DE102008002437A1 - Anealing-, igniting- or heating element for heater plug for starting self-igniting internal-combustion engine, has base plate provided with annealing zone including ceramic wear-protection layer that is tight layer made of silicon carbide - Google Patents

Anealing-, igniting- or heating element for heater plug for starting self-igniting internal-combustion engine, has base plate provided with annealing zone including ceramic wear-protection layer that is tight layer made of silicon carbide Download PDF

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    • 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
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Abstract

The element has a heating body (11) provided with a base plate (12) that is made of an electrically isolating ceramics, where an electrically heating element (13) is embedded into the base plate. An annealing zone of the base plate is provided with a ceramic wear-protection layer (15) that is a tight layer made of silicon carbide. A layer thickness of the wear-protection layer lies between 10 to 50 micrometers and exhibits a crystalline structure. The protection layer extends within an area of a front section of the heating body projecting into a combustion chamber of a combustion engine. An independent claim is also included for a method for producing a ceramic wear protection layer.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Glüh-, Zünd- oder Heizelement für Verbrennungs- oder Heizvorrichtungen, insbesondere eine Glühkerze für Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Glüh-, Zünd- oder Heizelements.The The invention relates to an annealing, ignition or heating element for combustion or heating devices, in particular a glow plug for internal combustion engines after the The preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a Method for producing the glow, ignition or Heating element.

Zum Starten von selbstzündenden Brennkraftmaschinen werden Glühstiftkerzen eingesetzt, die einen stiftförmigen keramischen Heizkörper aufweisen, der in den Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragt. Der stiftförmige Heizkörper ist in einem metallischen Stützrohr aufgenommen, das wiederum in einem Gehäuse fixiert ist. Die Glühkerze wird mit dem Gehäuse in einen Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingeschraubt und ragt dabei mit dem stiftförmigen keramischen Heizkörper in den Brennraum hinein. Eine derartige Glühstiftkerze ist beispielsweise aus EP 1768456 A1 bekannt.For starting self-igniting internal combustion engines glow plugs are used, which have a pin-shaped ceramic heater, which projects into the combustion chamber of an internal combustion engine. The pin-shaped radiator is accommodated in a metallic support tube, which in turn is fixed in a housing. The glow plug is screwed to the housing in a cylinder head of the internal combustion engine and protrudes with the pin-shaped ceramic heater into the combustion chamber. Such a glow plug is for example off EP 1768456 A1 known.

Aus DE 88 150 05 U1 ist eine Glühstiftkerze für Brennkraftmaschinen mit einem keramischen Heizkörper bekannt, bei der der Heizkörper einen rohrförmigen, elektrisch isolierenden Keramikträger für ein leiterbahnartiges elektrisches Heizelement aufweist, welches auf der Außenfläche des elektrisch isolierenden Keramikträgers angeordnet ist. Zum Schutz des außenliegenden Heizelements ist dieses mit einer dichten, elektrisch isolierenden Schutzschicht aus Al2O3 umschlossen. Zusätzlich ist über die Schutzschicht eine poröse Deckschicht aus SiC gelegt. Die poröse Deckschicht hat die Aufgabe, die darunterliegenden Schichtsysteme vor Thermoschockrissen zu schützen, die durch verdampfenden Kraftstoff- oder andere Flüssigkeitströpfchen an der Oberfläche des keramischen Heizelements auftreten können.Out DE 88 150 05 U1 a glow plug for internal combustion engines with a ceramic heater is known in which the heater has a tubular, electrically insulating ceramic carrier for a conductor-like electrical heating element, which is arranged on the outer surface of the electrically insulating ceramic carrier. To protect the outer heating element this is enclosed with a dense, electrically insulating protective layer of Al 2 O 3 . In addition, a porous cover layer of SiC is placed over the protective layer. The purpose of the porous cover layer is to protect the underlying layer systems from thermal shock cracks which may occur due to evaporating fuel or other liquid droplets on the surface of the ceramic heating element.

