EP1299676A1 - Glühstiftkerze mit ionenstromsensor sowie verfahren zum betreiben einer derartigen glühstiftkerze - Google Patents

Glühstiftkerze mit ionenstromsensor sowie verfahren zum betreiben einer derartigen glühstiftkerze

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EP1299676A1
EP1299676A1 EP01935973A EP01935973A EP1299676A1 EP 1299676 A1 EP1299676 A1 EP 1299676A1 EP 01935973 A EP01935973 A EP 01935973A EP 01935973 A EP01935973 A EP 01935973A EP 1299676 A1 EP1299676 A1 EP 1299676A1
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EP
European Patent Office
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ion current
electrode
current detection
glow plug
heating element
Prior art date
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EP01935973A
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English (en)
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EP1299676B1 (de
Inventor
Christoph Haluschka
Juergen Arnold
Christoph Kern
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/021—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an ionic current sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/028—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs the glow plug being combined with or used as a sensor
    • 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
    • F23Q2007/002—Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Definitions

  • the invention is based on a ceramic glow plug for diesel engines with an ion current sensor according to the type of the first independent claim.
  • ceramic glow plugs are already known, which have a ceramic heating element.
  • the ceramic heating element carries an electrode made of a metallic material, which serves to detect the electrical conductivity of the ionized gas present in the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the combustion chamber wall serves as the second electrode.
  • Glow plugs which have a housing in which a rod-shaped heating element is arranged in a concentric bore.
  • the heating element consists of at least one insulation layer and a first and a second supply layer, the first and the second supply layer being connected via a web at the tip of the heating element on the combustion chamber side.
  • the insulation layer consists of electrically insulating ceramic material and the first, the second supply layer and the web consist of electrically conductive ceramic material.
  • Ion current sensor has a very simple structure and is inexpensive to manufacture.
  • a particularly advantageous embodiment of a glow plug can be achieved if the glow operation and the ion current measurement can take place at the same time. It is also advantageous to lead the electrode for ion current detection to the end of the heating element on the combustion chamber side, since the ion current can thus be detected in a region of the combustion chamber that is important for the combustion processes taking place in the combustion chamber. It is also advantageous to use two electrodes
  • FIG. 1 shows a glow plug with an ion current sensor according to the invention schematically in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through the end of a glow plug with an ion current sensor according to the combustion chamber
  • FIGS. 3a and b each show a schematic longitudinal section through the heating element of a glow plug with an ion current sensor and
  • Figure 4 is a schematic cross section through a heating element of a glow plug according to the invention with an ion current sensor.
  • a glow plug according to the invention is shown schematically in longitudinal section.
  • a tubular, preferably metallic housing 3 contains a heating element 5 in its concentric bore at the end on the combustion chamber side.
  • the heating element 5 consists of ceramic material.
  • the heating element 5 has a first feed layer 7 and a second feed layer 9, the first feed layer 7 and the second
  • Lead layer 9 consist of electrically conductive ceramic material. At the end 6 of the heating element 3 remote from the combustion chamber, the first supply layer 7 and the second supply layer 9 are connected via a web 8, which is likewise made of electrically conductive ceramic material consists. The first feed layer 7 and the second feed layer 9 are separated from one another by an insulation layer 11. The insulation layer 11 consists of electrically insulating ceramic material. The interior of the housing 3 is towards the combustion chamber by one
  • the second supply layer 9 has a contact surface 12, via which the second supply layer 9 is electrically connected to the housing 3 via the electrically conductive combustion chamber seal 13.
  • the housing 3 is connected to ground.
  • the contact surface 12 can be designed in such a way that the electrically insulating glass coating surrounding the distant end of the heating element 5 is interrupted in this area and thus an electrical contact with the
  • Combustion chamber seal 13 is made.
  • the contact surface 12 is provided with a metallic coating.
