DE10030924A1

DE10030924A1 - Glühstiftkerze

Info

Publication number: DE10030924A1
Application number: DE10030924A
Authority: DE
Inventors: Pia Mondal; Christine Engel; Andreas Reissner; Wolfgang Dressler; Horst Boeder; Christoph Kern; Steffen Schott; Ruth Hoffmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-24
Filing date: 2000-06-24
Publication date: 2002-01-03
Also published as: EP1295067B1; DE50104622D1; JP2004502120A; EP1295067A1; SK2342002A3; PL352576A1; CZ2002546A3; HU224593B1; US20030116553A1; ES2231507T3; US6727472B2; HUP0202427A2; WO2002001112A1; JP5038575B2

Abstract

Es wird eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einem Brennraum vorgeschlagen, wobei in einer konzentrischen Bohrung des Gehäuses ein stabförmiges Heizelement angeordnet ist. Das Heizelement weist eine erste stromführende Schicht (11), eine zweite stromführende Schicht (12) und eine Isolationsschicht (15) auf, wobei die Isolationsschicht (15) die erste stromführende Schicht (11) und die zweite stromführende Schicht (12) trennt. Am brennraumseitigen Ende des Heizelements sind die erste stromführende Schicht (11) und die zweite stromführende Schicht (12) durch einen Leitschichtsteg (13) verbunden. Die erste stromführende Schicht (11) und die zweite stromführende Schicht (12) weisen unterschiedliche Längen auf, wobei die erste stromführende Schicht (11) in einem ersten Abschnitt (21) am brennraumfernen Ende des Heizelements einen, bezogen auf ihre sonstige Länge, größeren Querschnitt aufweist und die zweite stromführende Schicht (12) in den ersten Abschnitt (21) nicht hineinragt.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Glühstiftkerze zur Anordnung in einem Brennraum nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Es sind bereits Glühstiftkerzen zur Anordnung in einem Brennraum bekannt, die ein metallisches Gehäuse aufweisen. In einer konzentrischen Bohrung der bekannten Glühstiftkerze ist ein stabförmiges Heizelement angeordnet, wobei das Heizelement eine erste stromführende Schicht und eine zweite stromführende Schicht aufweist, wobei die Querschnitte der ersten und der zweiten stromführenden Schicht am brennraumseitigen Ende des Heizelements über einen Leitschichtsteg verbunden sind. Die erste und die zweite stromführende Schicht sind dabei durch eine Isolationsschicht getrennt. Es sind weiterhin Glühstiftkerzen bekannt, deren stromführende Schichten unterschiedliche Längen aufweisen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass am brennraumfernen Ende des Heizelements keine Kurzschlussgefahr besteht. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, dass die Kontaktfläche zwischen der ersten stromführende Schicht und dem Kontaktelement, das am brennraumfernen Ende des Heizelements angeordnet ist, vergrößert wird. Damit verringert sich der Kontaktwiderstand, was zu einer geringeren Aufheizung der Kontaktstelle führt. Die Gefahr der thermischen Zerstörung des Kontaktmaterials zwischen Heizelement und Kontaktelement wird somit reduziert. Desweiteren ist vorteilhaft, dass zur Abtragung einer sich auf dem stabförmigen Heizelement befindenden isolierenden Schicht in dem Bereich, in dem der Kontakt zur Stromzuführung erfolgen soll, eine Ausrichtung des stabförmigen Heizelements nicht erfolgen muss.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung der im Hauptanspruch angegebenen Glühstiftkerze möglich. Besonders vorteilhaft ist, die Isolationsschicht ebenfalls asymmetrisch auszubilden, so dass auch hier die Kurzschlussgefahr aufgrund einer Beschädigung oder einer Porosität einer auf das Heizelement aufgebrachten Isolationsschicht verringert wird. Dabei ist es vorteilhaft, den Bereich, in dem die Isolationsschicht asymmetrisch ausgebildete ist, in Richtung Brennraum bis über den Bund des Heizelements hinaus auszudehnen, da so eine Summation von form- und materialbedingter Kerbwirkung vermieden wird. Weiterhin vorteilhaft ist, das Heizelement derart auszugestalten, dass in dem Bereich, in dem die erste stromführende Schicht in das Gehäuse hineinragt, eine vorteilhafter Weise halbschalenförmige Isolationsschicht aufgebracht wird, die aus elektrisch isolierendem keramischen Material besteht, wobei die Isolationsschicht zwischen erster und zweiter stromführenden Schicht aus demselben Material besteht. Hierdurch wird der Herstellungsprozeß vereinfacht und somit kostengünstiger gestaltet. Um nicht noch eine zusätzliche Isolation vorsehen zu müssen, ist es vorteilhaft, diese Isolationsschicht so zu gestalten, dass sie bis über das brennraumseitige Ende des Gehäuses übersteht. Desweiteren ist vorteilhaft, am brennraumfernen Ende des Heizelements einen stufenförmigen Zapfen vorzusehen, so dass eine am brennraumfernen Ende des Heizelements angeordnete Spannhülse und das Kontaktelement leicht plazierbar sind.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen und Verbesserungen der Glühstiftkerze sind den unten dargestellten Ausführungsbeispielen zu entnehmen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze schematisch im Längsschnitt,