Der in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragende keramische Heizkörper der Glühstiftkerze ist neben dem Einspritzstrahl des Hochdruckinjektors auch abrassiven und korrosiven Belastungen ausgesetzt, die bei gleichzeitig hohen Temperaturen, bedingt durch den Betrieb, eine Materialdegeneration der Basiskeramik des Heizkörpers verursachen. Diese Materialdegeneration äußert sich durch eine geometrische Querschnittsverringerung der Basiskeramikvdes Grundkörpers, die gegebenenfalls zu einer Unterbrechung des in die Basiskeramik eingebetteten Heizelements führen kann. Die abrassive bzw. korrosive Belastung verursacht somit durch Verschleiß und Korrosion eine Standzeitverkürzung bzw. Lebensdauerverkürzung der Glühstiftkerze.Of the in the combustion chamber of the internal combustion engine protruding ceramic Radiator of the glow plug is next to the injection jet high-pressure injector also abrasive and corrosive loads exposed to high temperatures at the same time due to the operation, cause a material degeneration of the base ceramic of the radiator. This material degeneration is expressed by a geometric cross-section reduction of the base ceramic of the base body, if necessary, an interruption of the basic ceramic can lead embedded heating element. The abrassive Corrosive load thus causes wear and tear Corrosion a service life shortening or shortening the service life the glow plug.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Belastbarkeit eines keramischen Heizkörpers hinsichtlich Verschleiß und Korrosion zu erhöhen. Insbesondere soll bei der Anwendung in Glühstiftkerzen für Brennkraftmaschinen die Auswirkung infolge Wechselwirkungen mit dem Einspritzstrahl reduziert werden.task The present invention is the resilience of a ceramic Radiator in terms of wear and corrosion to increase. In particular, when used in glow plugs for internal combustion engines, the effect due to interactions be reduced with the injection jet.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1 gelöst.The The object of the invention is with the characterizing measures of claim 1.

Die dicht keramische Schicht aus SiC auf dem keramischen Grundkörper des Heizkörpers stellt eine Verschleißschutzschicht dar, die gegenüber abrassiver und korrosiven Wechselwirkung stabil ist und nicht zu einer Materialzersetzung der Basiskeramik des Grundkörpers führt. Dadurch wird die Lebensdauer bzw. Standzeit der Glühstiftkerze erhöht.The dense ceramic layer of SiC on the ceramic base body of the radiator provides a wear protection layer which is opposed to abrasive and corrosive interaction is stable and not to a material decomposition of the base ceramic of the main body leads. This will increase the life or lifetime of the glow plug increased.

Besonders vorteilhaft ist es, die Verschleißschutzschicht aus SiC mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) auf die Keramik des Grundkörpers aufzubringen. Eine besonders dichte SiC-Schicht wird erreicht, wenn die chemische Gasphasenabscheidung aus Carboxilanen gebildet wird.Especially It is advantageous, the wear protection layer of SiC by chemical vapor deposition (CVD) on the ceramic of the Apply body. A very dense SiC layer is achieved when the chemical vapor deposition from Carboxilanen is formed.

Ausführungsbeispielembodiment

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.One Embodiment of the invention is in the drawing shown and in the following description in more detail explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 einen brennraumseitigen Abschnitt einer Glühstiftkerze nach dem Stand der Technik und 1 a combustion chamber side portion of a glow plug according to the prior art and

2 einen brennraumseitigen Abschnitt der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze. 2 a combustion chamber side portion of the glow plug according to the invention.

Die Glühstiftkerze gemäß 1 weist ein nicht dargestelltes Gehäuse auf, in dem ein metallisches Stützrohr 10 fixiert ist. Im metallischen Stützrohr 10 ist ein stiftförmiger keramischer Heizkörper 11 angeordnet, der einen elektrisch isolierenden keramischen Grundkörper 12 aufweist, in den ein elektrisches Heizelement 13 eingebettet ist. Der Grundkörper besteht beispielsweise aus Si3N4. Das Heizelement 13 besteht aus einem elektrisch leitfähigen keramischen Material, beispielsweise aus Wolframkarbid.The glow plug according to 1 has a housing, not shown, in which a metallic support tube 10 is fixed. In the metallic support tube 10 is a pin-shaped ceramic heater 11 arranged, the an electrically insulating ceramic body 12 in which an electric heating element 13 is embedded. The main body consists for example of Si 3 N 4 . The heating element 13 consists of an electrically conductive ceramic material, such as tungsten carbide.

Auf den keramischen Grundkörper 12 aus Si3N4 ist eine dichte Verschleißschutzschicht 15 aus SiC aufgebracht. Die Schutzschicht 15 erstreckt sich dabei insbesondere im Bereich des vorderen, in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragenden Abschnitts des Heizkörpers 11. Die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht 15 beträgt 10 bis 50 μm, vorzugsweise 20 μm.On the ceramic body 12 Si 3 N 4 is a dense wear protection layer 15 made of SiC. The protective layer 15 extends in particular in the region of the front, projecting into the combustion chamber of the internal combustion engine portion of the radiator 11 , The layer thickness of Wear protection layer 15 is 10 to 50 microns, preferably 20 microns.

