EP0648977B1 - Glühkerze - Google Patents

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EP0648977B1
EP0648977B1 EP94114747A EP94114747A EP0648977B1 EP 0648977 B1 EP0648977 B1 EP 0648977B1 EP 94114747 A EP94114747 A EP 94114747A EP 94114747 A EP94114747 A EP 94114747A EP 0648977 B1 EP0648977 B1 EP 0648977B1
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heating element
hollow body
glow plug
ceramic
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Helmut Müller
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Beru Werk Albert Ruprecht GmbH and Co KG
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BERU Ruprecht GmbH and Co KG
Beru Werk Albert Ruprecht GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines

Definitions

  • the invention relates to a glow plug with a hollow body, in which a ceramic heating element with a sintered-in ceramic heating element is arranged, which protrudes axially on one side of the hollow body and whose heating element is connected to power supply connections and has a heating area.
  • Such glow plugs with a ceramic conductor and a metal resistance coil as a heating element are known from DE 42 03 183 Al and DE 41 33 046 Al.
  • Glow plugs are generally used as a starting aid in diesel engines and alcohol engines, for the ignition of additional heaters, for the ignition of gas burners, etc.
  • the ceramic conductor consists of a U-shaped bent conductor piece which is arranged at the front end of the projecting part of the heating element and forms a first heating element.
  • This first heating element is over a second heating element in the form of a coil made of a metallic material connected to the power supply connections.
  • the heating coil is connected directly to the power supply connections.
  • the object on which the invention is based is to design the glow plug of the type mentioned at the outset in such a way that it can be produced from fewer individual parts using a simple production process which comprises a smaller number of production steps and in which thermal overload at the contact points is avoided.
  • contacts in particular solder contacts, are avoided in the heating area, so that no thermal overloads can occur at the contact points, the glow plug according to the invention being able to be produced using a simple method due to the configuration of the contacts in the form of contact surfaces on the heating element.
  • the glow plug according to the invention has a heating element which is thermally and mechanically stable even at temperatures of over 1200 ° C.
  • the glow plug shown in Fig. 1 consists essentially of a metallic hollow body 1, in the cavity of which a ceramic heating element 2 is arranged, which protrudes axially at one end, ie at the motor-side end of the hollow body 1.
  • the heating element 2 is essentially formed from a ceramic insulator 7, for example made of AlN, in which a ceramic conductor 6, for example made of SiC or SiAlON, z. B. is sintered.
  • the ceramic conductor 6 is designed such that a zone 15 with a higher electrical resistance is formed in the motor-side heating rod tip, ie in the heating region 5.
  • This zone 15 forms the actual heating resistor, which is preferably U-shaped in the manner shown in FIG. 1 is. This design can be achieved by appropriate doping of the ceramic conductor 6 in the zone 15 or by a reduction in cross section.
  • Zone 15 is followed by a low-resistance region 14, which electrically connects the two ends of the heating resistor to the connection region, i.e. the power supply connections, which, in the embodiment shown in FIG. 1, are the metallic hollow body 1 as a ground connection and a screw or plug connection 3, which is likewise arranged in the hollow body 1 on the side opposite the heating region 5.
  • the connection region i.e. the power supply connections, which, in the embodiment shown in FIG. 1, are the metallic hollow body 1 as a ground connection and a screw or plug connection 3, which is likewise arranged in the hollow body 1 on the side opposite the heating region 5.
  • the ceramic conductor 6 is sintered into the ceramic insulator 7 by conventional manufacturing methods and provided with contact surfaces 8 and 9 for the ground contact and the plug contact by mechanical processing before or after the sintering process.
  • the arrangement of the ceramic conductor 6 and the design of the contact surfaces 8 and 9 are such that the ceramic conductor 6 is electrically connected on the one hand in the region of its end section to the metallic hollow body 1 to form the ground contact and on the other hand to the plug connection 3 at the other end section.
  • the ground contact surface 9 can also serve as a sealing seat.