  • the connecting bolt 19 is spaced from the end of the heating element 5 remote from the combustion chamber by a ceramic spacer sleeve 27 arranged in the concentric bore of the housing 3. In the direction of the end remote from the combustion chamber, the connecting bolt 19 is passed through an adapter sleeve 29 and a metal sleeve 31. At the end of the
  • a glow plug is attached to the connector pin 19, a round plug 25, which accomplishes the electrical connection.
  • the end of the concentric bore of the housing 3 remote from the combustion chamber is sealed or electrically insulated by a hose ring 21 and an insulating disk 23.
  • the invention will be explained again in more detail with reference to FIG. Only the combustion chamber end of a glow plug according to the invention is shown schematically in longitudinal section. In comparison to FIG. 1, the heating element 5 is cut in a plane perpendicular to the sectional plane of FIG. 1. Only the insulation layer 11 is visible here. Within the insulation layer 11 extend two electrodes for ion current detection 33 and 33 ⁇ , which are widened the heating element 5 at the combustion chamber end.
  • the electrodes 33 and 33 can also be applied on the outside of the insulation layer.
  • the first electrode for ion current detection 33 is connected to a first connection 15.
  • the second electrode for ion current detection 33 ⁇ is connected to a second connection 17 at the end of the heating element 5 remote from the combustion chamber.
  • the first connection 15 and the second connection 17 are guided through the connection bolt 19 to the end of the glow plug remote from the combustion chamber.
  • the first supply layer 7 is connected to the connecting bolt 19 by means of a third connection 37.
  • FIG. 3a shows a heating element 5 in longitudinal section.
  • the first electrode for ion current detection 33 and the second electrode for ion current detection 33 ⁇ are arranged in the insulation layer 11.
  • the first electrode for ion current detection 33 is connected to the first connection 15 and the second electrode for ion current detection 33 ⁇ is connected to the second connection 17.
  • the web 8 can also be seen, which the connects the first supply layer 7 and the second supply layer 9 to one another.
  • Figure 3b shows the heating element 5, which is cut in a plane which is perpendicular to the plane in which the heating element 5, which was shown in Figure 3a) is cut.
  • the first supply layer 7 and the second supply layer 9 can be seen here, which are connected to one another at the end 6 of the heating element 5 remote from the combustion chamber via the web 8.
  • the third connection 37 is connected to the first supply layer 7 at the end of the heating element 5 remote from the combustion chamber.
  • FIG. 4 shows a cross section through the heating element 5 at the end remote from the combustion chamber for better clarification of the invention.
  • the first feed layer 7 is separated from the second feed layer 9 by the insulation layer 11.
  • the first connection 15, which is connected to the first electrode for ion current detection 33, is arranged within the insulation layer 11.
  • the second connection 17, which is connected to the second electrode for ion current detection 33 ⁇ is likewise arranged within the insulation layer 11.
  • the third connection 37 is also arranged within the first supply layer 7. It can be seen that the insulation layer is widened in the region in which these electrodes are arranged in order to better accommodate and insulate the first and second electrodes for ion current detection 33, 33 ⁇ .
  • the glow plug can be operated in such a way that when the internal combustion engine is started, the glow plug is first operated in heating mode.
  • a positive voltage is applied to the third connection 37 Mass is applied so that a current flows through the first supply layer 7, the web 8 and the second supply layer 9.
  • the electrical resistance in this way increases the temperature of the heating element and the combustion chamber, into which the combustion-chamber end of the glow plug protrudes, is heated.
  • a voltage potential is applied to the first connection 15 and the second connection 17, so that the first electrode 33 and the second electrode 33hren serve as electrodes for ion current measurement.
  • an ion current can flow from the electrodes for ion current detection 33, 33 to the combustion chamber wall, the combustion chamber wall lying on ground.
  • the first electrode for ion current detection 33 and the second electrode for ion current detection function as electrodes at the same potential next to one another.
  • the glow operation and the ion current detection can take place simultaneously with the glow plug.
