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WO2006000489A1 - Glühstiftkerze mit einem mit einer schutzschicht überzogenen glühstift - Google Patents

Glühstiftkerze mit einem mit einer schutzschicht überzogenen glühstift Download PDF

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WO2006000489A1
WO2006000489A1 PCT/EP2005/051815 EP2005051815W WO2006000489A1 WO 2006000489 A1 WO2006000489 A1 WO 2006000489A1 EP 2005051815 W EP2005051815 W EP 2005051815W WO 2006000489 A1 WO2006000489 A1 WO 2006000489A1
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WO
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glow plug
layer
plug according
porous layer
substance
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PCT/EP2005/051815
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Hachtel
Annika Kristoffersson
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines

Definitions

  • the invention relates to a glow plug for a fuel combustion engine, consisting essentially of a Kerzenge ⁇ housing and arranged in the plug housing connecting bolt and a contactable with the terminal bolt ceramic glow plug with a projecting into the combustion chamber side.
  • the known glow plugs are made of metal and wei ⁇ sen usually no protective layer on its outer wall.
  • the object of the invention is to improve the functionality of the glow plug.
  • the object of the invention which leads to the solution, is to provide the glow plug with a porous layer at least on the part projecting into the combustion chamber of the fuel engine.
  • ADVANTAGES OF THE INVENTION Due to the applied porous layer, it has a better thermal shock resistance compared to the previous layer. As a result, the thickness of the porous layer can be significantly increased. Moreover, in comparison to "massive 1 " layers, no exact adaptation to the expansion coefficient has to be made. The greater layer thickness that can be applied to the glow plug leads to the advantage that a significantly better protective effect against chemical influences in the combustion chamber is achieved. Thermal insulation is achieved by the gases embedded in the porous layer, as a result of which a small temperature gradient is achieved, and this in turn results in low thermal stresses occurring within the glow plug.
  • Another significant advantage of using a porous layer on the glow plug is that the flow rate of the fuel / air mixture is reduced. Due to the longer residence time, the ignition of the mixture on the hot glow pin surface is facilitated, so that the engine has a better starting and running behavior.
  • catalytically active particles can be embedded in the layer. These may be, for example, PT metals or even rare earth oxides. By embedding these particles, the ignition behavior is also further improved, especially when switched off glow plug. Thus, with the same ignition performance, the electrical power requirement of a glow plug can be reduced. This in turn means that the lifespan of the glow plug is increased due to the lower temperatures and thus the lower load.
  • the application can take place in the form of thick-film pastes or Schli ⁇ ckern, dipping, spraying and printing. It is also conceivable to roll up the porous layer.
  • Sintering can be achieved by both cofiring and postfiring.
  • the protective layer is applied to the unsintered glow plug and sintered together with the latter.
  • the composition of the applied layer must be selected such that it exhibits the same dimensional changes during the sintering process as the glow plug itself. This can be achieved, for example, by making the layer largely identical to the insulating layer of the ceramic glow pencil Material selected.
  • the porosity is produced by admixing pore formers, for example acrylates, which completely burn out in an inert gas atmosphere.
  • sol / gel technologies can be used in addition to reaction sintering processes.
  • suitable oxide layers can be prepared, for example Al 2 O 3 , spinel, cordierite, mullite or composites thereof.
  • a reactive bonded mullite by a powder mixture of 30 wt% Al 7 sSi 25 alloy and 70 wt% Al 6 Si 2 Oi 3 mixed in ethanol, is produced.
  • the layer is applied to the glow plug, the heat treatment is carried out in air at a temperature of about 1200 0 C until complete conversion to mullite.
  • a reaction-bound aluminum nitride which can be prepared from a PuI mixture of Al and AlN, the reaction sintering process in nitrogen takes place at temperatures between 1000 and 1200 0 C.
  • the reaction sintering takes place in the air at temperatures up to 1000 ° C.
  • a sol / gel layer which can be used from NH4 + stabilized silicon sol in combination with aluminum silicates. The heat treatment takes place at 1000 ° C.
  • Catalytic layer which can be created by the creation of one of the layers mentioned under points 1-3, together with an admixture of catalytically active particles, such as, for example, PT metals or rare earth oxides. Due to the relatively low production temperatures and the composition of the layers, it is not necessary to expect a poisoning of the catalyst. Due to special mechanical properties of the porous layer is despite the different coefficients of expansion of layer and, for example, platinum, a permanent embedding of the particles into the layer is possible. Alternatively, the porous layer can also be infiltrated with a dispersion containing, for example, PT. An impregnation with a catalyst salt solution is conceivable.
  • Figure 1 is a schematic representation of a portion of a first embodiment of a Glühken ⁇ candle according to the invention in section;
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a part of a second exemplary embodiment of a glow plug according to the invention in section.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a erfindungsge ⁇ MAESSEN embodiment of a glow plug 1 is shown, wherein for simplification of the illustration, only the essential part of the invention, namely in the not shown in the figure hinein ⁇ protruding part 2 of the glow plug 1, is shown.
  • the glow plug 1 has a glow plug 3, which consists of a hoof iron-shaped ceramic body 4 made of electrically conductive material exists, wherein on the side facing the combustion chamber 5 a Ver ⁇ rejuvenation 6 is formed such that when current flow, this taper 6 begins to glow.
  • the intermediate space 7 formed by the mold is filled with insulating ceramic material.
  • the glow plug 3 is arranged in a housing 8. This is coated at the tip 2 with a porous layer 9 of ceramic foam according to the invention.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a glow plug 101 according to the invention, which comprises a glow plug 103 which consists of a horseshoe-shaped ceramic body 104 of electrically conductive material, wherein a taper 106 is formed on the side 105 pointing toward the combustion chamber, so that at current flow, this taper 106 begins to glow.
  • the intermediate space 107 formed by the mold is filled with insulating ceramic material
  • the glow plug 101 shown in FIG. 2 also has a coating of the housing 108 with a porous layer 109 of ceramic foam on the part 102 projecting into the combustion chamber. Die ⁇ this ceramic foam, of which the layer 109 consists contains - in contrast to Figure 1 - finely divided, catalytically active Parti ⁇ angle 110th