Fig. 2 bis 4 verschiedene Ausführungsbeispiele für ein Heizelement einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze schematisch im Längsschnitt und Fig. 5 das brennraumseitige Ende einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze im Längsschnitt, schematisch.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist der Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze schematisch dargestellt. Die Glühstiftkerze weist ein Gehäuse 3 auf, das vorzugsweise aus metallischem Werkstoff besteht, in dessen konzentrische, durchgehende Bohrung am brennraumseitigen Ende ein Heizelement angeordnet ist. Das Heizelement besteht aus einer ersten stromführenden Schicht 11, einer zweiten stromführenden Schicht 12 und einer dazwischenliegenden Isolationsschicht 15. Die erste stromführende Schicht 11 und die zweite stromführende Schicht 12 sind durch einen Leitschichtsteg 13 am brennraumseitigen Ende des Heizelements verbunden. Aus der geschilderten Anordnung der ersten stromführenden Schicht 11, der zweiten stromführenden Schicht 12 und dem Leitschichtsteg 13 ergibt sich eine u-förmige Anordnung der stromführenden Schichten. Der elektrische Kontakt der ersten stromführenden Schicht 11 erfolgt am brennraumfernen Ende des Heizelements zu einem Kontaktelement 31, das vorzugsweise als Graphittablette oder anderes federndes und leitfähiges Element (beispielsweise eine Metallfeder) ausgebildet ist. Das Kontaktelement 31 und das brennraumseitige Ende des Anschlussbolzens 35, der am brennraumfernen Ende des Kontaktelements 31 angeordnet ist, sind in einer ersten Spannhülse 33 angeordnet, wobei die erste Spannhülse 33 die Form eines Hohlzylinders besitzt und aus elektrisch isolierendem Material besteht. Der Anschlussbolzen 35 erstreckt sich bis an das brennraumferne Ende der Glühstiftkerze und verläuft in der inneren, konzentrischen Bohrung des Gehäuses 3. Dabei sind in dieser Bohrung noch weitere Elemente (zweiten Spannhülse 37 und der Metallring 39) angeordnet, die die Form eines Hohlzylinders aufweisen und durch die der Anschlussbolzen 35 verläuft. Am brennraumfernen Ende ist auf dem Anschlussbolzen 35 ein Kontaktstecker 40 aufgesetzt, der die Verbindung zum Glühkerzen-Schaltkreis darstellt. Zwischen Gehäuse 3 und Kontaktstecker 40 ist ein Dichtring 41 angeordnet, der das Innere des Gehäuses der Glühstiftkerze vom Außenraum abdichtet. Dieser Dichtring 41 hat ebenfalls die Form eines Hohlzylinders.

Der elektrische Kontakt der zweiten stromführende Schicht ergibt sich über einen Bereich, in dem die elektrisch isolierende Schicht 16, die das brennraumferne Ende des Heizelements umgibt, abgetragen ist, desweiteren über die Dichtmasse 5 zum Gehäuse 3. Die Dichtmasse 5 ist ringförmig um das brennraumferne Ende des Heizelements herum angeordnet und dichtet das Innere des Gehäuses in Richtung Brennraum ab. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann auch in dem Bereich, in dem der Kontakt der zweiten stromführenden Schicht mit der Dichtmasse 5 erfolgen soll, eine Kontaktschicht 17 aufgebracht sein. Desweiteren kann auch am brennraumfernen Ende des Heizelements eine Kontaktschicht 17 den Kontakt zwischen der ersten stromführenden Schicht 11 und Kontaktelement 31 herstellen.

