 42 liegt an der Oberfläche eines Zwischenteils des Isolators 44 bloß, während das andere Ende 43B des Anschlussdrahtes 43 an der Oberfläche eines hinteren Teils des Isolators 44 bloßliegt. Das andere Ende 42B des Anschlussdrahtes 42 ist elektrisch mit der Terminalanschlussleitung 7 über einen externen Spiralverbindungsdraht 61 und einen beschichteten Ni-Anschluss verbunden. Das andere Ende 43B des Anschlussdrahtes 43 ist elektrisch mit der Terminalelektrode 3 über externe Spiralverbindungsleitungen 62, 63 verbunden.
Die „Glasbeschichtungslage” 5 in der ersten Ausführungsform der Erfindung ist aus Glas hergestellt, welches als Hauptkomponente SiO₂ besitzt, und ist auf der Oberfläche des keramischen Heizelementes 4 derart ausgebildet, dass sie den bloßliegenden Teil der Ionennachweiselektrode 411 bedeckt. Spurbestandteile des Glases, das die „Glasbeschichtungslage” 5 bildet, die von SiO₂ verschieden sind, sind nicht speziell beschränkt. Jedoch sind vorzugsweise Alkalimetalle, wie beispielsweise Na und K, enthalten, da solche Alkalimetalle, falls sie enthalten sind, die Ionenleitfähigkeit der Glasbeschichtungslage 5 verbessern, um dadurch einen genauen Nachweis von Ionenstrom zu ermöglichen. Die „Glasbeschichtungslage” 5 muss mindestens den Teil der Ionennachweiselektrode 411 bede cken, der aus dem Isolator 44 des Heizelementes 4 heraus bloßliegt. In diesem Zusammenhang kann die Glasbeschichtungslage 5 so ausgebildet sein, dass sie eine größere Region abdeckt, um nicht nur Ionen nachzuweisen, die eine Region erreicht haben, die über der Ionennachweiselektrode 411 lokalisiert ist, sondern auch Ionen, die einen beliebigen Teil der Glasbeschichtungslage erreicht haben. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Glasbeschichtungslage so ausgebildet sein, dass sie den bloßliegenden Teil abdeckt und sich überall um den Isolator des keramischen Heizelementes herum erstreckt, wie es in 2(b) gezeigt ist, welche ein Querschnitt entlang der Linie B-B' darstellt.
Da Glas in körnige Grenzflächen von Keramik, die den Isolator 44 bilden, eindringt, ist die ausgebildete Glasbeschichtungslage 5 vollständig mit dem Isolator integriert, wodurch eine potentielle Abtrennung der Lage von dem keramischen Heizelement 4 verhindert wird. Wenn Glas bei hoher Temperatur erweicht, fällt offensichtlich sein Young'scher Modul. Daher tritt Spannungskonzentration nicht auf, wodurch das Auftreten von Zerbrechen verhindert wird, mit einer resultierenden Verbesserung der Haltbarkeit der Glasbeschichtungslage 5.
Die Dicke der „Glasbeschichtungslage” 5 ist nicht besonders begrenzt. Die Dicke beträgt vorzugsweise 10 bis 200 μm, bevorzugter 20 bis 100 μm und noch bevorzugter 30 bis 60 μm. Wenn die Dicke der Glasbeschichtungslage 5 weniger als 10 μm beträgt, ist die Haltbarkeit der Glasbeschichtungslage beeinträchtigt. Wenn die Dicke 200 μm übersteigt, wird die Festigkeit der Glasbeschichtungslage beeinträchtigt aufgrund von thermischer Belastung, und wiederum ist die Haltbarkeit der Glasbeschichtungslage 5 beeinträchtigt.
Der Erweichungspunkt der „Glasbeschichtungslage” 5 ist nicht besonders begrenzt. Jedoch ist der Erweichungspunkt bevorzugt nicht niedriger als 600°C und bevorzugt nicht niedriger als 700°C, bevorzugter nicht niedriger als 800°C. Wenn der Erweichungspunkt der Glasbeschichtungslage 5 niedriger als 600°C ist, kann das Glas, welches die Glasbeschichtungslage bildet, fließen, während das Fahrzeug fährt, was möglicherweise darin resultiert, dass die Ionennachweiselektrode 411 Verbrennungsgasen ausgesetzt ist. Der vorstehend erwähnte Erweichungspunkt wird insbesondere auch Littleton-Punk genannt und gibt die Tem peratur an, die bei einer Viskosität von 4,5 × 10⁷ P gemessen wird. Der Erweichungspunkt kann unter Benutzung eines Differentialthermoanalysierers gemessen werden.