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Glühstiftkerze (1; 101) für eine Brennstoffkraftmaschine, bestehend im wesentlichen aus einem Kerzengehäuse (8; 108) und einem in dem Kerzengehäuse (8; 108) an­geordneten Anschlussbolzen sowie einen mit dem Anschlussbolzen kontaktierbaren keramischen Glühstift (3; 103) mit einer in den Brennraum hineinragenden Seite (2; 102). Erfindungsgemäss ist vorgesehen dass der Glühstift (3; 103) mit einer porösen Schicht (9; 109) zumindest an dem in den Brennraum der Brennstoffkraftmaschine hineinragenden Teil (3; 103) vorgese­hen ist.

Description

Glühstiftkerze mit einem mit einer Schutzschicht überzogenen Glüh¬ stift
Die Erfindung bezieht sich auf eine Glühstiftkerze für eine Brenn- stoffkraftmaschine, bestehend im wesentlichen aus einem Kerzenge¬ häuse und einem in dem Kerzengehäuse angeordneten Anschlussbolzen sowie einen mit dem Anschlussbolzen kontaktierbaren keramischen Glühstift mit einer in den Brennraum hineinragenden Seite.
Stand der Technik Dieselmotoren benötigen für ein gutes Start- und Warmlaufverhalten bei tiefen Temperaturen eine Wärmequelle, die entweder das Gasge¬ misch, die Ansaugluft oder den Brennraum vorwärmen. Hierzu wird in der Regel die Verwendung von Glühstiftkerzen vorgeschlagen. Diese bestehen aus einem Kerzengehäuse und einem aus dem Kerzengehäuse ragenden Glühstift aus keramischem Material, der in seinem mon- tierten Zustand in den Brennraum einer Brennstoffkraftmaschine hineinragt. In der Regel ragen bei Direkteinspritzmotoren die Glühstifte der Glühstiftkerzen um ca. 4 mm in den Brennraum der Brennstoffkraftmaschine und erwärmen das Diesel-Luft-Gemisch. Er¬ reichte Glühtemperatur und Nachglühzeit der Glühstiftkerze haben dabei einen erheblichen Einfluss auf das Abgasverhalten und den Kraftstoffverbrauch der Brennstoffkraftmaschine. Glühstiftkerzen der neueren Generation sind derart ausgestaltet, dass durch Strom- fluss die Spitze des Glühstifts zum Glühen gebracht wird. Der Glühstift selbst ist im Querschnitt rund und weist bei bestimmten Typen einen Durchmesser von ca. 3,5 - 6 mm auf.
Die bekannten Glühstiftkerzen sind aus Metall hergestellt und wei¬ sen in der Regel keine Schutzschicht auf ihrer Aussenwandung auf.
Aufgabe der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionalität der Glüh- stiftkerze zu verbessern.
Lösung der Aufgabe Der Kerngedanke der Erfindung, der zur Lösung der Aufgabe führt, besteht darin, den Glühstift mit einer porösen Schicht zumindest an dem in den Brennraum der Brennstoffkraftmaschine hineinragenden Teil zu versehen.
Vorteile der Erfindung Aufgrund der aufgebrachten porösen Schicht weist diese im Ver- gleich zur bisherigen Schicht eine bessere Thermoschockbeständig- keit auf. In Folge dessen kann die Dicke der porösen Schicht er¬ heblich gesteigert werden. Zudem muss im Vergleich zu „massiven1" Schichten keine exakte Anpassung an den Ausdehnungskoeffizienten vorgenommen werden. Die größere Schichtdicke, die auf den Glühstift aufgebracht werden kann, führt zu dem Vorteil, dass eine erheblich bessere Schutzwir¬ kung gegen chemische Einflüsse im Brennraum erzielt wird. Durch die in der porösen Schicht eingebetteten Gase wird eine thermische Isolierung erzielt, wodurch ein geringer Temperaturgradient er¬ zielt wird und dies hat wiederum zur Folge, dass geringe thermi¬ sche Spannungen innerhalb des Glühstifts auftreten.