  • the third connection 37 and the first and second connection 15, 17 are each connected
  • the voltage potentials can be selected such that the first electrode for ion current detection 33 and the second electrode for ion current detection 33 ⁇ are the same or differ in potential, ie, as explained above, the ion current flows via the ionized combustion chamber to the combustion chamber wall or from the first electrode to the ion current detection 33 via the ionized combustion chamber to the second electrode to the ion current detection 33 ⁇ .
  • the materials of the first feed layer 7, the web 8, the second feed layer 9, the insulation layer 11 and the electrode for ion current detection 33 and the second electrode for ion current detection 33 are to consist of ceramic material in a first embodiment. This ensures that the thermal expansion coefficients of the materials hardly differ, so that the durability of the heating element 5 is guaranteed.
  • the material of the first supply layer 7, the web 8 and the second supply layer 9 is selected such that the resistance of these layers is less than the resistance of the insulation layer 11.
  • the resistance of the first electrode for ion current detection 33 and the second electrode for ion current detection is also 33 less than the resistance of the insulation layer 11.
  • Electrode for ion current detection 33 also consist of metallic material, for example platinum.
  • Lead layer 9 the insulation layer 11 and optionally the first electrode 33 and the second electrode 33 made of ceramic composite structures, which contains at least two of the compounds AL2O3, MoSi2, Si3N4 and Y2 ° 3. These composite structures are of a single or multi-stage Sintering process available.
  • the specific resistance of the layers can preferably be determined by the MoSi2 content and / or the core size of MoSi2; the MoSi2 content of the first supply layer 7, the web 8 and the second is preferred
  • the first lead layer 7, the web 8, the second lead layer 9, the insulation layer 11 and, if appropriate, the first electrode for ion current detection 33 and the second electrode for ion current detection 33 consist of a composite precursor ceramic with different
  • the matrix of this material consists of polysiloxanes, polysequioxanes, polysilanes or polysilazanes, which can be doped with boron, nitrogen or aluminum and which are produced by pyrolysis.
  • the filler forms at least one of the compounds Al2O3, MoSi2, SiO2 and SiC for the individual layers. Analogous to the above-mentioned composite structure, the MoSi2 content and / or the grain size of MoSi2 can preferably determine the resistance of the layers.
  • the MoSi2 content of the first supply layer 7, the web 8 and the second supply layer 9 and optionally the first and second electrodes for ion current detection 33, 33 ⁇ is preferably set higher than the MoSi2 content of the insulation layer 11.
  • the supply layer 9, the insulation layer 11 and, if appropriate, the first electrode for ion current detection 33 and the second electrode for ion current detection 33 ⁇ are selected in the above-mentioned exemplary embodiments such that their thermal expansion coefficients and the shrinkage occurring during the sintering or pyrolysis process is the same, so that no cracks occur in the heating element 5.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Es wird eine Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor beschrieben, wobei die Glühstiftkerze ein Gehäuse (3) und ein in einer konzentrischen Bohrung des Gehäuses angeordneten stabförmigen Heizelement (5) aufweist. Das Heizelement (5) besitzt mindestens eine Isolationsschicht (11) sowie eine erste Zuleitungsschicht (7) und eine zweite Zuleitungsschicht (9), wobei die erste Zuleitungsschicht (7) und die zweite Zuleitungsschicht (9) am brennraumseitigen Ende (6) des Heizelements (5) über einen Steg (8) verbunden sind, wobei die erste und die zweite Zuleitungsschicht (7, 9) und der Steg (8) aus elektrisch leitendem keramischen Material und die Isolationsschicht (11) aus elektrisch isolierendem keramischen Material bestehen. Das Heizelement (5) weist eine erste Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und eine zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung (33') auf, die in die Isolationsschicht (11) eingebettet oder auf die Isolationsschicht (11) aufgebracht sind.

