JP2004502090A

JP2004502090A - イオン電流センサーを備えたシース形グロープラグおよびこの種のシース形グロープラグを作動させる方法

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Publication number: JP2004502090A
Application number: JP2002507167A
Authority: JP
Inventors: クリストフ　ハルシュカ; ユルゲン　アルノルト; クリストフ　ケルン
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-04-14
Publication date: 2004-01-22
Also published as: US20030029855A1; US6927362B2; HUP0202308A2; PL352635A1; CZ2002667A3; WO2002002933A1; SK2882002A3; EP1299641A1; DE10031893A1

Abstract

イオン電流センサーを備えたシース形グロープラグおよびこの種のシース形グロープラグを作動させる方法が提案されており、この場合このシース形グロープラグは、ケーシング（３）およびケーシング（３）の同心孔内に配置された棒状の発熱体（５）を備えている。この発熱体（５）は、少なくとも１つの絶縁層（１１）ならびに第１の供給層（７）および第２の供給層（９）を有し、これらの第１の供給層（７）と第２の供給層（９）は、発熱体（５）の燃焼室側端部（６）でウェブ（８）により結合されており、第１の供給層（７）および第２の供給層（９）ならびにウェブ（８）は、導電性セラミック材料からなり、絶縁層（１１）は、電気絶縁性材料からなる。前記発熱体（５）は、イオン電流を検出するための少なくとも１個の電極（７、９、３３）を備え、この場合イオン電流を検出するための少なくとも１個の電極（７、９、３３）は、導電性セラミック材料からなる。

Description

【０００１】
「技術分野」
本発明は、第１の独立請求項の概念により、イオン電流センサーを備えた、ディーゼルエンジンのためのセラミックシース形グロープラグから出発する。ドイツ連邦共和国特許出願公開第３４２８３７１号明細書の記載から、既にセラミック発熱体を備えたセラミックシース形グロープラグは、公知である。セラミック発熱体は、金属材料からなる電極を備え、この電極は、内燃機関の燃焼室中に存在するイオン化ガスの導電率を検出するために使用される。この場合、第２の電極としては、燃焼室壁が使用される。
【０００２】
更に、ケーシングを備えたシース形グロープラグは、公知であり、この場合このケーシング中で同心孔内には、棒状の発熱体が配置されている。この場合、発熱体は、少なくとも１つの絶縁層ならびに第１の供給層および第２の供給層からなり、その際第１の供給層と第２の供給層は、ウェブにより発熱体の燃焼室側先端部に結合されている。この場合、絶縁層は、電気絶縁性セラミック材料からなり、第１の供給層、第２の供給層およびウェブは、導電性セラミック材料からなる。
【０００３】
発明の利点
第１の独立請求項の特徴を有する、イオン電流センサーを備えた本発明によるセラミックシース形グロープラグは、イオン電流センサーを備えたシース形グロープラグが極めて簡単な構造を有し、製作が安価であるという利点を有する。更に、個々の層の膨張係数が互いに適合していることは、好ましい。
【０００４】
従属請求項に記載された方法によれば、イオン電流センサーを備えた、独立請求項に記載されたシース形グロープラグの好ましい他の実施例および改善は、可能である。特に構造的視点からシース形グロープラグの好ましい構成は、供給層がイオン電流の捕捉のための電極として使用される場合に達成されることができる。このために、燃焼室から離れた、発熱体の端部への供給層の電気的接続が設けられていることは、好ましい。それというのも、こうしてイオン電流センサーとしてのシース形グロープラグの作動が可能になるからである。更に、付加的にイオン電流の検出のための電極が設けられていることは、好ましく、この場合この電極は、絶縁層内に延在しているかまたは絶縁層上に施こされている。