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil bei der Anwendung einer porösen Schicht auf dem Glühstift besteht darin, dass die Strömungsge¬ schwindigkeit des Kraftstoff-/Luft-Gemisches reduziert wird. Durch die höhere Verweildauer wird die Entzündung des Gemisches an der heißen Glühstiftoberfläche erleichtert, so dass der Motor ein bes¬ seres Start- und Laufverhalten aufweist.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass in die Schicht katalytisch aktive Partikel einbettbar sind. Hierbei kann es sich beispielsweise um PT-Metalle oder auch um Seltenerdoxide handeln. Durch das Einbetten dieser Partikel wird ebenfalls das Zündverhalten weiter verbessert, insbesondere auch bei abgeschalteter Glühstiftkerze. Somit kann bei gleicher Zünd¬ leistung der elektrische Leistungsbedarf einer Glühstiftkerze ge¬ senkt werden. Dies hat wiederum zur Folge, dass aufgrund der ge¬ ringeren Temperaturen und damit der geringeren Belastung die Le- bensdauer der Glühstiftkerze erhöht wird.
Das Aufbringen der porösen Schicht auf den Glühstift einer Glüh- stiftkerze kann auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen:
Pulverdispersion - A -
Beispielsweise kann in Form von Dickschichtpasten oder Schli¬ ckern, Tauchen, Aufsprühen und Drucken das Auftragen erfolgen. Zudem ist vorstellbar, die poröse Schicht aufzurollen.
Sintern Das Sintern kann sowohl durch Cofiring als auch Postfiring er¬ folgen. Für einen Cofiring Prozess wird die Schutzschicht auf den ungesinterten Glühstift aufgebracht und gemeinsam mit die¬ sem gesintert. Die Zusammensetzung der aufgebrachten Schicht muss so gewählt sein, dass sie die gleichen Dimensionsänderun¬ gen während des Sinterprozesses aufweist wie der Glühstift selbst. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, in dem man für die Schicht ein größtenteils mit der Isolations¬ schicht des keramischen Glühstifts identisches Material aus- wählt. Die Porosität wird durch Beimischen von Porenbildnern, zum Beispiel Acrylaten, die auch in Inertgasatmosphäre voll¬ ständig ausbrennen, erzeugt.
Bei einem Postfiring-Prozess muss die Sinterung mit so gerin- gen Dimensionsänderungen wie möglich erfolgen, ansonsten würde die Schicht abplatzen. Um dies zu gewährleisten, sind neben Reaktionssinterprozessen auch Sol/Gel-Technologien einsetzbar. Basierend auf dem Reaktionssintern von Al-Legierungen in Kom¬ bination mit verschiedenen Oxiden können geeignete Oxidschich- ten hergestellt werden, so zum Beispiel AI2O3, Spinell, Kordierit, Mullit oder Verbundwerkstoffe aus diesen.
Folgende Stoffe können geeignet sein, für die Erfindung Anwendung zu finden: 1. Ein reaktionsgebundener Mullit, der durch eine Pulvermischung aus 30-gew% Al7sSi25-Legierung und 70-gew% Al6Si2Oi3 in Ethanol gemischt, herstellbar ist. Durch einen Tauchprozess wird die Schicht auf den Glühstift aufgebracht, Die Wärmebehandlung erfolgt in Luft bei einer Temperatur von ca. 1200 0C bis zur vollständigen Umsetzung in Mullit.
2. Ein reaktionsgebundenes Aluminiumnitrid, das aus einer PuI- Vermischung aus Al und AlN herstellbar ist, wobei der Reak- tionssinterprozess in Stickstoff bei Temperaturen zwischen 1000 und 12000C erfolgt.