In der ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine Position, in der die „Ionennachweiselektrode” 411 bloßliegt, nicht besonders beschränkt. Normalerweise, wie in den 1 und 2 gezeigt, liegt die Ionennachweiselektrode 411 an einer Seitenoberfläche des keramischen Heizelementes 4 bloß, kann aber auch an einem Teil der Spitze des keramischen Heizelementes 4 bloßliegen. Wenn die Ionennachweiselektrode 411 an einer Seitenoberfläche des keramischen Heizelementes 4 bloßliegt, kann die Distanz zwischen der Ionennachweiselektrode 411 und der metallischen Hülse 1 2 mm oder weniger betragen. Da die Ionennachweiselektrode 411 an einer Position lokalisiert sein kann, die hinsichtlich Temperatur vorteilhaft ist, wird in diesem Fall die Haltbarkeit der Glühkerze verbessert, was in einer ausgedehnteren Lebensdauer der Glühkerze resultiert. Da die Glasbeschichtungslage 5 nahe der Raumtemperatur elektrisch nicht-leitend ist, ist ein Verkürzen der Distanz zwischen der Ionennachweiselektrode und der metallischen Hülse 1 nicht mit einem Kurzschluss verbunden, der möglicherweise durch Adhäsion von Kohlenstoff entsteht.
Materialien für die „Ionennachweiselektrode” 411 oder den „Heizwiderstand” 41 in der ersten Ausführungsform der Erfindung sind nicht besonders eingeschränkt. Normalerweise werden die Ionennachweiselektrode 411 und der Heizwiderstand 41 durch Sintern eines Keramikformteiles gebildet (Si₃N₄, SiO₂, WC, Seltenerdoxide oder dergleichen). Aus W, Ir, Ta und Pt sind z. B. benutzte Materialien. Wie in 6 gezeigt, können die „Ionennachweiselektrode” 411 und der „Heizwiderstand” 41 aus verschiedenen Materialien gebildet sein. Vorzugsweise werden die Ionennachweiselektrode 411 und der Heizwiderstand 41 aus demselben Material gemacht, da der Heizwiderstand 41 und die Ionennachweiselektrode 411 einteilig ausgebildet sein können; d. h. sie können effizient hergestellt werden (siehe 3 und 4). In der ersten Ausführungsform der Erfindung sind die „Ionennachweiselektrode” 411 und der „Heizwiderstand” 41 in eine einzige Einheit integriert, aber sie können als verschiedene Elemente gebildet sein.
Ein Material für den „Isolator” 44 in der ersten Ausführungsform der Erfindung ist nicht besonders begrenzt, solange das Material isolierende Eigenschaften besitzt. Der Isolator 44 kann aus Al₂O₃ gebildet sein, ist aber vorzugsweise durch Sintern eines Keramikformteils gebildet, welches Si₃N₄ als eine Hauptkomponente besitzt, da Eigenschaften wie beispielsweise Festigkeit und Zähigkeit des so gebildeten Isolators 44 ausgewogen sind.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Glühkerze, die die Erfindung verkörpert, ist gekennzeichnet durch Beschichten eines Teils einer Ionennachweiselektrode, die innerhalb eines Isolators eines keramischen Heizelementes angeordnet ist mit einer Glasbeschichtungslage, wobei der Teil aus dem Isolator heraus bloßliegt. Das Beschichtungsverfahren ist nicht besonders beschränkt, solange der Teil der Ionennachweiselektrode, der aus dem Isolator des Heizelementes heraus bloßliegt, beschichtet werden kann.
Die Benutzung einer Glühkerze A der vorliegenden Erfindung wird als Nächstes mit Bezug auf 7 beschrieben. Wenn der Motor gestartet wird, werden die Glührelais 11 und 12 angeschaltet, um dadurch den Schaltkreis zwischen einer Batterie 12 und dem Heizwiderstand 41 des Glühkerze A zu schließen. Resultierend fließt Strom durch den Heizwiderstand 41, so dass der Heizwiderstand Wärme erzeugt. Dadurch wird die Glühkerze auf Verbrennungstemperatur erwärmt. Jedes Mal, wenn Treibstoff aus einer Treibstoffeinspritzdüse 94 eingespritzt wird, wird der eingespritzte Treibstoff entzündet, wodurch ein Kolben 93 veranlasst wird, zu arbeiten. Dadurch wird der Motor angetrieben.
