DE102009046458A1

DE102009046458A1 - Dotierung des Füllpulvers für Metall-Glühstiftkerze

Info

Publication number: DE102009046458A1
Application number: DE200910046458
Authority: DE
Inventors: Marion Houliere; Albrecht Geissinger; Pavlo Saltikov; Susanne Liemersdorf; Andreas Reissner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2011-05-12
Also published as: IT1401545B1; FR2952501A1; ITMI20101983A1; FR2952501B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch beheizbare Glühkerze (10) für Verbrennungsmotoren. Die Glühkerze (10) umfasst ein geschlossenes Glührohr (18), das eine elektrisch leitfähige Heizwendel (12) enthält. Die Heizwendel (12) ist aus einer FeC-rAl-Legierung gefertigt. Der Heizwendel (12) ist in Glührohr (18) in ein Füllpulver (14) eingebettet, welches Zusätze von seltenen Erden-Verbindungen oder von seltenen Erden-Elementen enthält.

Description

Stand der Technik
Die EP 101 57 466 A1 offenbart eine elektrisch beheizbare Glühkerze und ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch beheizbaren Glühkerze. Die elektrisch beheizbare Glühkerze umfasst ein endseitig geschlossenes Glührohr, in das eine elektrisch leitfähige Heizwendel eingebracht ist. Die Heizwendel besteht zumindest teilweise aus Aluminium, insbesondere aus einer Eisen-Chrom-Aluminium Legierung. Im Glührohr sind Sauerstoffdonatoren vorgesehen, um vor oder bei der Beheizung der Heizwendel eine Aluminiumoxydschicht an der Oberfläche der Heizwendel zu bilden. Die Heizwendel ist im Glührohr in ein erstes Isolierpulver eingebettet, wobei das erste Isolierpulver ein als Dauersauerstoffdonator wirkendes Material umfasst. Bei diesem handelt es sich zum Beispiel um ein oxydisches Keramikpulver, so zum Beispiel um TiO₂, anstelle des als Sauerstoffdonators wirkenden Materials kann beispielsweise auch ein Magnesiumoxyd eingesetzt werden. Auf diese Weise wird die Oxydation nur im Bereich der Heizwendel unterstützt, so dass sowohl eine niedrige Oxydation der Heizwendel als auch eine Korrosion einer Regelwendel verhindert werden kann. Das Isolierpulver, das in diesem Falle frei von als Sauerstoffdonator wirkenden Materialien ist, kann ein Gettermaterial zum Binden von Sauerstoff wie zum Beispiel Si, Ti, Al, oder reduzierte Metalloxide sein.
Zur Kaltstartunterstützung einer Selbstverbrennungskraftmaschine werden normalerweise die aus Glühstiftkerzen, sowie einem Glühzeitsteuergerät bestehenden Vorglühsysteme eingesetzt.
Eine nicht optimale Konfiguration des Glühsystems führt bei einer kalten Verbrennungskraftmaschine zu einer unvollständigen Verbrennung, die wiederum eine starke Emissionserhöhung bzw. eine sehr starke Geräuschentwicklung verursacht. Für eine vollständige Verbrennung in einer Kaltleerlaufphase ist bei den meisten selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eine Glühunterstützung bei der Temperatur von min destens 1100°C erforderlich. Dies ist insbesondere für die niedrig verdichtenden selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen moderner Bauart unabdingbar, die in der Regel ein schlechteres Kaltstart- bzw. Kaltlaufverhalten aufweisen. Bei diesen selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen wird aktuell eine Dauerglühtemperatur von 1100°C gefordert. Die derzeit bei ausreichender Lebensdauer erreichbaren Beharrungstemperaturen der Glühstiftkerzen als Metallheizkörper liegen in der Größenordnung von ca. 1000°C, die der keramischen Heizkörper bei ca. 1200°C. Damit kann die oben genannte Anforderung nach einer Dauerglühtemperatur von 1100°C derzeit lediglich durch den Einsatz eines kostspieligen Kerzentyps mit Keramikheizer erfüllt werden, was aus Kostengründen unerwünscht ist.
Darstellung der Erfindung
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung der Optimierung der Zusammensetzung eines Füllpulvers für eine Metallglühstiftkerze auf der Basis von Magnesiumoxyd mit einem Zusetzen von Seltenen Erdenverbindungen (SE-Verbindungen) lassen sich Vorteile bei der Verwendung erreichen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann eine höhere maximale Glühtemperatur sowie eine höhere Nachglühtemperatur einer Metall-Glühstiftkerze bei gleich bleibender Lebensdauer oder alternativ eine höhere Lebensdauer bei herkömmlichen Einsatzbedingungen einer Metallglühstiftkerze erreicht werden, ohne das es des Einsatzes eines kostspieligeren Kerzensystems mit Keramikheizer bedürfte.