Um eine gasundurchlässige Schicht auf dem keramischen Grundkörper 12 auszubilden, muss die aus SiC bestehende keramische Verschleißschutzschicht 15 ohne Verunreinigungen und Fehlstellen so dicht gesintert sein, dass sie eine geschlossene Porosität aufweist.To a gas-impermeable layer on the ceramic body 12 The SiC ceramic wear protection layer must be formed 15 be so densely sintered without impurities and imperfections that it has a closed porosity.

Siliziumkarbid (SiC) eignet sich dabei als ein reaktionsträger Werkstoff mit einer hohen Härte als Verschleißschutzschicht 15. Die sehr gute Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig hohen maximal möglichen Einsatztemperaturen befürworten den Einsatz von SiC als Verschleißschutzschicht für Glühstiftkerzen. Zusätzlich bietet SiC ein analoges und somit bekanntes Oxidationsverhalten wie das Keramikmaterial Si3N4 des Grundkörpers 11 durch Ausbilden einer passiven Oxidationsschicht bei gleichzeitig verbesserter Verschleißbeständigkeit. Der ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) von Si3N4 und SiC ergibt außerdem einen besonders stabilen Schichtverbund zwischen SiC und Si3N4.Silicon carbide (SiC) is suitable as a reaction-resistant material with a high hardness as a wear protection layer 15 , The very good heat capacity and thermal conductivity combined with high maximum possible operating temperatures advocate the use of SiC as a wear protection layer for glow plugs. In addition, SiC offers an analogous and thus known oxidation behavior as the ceramic material Si 3 N 4 of the main body 11 by forming a passive oxidation layer while simultaneously improving wear resistance. The similar coefficient of thermal expansion (CTE) of Si 3 N 4 and SiC also gives a particularly stable sandwich between SiC and Si 3 N 4 .

Aufgrund des Einflusses der Bindungsphase und des Gefüges auf die späteren, relevanten Materialcharakteristik (Festigkeit, Härte, usw.) ist die Verschleißschutzschicht 15 aus SiC mit einem Verfahren aufzubringen, welches eine dichte und eine reine SiC-Schicht gewährleistet.Due to the influence of the bonding phase and the structure on the later, relevant material characteristics (strength, hardness, etc.) is the wear protection layer 15 from SiC with a method that ensures a dense and a pure SiC layer.

Besonders geeignet ist das Aufbringen der SiC-Schicht mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) aus Carbosilanen (CH3SiCl3) bzw. aus einem Gemisch aus (Halogen-)Silanen (SiH4, SiCl4, SiCl2H2) und halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen, wie beispielweise Methan und Ethan.Particularly suitable is the application of the SiC layer by means of chemical vapor deposition (CVD) of carbosilanes (CH 3 SiCl 3 ) or of a mixture of (halo) silanes (SiH 4 , SiCl 4 , SiCl 2 H 2 ) and halogenated hydrocarbons, such as methane and ethane.

Zum Beispiel: CH3SiCl3 → SiC + HCl SiH4 + CH4 → SiC + H2 For example: CH 3 SiCl 3 → SiC + HCl SiH 4 + CH 4 → SiC + H 2

Bei der chemischen Gasphasenabscheidung ist das Verhältnis des Gemsichs aus Silanen und Kohlenwasserstoffen sowie die Prozessparameter so zu wählen, dass eine stöchiometrische SiC-Schicht aufgebaut wird und eine Koabscheidung von weiteren Elementen bzw. Phasen, wie z. B. Silizium vermieden wird. Die Temperaturen vor, während und nach dem Prozess der Gasphasenabscheidung (Temperatur zur Vorheizung des Substrates, Abscheidungstemperatur, Auslagerungstemperatur) sind so zu wählen, dass die Ausbildung eines amorphes Schichtaufbaus vermieden wird, jedoch so, dass sich eine durchgängige kristalline SiC-Schicht ausbildet. Besonders geeignet sind hier Temperaturen im Bereich von 500 bis 1800°C.at Chemical vapor deposition is the ratio of the mixture of silanes and hydrocarbons as well as the process parameters to choose such that a stoichiometric SiC layer is built up and a co-deposition of further elements or phases, such as B. silicon is avoided. The temperatures before, while and after the process of vapor deposition (preheating temperature of the substrate, deposition temperature, aging temperature) to choose so that the formation of an amorphous layer structure is avoided, but in such a way that a consistent crystalline SiC layer is formed. Especially suitable here Temperatures in the range of 500 to 1800 ° C.