それというのも、グロー放電の作動とイオン電流の測定は、同時に行なうことができるからである。この場合には、供給層とイオン電流の検出のための電極との間に十分な距離を保証するために、イオン電流の検出のための電極が発熱体の燃焼室側端部で表面に案内されていることは、好ましいことが証明された。また、イオン電流の検出のための電極が発熱体の燃焼室側端部にまで案内されていることは、好ましい。それというのも、こうしてイオン電流は、燃焼室の範囲内で検出されることができるからであり、この場合このイオン電流は、燃焼室中で行なわれる燃焼過程にとって重要である。更に、記載されたセラミック複合体組織を、導電率および膨張係数が極めて良好に適合することができる、発熱体の種々の層に使用することは、好ましい。これは、同様に記載された前駆体複合材料についても云えることである。
【０００５】
更に、イオン電流センサーを備えたシース形グロープラグを種々の方法により作動させることは、好ましい。この場合、イオン電流の検出をグロー段階とは別の時間窓中で行なうことは、好ましい。それというのも、こうしてイオン電流の正確な検出が可能になるからである。同様に、発熱体のグロー放電の間にイオン電流の検出を設けることは、好ましい。それというのも、燃焼プロセスを内燃機関の始動段階でも検出することは、重要であるからである。
【０００６】
更に、利点は、実施例の次の記載から明らかである。
【０００７】
本発明の実施例は、図に示されており、以下の明細書中に詳説されている。
【０００８】
実施例の記載
図１において、本発明によるシース形グロープラグは、縦断面図で略示されている。管状の有利に金属製のケーシング３は、発熱体５の燃焼室側端部で同心孔内に含まれている。発熱体５は、セラミック材料からなる。発熱体５は、第１の供給層７および第２の供給層９を備え、この場合第１の供給層７および第２の供給層９は、導電性セラミック材料からなる。発熱体の燃焼室から離れた端部６では、第１の供給層７と第２の供給層９がウェブ８により結合されており、この場合このウェブは、同様に導電性セラミック材料からなる。第１の供給層７および第２の供給層９は、絶縁層１１によって分離されている。絶縁層１１は、電気絶縁性セラミック材料からなる。ケーシング３の内側は、燃焼室の方向に発熱体５を環状に包囲する燃焼室シール１３によって密閉されている。発熱体５の燃焼室から離れた端部で、第１の供給層７は、第１の端子１５と結合している。この第１の端子１５は、再び燃焼室から離れた、シース形グロープラグの端部の方向に接続ボルト１９と結合している。第２の供給層９は、燃焼室から離れた端部で第２の端子１７と結合しており、この端子は、燃焼室から離れた、シース形グロープラグの端部に到るまで接続ボルト１９を貫通しており、この場合第２の端子１７は、この接続ボルトによって電気絶縁されている。接続ボルト１９は、ケーシング３の同心孔内に配置されたセラミックスペーサースリーブ２７によって燃焼室から離れた、発熱体５の端部と距離を隔てている。燃焼室から離れた端部の方向に接続ボルト１９は、スペーサースリーブ２９および金属スリーブ３１を貫通している。燃焼室から離れた、シース形グロープラグの端部で、接続ボルト１９上には、円形プラグ２５が取り付けられており、この円形プラグは、端子を実現している。燃焼室から離れた、ケーシング３の同心孔の端部は、管状リング２１および絶縁ディスク２３によって密閉されているかまたは電気絶縁されている。
【０００９】
この実施例において、シース形グロープラグは、内燃機関の始動時にシース形グロープラグが最初に加熱形態で作動されるように作動される。これは、第１の端子１５でプラスの電圧が印加され、第２の端子１７でマイナスの電圧が印加されるか、または反対に行なわれ、したがって第１の供給層７、ウェブ８および第２の供給層９を介して電流が流れることを意味する。こうして、電気抵抗によって発熱体の温度は上昇し、シース形グロープラグの燃焼室側端部が突入する燃焼室は加熱される。この場合、発熱体５は、燃焼室から離れた端部でケーシング３の燃焼室側縁部の外側でガラス化され、したがって第１の供給層または第２の供給層とケーシング３との間には、電気的接触は存在しない。