  • the contact surface 8 is connected to the connector 3, which can be designed, for example, as a circular connector.
  • the contacting of the ceramic conductor 6 with the power supply connections, ie according to FIG. 1 with the metallic hollow body 1 and with the plug connection 3, is preferably a pressure contact.
  • the heating element 2 is installed in the hollow body 1 in a pressure-tight manner via an insulating ring 4 over which the edge 12 of the hollow body 1 is flanged, the prestress achieved thereby resulting in a pressure on the contact surfaces 8 and 9.
  • the prestress can also be achieved or increased by heating and axially compressing the hollow body 1 in the central region 13.
  • the contacts can also be soldered or glued with a conductive adhesive or putty.
  • contact parts in the form of metallic contact rings 10 and 11 are provided to improve the contacting on the contact surfaces 8 and 9, which are mechanically and electrically connected to the ceramic conductor 6 on the contact surfaces 8 and 9, for example by soldering, are connected.
  • These contact rings 10 and 11 can be applied to the prefabricated heating element 2 or can be connected to the ceramic conductor 6 before the ceramic conductor with the contact rings 10, 11 is completely sintered into the ceramic insulator 7.
  • a corresponding arrangement of the ceramic conductor 6 and the contact rings 10, 11 in the insulator 7 ensures that the ceramic conductor 6 is insulated against the hollow body 1 or the plug connection 3 on the points diametrically opposite the contacts.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the glow plug according to the invention, which differs from the embodiment shown in Fig. 1 in that it has a two-pole version compared to the single-pole version shown in Fig. 1.
  • the contact surface 9 for the ground contact is formed on an outside of the ceramic conductor 6 in the low-resistance area within the metallic hollow body 1 2 and formed the ground contact there, this contact surface for the ground contact is also formed at the end of the ceramic conductor 6 in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 and connected via a contact part 18 to the second pole 20 of the plug connection 3, the first pole of which in is designed in the same way as in the embodiment of FIG. 1.
  • An insulating part 19 is provided between the two poles 3 and 20 of the connector 3.
  • contact parts were designed as contact rings 10, 11 in the exemplary embodiment shown in FIG. 1, individual contact pieces 17, 18 are provided in the exemplary embodiment shown in FIG. 2, each arranged and designed for contact with the corresponding first or second pole are.
  • the hollow body 1 is installed in an electrically insulated manner with respect to the heating elements, the surface 21 which is located at the point at which the ground contact surface 9 is formed in FIG. 1 as pure sealing surface serves.
  • the glow plug shown in FIG. 2 corresponds to the structure already described in connection with FIG. 1.
  • a special doping of the conductive ceramic of the ceramic conductor 6 can ensure that the ceramic conductor 6 has different resistance temperature coefficients in some areas, that is to say that an area with a positive resistance temperature coefficient is created, so that the glow plug is self-regulating.
  • This self-regulating property can be provided over the entire area of the ceramic conductor 6 or only over a partial area be. This property is preferably present over the region 14.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Glühkerze mit einem Hohlkörper, in dem ein keramischer Heizstab mit eingesintertem keramischen Heizelement angeordnet ist, der an einer Seite des Hohlkörpers axial vorsteht und dessen Heizelement mit Stromversorgungsanschlüssen verbunden ist und einer Heizbereich aufweist.
  • Derartige Glühkerzen mit einem keramischen Leiter und einer Metallwiderstandswendel als Heizelement sind aus der DE 42 03 183 Al bzw. der DE 41 33 046 Al bekannt.
  • Glühkerzen werden allgemein als Starthilfe in Dieselmotoren und Alkoholmotoren, zur Zündung von Zusatzheizungen, zur Zündung von Gasbrennern usw. verwandt.
  • Bei der aus der DE 42 03 183 A1 bekannten Glühkerze besteht der keramische Leiter aus einem U-förmig gebogenen Leiterstück, das am vorderen Ende des vorstehenden Teils des Heizelementes angeordnet ist und ein erstes Heizelement bildet. Dieses erste Heizelement ist über ein zweites Heiz-element in Form einer Wendel aus einem metallischem Material mit den Stromversorgungsanschlüssen verbunden.