Während der obigen Operation wird eine große Anzahl von positiven und negativen Ionen in der Region der Verbrennungsflamme erzeugt. Da eine Gleichstromquelle 13 Spannung zwischen einem Zylinderkopf 9 und der Ionennachweiselektrode 411 der Glühkerze A anlegt, fangen die Ionennachweiselektrode 411 und der Zylinderkopf 9 Ionen. Dadurch fließt ein Ionenstrom durch einen Stromkreislauf, der einen Ionenstromnachweiswiderstand 14 umfasst. Ein Potentiometer 141 weist den Ionenstrom in Form von Potentialdifferenz über den Ionenstromnachweiswiderstand 14 nach.
Nahe der Raumtemperatur ist der spezifische Widerstand von Glas recht hoch und dadurch ist Glas elektrisch nicht-leitend. Adhäsion von Kohlenstoff, falls vorhanden, verursacht keinen Kurzschluss. Mit Ansteigen der Temperatur wird die Bewegung der im Glas enthaltenen Alkalimetalle intensiv. Am Erweichungspunkt von Glas oder bei höheren Temperaturen wird Glas elektrisch leitfähig. Demnach können mittels Beschichten mit einer wie in der vorliegenden Erfindung spezifizierten Glasbeschichtungslage nicht nur Ionen nachgewiesen werden, die eine Region erreicht haben, die über der Ionennachweiselektrode lokalisiert ist, sondern auch Ionen, die einen beliebigen Teil der Glasbeschichtungslage erreicht haben. Dadurch kann Ionenstrom genau nachgewiesen werden, wodurch der Ionisierungszustand während des Betriebs genau erfasst werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird als Nächstes speziell mittels Beispielen und Vergleichsbeispielen beschrieben.
(1) Konfiguration einer Glühkerze der vorliegenden Ausführungsform
Eine Glühkerze der vorliegenden Ausführungform ist in den 1 bis 5 gezeigt.
In der Glühkerze der vorliegenden Ausführungsform besitzt die metallische Hülse 1 eine Wanddicke von 0,6 mm und ist aus hitzebeständigem Metall gefertigt, und das zylindrische metallische Gehäuse ist aus Kohlenstoffstahl gefertigt. Der Heizwiderstand 41 mit Ausnahme des bloßliegenden Teils der Ionennachweiselektrode 411 ist in den Isolator 4 eingebettet, so dass die Distanz zwischen der Oberfläche des Heizwiderstands 41 und der Oberfläche des Isolators 4 nicht weniger als 0,3 mm beträgt. Dadurch kann der Heizwiderstand, selbst wenn er, während die Glühkerze in Benutzung ist, hohe Temperaturen annimmt (800°C bis 1500°C) davon abgehalten werden, zu oxidieren, und kann hohe mechanische Festigkeit behalten. Die Anschlussdrähte 42 und 43 sind in der folgenden Art hergestellt: Ein W-Draht mit einem Durchmesser von 0,3 mm bis 0,4 mm ist mit Silber galvanisiert, so dass die Dicke des Überzugs 3 μm beträgt.
(2) Herstellung einer Glühkerze der vorliegenden Erfindung
Zuerst wird ein Material für den Heizwiderstand 41 vorbereitet. Das Material enthält 60 Gew.-% WC und 40 Gew.-% isolierende Keramik (Si₃N₄: 85 Gewichtsanteile, Seltenerdoxide: 10 Gewichtsanteile; SiO₂: 5 Gewichtsanteile). Ein Detergens und ein Lösungsmittel werden dem Material hinzugefügt, gefolgt von Pulverisierung und Trocknung. Ein organischer Binder wird zu der pulverisierten Substanz hinzugefügt, wodurch eine körnige Substanz erhalten wird.
Als Nächstes wird der W-Draht in Stücke geschnitten, wobei jedes eine vorbestimmte Länge besitzt. Die geschnittene Stücke werden in vorbestimmte Formen gebracht. Die so geformten W-Drahtstücke werden mit Silber galvanisiert, so dass die Dicke des Überzugs 3 μm beträgt, wodurch die Anschlussdrähte 42 und 43 erhalten werden.