【００１０】
グロー段階の終結時に、第１の端子１５と第２の端子１７には、同じ高さの電位が印加され、したがって供給層中には、もはや電流は流れないが、しかし、第１の供給層７および第２の供給層９は、イオン電流の検出のための電極として使用される。燃焼室がイオンの存在によってイオン化されている場合には、イオン電流の検出のための電極、即ち第１の供給層７および第２の供給層９からイオン電流が燃焼室壁に流れ、この場合この燃焼室壁は、アースされている。それによって、この実施例において、第１の供給層７および第２の供給層９は、イオン電流の検出のための電極として機能する。
【００１１】
図２には、イオン電流センサーを備えた本発明によるシース形グロープラグの他の実施例が長手方向の断面図で略示されている。この場合には、単にこの種のシース形グロープラグの燃焼室側端部が図示されている。燃焼室から離れた、このシース形グロープラグの端部は、図１による実施例の形状に相当する。また、有利に金属製のケーシング３の同心孔内には、発熱体５が配置されている。また、発熱体５は、第１の供給層７と第２の供給層９と絶縁層１１とからなり、この場合この図では、専ら絶縁層１１を見ることができる１つの平面内で発熱体５が切断されている。（この平面は、図１の切断面に対して垂直に配置されている。）絶縁層１１ならびに第１の供給層７、ウェブ８および第２の供給層９は、既に図１に関連して述べた材料からなる。第１の供給層７は、第１の端子１５を介して接続ボルト１９と結合されている。また、接続ボルト１９は、セラミックスペーサースリーブ２７により燃焼室から離れた、発熱体の端部と距離を隔てている。また、金属製のケーシング３の内部の燃焼室側での密閉は、燃焼室シール１３によって保証されており、この燃焼室シールは、この実施例において導電性材料から成り立っている。それというのも、第２の供給層は、燃焼室シール１３を介してケーシング３に向かってアース接続されているからである。第１の供給層の表面上で外側に施こされた、ケーシング３および燃焼室シール１３の範囲内でのガラス化部は、燃焼室シール１３およびケーシング３に対する第１の供給層７の接触を回避する。
【００１２】
この実施例において、絶縁層１１中には、イオン電流の検出のための電極３３が設けられており、この電極は、燃焼室から離れた、発熱体５の端部から発熱体５の燃焼室側先端部６に向かって延在している。イオン電流の検出のための電極３３は、燃焼室側先端部６で側方で発熱体５の表面に向かって案内されている。イオン電流の検出のための電極３３は、導電性セラミック材料または金属材料からなる。燃焼室から離れた、イオン電流の検出のための電極の端部で、この電極は、第２の端子１７に接続されており、この第２の端子は、接続ボルト１９を貫通して燃焼室から離れた、シース形グロープラグの端部にまで案内されている。
【００１３】
図３には、発熱体５による横断面図で端子が発熱体の個々の層中に配置されていることがもう一度正確に図示されている。この横断面図は、燃焼室から離れた、発熱体５の端部での１つの領域を示す。第１の端子１５は、第１の供給層７と結合されており、他方、第２の端子１７は、絶縁層１１を貫通して延在している、イオン電流の検出のための電極と結合している。更に、なお第２の供給層９が示されており、この第２の供給層は、燃焼室の方向にさらに存在する領域内で燃焼室シール１３を介してケーシング３との電気的接触を有し、この場合このケーシングは、アースされている。
【００１４】
この実施例は、シース形グロープラグがグロー作動時にイオン電流検出装置として同時に作動しうるという特に大きな利点を十分に有する。そのために、グロー作動に必要とされる電圧は、接続ボルト１９および第１の端子１５を介して第１の供給層７に印加され、イオン電流の検出に必要とされる電圧は、第２の端子１７を介してイオン電流の検出のための電極３３に印加される。
【００１５】
図４につき、イオン電流センサーを備えたシース形グロープラグのもう１つの実施例を示す。図２と同様に、この種のシース形グロープラグの燃焼室側端部は、長手方向の断面図で略示されている。発熱体５は、図２と同様に専ら絶縁層１１を見ることができる１つの平面内で切断されている。同じ参照符号は、この図および次の図で先行の図と同じ構成部材を表わし、したがってこの参照符号については、これ以上詳説しない。