Description

Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor sowie Verfahren zum Betreiben einer derartigen Glühstiftkerze
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einer keramischen Glühstiftkerze für Dieselmotoren mit einem Ionenstromsensor nach Gattung des ersten unabhängigen Anspruchs. Aus der DE-OS 34 28 371 sind bereits keramische Glühstiftkerzen bekannt, die ein keramisches Heizelement aufweisen. Das keramische Heizelement trägt eine Elektrode aus einem metallischen Werkstoff, die dazu dient, die elektrische Leitfähigkeit des im Brennraum des Verbrennungsmotors vorhandenen ionisierten Gases zu erfassen. Als zweite Elektrode dient dabei die Brennraumwandung .
Es sind weiterhin Glühstiftkerzen bekannt, die ein Gehäuse aufweisen, in dem in einer konzentrischen Bohrung ein stabförmiges Heizelement angeordnet ist. Das Heizelement besteht dabei aus mindestens einer Isolationsschicht sowie einer ersten und einer zweiten Zuleitungsschicht, wobei die erste und die zweite Zuleitungsschicht über einen Steg an der brennraumseitigen Spitze des Heizelements verbunden sind. Dabei bestehen die Isolationsschicht aus elektrisch isolierendem keramischen Material und die erste, die zweite Zuleitungsschicht sowie der Steg aus elektrisch leitendem keramischen Material. Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße keramische Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass die Glühstiftkerze mit
Ionenstromsensor einen sehr einfachen Aufbau aufweist und die Herstellung kostengünstig ist.
Durch die in den ünteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor möglich. Eine besonders vorteilhafte Ausbildung einer Glühstiftkerze kann dann erreicht werden, wenn gleichzeitig der Glühbetrieb und die Ionenstrommessung erfolgen kann. Es ist auch vorteilhaft, die Elektrode zur Ionenstromerfassung bis an das brennraumseitige Ende des Heizelements zu führen, da so der Ionenstrom in einem Bereich des Brennraums erfasst werden kann, der bedeutsam für die im Brennraum stattfindenden Verbrennungsprozesse ist. Vorteilhaft ist weiterhin, zwei Elektroden zur
Ionenstromerfassung so auszubilden, dass der Ionenstrom von der einen Elektrode zur anderen Elektrode fließt und so lediglich einen für die Ionenstrommessung besonders interessanten Bereich durchquert. Vorteilhaft ist weiterhin, die unten beschriebenen keramischen Verbundgefüge für die verschiedenen Schichten des Heizelements zu verwenden, deren Leitfähigkeit und Ausdehnungskoeffizient sich sehr gut anpassen lassen. Dies gilt gleichermaßen für die unten beschriebenen Precursor-Verbundwerkstoffe .
Beim Verfahren zum Betreiben einer Glühstiftkerze mit Ionenstrommessung ist es besonders vorteilhaft, die Ionenstromerfassung während des Glühens des Heizelements vorzusehen, da es interessant ist, den Verbrennungsprozeß auch in der Startphase der Brennkraftmaschine zu erfassen. Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor schematisch im Längsschnitt, Figur 2 einen schematischen Längsschnitt durch das brennraumseitige Ende einer .erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor, Figuren 3a und b jeweils ein sche atischer Längsschnitt durch das Heizelement einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor und
Figur 4 ein schematischer Querschnitt durch ein Heizelement einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze schematisch im Längsschnitt dargestellt. Ein rohrförmiges, vorzugsweise metallisches Gehäuse 3 enthält in seiner konzentrischen Bohrung am brennraumseitigen Ende ein Heizelement 5. Das Heizelement 5 besteht aus keramischem Material. Das Heizelement 5 weist eine erste Zuleitungsschicht 7 und eine zweite Zuleitungsschicht 9 auf, wobei die erste Zuleitungsschicht 7 und die zweite