  • Bei der aus der DE 41 33 046 Al bekannten Glühkerze ist die Heizwendel direkt mit den Stromversorgungsanschlüssen verbunden.
  • Aufgrund der bei derartigen Glühkerzen vorgesehenen Kontaktierungen im Heizbereich, insbesondere zwischen dem ersten und dem zweiten Heizelement sowie zwischen dem zweiten Heizelement und den Stromversorgungsanschlüssen ist das Fertigungsverfahren derartiger Glühkerzen sehr aufwendig. Wegen der notwendigen Kontaktierungen im Heizbereich besteht darüber hinaus eine thermische Belastbarkeitsgrenze eines in den keramischen Isolator eingesinterten keramischen Leiters bei bereits ca. 1200°C.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht demgegenüber darin, die Glühkerze der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie mit einem einfachen Fertigungsverfahren, das eine geringere Anzahl von Fertigungsschritten umfaßt, aus weniger Einzelteilen herstellbar ist und bei der eine thermische Überlastung an den Kontaktstellen vermieden ist.
  • Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Ausbildung gelöst, die im kennzeichnen des Anspruchs 1 angegeben ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung werden Kontakte, insbesondere Lötkontakte im Heizbereich vermieden, so daß keine thermischen Überlastungen an den Kontaktstellen auftreten können, wobei aufgrund der Ausbildung der Kontakte in Form von Kontaktflachen am Heizelement die erfindungsgemäße Glühkerze mit einem einfachen Verfahren gefertigt werden kann.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung ist es darüber hinaus möglich, der Kerze Abmessungen zu geben, die geometrisch Metall-Stabglühkerzen entspricht, d.h. eine Keramikglühkerze in Kompaktbauweise auszuführen, die darüber hinaus mit den bereits bestehenden und bekannten Fertigungsverfahren in Großserie, d.h. kostengünstig herstellbar ist. Die erfindungsgemäße Glühkerze weist ein Heizelement auf, das thermisch und mechanisch auch bei Temperaturen von über 1200°C stabil ist.
  • Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Glühkerze sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 8.
  • Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1 eine Axialschnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Glühkerze und
    • Fig. 2 eine Axialschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Glühkerze.
  • Die in Fig. 1 dargestellte Glühkerze besteht im wesentlichen aus einem metallischen Hohlkörper 1, in dessen Hohlraum ein keramischer Heizstab 2 angeordnet ist, der an einem Ende, d.h. am motorseitigen Ende des Hohlkörpers 1 axial aus diesem herausragt. Der Heizstab 2 ist im wesentlichen aus einem keramischen Isolator 7, beispielsweise aus AlN gebildet, in den ein keramischer Leiter 6, beispielsweise aus SiC oder SiAlON eingebettet, z. B. eingesintert ist. Der keramische Leiter 6 ist so gestaltet, daß in der motorseitigen Heizstabspitze, d.h. im Heizbereich 5, eine Zone 15 mit einem höheren elektrischen Widerstand gebildet ist. Diese Zone 15 bildet den eigentlichen Heizwiderstand, der vorzugsweise in der in Fig. 1 dargestellten Weise U-förmig ausgebildet ist. Diese Ausbildung kann durch eine entsprechende Dotierung des keramischen Leiters 6 in der Zone 15 oder durch eine Querschnittsreduzierung erzielt werden.
  • An die Zone 15 schließt sich ein niederohmiger Bereich 14 an, der die beiden Enden des Heizwiderstandes elektrisch mit dem Anschlußbereich, d.h. den Stromversorgungsanschlüssen, verbindet, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der metallischen Hohlkörper 1 als Masseanschluß und ein Schraub- oder Steckeranschluß 3 sind, der gleichfalls im Hohlkörper 1 auf der dem Heizbereich 5 gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.