Wie in 4 gezeigt, wird die obige körnige Substanz so spritzgegossen, dass sie mit den beiden Enden 42A und 43A der Anschlussdrähte 42 und 43 verbunden wird, wobei ein U-förmiger ungesinterter Heizwiderstand 41A und die Anschlussdrähte 42 und 43 integral miteinander wie in 3 gezeigt ausgebildet werden. In diesem Formungsschritt wird ein Vorsprung auf dem ungesinterten Heizwiderstand 41A ausgebildet, der die Ionennachweiselektrode werden wird, um ein hervorstehendes Teil des Heizwiderstandes 41 zu werden. In einem späteren Schritt kann der hervorstehende Teil durch Abschleifen an der Oberfläche des Isolators bloßliegen. Besonders wenn eine W-Elektrode oder eine Ir-Elektrode als Ionennachweiselektrode zu benutzen ist, wird die W-Elektrode oder die Ir-Elektrode an einer Position angeordnet, die dem Vorsprung entspricht, bevor die körnige Substanz spritzgegossen wird, um die W-Elektrode oder Ir-Elektrode mit dem ungesinterten Heizwiderstand 41A zu integrieren.
Als Nächstes wird ein keramisches Pulver vorbereitet, aus welchem der Isolator 44 gefertigt wird. Si₃N₄ (85 Gewichtsanteile), Seltenerdoxide (10 Gewichtsanteile) und SiO₂ (5 Gewichtsanteile) werden gemischt, um ein keramisches Pulver zu erhalten. Ein organischer Binder wird dem keramischen Pulver hinzugefügt, um dadurch eine körnige Substanz zu erhalten. Wie in 5 gezeigt, werden ein Paar Formteilhälften 44A und 44B aus der körnigen Substanz gebildet. Die in 3 gezeigte integrierte Einheit wird auf die Formteilhälfte 44A gelegt und dann wird die Formteilhälfte 44B auf die Formteilhälfte 44A platziert. Die resultierende Anordnung wird gepresst, wodurch ein Formteil 44C erhalten wird.
Das Formteil 44C wird heißgepresst in einer Stickstoff-Gasatmosphäre bei einer Temperatur von 1750°C unter Anwendung eines Drucks von 200 kg/cm², wodurch es einen gesinterten keramischen Körper bildet, der die Form eines runden Barrens mit einem halbkugelförmigen Teil an der Spitze annimmt. Die Oberfläche des gesinterten keramischen Körpers wird in die Form einer Säule geschliffen, die vorbestimmte Dimensionen besitzt und so, dass die anderen Enden 42B und 43B der Anschlussdrähte 42 und 43 an der Oberfläche des gesinterten keramischen Körpers bloßliegen. Dadurch ist das keramische Heizelement fertiggestellt.
Eine Glaslage wird auf dem keramischen Heizelement durch Brennen so gebildet, dass sie sich überall um den Isolator 44 herum erstreckt und den bloßliegenden Teil der Ionennachweiselektrode und einen Teil des Isolators 44 bedeckt, der durch die metallische Hülse 1 zu halten ist. Beispielsweise wird zuerst durch Mischen eines Glaspulvers (Produkt der Asahi Glass Co., 103) mit einem Binder und einem Lösungsmittel eine Glaspaste vorbereitet. Die Glaspaste wird dann auf das keramische Heizelement 4 aufgebracht und bei einer Temperatur von 120°C 10 bis 20 Minuten getrocknet und für 5 Minuten in einer Wasserstoff-Stickstoff-Atmosphäre bei einer Temperatur von 1300°C gebrannt. Die Glaslage setzt sich beispielsweise zusammen aus SiO₂·B₂O₃·R₂O (R: Alkalimetall, z. B. Li, Na, K) Hochschmelzpunktglas (Erweichungspunkt: 820°C).
Das keramische Heizelement 4 und die metallische Hülse 1 und das keramische Heizelement 4 und die externen Verbindungsdrähte 61 und 62 werden elektrisch verbunden mittels Lötens. Die externen Verbindungsdrähte 61 und 62 werden elektrisch mit der Terminalanschlussleitung 7 bzw. der Terminalelektrode 3 verbunden. Nachfolgend wird die resultierende Anordnung des keramischen Heizelementes 4 in das zylindrische metallische Gehäuse 2 eingesetzt. Ein hinterer Teil der metallische Hülse 1 wird an die innere Wand eines Halteteils des zylindrischen metallischen Gehäuses 2 silbergelötet. Schließlich wird ein Ende des zylindrischen metallischen Gehäuses verstemmt, wodurch die Glühkerze A eines Zweifachisolationstyps fertiggestellt ist.