Anhand von Fig. 2 soll nun der Aufbau des Heizelements näher beschrieben werden. Fig. 2 zeigt dabei schematisch den Längsschnitt durch ein Heizelement einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze. Die in dieser und den nachfolgenden Figuren in Bezug auf Fig. 1 verwendeten gleichen Bezugszeichen bezeichnen gleiche Elemente. Auf diese soll deshalb nicht noch einmal ausführlich eingegangen werden. In Fig. 2 ist zu sehen, dass am brennraumfernen Ende des Heizelements die erste stromführende Schicht 11 in einem ersten Abschnitt 21 einen Querschnitt aufweist, der vergrößert ist gegenüber dem Querschnitt der ersten stromführenden Schicht 11 auf der übrigen Länge. Die erste stromführende Schicht 11 weist demnach bei der Betrachtung des Längsschnitts eine asymmetrische L-Form auf. Die nicht von der ersten stromführenden Schicht 11 ausgefüllten Bereiche des ersten Abschnitts 21 am brennraumfernen Ende des Heizelements werden von der Isolationsschicht 15 ausgefüllt. Die zweite stromführende Schicht 12 ragt in diesen ersten Abschnitt 21 des Heizelements nicht hinein.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste stromführende Schicht 11 in dem ersten Abschnitt 21 so stark verbreitert, dass der Querschnitt der ersten stromführende Schicht 11 in diesem Abschnitt dem Querschnitt des Heizelements entspricht. Die Gestaltung dieses Ausführungsbeispiels ist auch Fig. 1 zu entnehmen.

Durch die Verbreiterung des Querschnitts der ersten stromführenden Schicht 11 wird gewährleistet, dass die Kontaktfläche der ersten stromführende Schicht 11 zum Kontaktelement 31, das am brennraumfernen Ende des Heizelements angeordnet ist, vergrößert wird. Diese Erhöhung der Kontaktfläche führt zu einer Verringerung des Kontaktwiderstands und somit zu einer nicht so starken Erwärmung dieses Bereichs.

In Richtung Brennraum schließt sich an den ersten Abschnitt 21 des Heizelements ein zweiter Abschnitt 22 an, in dem der Querschnitt der Isolationsschicht 15 gegenüber dem Querschnitt ihrer übrigen Länge, d. h. dem Querschnitt in Richtung Brennraum, asymmetrisch vergrößert ist. Auch in diesen zweiten Abschnitt 22 ragt die zweite stromführende Schicht 12 nicht hinein. Dabei kann das brennraumseitige Ende des zweiten Abschnitts 22 derart gewählt sein, dass es Bestandteil des Heizelement-Bundes (siehe Fig. 1) oder des Heizelement-Schafts (siehe Fig. 2) ist oder sich genau am Übergang 19 zwischen Heizelement-Bund und Heizelement-Schaft befindet. Dabei wird als Heizelement-Bund der Bereich des Heizelements am brennraumfernen Ende bezeichnet, der den größten Querschnitt aufweist. Als Heizelement-Schaft wird der sich in Richtung Brennraum an den Heizelement-Schaft anschließenden Bereich des Heizelements bezeichnet, der nicht zum Heizelement-Bund gehört. Vorzugsweise wird das Ende des zweiten Abschnitts 22 nicht derart angeordnet, dass es genau am Übergang 19 zwischen Heizelement-Schaft und Heizelement-Bund liegt, da so eine zusätzliche Kerbwirkung durch den Materialübergang an der besonders beanspruchten Stelle des Übergangs zwischen Heizelement-Schaft und Heizelement-Bund verhindert wird. Mit der vorgeschlagenen Ausbildung der Isolationsschicht 15 wird ein Kurzschluss zwischen erster stromführender Schicht 11 und zweiter stromführender Schicht 12 am brennraumfernen Ende des Heizelements wirksam unterbunden.