3. Ein reaktionsgebundener Spinell/Mullit, der aus einer PuI- Vermischung von 34-Vol% AlMg5 Legierung, 16-Vol% MgO und 50 Vol% Al6Si2Oi3 gewonnen wird. Die Reaktionssinterung erfolgt in der Luft bei Temperaturen bis 1000 0C.
4. Eine Sol-/Gel-Schicht, die aus NH4+ stabilisiertem Siliziumsol in Kombination mit Aluminiumsilikaten eingesetzt werden kann. Die Wärmebehandlung erfolgt bei 1000 0C.
5. Katalytische Schicht, die durch die Schaffung einer der un¬ ter den Punkten 1-3 genannten Schichten zusammen mit einer Beimengung von katalytisch aktiven Partikeln, wie beispiels¬ weise PT-Metalle oder Seltenerdoxiden erstellbar ist. Durch die relativ niedrigen Herstellungstemperaturen und aufgrund der Zusammensetzung der Schichten muss nicht mit einer Ver¬ giftung des Katalysators gerechnet werden. Aufgrund besonde- rer mechanischer Eigenschaften der porösen Schicht ist trotz der unterschiedlichen Ausdehungskoeffizienten von Schicht und zum Beispiel Platin eine dauerhafte Einbettung der Par¬ tikel in die Schicht möglich. Alternativ kann die poröse Schicht auch mit einer zum Beispiel PT-haltigen Dispersion infiltriert werden. Auch eine Imprägnierung mit einer Kata¬ lysator-Salzlösung ist denkbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen zudem aus der nachfol¬ genden Beschreibung und den Ansprüchen hervor.
Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 einen schematische Darstellung eines Teils eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Glühstift¬ kerze im Schnitt;
Figur 2 einen schematische Darstellung eines Teils eines zwei- ten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Glüh- stiftkerze im Schnitt.
In Figur 1 ist ein erstens Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Ausgestaltung einer Glühstiftkerze 1 dargestellt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur der erfindungswesentliche Teil, nämlich der in den nicht in der Figur gezeigten Brennraum hinein¬ ragende Teil 2 der Glühstiftkerze 1, dargestellt ist.
Die Glühstiftkerze 1 besitzt einen Glühstift 3, der aus einem huf- eisenförmigen Keramikkörper 4 aus elektrisch leitendem Material besteht, wobei auf der zum Brennraum hinweisende Seite 5 eine Ver¬ jüngung 6 derart ausgebildet ist, so dass bei Stromfluss diese Verjüngung 6 zu glühen beginnt. Der durch die Form gebildete Zwi¬ schenraum 7 ist mit isolierendem Keramikmaterial gefüllt.
Der Glühstift 3 ist in einem Gehäuse 8 angeordnet. Dieses ist an der Spitze 2 mit einem erfindungsgemäßen porösen Schicht 9 aus Ke¬ ramikschaum überzogen.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsge¬ mäßen Ausgestaltung einer Glühstiftkerze 101, die einen Glühstift 103 umfasst, der aus einem hufeisenförmigen Keramikkörper 104 aus elektrisch leitendem Material besteht, wobei auf der zum Brennraum hinweisende Seite 105 eine Verjüngung 106 derart ausgebildet ist, so dass bei Stromfluss diese Verjüngung 106 zu glühen beginnt. Der durch die Form gebildete Zwischenraum 107 ist mit isolierendem Ke¬ ramikmaterial gefüllt
Auch die in Figur 2 gezeigte Glühstiftkerze 101 weist an dem in den Brennraum hineinragenden Teil 102 eine Beschichtung des Gehäu¬ ses 108 mit einer porösen Schicht 109 aus Keramikschaum auf. Die¬ ser Keramikschaum, aus dem die Schicht 109 besteht, enthält - im Gegensatz zu Figur 1 - feinverteilte, katalytisch wirksame Parti¬ kel 110.