(2) Leistungsevaluation einer Glühkerze
1. Haltbarkeit-zu-Energetisierung-Test

Glühkerzen aus Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 bis 5 wurden gemäß des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt, wobei die wie in Tabelle 1 spezifizierten Materialien für die Ionennachweiselektrode und die Beschichtungslage und die Dicke der Beschichtungslage zur Anwendung kamen. Die Glühkerzen wurden einem Haltbarkeit-zu-Energetisierung-Test unterzogen, durch 10.000 Zyklen, um dadurch ihre Haltbarkeit hinsichtlich Energetisierung zu evaluieren. Jeder Zyklus besteht aus einer 1-minütigen Energetisierung (Temperatur des Teils an der Spitze des Isolators: 1400°C) und einer 1-minütigen Abschaltung (Abkühlen auf Raumtemperatur). Die Testresultate sind in Tabelle 1 gezeigt. In Tabelle 1 bedeutet der Begriff „Heizelement”, der in der Spalte „Elektrodenmaterial” auftritt, dass die Ionennachweiselektrode 411 und der Heizwiderstand 41 aus demselben Material gefertigt sind. Tabelle 1

	Elektrodenmaterial	Elektodenbeschichtung	Beschichtungsdicke	Ergebnisse
Beispiel 1	Heizelement	Glas	5 μm	Anschwellen des Heizelements aufgrung von Oxidation nach 2000 Zyklen
Beispiel 2	Heizelement	Glas	10 μm	Keine Anomalien nach 10000 Zyklen
Beispiel 3	Heizelement	Glas	50 μm	Keine Anomalien nach 10000 Zyklen
Beispiel 4	Heizelement	Glas	100 μm	Keine Anomalien nach 10000 Zyklen
Beispiel 5	Heizelement	Glas	200 μm	Keine Anomalien nach 10000 Zyklen
Beispiel 6	W	Glas	20 μm	Keine Anomalien nach 10000 Zyklen
Vergleichsbeispiel 1	Heizelement	nicht beschichtet	0	Anschwellen der Elektrode aufgrund von Oxidation nach 100 Zyklen
Vergleichsbeispiel 2	W	nicht beschichtet	0	Anschwellen der Elektrode aufgrund von Oxidation nach 50 Zyklen
Vergleichsbeispiel 3	Ir	nicht beschichtet	0	Zerbrechen des Isolators nach 1200 Zyklen
Vergleichsbeispiel 4	W	Au Überzug	2 μm	Anschwellen der Elektrode aufgrund von Oxidation nach 250 Zyklen
Vergleichsbeispiel 5	W	Au-Ni mittels Brennens aufgebracht	15 μm	Abtrennen der Beschichtungslage nach 400 Zyklen

2. Haltbarkeit-im-Motor-Test
Ein Haltbarkeit-im-Motor-Test wurde unter Benutzung eines Vierzylinder-Dieselmotors (2400 cm³) durchgeführt.
Jede der Glühkerzen aus den Beispielen 7 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 6 bis 9 wurde so an dem Motor montiert, dass ein extern mit einem Gewinde versehener Teil des zylindrischen metallischen Gehäuses 2 wie in 7 gezeigt in den Zylinderkopf 9 des Motors geschraubt wurde. Die Glühkerze A ist so montiert, dass ein Teil der Spitze davon in eine Wirbelkammer 91 ragt, welche ein Teil einer Verbrennungskammer des Zylinderkopfes 9 ist.
Wie in 7 gezeigt, ist die Glühkerze mit einem Glühkerzen-Betriebsschaltkreis verbunden. Genauer, sind Glührelais 10 und 11 und eine 12-Volt-Batterie 12 in dem Glühkerzen-Betriebsschaltkreis elektrisch mit den Anschlussdrähten 42 und 43 mittels externer Anschlussdrähte 64 und 65 und über die Terminalanschlussleitung 7 und die Terminalelektrode 3 verbunden, wodurch ein Heizschaltkreis für den Heizwiderstand 41 gebildet wird. Ein Ionennachweisschaltkreis ist über die Gleichstromquelle 13 mit dem Ionenstromnachweiswiderstand 14 verbunden. Der Potentiometer 141 ist mit dem Ionenstromnachweiswiderstand 14 verbunden, um Ionenstrom nachzuweisen. Der Haltbarkeit-im-Motor-Test wurde mittels 1.000 Zyklen in einem Betriebsmodus durchgeführt. Jeder Zyklus setzt sich aus den folgenden Schritten zusammen (4 Minuten pro Zyklus).