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich darüber hinaus durch eine erhöhte Zeitstandsfestigkeit, der durch Hochtemperaturen beanspruchten Heizwendel bei üblicherweise erreichten herrschenden Beharrungstemperaturen in der Größenordnung von ca. 980°C, aus. Es ist eine höhere Beharrungstemperatur der Glühstiftkerze bei einer annähernd gleichbleibenden Zeitstandfestigkeit der Glühstiftkerze erreichbar.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich auf Grund der Anwendung gängiger Fertigungsverfahren sehr einfach realisieren. Es bedarf keiner gravierenden Änderungen einer Serienauslegung sowie des Fertigungsverfahrens der Metallglühstiftkerze, da die Zusammensetzung des Füllpulvers geändert ist und die äußeren Randbedingungen möglichst unangetastet bleiben.
Geringe Beimengungen von bestimmten SE-Elementen haben einen signifikanten Einfluss auf das Oxidationsverhalten und die Diffusionsvorgänge in Heizleiterlegierungen. Bei diesen SE-Elementen, die dem Füllpulver für eine Glühstiftkerze beigegeben werden, handelt es sich um Seltene Erden wie zum Beispiel Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb, Y. Auf Grund der sehr hohen Preise für die meisten Seltenen Erden, kommen meistens die Elemente Cer sowie Yttrium für einen Serieneinsatz in Frage. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Lebensdauer der Heizwendel durch die Modifikation der Zusammensetzung des Füllpulvers erhöht. Durch geringe Beimengungen einer SE-haltigen Verbindung können die Konzentrationsgradienten des relevanten SE-Elementes in der Heizwendel einerseits und im Füllpulver andererseits angeglichen werden. Durch diese Maßnahme wird die Diffusion der SE-Atome innerhalb des Heizkörpers minimiert oder gar unterbunden. Als Folge davon bleibt die Wachstumsrate der Oxidschicht auf der Heizwendel-Oberfläche über die gesamte Lebensdauer der Glühstiftkerze annähernd konstant und das Abplatzen der Oxidschicht kann vermieden werden. Außerdem wird das Aus-diffundieren von Legierungselementen, so zum Beispiel Al, in das Füllpulver verlangsamt, beziehungsweise unterbunden und somit die Veränderung der thermischen und elektrischen Kennwerte über die Lebensdauer verringert.
Bezogen auf kommerziell erhältliche Legierungen, wie zum Beispiel Kanthal AF ist die Verwendung von Yttriumoxid (Y₂O₃) als dotierender Zusatz zum konventionellen Füllpulver auf Basis von Magnesiumoxid (MgO) sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht eine sinnvolle Lösung. Eine Y₂O₃-MgO-Pulvermischung sollte vorzugsweise so eingestellt werden, dass der Anteil reinen Yttriums in der Mischung so hoch ist wie in der verwendeten Heizleiterlegierung, z. B. bei Kanthal AF mindestens 0,1 Gew.%.
Anstelle der vorstehend erwähnten Elemente wie Cer und Y können auch andere Seltene Erdenverbindungen, d. h. nicht nur Oxide, je nach Einsatzfall eingesetzt werden. Weiterhin ist es nicht unbedingt erforderlich, dass der Dotierungszusatz des Füllpulvers homogen im Inneren des Glührohres der Glühstiftkerze verteilt ist. Die Verteilung der Seltenen Erdverbindungen im Füllpulver kann bei Bedarf gemäß des Anwendungsfalles in einem definierten Konzentrationsprofil gewählt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
1 den prinzipiellen Aufbau einer Glühstiftkerze.
Ausführungsvarianten
Der Darstellung gemäß 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Glühstiftkerze zu entnehmen.
Eine Glühstiftkerze 10 umfasst als Kernelement einen Heizkörper, der in ein Gehäuse 20 gasdicht eingepresst ist. Im Allgemeinen umfasst der Heizkörper ein Glührohr 18, das die im verdichteten Füllpulver 14 eingebetteten, in der Regel in Reihe geschalteten Bauteile Heizwendel 12 und Regelwendel 16 umschließt. Die Abdichtung des Glührohres 18 erfolgt mittels einer Heizkörperdichtung 22. Der Stromfluss in der Glühstiftkerze 10 verläuft über ein Rundstecker 30, einen Anschlussbolzen 24, die Regelwendel 16, die Heizwendel 12, das Glührohr 18 sowie das Gehäuse 20, welches in der Regel elektrisch an die Fahrzeugmasse angeschlossen ist.
Zwischen dem Rundstecker 30 und der Gehäusedichtung 26 befindet sich eine Isolierscheibe 28, die der elektrischen Isolierung des Glühstroms von der Fahrzeugmasse dient. Mittels einer Gehäusedichtung, vgl. Position 26, wird das Gehäuse 20 im Steckerbereich gegen Umgebungsmedien abgedichtet.