Zuleitungsschicht 9 aus elektrisch leitendem keramischen Material bestehen. Am brennraumfernen Ende 6 des Heizelements 3 sind die erste Zuleitungsschicht 7 und die zweite Zuleitungsschicht 9 über einen Steg 8 verbunden, der ebenfalls aus elektrisch leitendem keramischen Material besteht. Die erste Zuleitungsschicht 7 und die zweite Zuleitungsschicht 9 sind durch eine Isolationsschicht 11 voneinander getrennt. Die Isolationsschicht 11 besteht aus elektrisch isolierendem keramischen Material. Das Innere des Gehäuses 3 wird in Richtung Brennraum durch eine, das
Heizelement 5 ringförmig umgebende Brennraumdichtung 13 abgedichtet. Am brennraumfernen Ende des Heizelements 5 ist die erste Zuleitungsschicht 7 mit einem dritten Anschluss 37 verbunden. Dieser dritte Anschluss 37 ist wiederum in Richtung brennraumfernes Ende der Glühstiftkerze mit dem
Anschlussbolzen 19 verbunden. Die zweite Zuleitungsschicht 9 weist an ihrem brennraumfernen Ende eine Kontaktfläche 12 auf, über die die zweite Zuleitungsschicht 9 über die elektrisch leitende Brennraumdichtung 13 mit dem Gehäuse 3 elektrisch verbunden ist. Das Gehäuse 3 ist mit Masse verbunden. Die Kontaktfläche 12 kann in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel derart ausgebildet sein, dass in diesem Bereich der das brennrau ferne Ende des Heizelements 5 umgebende elektrisch isolierende Glasüberzug unterbrochen ist und somit ein elektrischer Kontakt mit der
Brennraumdichtung 13 hergestellt ist. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Kontaktfläche 12 mit einem metallische Überzug versehen.
Der Anschlussbolzen 19 wird durch eine, in der konzentrischen Bohrung des Gehäuses 3 angeordnete keramische Distanzhülse 27 vom brennraumfernen Ende des Heizelements 5 beabstandet. In Richtung brennraumfernes Ende wird der Anschlussbolzen 19 durch eine Spannhülse 29 und eine Metallhülse 31 hindurchgeführt. Am brennraumfernen Ende der
Glühstiftkerze ist auf den Anschlussbolzen 19 ein Rundstecker 25 aufgesteckt, der den elektrischen Anschluss bewerkstelligt. Das brennraumferne Ende der konzentrischen Bohrung des Gehäuses 3 wird durch einen Schlauchring 21 und eine Isolierscheibe 23 abgedichtet bzw. elektrisch isoliert. Anhand von Figur 2 die Erfindung noch einmal genauer erläutert werden. Es ist lediglich das brennraumseitige Ende einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze im Längsschnitt schematisch dargestellt. Das Heizelement 5 ist im Vergleich zu Figur 1 in einer Ebene senkrecht zu der Schnittebene von Figur 1 geschnitten. Hier ist lediglich die Isolationsschicht 11 sichtbar. Innerhalb der Isolationsschicht 11 verlaufen zwei Elektroden zur Ionenstromerfassung 33 und 33 Λ, die am brennraumseitigen Ende 6 des Heizelements 5 verbreitert sind. In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Elektroden 33 und 33 auch außen auf der Isolationsschicht aufgebracht sein. Am brennraumfernen Ende des Heizelements 5 ist die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 mit einem ersten Anschluss 15 verbunden. Ebenfalls ist die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 Λ am brennraumfernen Ende des Heizelements 5 mit einem zweiten Anschluss 17 verbunden. Der erste Anschluss 15 und der zweite Anschluss 17 werden durch den Anschlussbolzen 19 hindurch zum brennraumfernen Ende der Glühstiftkerze hindurch geführt. Wie bereits erwähnt, ist die erste Zuleitungsschicht 7 mittels eines dritten Anschlusses 37 mit dem Anschlussbolzen 19 verbunden.