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Glühstiftkerze für eine Brennstoffkraftmaschine, bestehend im wesentlichen aus einem Kerzengehäuse und einem in dem Kerzen- gehäuse angeordneten Anschlussbolzen sowie einen mit dem An- schlussbolzen kontaktierbaren keramischen Glühstift mit einer in den Brennraum hineinragenden Seite, dadurclgelennzeich- net, dassder Glühstift (3; 103) mit einer porösen Schicht (9; 109) zumindest an dem in den Brennraum der Brennstoff- kraftmaschine hineinragenden Teil vorgesehen ist.
2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnetdass die Schicht (109) zusätzlich katalytisch aktive Partikel (110) aufweist.
3. Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2 , dadurchgekennzeiic- net , dassdas Aufbringen der Schicht (9; 109) durch Pulver¬ dispersion erfolgt .
4 . Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2 , dadurchgekennzeite- net, dass das Aufbringen der Schicht (9; 109) durch Sintern erfolgt .
5. Glühstiftkerze nach Anspruch 1 , dadurchgekennzeichnetdas s die Schicht ( 9 ; 109) mit einer PT-haltigen Dispersion infilt- riert ist
6. Stoff zu Herstellung einer porösen Schicht für eine Glüh- stiftkerze nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnefcdass der Stoff ein reaktionsgebundener Mullit ist, der durch eine PuI- vermischung aus 30-gew% Al7sSi25-Legierung und 70-gew% Al6Si2Oi3 in Ethanol gemischt, herstellbar ist.
7. Stoff zu Herstellung einer porösen Schicht für eine Glüh- stiftkerze nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnetdass der Stoff ein reaktionsgebundenes Aluminiumnitrid ist, wobei die¬ ses aus einer Pulvermischung aus Al und AlN herstellbar ist.
8. Stoff zu Herstellung einer porösen Schicht für eine Glüh- stiftkerze nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnetdass der Stoff ein reaktionsgebundenes Spinell/Mullit ist, der aus 34- Vol% AlMgs-Legierung, 16-Vol% MgO und 50-Vol% Al6Si2Oi3 her¬ stellbar ist.
PCT/EP2005/051815 2004-06-26 2005-04-22 Glühstiftkerze mit einem mit einer schutzschicht überzogenen glühstift Ceased WO2006000489A1 (de)

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DE102004030990A1 (de) 2006-01-12
TW200604472A (en) 2006-02-01

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