EP1299676B1 - Glühstiftkerze mit ionenstromsensor sowie verfahren zum betreiben einer derartigen glühstiftkerze - Google Patents

Glühstiftkerze mit ionenstromsensor sowie verfahren zum betreiben einer derartigen glühstiftkerze Download PDF

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EP1299676B1
EP1299676B1 EP01935973A EP01935973A EP1299676B1 EP 1299676 B1 EP1299676 B1 EP 1299676B1 EP 01935973 A EP01935973 A EP 01935973A EP 01935973 A EP01935973 A EP 01935973A EP 1299676 B1 EP1299676 B1 EP 1299676B1
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EP
European Patent Office
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electrode
ion
current detection
glow plug
sheathed
Prior art date
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EP01935973A
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English (en)
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EP1299676A1 (de
Inventor
Christoph Haluschka
Juergen Arnold
Christoph Kern
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23QIGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001Glowing plugs for internal-combustion engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/021Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an ionic current sensor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02Incandescent 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
    • F02P19/028Incandescent 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23QIGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F23Q2007/002Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Definitions

  • the invention is based on a ceramic glow plug for diesel engines with a type of ion current sensor of the first independent claim. From DE-OS 34 28 371 Ceramic glow plugs are already known, the one have ceramic heating element.
  • the ceramic Heating element carries an electrode made of a metallic Material that serves the electrical conductivity of the existing ionized in the combustion chamber of the internal combustion engine To detect gas. The serves as the second electrode Combustion chamber wall.
  • Glow plugs are also known which have a housing have in a concentric bore rod-shaped heating element is arranged.
  • the heating element consists of at least one insulation layer as well a first and a second feed layer, the first and the second supply layer over a web connected to the combustion chamber tip of the heating element are.
  • the insulation layer consists of electrical insulating ceramic material and the first, the second Lead layer and the web made of electrically conductive ceramic material.
  • the ceramic glow plug according to the invention with Ion current sensor with the features of the first independent Claim has the advantage that the glow plug with Ion current sensor has a very simple structure and the manufacture is inexpensive.
  • FIG. 1 is a glow plug according to the invention shown schematically in longitudinal section.
  • the heating element 5 consists of ceramic Material.
  • the heating element 5 has a first Lead layer 7 and a second lead layer 9, the first supply layer 7 and the second Lead layer 9 made of electrically conductive ceramic Material.
  • At the end 6 of the combustion chamber distant Heating element 3 are the first supply layer 7 and the second supply layer 9 connected via a web 8, the also made of electrically conductive ceramic material consists.
  • the first lead layer 7 and the second Lead layer 9 are through an insulation layer 11 separated from each other.
  • the insulation layer 11 consists of electrically insulating ceramic material.
  • the inside of the Housing 3 is towards the combustion chamber by one Heating element 5 surrounding combustion chamber seal 13 sealed.
  • the first supply layer 7 with a third connection 37 connected.
  • This third connection 37 is in turn in Towards the end of the glow plug far from the combustion chamber with the Connection bolt 19 connected.
  • the second feed layer 9 has a contact surface 12 at its end remote from the combustion chamber on, via which the second supply layer 9 via the electrically conductive combustion chamber seal 13 with the housing 3 is electrically connected.
  • the housing 3 is with mass connected.
  • the contact surface 12 may be preferred Embodiment be designed such that in this Area of the end of the heating element 5 remote from the combustion chamber surrounding electrically insulating glass coating interrupted is and thus an electrical contact with the Combustion chamber seal 13 is made.
  • the contact surface 12 with provided with a metallic coating.
  • the connecting bolt 19 is by a, in the Concentric bore of the housing 3 arranged ceramic Spacer sleeve 27 from the end of the heating element 5 remote from the combustion chamber spaced. Towards the end remote from the combustion chamber Connection bolt 19 through an adapter sleeve 29 and Metal sleeve 31 passed through. At the end of the Glow plug is on the connecting bolt 19 Round connector 25 plugged in, the electrical connection accomplished.
  • the distal end of the concentric Bore of the housing 3 is through a hose ring 21 and an insulating washer 23 sealed or electrically insulated.
  • the second electrode is also for Ion current detection 33 'at the end of the combustion chamber remote Heating element 5 connected to a second terminal 17.
  • the first connection 15 and second connection 17 are through the connecting bolt 19 through to the end remote from the combustion chamber Glow plug passed through.
  • 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 ' arranged in the insulation layer 11.
  • the web 8 which the first supply layer 7 and second supply layer 9 connects with each other.
  • Figure 3b shows the heating element 5, which is in one plane is cut, which is perpendicular to the plane in which the heating element 5, which was shown in FIG. 3a), is cut.
  • the first can be seen here Lead layer 7 and the second lead layer 9, the at the end 6 of the heating element 5 remote from the combustion chamber via the web 8 are interconnected.
  • the third connection 37 is on End of the heating element 5 remote from the combustion chamber with the first Lead layer 7 connected.
  • Figure 4 shows for better clarification of the invention a cross section through the heating element 5 on the distant combustion chamber The End. It can be seen that the first supply layer 7 from the second feed layer 9 through the Insulation layer 11 is separated. Within the Insulation layer 11, the first connection 15 is arranged, the one with the first electrode for ion current detection 33 connected is. Also within the insulation layer 11 the second connection 17 is arranged, which is connected to the second Electrode for ion current detection 33 'is connected. Within the first supply layer 7 there is also the third connection 37 arranged. It can be seen that the Insulation layer for better absorption and isolation of the first and second electrodes for ion current detection 33, 33 ' in the area in which these electrodes are arranged is widened.