Die Anordnung der verschiedenen Schichten des Heizelements 5 mit den dazugehörigen Anschlüssen sind anhand von Figur 3 noch einmal dargestellt. Figur 3a) zeigt ein Heizelement 5 im Längsschnitt. Die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 λ sind in der Isolationsschicht 11 angeordnet. Am brennraumfernen Ende des Heizelements 5 sind die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 mit dem ersten Anschluss 15 und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 Λ mit dem zweiten Anschluss 17 verbunden. Am brennraumseitigen Ende des Heizelements 5 ist außerdem der Steg 8 zu erkennen, der die erste Zuleitungsschicht 7 und die zweite Zuleitungsschicht 9 miteinander verbindet.
Figur 3b) zeigt das Heizelement 5, das in einer Ebene geschnitten ist, die senkrecht auf der Ebene steht, in der das Heizelement 5, das in Figur 3a) dargestellt wurde, geschnitten ist. Zu erkennen sind hier die erste Zuleitungsschicht 7 und die zweite Zuleitungsschicht 9, die am brennraumfernen Ende 6 des Heizelements 5 über den Steg 8 miteinander verbunden sind. Der dritte Anschluss 37 ist am brennraumfernen Ende des Heizelements 5 mit der ersten Zuleitungsschicht 7 verbunden.
Figur 4 zeigt zur besseren Verdeutlichung der Erfindung einen Querschnitt durch das Heizelement 5 am brennraumfernen Ende. Es ist zu erkennen, dass die erste Zuleitungsschicht 7 von der zweiten Zuleitungsschicht 9 durch die Isolationsschicht 11 getrennt ist. Innerhalb der Isolationsschicht 11 ist der erste Anschluss 15 angeordnet, der mit der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 verbunden ist. Ebenfalls innerhalb der Isolationsschicht 11 ist der zweite Anschluss 17 angeordnet, der mit der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 Λ verbunden ist. Innerhalb der ersten Zuleitungsschicht 7 ist weiterhin der dritte Anschluss 37 angeordnet. Es ist zu erkennen, dass die Isolationsschicht zur besseren Aufnahme und Isolation der ersten und zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33, 33 Λ in dem Bereich, in dem diese Elektroden angeordnet sind, verbreitert ist.
In einem ersten Ausführungsbeispiel kann die Glühstiftkerze derart betrieben werden, dass beim Start der Brennkraftmaschine die Glühstiftkerze zunächst im Heizmodus betrieben wird. Dies bedeutet, dass während der Glühphase, an dem dritten Anschluss 37 eine positive Spannung gegenüber Masse angelegt wird, so dass ein Strom über die erste Zuleitungsschicht 7, den Steg 8 und die zweite Zuleitungsschicht 9 fließt. Durch den elektrischen Widerstand auf diesem Weg erhöht sich die Temperatur des Heizelements und der Brennraum, in den das brennraumseitige Ende des Glühstifts hineinragt, wird beheizt. Nach Beendigung der Glühphase wird an den ersten Anschluss 15 und den zweiten Anschluss 17 ein Spannungspotential angelegt, so dass die erste Elektrode 33 und die zweite Elektrode 33 Λ als Elektroden zur Ionenstrommessung dienen. Ist der Brennraum durch das Vorhandensein von Ionen ionisiert, so kann von den Elektroden zur Ionenstromerfassung 33, 33 ein Ionenstrom zur Brennraumwandung fließen, wobei die Brennraumwandung auf Masse liegt. Die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung fungieren in diesem Ausführungsbeispiel als Elektroden auf gleichem Potential nebeneinander.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, an die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 Λ ein unterschiedliches Spannungspotential anzulegen, so dass ein Ionenstrom zwischen der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 und der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 λ fließt.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Glühbetrieb und die Ionenstromerfassung mit der Glühstiftkerze gleichzeitig erfolgen. Dazu wird an den dritten Anschluss 37 und an den ersten und zweiten Anschluss 15, 17 jeweils die
Spannung gleichzeitig angelegt, die für den Glühbetrieb bzw. die Ionenstromerfassung notwendig ist. Dabei können die Spannungspotentiale so gewählt werden, dass die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 Λ auf gleichem oder unterschiedlichem Potential liegen, d.h., wie oben erläutert, der Ionenstrom über den ionisierten Brennraum zur Brennraumwandung bzw. von der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 über den ionisierten Brennraum zur zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 Λ fließt.