Die Abscheidung aus der Gasphase bietet außerdem den Vorteil, dass die Verschleißschutzschicht 15 maskiert auf den Grundkörper 12 aufgebracht werden kann, d. h., dass die Verschleißschutzschicht 15 lokal an der benötigten Position des Heizkörpers 11 positioniert werden kann. Weiterhin ist es möglich, die komplett montierte Glühstiftkerze am keramischen Heizkörper 11 zu beschichten.The deposition from the gas phase also has the advantage that the wear protection layer 15 masked on the body 12 can be applied, that is, the wear protection layer 15 locally at the required position of the radiator 11 can be positioned. Furthermore, it is possible to use the completely assembled glow plug on the ceramic heater 11 to coat.

Die anhand einer Glühstiftkerze beschriebene Verschleißschutzschicht 15 kann in gleicher Weise auf andere keramische Heizkörper 11 von Glüh-, Zünd- oder Heizvorrichtungen aufgebracht werden.The wear protection layer described by means of a glow plug 15 can work in the same way on other ceramic radiators 11 be applied by annealing, ignition or heating devices.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - EP 1768456 A1 [0002] EP 1768456 A1 [0002]
  • - DE 8815005 U1 [0003] - DE 8815005 U1 [0003]

Claims (8)

Glüh-, Zünd- oder Heizelement für Verbrennungs- oder Heizvorrichtungen, insbesondere Glühstiftkerze, mit einem Heizkörper (11), der einen Grundkörper (12) aus einer elektrisch isolierenden Keramik aufweist, in den ein elektrisches Heizelement (13) eingebettet ist, wobei zumindest die Glühzone des Grundkörpers (11) mit einer keramischen Verschleißschutzschicht (15) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Verschleißschutzschicht (15) eine dichte Schicht aus SiC ist.Annealing, ignition or heating element for combustion or heating devices, in particular glow plug, with a radiator ( 11 ), which has a basic body ( 12 ) made of an electrically insulating ceramic into which an electrical heating element ( 13 ) is embedded, wherein at least the annealing zone of the base body ( 11 ) with a ceramic wear protection layer ( 15 ), characterized in that the ceramic wear protection layer ( 15 ) is a dense layer of SiC. Glüh-, Zünd- oder Heizelement nach Anspruch 1, dass die Verschleißschutzschicht (15) direkt auf dem Grundkörper (12) aufgebracht ist.An ignition, ignition or heating element according to claim 1, that the wear protection layer ( 15 ) directly on the base body ( 12 ) is applied. Glüh-, Zünd- oder Heizelement nach Anspruch 1, dass die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht (15) 10 bis 50 μm beträgt.Annealing, ignition or heating element according to claim 1, that the layer thickness of the wear protection layer ( 15 ) Is 10 to 50 μm. Glüh-, Zünd- oder Heizelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dass die Verschleißschutzschicht (15) eine kristalline Struktur aufweist.Annealing, ignition or heating element according to claim 1, 2 or 3, that the wear protection layer ( 15 ) has a crystalline structure. Verfahren zur Herstellung der keramischen Schleißschutzschicht 15, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Verschleißschutzschicht (15) mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) direkt auf den keramischen Grundkörper (12) aufgebracht wird.Process for the preparation of the ceramic wear protection layer 15 , characterized in that the ceramic wear protection layer ( 15 ) by chemical vapor deposition (CVD) directly on the ceramic base body ( 12 ) is applied. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die chemische Gasphasenabscheidung Carboxilan eingesetzt wird, das auf dem keramischen Grundkörper (12) eine dichte SiC-Schicht als Verschleißschutzschicht (15) ausbildet.A method according to claim 5, characterized in that as a material for the chemical vapor deposition Carboxilan is used, which on the ceramic base body ( 12 ) a dense SiC layer as a wear protection layer ( 15 ) trains. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Silane zu halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen und die Abscheidungstemperatur derart gewählt wird, dass eine stöchiometrische SiC-Schicht entsteht.Method according to claim 5 or 6, characterized that the ratio of silanes to halogenated hydrocarbons and the deposition temperature is selected such that a stoichiometric SiC layer is formed. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessparameter der chemischen Gasphasenabscheidung so gewählt werden, dass eine kristalline SiC-Schicht entsteht.Method according to claim 5, 6 or 7, characterized that the process parameters of the chemical vapor deposition so be chosen that a crystalline SiC layer is formed.
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