【００１６】
また、イオン電流の検出のための電極３３は、絶縁層を貫通して案内されているが、しかし、この場合この電極は、発熱体５の最も外側の燃焼室側先端部６にまで延在している。この電極は、図２につき示された実施例とは異なり側方では発熱体の表面にまで案内されていない。更に、イオン電流の検出のための電極３３は、中心で絶縁層１１を貫通して案内されているので、第１の端子１５との結合も中心で行なわれている。第１の端子１５は、好ましい実施例においてスペーサースリーブ２７の同心孔内に配置されたばね素子３５を貫通して、有利にばね素子３５から絶縁されて案内されており、さらに燃焼室から離れた、シース形グロープラグの端部の方向に接続ボルト１９を貫通して案内されている。バネ素子３５は、発熱体５または接続ボルト１９に対して圧力を作用させることを可能にし、第１の供給層７との電気的接触を生じ、したがって最適な電気的接触およびケーシング３の内部の最適な密閉は、燃焼室シール１３により環境に対して行なうことができる。この場合、ケーシング３の内部の密閉は、スペーサースリーブ２７により行なわれる。第２の供給層９の電気的接触は、図２によって詳説された実施例につき同様に形成されている。
【００１７】
他の実施例において、第１の供給層７およびイオン電流の検出のための電極３３に接する燃焼室から離れた端子の形成は、バネ素子３５なしでも図２と同様に行なうことができる。
【００１８】
図４に示された実施例に関連して、発熱体５の燃焼室側先端部６の形成についての種々の実施例は、図５および６につき示されている。図５および６には、それぞれ発熱体５の燃焼室側先端部を示す長手方向の断面図が示されている。
【００１９】
図５において、イオン電流の検出のための電極３３は、発熱体５の燃焼室側先端部６に到るまで延在する絶縁層１１内で発熱体５の燃焼室側先端部にまで案内されている。この場合、ウェブ８による第１の供給層７と第２の供給層９との結合は、半径方向に（長手方向の軸線に対して発熱体５またはシース形グロープラグを貫通して）イオン電流の検出のための電極３３が発熱体８の燃焼室側先端部６にまで延在する領域から離れて存在する２つの領域内で専ら行なわれる。更に、図５から、イオン電流の検出のための電極３３が１つの好ましい実施例において絶縁スリーブ３６中に配置されており、この絶縁スリーブが殆んどシース形グロープラグの燃焼室側端部にまで案内されていることを認めることができる。
【００２０】
図６は、もう１つの実施例を示し、この場合には、イオン電流の検出のための電極３３は、側方で発熱体５の燃焼室側先端部６にまで案内されており、発熱体５の燃焼室側端部６は、第１の供給層７と第２の供給層９とがウェブ８により結合されている１つの領域のみを有する。前記実施例の場合にウェブ８が配置されている領域は、発熱体５の燃焼室側先端部６の側に配置されており、この側は、イオン電流の検出のための電極３３を備えていない。この実施例の場合、シース形グロープラグは、有利にウェブ８が配置されている、発熱体５の燃焼室側先端部６の側が最も幅広く燃焼室中に突入しているように内燃室中に配置される。これは、殊にシース形グロープラグが傾斜して燃焼室中に突入している配置の場合に注目することができる。
【００２１】
図４、５および６につき詳説される実施例は、有利に導電性セラミック材料からなる、イオン電流の検出のための電極を含む。
【００２２】
図２〜６につき詳説される実施態様に関連するもう１つの実施例において、イオン電流の検出のための電極３３は、絶縁層１１上以外に施こされていてもよい。
【００２３】
既に上述したように、第１の供給層７、ウェブ８、第２の供給層９、絶縁層１１およびイオン電流の検出のための電極３３の材料は、セラミック材料からなる。それによって、材料の熱膨張係数は殆んど区別されないことが保証され、したがって発熱体５の耐久性が保証されている。この場合、第１の供給層７、ウェブ８および第２の供給層９の材料は、前記層の抵抗が絶縁層１１の抵抗よりも小さい程度に選択されている。同様に、イオン電流の検出のための第１の電極３３の抵抗は、絶縁層１１の抵抗よりも小さい。