  • Zur Bildung des Heizstabes 2 wird der keramische Leiter 6 nach üblichen Fertigungsverfahren in den keramischen Isolator 7 eingesintert und durch eine mechanische Bearbeitung vor oder nach dem Sintervorgang mit Kontaktflächen 8 und 9 für den Massekontakt und den Steckerkontakt versehen. Die Anordnung des keramischen Leiters 6 sowie die Ausbildung der Kontaktflächen 8 und 9 sind derart, daß der keramische Leiter 6 elektrisch einerseits im Bereich seines Endabschnittes mit dem metallischen Hohlkörper 1 zur Bildung des Massekontaktes und andererseits am anderen Endabschnitt mit dem Steckeranschluß 3 elektrisch verbunden ist. Die Massekontaktfläche 9 kann gleichzeitig als Dichtsitz dienen. Die Kontaktfläche 8 steht mit dem Steckeranschluß 3 in Verbindung, der beispielsweise als ein Rundstecker ausgeführt sein kann.
  • Die Kontaktierung des keramischen Leiters 6 mit den Stromversorgungsanschlüssen, d.h. gemäß Fig. 1 mit dem metallischen Hohlkörper 1 sowie mit dem Steckeranschluß 3 ist vorzugsweise eine Druckkontaktierung. Das heißt, daß der Kontakt an den Kontaktflächen 8 und 9 druckbeaufschlagt ist. Das kann dadurch erreicht werden, daß der Heizstab 2 druckdicht über einen Isolierring 4 in den Hohlkörper 1 eingebaut ist, über den der Rand 12 des Hohlkörpers 1 gebördelt ist, wobei die dabei erzielte Vorspannung einen Druck an den Kontaktflächen 8 und 9 zur Folge hat. Die Vorspannung kann darüber hinaus durch ein Erwärmen und axiales Stauchen des Hohlkörpers 1 im mittleren Bereich 13 erzielt oder gesteigert werden.
  • Falls es erforderlich sein sollte, können die Kontakte zusätzlich gelötet oder mit einem leitfähigen Kleber oder einem leitfähigen Kitt verklebt sein.
  • Bei der in Fig. 1 dargestellten Glühkerze sind zur Verbesserung der Kontaktierung an den Kontaktflächen 8 und 9 Kontaktteile in Form von metallischen Kontaktringen 10 und 11 vorgesehen, die mit dem keramischen Leiter 6 an den Kontaktflächen 8 und 9 mechanisch und elektrisch, beispielsweise durch Löten, verbunden sind. Diese Kontaktringe 10 und 11 können auf den vorgefertigten Heizstab 2 aufgebracht werden oder mit dem keramischen Leiter 6 verbunden werden, bevor der keramische Leiter mit den Kontaktringen 10, 11 komplett in den keramischen Isolator 7 eingesintert wird. Durch eine entsprechende Anordnung des keramischen Leiters 6 und der Kontaktringe 10, 11 im Isolator 7 ist dafür gesorgt, daß der keramische Leiter 6 auf der den Kontakten diametral gegenüberliegenden Stellen gegen Hohlkörper 1 bzw. dem Steckeranschluß 3 isoliert ist.
  • Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühkerze, das sich von dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß es eine zweipolige Ausführung gegenüber der in Fig. 1 dargestellten einpoligen Ausführung hat.
  • Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Kontaktfläche 9 für den Massekontakt an einer Außenseite des keramischen Leiters 6 im niederohmigen Bereich innerhalb des metallischen Hohlkörpers 1 ausgebildet war und dort mit diesem den Massekontakt bildete, ist bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel auch diese Kontaktfläche für den Massekontakt am Ende des keramischen Leiters 6 ausgebildet und über einen Kontaktteil 18 mit dem zweiten Pol 20 des Steckeranschlusses 3 verbunden, dessen erster Pol in gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel von Fig. 1 ausgebildet ist. Ein Isolierteil 19 ist zwischen den beiden Polen 3 und 20 des Steckeranschlusses 3 vorgesehen.
  • Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Kontaktteile als Kontaktringe 10, 11 ausgebildet waren, sind bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel einzelne Kontaktstücke 17, 18 vorgesehen, die jeweils für den Kontakt zu dem entsprechenden ersten oder zweiten Pol angeordnet und ausgebildet sind.
  • Bei einer zweipoligen Ausbildung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Hohlkörper 1 gegenüber den Heizelementen elektrisch isoliert eingebaut, wobei die Fläche 21, die sich an der Stelle befindet, an der in Fig. 1 die Massekontaktfläche 9 ausgebildet ist, als reine Dichtfläche dient.
  • Im übrigen entspricht die in Fig. 2 dargestellte Glühkerze dem in Verbindung mit Fig. 1 bereits beschriebenen Aufbau.
  • Bei den beiden in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen kann durch eine spezielle Dotierung der leitfähigen Keramik des keramischen Leiters 6 dafür gesorgt werden, daß der keramische Leiter 6 bereichsweise verschiedene Widerstandstemperaturkoeffizienten hat, d.h. daß ein Bereich mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizient entsteht, so daß die Glühkerze selbstregelnd ist. Diese Selbstregeleigenschaft kann über den ganzen Bereich des keramischen Leiters 6 oder nur über einen Teilbereich vorgesehen sein. Vorzugsweise ist diese Eigenschaft über den Bereich 14 vorhanden.

Claims (8)

  1. Glühkerze mit einem Hohlkörper, in dem ein keramischer Heizstab mit eingesintertem keramischem Heizelement angeordnet ist, der an einer Seite des Hohlkörpers axial vorsteht und dessen Heizelement mit Stromversorgungsanschlüssen (1, 3) verbunden ist und einen Heizbereich (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des Heizelements (6) selbst als Kontaktflächen (8, 9) ausgebildet sind, über die das Heiz-element (6) mit den Stromversorgungsanschlüssen (1, 3) in Kontakt steht, daß die Kontakte des Heizelements außerhalb des Heizbereichs (5) liegen und daß die Kontakte des Heiz-elements an seinen Kontaktflächen (8, 9) mit den Stromversorgungsanschlüssen (1, 3) druckbeaufschlagt sind.
  2. Glühkerze nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Isolier- und Dichtungsring (4), der auf der anderen Seite im Hohlkörper (1) angeordnet ist und über den der Rand (12) des Hohlkörpers (1) so gebördelt ist, daß eine Vorspannung in axialer Richtung besteht, die die Kontaktflächen (8, 9) mit Druck beaufschlagt.
  3. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine axiale Vorspannung, die die Kontaktflächen (8, 9) unter Druck setzt, durch Erwärmen und axiales Stauchen des Hohlkörpers (1) erzeugt ist.
  4. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch metallische Kontaktteile (10, 11, 17, 18), die an den Kontaktstellen zwischen den Kontaktflächen (8, 9) des Heizelements (6) und den Stromversorgungsanschlüssen vorgesehen sind.
  5. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche (8) für den Steckeranschluß (3) an einem Leiterendabschnitt ausgebildet ist und die Kontaktflächen (9) für den Masseanschluß an einer Stelle in einem Bereich des anderen Leiterendabschnittes, der sich in dem aus einem metallischen Material bestehenden Hohlkörper (1) befindet, ausgebildet ist, wobei das Heizelement (6) so angeordnet und die Kontaktfläche (9) für den Masseanschluß so ausgebildet ist, daß an dieser Stelle der Massekontakt zum metallischen Hohlkörper (1) gebildet ist.
  6. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (1) gegenüber dem Heizelement (6) isoliert ist und die Kontaktfläche für den Masseanschluß am anderen Ende des Heizelementes (6) ausgebildet und mit dem Massepol (20) eines zweipoligen Anschlußsteckers (3, 20) verbunden ist.
  7. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (6) ein keramischer Leiter ist.
  8. Glühkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Leiter (6) wenigstens teilweise unterschiedlich dotiert ist, so daß Bereiche mit positivem und negativem Widerstandstemperaturkoeffizienten gebildet sind.
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