Am brennraumfernen Ende des Heizelements, im Bereich der Mantelfläche ist, wie in Fig. 2 dargestellt, eine isolierende Schicht 16 angeordnet, die vorzugsweise als Glasüberzug ausgebildet ist. Im Bereich 17, in dem die zweite stromführende Schicht 12 mit der Dichtmasse 5 in elektrischem Kontakt steht, ist entweder diese isolierende Schicht 16 unterbrochen oder es ist eine Kontaktschicht 17 ausgebildet, die den Kontakt zwischen der zweiten stromführenden Schicht 12 und der Dichtmasse 5 verbessert. Diese Kontaktschicht 17 kann vorzugsweise als metallische Schicht ausgebildet sein.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizelements einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze schematisch im Längsschnitt dargestellt. Dieses Heizelement weist keine, das brennraumseitige Ende des Heizelements vollständig umschließende isolierende Schicht 16 auf, sondern lediglich eine isolierende Schicht 18 in dem Bereich, in dem ohne isolierende Schicht 18 die erste stromführende Schicht Kontakt mit dem Gehäuse 3 hätte. Die isolierende Schicht 18 ist vorzugsweise halbschalenförmig ausgebildet. Der Abschnitt 23, indem die isolierende Schicht 18 aufgebracht ist, wird im folgenden als dritter Abschnitt 23 bezeichnet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich die isolierende Schicht 18 vom brennraumfernen Ende des Heizelements bis über den Rand des Gehäuses hinaus erstreckt. So wird ein Kurzschluß zwischen der ersten stromführenden Schicht 11 und dem Gehäuse 3 aufgrund der Dicke der isolierenden Schicht 18 von bis zu einigen 100 µm wirksam verhindert.

In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die isolierende Schicht 18 aus dem Material hergestellt, aus dem die Isolationsschicht 15 besteht. So ist ein Herstellungsprozess, der die Herstellung eines Schichtverbundes zwischen elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden keramischen Schichten beinhaltet, besonders kostengünstig möglich, da alle Schichten unter Verwendung der gleichen Anlagen und Einrichtungen hergestellt werden können. Ein Prozessschritt, der ein Aufbringen einer chemisch andersartigen Schicht beinhaltet, wird damit eingespart.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Heizelements einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze schematisch dargestellt. Das Heizelement weist nun am brennraumfernen Ende einen stufenförmigen Zapfen 11' auf, der sich an die erste stromführende Schicht 11 anschließt und aus dem Material der ersten stromführenden Schicht 11 besteht. Dieser stufenförmige Zapfen dient zur genauen Plazierung des Kontaktierungselements 31 und der ersten Spannhülse 33, wie dies auch anhand von Fig. 1 dargestellt ist.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze schematisch im Längsschnitt dargestellt. Dabei wurde sich auf das brennraumseitige Ende der Glühstiftkerze beschränkt. Es soll anhand dieser Zeichnung noch einmal dargestellt werden, dass sich die Isolationsschicht 18 bzw. der dritte Abschnitt 23 vom am Gehäuse anliegenden brennraumfernen Ende des Heizelements bis über den brennraumseitigen Rand des Gehäuses 3 erstreckt. Wie bereits anhand von Fig. 1 beschrieben, schließen sich am brennraumfernen Ende des Heizelements eine erste Spannhülse 33 und ein Kontaktelement 31 an. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die vom Brennraum abgewandte Stirnfläche des Zapfens 11' der zweiten Isolationsschicht 11 mit einer Kontaktschicht 17 versehen sein, die den Kontakt zwischen erster Isolationsschicht 11 und Kontaktelement 31 verbessert.

In allen Ausführungsbeispielen bestehen die erste stromführende Schicht 11, die zweite stromführende Schicht 12 und der Leitschichtsteg 13 aus elektrisch leitendem keramischen Material. Die Isolationsschicht 15 besteht aus elektrisch isolierendem Material. Die keramischen elektrisch leitenden und elektrisch isolierenden Materialien sind vorzugsweise keramische Verbundgefüge, die mindestens zwei der Verbindungen Al₂O₃, MoSi₂, Si₃N₄ und Y₂O₃ enthalten. 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 Korngröße von MoSi₂ bestimmt werden, vorzugsweise ist der MoSi₂-Gehalt der ersten und der zweiten stromführende Schicht 11, 12 und des Leitschichtstegs 13 höher als der MoSi₂-Gehalt der der Isolationsschicht 15.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel bestehen die erste und die zweite stromführende Schicht 11, 12, der Leitschichtsteg 13 und die Isolationsschicht 15 aus einer Komposit- Precursor-Keramik mit unterschiedlichen Anteilen an Füllstoffen. Die Matrix dieses Materials besteht dabei aus Polysiloxanen, Polysilsequioxanen, Polysilanen oder Polysilazanen, die mit Bor oder Aluminium dotiert sein können und die durch Pyrolyse hergestellt werden. Den Füllstoff bilden für die einzelnen Schichten mindestens eine der Verbindungen Al₂O₃, MoSi₂ und SiC. Analog zu dem obengenannten Verbundgefüge kann vorzugsweise der MoSi₂- Gehalt und/oder die Korngröße von MoSi₂ den spezifischen Widerstand der Schichten bestimmen. Vorzugsweise wird der MoSi₂-Gehalt der ersten und der zweiten stromführende Schicht 11, 12 und des Leitschichtstegs 13 höher als der MoSi₂-Gehalt der Isolationsschicht 15 eingestellt.