1. Drehzahl 0 Umdrehungen pro Minute (Motor ist aus)
Das Heizelement wird für 1 Minute energetisiert und die Ionennachweiselektrode ist abgeschaltet.
2. Drehzahl 700 Umdrehungen pro Minute, keine Last (Leerlauf)
Das Heizelement wird abgeschaltet und die Ionennachweiselektrode wird für 1 Minute energetisiert.
3. Drehzahl 3.600 Umdrehungen pro Minute, Vollast
Das Heizelement wird abgeschaltet und die Ionennachweiselektrode wird für 2 Minuten energetisiert.

Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. In Tabelle 2 bedeutet der Betriff „kurz”, der in der „Ergebnisse”-Spalte auftritt, dass Adhäsion von Kohlenstoff an die Ionennachweiselektrode einen Kurzschluss während der Energetisierung verursacht hat mit dem Ergebnis eines Durchbrennens einer Sicherung. Der Begriff „1.000 Zyklen haltbar” bedeutet „Bestehen der 1.000 Zyklen des Haltbarkeit-im-Motor-Tests” oder keine Materialveränderung nach 1.000 Zyklen des Haltbarkeit-im-Motor-Tests. Weiter bedeutet der Begriff „Heizelement”, der in der „Elektrodenmaterial”-Spalte vorkommt, dass die Ionennachweiselektrode 411 und der Heizwiderstand 41 aus demselben Material gefertigt sind. Tabelle 2

	Elektrodenmaterial	Elektrodenbeschichtung	Beschichtungsdicke	Ergebnisse
Beispiel 7	Heizelement	Glas	5 μm	1000 Zyklen haltbar
Beispiel 8	Heizelement	Glas	10 μm	1000 Zyklen haltbar
Beispiel 9	Heizelement	Glas	100 μm	1000 Zyklen haltbar
Beispiel 10	Heizelement	Glas	200 μm	1000 Zyklen haltbar
Beispiel 11	Heizelement	Glas	300 μm	1000 Zyklen haltbar
Vergleichsbeispiel 6	Heizelement	nicht beschichtet	0	Kurz nach 70 Zyklen
Vergleichsbeispiel 7	W	nicht beschichtet	0	Kurz nach 60 Zyklen
Vergleichsbeispiel 8	Ir	nicht beschichtet	0	Kurz nach 100 Zyklen
Vergleichsbeispiel 9	W	Au Überzug	2 μm	Kurz nach 40 Zyklen

3. Ionennachweis-Sensitivitätstest
Glühkerzen aus Beispielen 12 und 13 und Vergleichsbeispiel 10 wurden gemäß des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt, während die wie in Tabelle 3 spezifizierte Länge der Glasbeschichtungslage (X) von 8 zur Anwendung kam. Durch die Benutzung von Glühkerzen wurde Spannung gemessen, die nachgewiesen wurde, wenn den Ionennachweiselektrode 411 zu einer Treibstoffeinspritzdüse hin orientiert war und wenn die Ionennachweiselektrode der Treibstoffeinspritzdüse entgegengesetzt orientiert war. Die Messung wurde in folgender Weise durchgeführt. In dem in 7 gezeigten Glühkerzen-Betriebsschaltkreis liefert die Gleichstromquelle 13 eine Gleichstromspannung von 300 Volt und der Ionennachweiswiderstand 14 nimmt einen Widerstand von 10 kΩ an. Ein Ionenstrom wurde für 1 Minute im Leerlauf nachgewiesen. Der durchschnittliche Wert von nachgewiesener, mittels eines Potentiometers gemessener Spannung wurde als gemessener Wert herangezogen.