【００２４】
１つの好ましい実施例において、第１の供給層７、ウェブ８および第２の供給層９、絶縁層１１および第１の電極３３は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｏＳｉ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＹ_２Ｏ_３の化合物の中の少なくとも２つの化合物を含有するセラミック複合体組織からなる。この複合体組織は、一工程または多工程の焼結プロセスによって得ることができる。この場合、層の比抵抗は、有利にＭｏＳｉ_２含量および／またはＭｏＳｉ_２の粒径によって定めることができ、好ましくは、第１の供給層７、ウェブ８および第２の供給層９ならびにイオン電流の検出のための電極３３のＭｏＳｉ_２含量は、絶縁層１１のＭｏＳｉ_２含量よりも高い。
【００２５】
もう１つの実施例において、第１の供給層７、ウェブ８、第２の供給層９、絶縁層１１、イオン電流の検出のための電極３３は、充填剤の異なる含量を有する複合体−前駆体−セラミックからなる。この場合、この材料のマトリックスは、硼素、窒素またはアルミニウムでドーピングされていてよくかつ熱分解によって得られたポリシロキサン、ポリシルセスキオキサン（Ｐｏｌｙｓｉｌｓｅｓｑｕｉｏｘａｎｅ）、ポリシランまたはポリシラザンからなる。充填剤は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｏＳｉ_２、ＳｉＯ_２およびＳｉＣの化合物の中の少なくとも１つの化合物から形成されている。上記の複合体組織と同様に、好ましくはＭｏＳｉ_２含量および／またはＭｏＳｉ_２の粒径は、層の抵抗を定めうる。好ましくは、第１の供給層７、ウェブ８および第２の供給層９のＭｏＳｉ_２含量ならびにイオン電流の検出のための第１の電極３３は、絶縁層１１のＭｏＳｉ_２含量よりも高くなるように調節される。第１の供給層７、ウェブ８、第２の供給層９、絶縁層１１、イオン電流の検出のための第１の電極３３の組成は、上記の実施例において熱膨張係数および焼結プロセスまたは熱分解プロセスの間に発生する収縮が等しくなるように選択され、したがって発熱体５中で亀裂は発生しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン電流センサーを備えた本発明によるシース形グロープラグを示す長手方向の略示断面図。
【図２】イオン電流センサーを備えた本発明によるシース形グロープラグの燃焼室側端部を示す長手方向の略示断面図。
【図３】イオン電流センサーを備えた本発明によるシース形グロープラグの発熱体を示す略示横断面図。
【図４】イオン電流センサーを備えた本発明によるシース形グロープラグの他の実施例の燃焼室から離れた端部を示す長手方向の略示断面図。
【図５】イオン電流センサーを備えた本発明によるシース形グロープラグの発熱体の燃焼室側端部の１実施例を示す長手方向の略示断面図。
【図６】イオン電流センサーを備えた本発明によるシース形グロープラグの発熱体の燃焼室側端部の１実施例を示す長手方向の略示断面図。
【符号の説明】
３　ケーシング、　５　発熱体、　６　端部、　７　第１の供給層、８　ウェブ、　９　第２の供給層、　１１　絶縁層、　１３　燃焼室シール、　１５　第１の端子、　１７　第２の端子、　１９　接続ボルト、　２１　管状リング、　２３　絶縁ディスク、　２５　円形プラグ、　２７　セラミックスペーサースリーブ、　２９　スペーサースリーブ、　３１　金属スリーブ、　３３　イオン電流の検出のための電極、　３５　バネ素子、　３６　絶縁スリーブ

Claims

ケーシング（３）およびケーシング（３）の同心孔内に配置された棒状の発熱体（５）を備え、この発熱体（５）が少なくとも１つの絶縁層（１１）ならびに第１の供給層（７）および第２の供給層（９）を備え、これらの第１の供給層（７）と第２の供給層（９）が発熱体（５）の燃焼室側端部（６）でウェブ（８）により結合されており、第１の供給層（７）および第２の供給層（９）ならびにウェブ（８）が導電性セラミック材料からなり、絶縁層（１１）が電気絶縁性材料からなり、前記発熱体（５）がイオン電流を検出するための少なくとも１個の電極（７、９、３３）を備えている、イオン電流センサーを備えたシース形グロープラグにおいて、イオン電流を検出するための少なくとも１個の電極（７、９、３３）が導電性セラミック材料からなることを特徴とする、イオン電流センサーを備えたシース形グロープラグ。