Beim Anlegen des Glühstromes an die Glühstiftkerze 10 wird der größte Energieteil innerhalb der Heizwendel 12 freigesetzt. Das Temperaturmaximum, welches mit der Glühstiftkerze 10 erreichbar ist, tritt in der Regel im Bereich der Heizwendel 12 auf. Die Heizwendel 12 soll einer Hochtemperaturbeanspruchung von > 1200°C sowie den höchsten Temperaturgradienten (> 500°C/s) Stand halten. Die Auswahl der Werkstoffe, aus denen die Heizwendel 12 gefertigt ist, beschränkt sich daher auf Heizleiterlegierungen. Diese Legierungen zeichnen sich durch eine sehr hohe Anwendungstemperatur aus, die im Bereich zwischen 1200°C bis 1350°C liegt, bei gleichzeitig sehr hoher elektrischer Belastbarkeit. Ein Beispiel einer derartigen Legierung ist die Legierung Kanthal AF (1.4765).
Bei Heizleiterlegierungen ohne SE-Zusatz sind die Diffusionsgeschwindigkeiten von einem Legierungselement, wie zum Beispiel Al, in die Legierung, an die Oberfläche, ins Pulver und von Elementen aus der Umgebung, so zum Beispiel O^2– in die Legierung, vergleichsweise hoch. Für den Fall der Oxidation bilden sich dabei Mikroporen in der Größenordnung zwischen 50 nm und 150 nm. Der höchst unerwünschte Effekt der Mikroporen 42 liegt darin, dass die die sich bildende schützende Oxidschicht abplatzen lassen.
Für den Fall, dass der Heizwendel Yttrium zulegiert ist, ist die Oxidschichtstruktur deutlich stabiler. Die Bildung von Mirkoporen 42 und somit die Neigung zum Abplatzen einer Oxidschicht von der Heizwendel wird wesentlich herabgesetzt.
Bei einer Zulegierung von Yttrium bilden die Y³⁺-Kationen auf Grund des Umstandes, dass der Diffusionskoeffizent von Y³⁺ viel kleiner ist, als der Diffusionskoeffizient der Al³⁺-Kationen bzw. der O^2–-Anionen, im Bereich der Korngrenzen, eine zusätzliche Diffusionsbarriere, die die äquiaxiale Diffusion der Al³⁺-Kationen von innen nach außen und die in umgekehrte Richtung erfolgende Diffusion der O^2–-Anionen von außen nach innen stark reduziert oder gar unterbindet.
Die Lebensdauer der eingesetzten Heizwendel 12 wird durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung der Modifikation des Füllpulvers 14 signifikant erhöht. Durch geringe Beimengungen von SE- enthaltenen Verbindungen wie zum Beispiel Cer, Y, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb können die Konzentrationen des relevanten SE-Elementes in der Heizwendel 12 und die Konzentration des gleichen SE-Elementes im Füllpulver 14 aneinander angeglichen werden. Durch diese Maßnahme wird die äquiaxiale Diffusion von O^2–-Anionen senkrecht zur Heizwendeloberflache in die Heizwendel 12 hinein sowie der Legierungselemente des Heizwendelmaterials aus der Heizwendel 12 hinaus minimiert, oder gar vollständig unterbunden. Als Folge davon bleibt die Wachstumsrate der Oxidschicht 40 auf der Oberfläche der Heizwendel 12 über die gesamte Lebensdauer der Glühstiftkerze 10 annähernd konstant und das Abplatzen der Oxidschicht aufgrund sich ausbildender Mikroporen 42 ist unterbunden bzw. stark reduziert.
Des Weiteren reduziert das Legierungselement Y das Wachstum der Mikroporen. Die sich einstellende Oxidschicht 40 weist deshalb eine mechanisch wesentlich stabilere Struktur auf.
Bezogen auf die handelsübliche Heizleiterlegierung Kanthal AF, ist die Verwendung zum Beispiel von Y₂O₃ als dotierender Zusatz zum konventionellen Pulver 12 auf Basis von Magnesiumoxid MgO sowohl aus technischer als auch aus wirtschaftlicher Sicht eine sinnvolle Lösung. Geeignete Beimischungsverfahren sind bekannt. Eine Y₂O₃-Konzentration in der Mischung des Füllpulvers 14, d. h. in einer Y₂O₃-MgO Pulvermischung wird vorzugsweise derart eingestellt, dass die Konzentration von reinem Yttrium in der Pulvermischung mindestens der Konzentration von Yttrium in der Heizwendel 12 entspricht.
Neben den vorstehend erwähnten Seltenen. Erdenelementen Ce und Y lassen sich auch andere SE-Verbindungen, nicht nur Oxide, sowie andere SE-Elemente, nicht nur Yttrium, je nach Einsatzfall denken. Der Dotierungszusatz des Füllpulvers 14, d. h. die Seltenen Erden der Seltenen Erdenelementen können im Inneren des Heizkörpers, d. h. im Bereich des Glührohres 18, welcher die Heizwendel 12 umschließt, derart verteilt werden, dass diese je nach Anwendungszweck mit einem definierten Konzentrationsprofil befüllt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 10157466 A1 [0001]