Die Testergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. In 8 besitzt der Querschnitt des Isolators 44 einen Durchmesser von 3,5 mm; die Ionennachweiselektrode 411 hat einen Durchmesser von 0,8 mm; die Distanz zwischen der Ionennachweiselektrode 411 und der metallischen Hülse 1 beträgt 1,5 mm; und die Distanz zwischen der Spitze des Isolators 44 und der metallischen Hülse 1 beträgt 10 mm. Tabelle 3

	Glasbeschichtungsregion X	Elektrodenorientierung	Nachgewiesene Spannung
Beispiel 12	2 mm	hin zur Einspritzdüse	2,0 V
Beispiel 12	2 mm	entgegengesetzt zur Einspritzdüse	1,9 V
Beispiel 13	5 mm	hin zur Einspritzdüse	2,4 V
Beispiel 13	5 mm	entgegengesetzt zur Einspritzdüse	2,3 V
Vergleichsbeispiel 10	0 mm	hin zur Einspritzdüse	0,8 V
Vergleichsbeispiel 10	0 mm	entgegengesetzt zur Einspritzdüse	0,3 V

(3) Wie in Tabelle 1 gezeigt, erlitten die Glühkerzen der Vergleichsbeispiele 1 bis 3, die nicht die Glasbeschichtungslage verwendeten, ein Anschwellen des Heizelementes oder der Ionennachweiselektrode mit resultierendem Zerbrechen des Isolators nach 50 bis 1.200 Zyklen des Haltbarkeit-zu-Energetisierung-Tests. Die Glühkerze von Vergleichsbeispiel 4, die einen Au-Überzug als Beschichtungslage anstelle einer Glasbeschichtungslage verwendete, erlitt ein Zerbrechen des Isolators aufgrund von Oxidation von W nach 250 Zyklen des Haltbarkeit-zu-Energetisierung-Tests. Die Glühkerze von Vergleichsbeispiel 5, welche als Beschichtungslage eine mittels Brennens aufgebrachte Au-Ni-Lage verwendete, erlitt eine Abtrennung der Beschichtungslage nach 400 Zyklen des Haltbarkeit-zu-Energetisierung-Tests. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Haltbarkeit der Glühkerze hinsichtlich Energetisierung signifikant beeinträchtigt wird, wenn nicht eine Glasbeschichtungslage verwendet wird.
Im Gegensatz dazu überdauerten die Glühkerzen der Beispiele 1 bis 6, in welchen der bloßliegende Teil der Ionennachweiselektrode mit einer Glasbeschichtungslage beschichtet war, 2.000 und mehr Zyklen des Haltbarkeit-zu-Energetisierung-Tests, wodurch sie beweisen, dass ihre Haltbarkeit hinsichtlich Energetisierung exzellent ist. Insbesondere die Glühkerzen der Beispiele 2 bis 6, in denen die Glasbeschichtungslage eine Dicke von nicht weniger als 10 μm betrug, waren so gar nach 10.000 Zyklen des Haltbarkeit-zu-Energetisierung-Tests frei von Anomalien, wodurch sie beweisen, dass ihre Haltbarkeit hinsichtlich Energetisierung besonders exzellent ist.
Wie in Tabelle 2 gezeigt, erlitten die Glühkerzen der Vergleichsbeispiele 6 bis 8, welche keine Glasbeschichtungslage verwendeten, einen Kurzschluss mit einem resultierenden Durchbrennen einer Sicherung aufgrund von Adhäsion von Kohlenstoff nach 60 bis 100 Zyklen des Haltbarkeit-im-Motor-Tests, welcher unter Benutzung eines aktuellen Dieselmotors durchgeführt wurde. Die Glühkerze von Vergleichsbeispiel 9, welche einen Au-Überzug als Beschichtungslage verwendete, erlitt einen Kurzschluss mit resultierendem Durchbrennen einer Sicherung nach 40 Zyklen des Tests.
Im Gegensatz dazu erlitten die Glühkerzen der Beispiele 7 bis 11, die die Glasbeschichtungslage verwendeten, sogar nach 1.000 Zyklen des Tests keinen möglicherweise durch Adhäsion von Kohlenstoff verursachten Kurzschluss, wodurch sie beweisen, dass sie vorteilhaft mit einem aktuellen Dieselmotor benutzbar sind, während sie frei sind von durch Adhäsion von Kohlenstoff verursachten Anomalien.
Wie in 3 gezeigt, weist die Glühkerze von Vergleichsbeispiel 10, welche keine Glasbeschichtungslage verwendete, eine nachgewiesene Spannung von 0,8 V auf, was weniger als die Hälfte des Wertes ist, der von den Glühkerzen der Beispiele 12 und 13 aufgewiesen wurde. Die nachgewiesene Spannung, die gemessen wurde, wenn die Elektrode hin zur Treibstoffeinspritzdüse orientiert ist, beträgt 0,8 V, während die nachgewiesene Spannung, die gemessen wurde, wenn die Elektrode entgegengesetzt der Treibstoffeinspritzdüse orientiert ist, 0,3 V beträgt, was ungefähr 60% weniger ist als 0,8 V.