第１の供給層（７）および／または第２の供給層（９）の少なくとも一部分が電極としてイオン電流の検出に使用される、請求項１記載のシース形グロープラグ。
燃焼室から離れた、発熱体（６）の端部に第１の端子（１５）および第２の端子（１７）が設けられており、この第１の端子（１５）は、燃焼室から離れた、第１の供給層（７）の端部と結合し、第２の端子（１７）は、燃焼室から離れた、第２の供給層（９）の端部と結合している、請求項２記載のシース形グロープラグ。
イオン電流の検出のための電極（３３）が絶縁層（１１）内に延在しているかまたは絶縁層（１１）上に施こされている、請求項１記載のシース形グロープラグ。
イオン電流の検出のための電極（３３）が燃焼室から離れた方向で、第１の供給層と第２の供給層が発熱体（６）の燃焼室側端部で結合している領域の前方で発熱体の表面に向かって案内されている、請求項４記載のシース形グロープラグ。
発熱体（６）が燃焼室側端部（６）に到るまで、イオン電流の検出のための電極（３３）が絶縁層（１１）内で延在し、この絶縁層（１１）は、発熱体（５）が燃焼室側端部に到るまで案内されている、請求項４記載のシース形グロープラグ。
第１の供給層（７）が燃焼室から離れた端部で第１の端子（１５）と結合し、燃焼室から離れた、イオン電流の検出のための電極（３３）の端部が第２の端子（１７）と結合している、請求項４から６までのいずれか１項に記載のシース形グロープラグ。
第２の供給層（９）がケーシング（３）を介してアースと結合している、請求項４から７までのいずれか１項に記載のシース形グロープラグ。
発熱体（６）の燃焼室から離れた端部でケーシング（３）の同心孔内には電気絶縁性材料からなる管状のスペーサースリーブ（２７）が配置されている、請求項１から８までのいずれか１項に記載のシース形グロープラグ。
絶縁層（１１）、第１の供給層（７）、ウェブ（８）、第２の供給層（９）およびイオン電流の検出のための電極（７、９、３３）がセラミック複合体組織からなり、このセラミック複合体組織が一工程または多工程の焼結プロセスによってＡｌ_２Ｏ_３、ＭｏＳｉ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４およびＹ_２Ｏ_３の化合物の中の少なくとも２つの化合物から得ることができる、請求項１から９までのいずれか１項に記載のシース形グロープラグ。
絶縁層（１１）、ウェブ（８）、第１の供給層（７）、第２の供給層（９）およびイオン電流の検出のための電極（７、９、３３）が複合体−前駆体−セラミックからなり、この場合マトリックス材料は、硼素、窒素またはアルミニウムでドーピングされていてよくかつ熱分解によって得られたポリシロキサン、ポリシルセスキオキサン、ポリシランまたはポリシラザンを含む、その際充填剤は、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｏＳｉ_２、ＳｉＯ_２およびＳｉＣの化合物の中の少なくとも１つの化合物から形成されている、請求項１から９までのいずれか１項に記載のシース形グロープラグ。
イオン電流センサーを備えた請求項１記載のシース形グロープラグを作動させる方法において、グロー段階の間に電圧を第１の供給層（７）および第２の供給層（９）に印加し、この場合この第１の供給層（７）および第２の供給層（９）は、異なる電位と接続されており、グロー段階の終結後に同じ電位を有する電圧をイオン電流の検出のための電極（７、９）に印加することを特徴とする、イオン電流センサーを備えた請求項１記載のシース形グロープラグを作動させる方法。
イオン電流センサーを備えた請求項１記載のシース形グロープラグを作動させる方法において、グロー段階の間に異なる電位を有する電圧を第１の供給層（７）および第２の供給層（９）ならびに同時にイオン電流の検出のための電極（３３）に印加することを特徴とする、イオン電流センサーを備えた請求項１記載のシース形グロープラグを作動させる方法。