  • the glow plug can operated in such a way that when the Internal combustion engine, the glow plug first in heating mode is operated. This means that during the glow phase, a positive voltage at the third terminal 37 Ground is applied so that a current flows across the first Lead layer 7, the web 8 and the second Lead layer 9 flows. Through the electrical Resistance in this way increases the temperature of the Heating element and the combustion chamber in which the combustion chamber side The end of the glow plug protrudes and is heated. To The glow phase is terminated at the first connection 15 and a voltage potential is applied to the second connection 17, so that the first electrode 33 and the second electrode 33 'as Electrodes are used for ion current measurement.
  • the first electrode for ion current detection 33 and the second electrode function for ion current detection in this embodiment as electrodes on the same Potential side by side.
  • first electrode for ion current detection 33 and the second electrode for ion current detection 33 ' to apply different voltage potential so that a Ion current between the first electrode Ion current detection 33 and the second electrode for Ion current detection 33 'flows.
  • the glow mode and the ion current detection with the glow plug done simultaneously.
  • the Voltage potentials are chosen so that the first Electrode for ion current detection 33 and the second Electrode for ion current detection 33 'on the same or different potential, i.e., as above explains the ion current through the ionized combustion chamber Combustion chamber wall or from the first electrode to Ion current detection 33 via the ionized combustion chamber second electrode for ion current detection 33 'flows.
  • the materials of the first supply layer 7, the web 8, the second supply layer 9, the insulation layer 11 and the electrode for ion current detection 33 and the second electrode for ion current detection 33 ' should be in a first embodiment made of ceramic material consist. This ensures that the Coefficient of thermal expansion of the materials differ, so that a durability of the Heating element 5 is guaranteed.
  • the material is the first supply layer 7, the web 8 and the second Lead layer 9 selected so that the resistance of this Layers is smaller than the resistance of the Insulation layer 11.
  • the resistance is also the first Electrode for ion current detection 33 and the second Electrode for ion current detection 33 ⁇ smaller than that Resistance of the insulation layer 11.
  • the first Electrode for ion current detection 33 and the second Electrode for ion current detection 33 also made of metallic Material, such as platinum.
  • These composite structures can be obtained by a single or multi-stage sintering process.
  • the specific resistance of the layers can preferably be determined by the MoSi 2 content and / or the core size of MoSi 2 , preferably the MoSi 2 content of the first feed layer 7, the web 8 and the second feed layer 9 as well as the first and the second electrode for ion current detection 33, 33 'higher than the MoSi 2 content of the insulation layer 11.
  • 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 proportions of fillers.
  • 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 Al 2 O 3 , MoSi 2 , SiO 2 and SiC for the individual layers.
  • the MoSi 2 content and / or the grain size of MoSi 2 can preferably determine the resistance of the layers.
  • the MoSi 2 content of the first feed layer 7, the web 8 and the second feed layer 9 and, if appropriate, the first and second electrodes for ion current detection 33, 33 ′ is preferably set higher than the MoSi 2 content of the insulation layer 11.
  • compositions of the first feed layer 7, the web 8, the second feed layer 9, the insulation layer 11 and optionally 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 so that their thermal expansion coefficients and the Shrinkages occurring during the sintering or pyrolysis process are the same, so that no cracks occur in the heating element 5.

Landscapes

  • 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

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 Unteransprüchen 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 schematischer 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 brennraumferne 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', 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' 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' 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' 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' 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' 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' 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' ein unterschiedliches Spannungspotential anzulegen, so dass ein Ionenstrom zwischen der ersten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33 und der zweiten Elektrode zur Ionenstromerfassung 33' 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' 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' 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 Y2O3 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 Al2O3, MoSi2, SiO2 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' 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' 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 (14)

    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 (33') 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 (33') 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 Al2O3, MoSi2, Si3N4 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 Al2O3, MoSi2, SiO2 und SiC gebildet wird.
    9. Glühstiftkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode zur Ionenstromerfassung (33) und die zweite Elektrode zur Ionenstromerfassung (33') aus keramischen Verbundgefügen bestehen, die durch einen ein- oder mehrstufigen Sinterprozess aus mindestens zwei der Verbindungen Al2O3, MoSi2, Si3N4 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 Al2O3, MoSi2, SiO2 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 wird 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 (33') 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 (33') eine Spannung mit unterschiedlichem Potential angelegt wird.
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