Die Zusammensetzungen der Isolationsschicht 15, der ersten und der zweiten stromführenden Schicht 11, 12 sowie des Leitschichtstegs 13 werden in den oben angegebenen Ausführungsbeispielen so gewählt, daß ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten und die während des Sinter- bzw. Pyrolyseprozesses auftretenden Schrumpfungen der einzelnen Zuleitungs-, Leitschichtsteg- und Isolationsschichten gleich sind, so dass keine Risse im Glühstift entstehen.

Claims

1. Glühstiftkerze zur Anordnung in einem Brennraum mit einem Gehäuse (3) und mit einem in einer konzentrischen Bohrung des Gehäuses angeordneten stabförmigen Heizelement, wobei das Heizelement eine erste stromführende Schicht (11) und eine zweite stromführende Schicht (12) aufweist, wobei die erste stromführende Schicht (11) und die zweite stromführende Schicht (12) am brennraumseitigen Ende des Heizelements über einen Leitschichtsteg (13) verbunden sind, wobei die erste stromführende Schicht (11) und die zweite stromführende Schicht (12) durch eine erste Isolationsschicht (15) getrennt sind, wobei die erste stromführende Schicht (11) und die zweite stromführende Schicht (12) unterschiedliche Längen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stromführende Schicht (11) in einem ersten Abschnitt (21) am brennraumfernen Ende des Heizelements einen, bezogen auf ihre sonstige Länge, größeren Querschnitt aufweist und dass die zweite stromführende Schicht (12) in den ersten Abschnitt (21) nicht hineinragt.

2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stromführende Schicht (11) in dem ersten Abschnitt (21) einen Querschnitt aufweist, der dem Querschnitt des Heizelements entspricht.

3. Glühstiftkerze nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolationsschicht (15) in einem zweiten Abschnitt (22) des Heizelements einen größeren Querschnitt aufweist als auf ihrer sonstigen Länge, wobei der zweite Abschnitt (22) sich in Richtung Brennraum an den ersten Abschnitt (21) anschließt und die zweite stromführende Schicht (12) in den zweiten Abschnitt (22) nicht hineinragt.

4. Glühstiftkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das brennraumseitige Ende des zweiten Abschnitts (22) des Heizelements nicht am Übergang (19) zwischen einem Heizelement-Bund und einem Heizelement-Schaft angeordnet ist.

5. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stromführende Schicht (11) auf der Länge eines dritten Abschnitts (23) des Heizelements von einer außen aufgebrachten zweiten Isolationsschicht (18) umgeben ist.

6. Glühstiftkerze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich der dritte Abschnitt (23) des Heizelements vom brennraumfernen Ende des Heizelements bis über das brennraumferne Ende des Gehäuses (3) hinaus erstreckt.

7. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stromführende Schicht (11) am brennraumfernen Ende des ersten Abschnitts (21) des Heizelements einen stufenförmigen Zapfen (11') aufweist.

8. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste stromführende Schicht (11), die zweite stromführende Schicht (12) und der Leitschichtsteg (13) aus elektrisch leitendem keramischen Material und die erste Isolationsschicht (15) und die zweite Isolationsschicht (18) aus elektrisch isolierendem keramischen Material bestehen.

9. Glühstiftkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolationsschicht (15) und die zweite Isolationsschicht (18) aus dem gleichen elektrisch isolierenden keramischen Material bestehen.