Claims

Elektrisch beheizbare Glühkerze (10) für Verbrennungsmotoren, mit einem geschlossenen Glührohr (18), die eine elektrisch leitfähige Heizwendel (12) erhält, die aus einer FeCrAl-Legierung gefertigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizwendel (12) in ein Füllpulver (14) eingebettet ist, welches Zusätze von Seltenen Erden-Verbindungen oder von Seltenen Erden-Elementen enthält.
Elektrisch beheizbare Glühkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze aus der Gruppe der Seltenen Erden-Elemente Ce, Dy, Er, Eu, Gd, Ho, La, Lu, Nd, Pr, Pm, Sm, Sc, Tb, Tm, Yb und Y und der Seltenen Erden-Verbindungen ausgewählt sind.
Elektrisch beheizbare Glühkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze aus der Gruppe der Oxide von folgenden Elementen ausgewählt sind: Y, Zr, La, Ce, Hf, Ti, Nd.
Elektrisch beheizbare Glühkerze, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllpulver (14) auf Basis von MgO hergestellt ist.
Elektrisch beheizbare Glühkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusätze von Seltenen Erden-Verbindungen oder Seltenen Erden-Elementen eine Diffusionsbarriere in einer Oxidschicht (40) und in der Heizwendel (12) darstellen.
Elektrisch beheizbare Glühkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Seltene Erden-Zusätze insbesondere Y oder Y₂O₃ dienen, die in der Oxidschicht an der Mantelfläche der Heizwendel (12) dazu führen, dass sich eine stabilere lamellenartige Struktur ausbildet.
Elektrisch beheizbare Glühkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Zusatzes des Seltenen Erden-Elementes im Füllpulver (14) mindestens der Konzentration dieses eingesetzten SE-Elementes im Heizwendelmaterial entspricht.
Verfahren zur Befüllung einer elektrisch beheizbaren Glühkerze (10) gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung des Glührohres (18) mit den Zusätzen von Seltenen Erden-Verbindungen oder Seltenen Erden-Elementen enthaltenen Füllpulver (14) mit einem inhomogenen Konzentrationsprofil insbesondere mit einem in axialer Richtung inhomogenen Konzentrationsprofils erfolgt.