Im Gegensatz dazu weisen die Glühkerzen der Beispiele 12 und 13, welche die Glasbeschichtungslage verwendeten, eine nachgewiesene Spannung von ungefähr 2 V nach, wodurch sie die Fähigkeit aufzeigen, Ionenstrom verglichen mit dem Vergleichsbeispiel 10 genauer nachweisen zu können. Die Differenz zwischen der nachgewiesenen Spannung, die gemessen wurde, wenn die Elektrode hin zu der Treibstoffeinspritzdüse orientiert ist, und der nachgewiesenen Span nung, die gemessen wurde, wenn die Elektrode entgegengesetzt der Treibstoffeinspritzdüse orientiert ist, bleibt innerhalb von 10%, was anzeigt, dass Ionenstrom ungeachtet der Elektrodenorientierung genau gemessen werden kann. Wenn eine Glühkerze mittels einer Verschraubung in einen Motor montiert wird, ist die Orientierung der Glühkerze unbekannt. Daher ist es wünschenswert, dass die Glühkerze in der Lage ist, Ionenstrom ungeachtet der Orientierung der Elektrode nachzuweisen. Daher sind die Glühkerzen aus den Beispielen 12 und 13 günstiger als die Glühkerze aus Vergleichsbeispiel 10. Weiterhin weist die Glühkerze aus Beispiel 13, welche eine breitere Glasbeschichtungsregion als die Glühkerze aus Beispiel 12 besitzt, eine nachgewiesene Spannung auf, die größer ist als die von der Glühkerze in Beispiel 12 nachgewiesene, was zeigt, dass, je breiter die Glasbeschichtungsregion ist, desto genauer kann der Ionenstrom nachgewiesen werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann gemäß Zwecken und Anwendungen modifiziert werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Beispielsweise sind das Material und der Durchmesser der Anschlussdrähte 42 und 43 nicht besonders beschränkt. Der Durchmesser beträgt normalerweise 0,1 bis 1,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 0,8 mm. Die Anschlussdrähte sind normalerweise mit Silber beschichtet. Jedoch ist das Beschichtungsmaterial nicht besonders beschränkt. Auch die Dicke der Beschichtungslage ist nicht besonders beschränkt. In Anbetracht der Kosten und einer Reduktion in einer Reaktionsschicht beträgt die Dicke normalerweise 1 bis 10 μm, vorzugsweise 3 bis 8 μm.
Die die Erfindung verkörpernde Glühkerze verwendet eine Glasbeschichtungslage, die einen bloßliegenden Teil einer Ionennachweiselektrode bedeckt, wodurch Ionenstrom genau nachgewiesen wird, die Haltbarkeit verbessert wird und ein Kurzschluss verhindert wird, der möglicherweise durch Adhäsion von Kohlenstoff verursacht wird. Das Verfahren zum Herstellen einer Glühkerze ergibt eine Glühkerze mit den vorstehend erwähnten Vorteilen bei niedrigen Kosten und auf einfache Weise.

Claims

Eine Glühkerze (1), umfassend ein keramisches Heizelement (4), welches seinerseits einen Isolator (44), einen in dem Isolator (44) angeordneten Heizwiderstand (41) und eine in dem Isolator angeordnete Ionennachweiselektrode (411) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Ionennachweiselektrode (411) aus dem Isolator (44) des keramischen Heizelements (4) heraus bloßliegt und dass der bloßliegende Teil mit einer Glasbeschichtungslage (5) beschichtet ist.
Eine Glühkerze gemäß Anspruch 1, wobei die Glasbeschichtungslage (5) in der Weise ausgebildet ist, dass sie den bloßliegenden Teil bedeckt und sich um den Isolator (44) des keramischen Heizelements vollständig herum erstreckt.
Eine Glühkerze gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke der Glasbeschichtungslage (5) 15 bis 200 μm beträgt.
Eine Glühkerze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Erweichungspunkt der Glasbeschichtungslage (5) nicht unter 600°C liegt.
Eine Glühkerze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Ionennachweiselektrode (411) und der Heizwiderstand (41) aus dem selben Material hergestellt sind.