Die Materialien der ersten Zuleitungsschicht 7, des Stegs 8, der zweiten Zuleitungsschicht 9, der Isolationsschicht 11 und der Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 sowie der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 sollen in einem ersten Ausführungsbeispiel aus keramischem Material bestehen. Dadurch ist gewährleistet, dass sich die Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien kaum unterscheiden, so dass eine Dauerhaltbarkeit des Heizelements 5 gewährleistet ist. Dabei ist das Material der ersten Zuleitungsschicht 7, des Stegs 8 und der zweiten Zuleitungsschicht 9 so gewählt, dass der Widerstand dieser Schichten kleiner ist als der Widerstand der Isolationsschicht 11. Ebenso ist der Widerstand der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 und der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 kleiner als der Widerstand der Isolationsschicht 11.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 und die zweite
Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 auch aus metallischem Material, beispielsweise Platin bestehen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die erste Zuleitungsschicht 7, der Steg 8 und die zweite
Zuleitungsschicht 9, die Isolationsschicht 11 und gegebenenfalls die erste Elektrode 33 und die zweite Elektrode 33 aus keramischen Verbundgefügen, die mindestens zwei der Verbindungen AL2O3, MoSi2, Si3N4 und Y2°3 enthält. Diese Verbundgefüge sind durch einen ein- oder mehrstufigen Sinterprozeß erhältlich. Der spezifische Widerstand der Schichten kann dabei vorzugsweise durch den MoSi2~Gehalt und/oder die Kerngröße von MoSi2 bestimmt werden, vorzugsweise ist der MoSi2-Gehalt der ersten Zuleitungssschicht 7, des Stegs 8 und der- zweiten
Zuleitungsschicht 9 sowie der ersten und der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33, 33 höher als der MoSi2_Gehalt der Isolationsschicht 11.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel bestehen die erste Zuleitungsschicht 7, des Stegs 8 die zweite Zuleitungsschicht 9, die Isolationsschicht 11 sowie gegebenenfalls die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 aus einer Composit-Precursor-Keramik mit unterschiedlichen
Anteilen an Füllstoffen. Die Matrix dieses Materials besteht dabei aus Polysiloxanen, Polysequioxanen, Polysilanen oder Polysilazanen, die mit Bor, Stickstoff oder Aluminium dotiert sein können und die durch Pyrolyse hergestellt werden. Den Füllstoff bilden für die einzelnen Schichten mindestens eine der Verbindungen AI2O3, MoSi2, Siθ2 und SiC. Analog zu dem obengenannten Verbundgefüge kann vorzugsweise der MoSi2-Gehalt und/oder die Korngröße von MoSi2 den Widerstand der Schichten bestimmen. Vorzugsweise wird der MoSi2~Gehalt der ersten Zuleitungsschicht 7, des Stegs 8 und der zweiten Zuleitungsschicht 9 sowie gegebenenfalls der ersten und zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33, 33 λ höher als der MoSi2-Gehalt der Isolationsschicht 11 eingestellt. Die Zusammensetzungen der ersten Zuleitungsschicht 7, des Stegs 8, der zweiten
Zuleitungsschicht 9, der Isolationsschicht 11 sowie gegebenenfalls der ersten Elektrode zur ionenstromerfassung 33 und der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 λ werden in den oben angegebenen Ausführungsbeispielen so gewählt, dass ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die während des Sinter- bzw. Pyrolyseprozesses auftretenden Schrumpfungen gleich sind, so dass keine Risse im Heizelement 5 entstehen.

Claims

Ansprüche
1. Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor mit einem Gehäuse (3) und einem in einer konzentrischen Bohrung des Gehäuses angeordneten stabförmigen Heizelement (5) , wobei das Heizelement (5) mindestens eine Isolationsschicht (11) sowie eine erste Zuleitungsschicht (7) und eine zweite Zuleitungsschicht (9) aufweist, wobei die erste Zuleitungsschicht (7) und die zweite Zuleitungsschicht (9) am brennraumseitigen Ende (6) des Heizelements (5) über einen Steg (8) verbunden sind, wobei die erste und die zweite Zuleitungsschicht (7,9) und der Steg (8) aus elektrisch leitendem keramischen Material und die Isolationsschicht (11) aus elektrisch isolierendem keramischen Material besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (5) eine erste Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und eine zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung (33 ) aufweist, die in die Isolationsschicht 11 eingebettet oder auf die Isolationsschicht 11 aufgebracht sind.
2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung (33Λ) aus metallischem Material, vorzugsweise Platin bestehen.
3. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung (33 ) aus elektrisch leitendem keramischen Material bestehen.
4. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am brennraumfernen Ende des
Heizelements (6) ein erster elektrischer Anschluss (15) und ein zweiter elektrischer Anschluss (17) vorgesehen ist, wobei der erste elektrische Anschluss (15) mit dem brennraumfernen Ende der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und der zweite elektrische
Anschluss (17) mit dem brennraumfernen Ende der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33x) verbunden ist.
5. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der zweiten
Zuleitungsschicht (9) mit der Masse über das Gehäuse (3) und die Brennraumdichtung (13) erfolgt.
6. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am brennraumfernen Ende des
Heizelements (6) innerhalb der konzentrischen Bohrung des Gehäuses (3) eine rohrförmige Distanzhülse (27) aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist.
7. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (11) , die erste Zuleitungsschicht (7) , der Steg 8 und die zweite Zuleitungsschicht (9) aus keramischen Verbundgefügen bestehen, die durch einen ein- oder mehrstufigen Sinterprozess aus mindestens zwei der Verbindungen AI2O3, MoSi2, Si3 4 und Y2O3 erhältlich sind.
8. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (11) , die erste Zuleitungsschicht (7) , der Steg (8) und die zweite Zuleitungsschicht (9) aus einer Komposit-Precursor-Keramik besteht, wobei das Matrixmaterial Polysiloxane, Polysilsequioxane, Polysilane oder Polisilazane umfasst, die mit Bor, Stickstoff oder Aluminium dotiert sein können und die durch Pyrolyse hergestellt wurden, wobei der Füllstoff aus mindestens einer der Verbindungen AI2O3, MoSi2. Siθ2 und SiC gebildet wird.
9. Glühstiftkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode zur
Ionenstromerfassung (33) und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung (33Λ) aus keramischen Verbundgefügen bestehen, die durch einen ein- oder mehrstufigen Sinterprozess aus mindestens zwei der Verbindungen AI2O3, MoSi2, Si3 4 und Y2O3 erhältlich sind.
10. Glühstiftkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung (33 ) aus einer Komposit-Precursor- Keramik besteht, wobei das Matrixmaterial Polysiloxane, Polysilsequioxane, Polysilane oder Polisilazane umfasst, die mit Bor, Stickstoff oder Aluminium dotiert sein können und die durch Pyrolyse hergestellt wurden, wobei der Füllstoff aus mindestens einer der Verbindungen AI2O3, MoSi2, SiÜ2 und SiC gebildet wird.
11. Verfahren zum Betreiben einer Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Glühphase lediglich eine elektrische Spannung an der ersten und der zweiten Zuleitungsschicht (7,9) angelegt wi'rd und nach Beendigung der Glühphase eine elektrische Spannung lediglich an der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und an der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33 ) angelegt wird.
12. Verfahren zum Betreiben einer Glühstiftkerze mit Ionenstromsensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass während der Glühphase eine elektrische Spannung sowohl an der ersten und der zweiten Zuleitungsschicht (7,9) als auch an der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und an der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33λ) angelegt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und an der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33 ) eine Spannung mit gleichem Potential angelegt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und an der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung (33λ) eine Spannung mit unterschiedlichem Potential angelegt wird.
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