TW539805B - Electrically heatable glow plug and method for producing said electrically heatable glow plug - Google Patents

Description

539805 ΚΙ _Β7__ 五、發明說明（/ ) 詳細說明 [發明的背景] 本發明關於一種可用電加熱的白熾火星塞（1)以及製造 可用電加熱的白熾火星塞(υ的方法。 在德專利DE 199 28 037 C1已發表了一種內燃機用的 可用電加熱的白熾火星塞，它包含一根一端封閉的耐腐蝕 白熾管，該白熾管充以一種不導電之壓縮粉末，一種導電 的線圏(Wendel)埋入該粉末中。該線圈包含一加熱線圈。 該加熱線圈由一種鐵-鉻合金構成。在加熱線圏的區域中’ 該導電線圈的表面作硬化。如此，該線圈可承受壓縮過程 時的機械應力而不損壞。 在德專利DE 19756988C1發表了一種內燃機用之可用 電加熱的白熾火星塞，它包含一白熾桿，由一種耐腐蝕金 屬函殻構成。在該白熾桿中充有壓縮的粉末。一導電之線 圈埋入該塡充粉末中。爲了延長線圏之使用壽命，在該白 熾桿設有一種接受材料(Gettermaterial)，以將該壓縮粉末中 所含的氣結合。該接受材料可呈不導電粒子形式分佈在該 壓縮之粉末塡充物中。這些粒子可由矽或某些金屬的金屬 氧化物構成’這些金屬可在數個氧化階段中氧化，且對氧 白勺親合力比線圏材料氧親合力更大，其中該接受材料在起 始狀態時含有在第一種氧化階段的金屬氧化物。 在歐洲專利EP 0079385A1發表了一種加熱元件，其中 一線圏設在一匣:中且埋入一種電絕緣的粉末中。該粉末含 有0.1〜10%重量的一種氧化物，且因此防止金屬成份氧化 3 本紙張尺度適用中國國家標準--- ---I--— — — — — — — i I I I I I I 訂.— — — — — — I- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 539805 A7 ---__B7 五、發明說明（α ) --------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) [本發明的優點] 與之相較，具有申請專利範圍獨立項的特點的可用電 加熱的白熾火星塞以及製造一種可用電加熱的白熾火星塞 的方法的優點爲： 在該白熾管中沒有氧供給物，俾在線圏加熱之前或之 時在熱線圈表面形成一層化鋁層。依此方式，當空氣侵入 白熾管中時，可防止在加熱線圈的邊緣層中形成氮化物以 及電阻局部昇高及加熱線圈提早失效的情事。 另一優點在於：鋁從合金中蒸發出來的情事可受抑制 〇 利用申請專利範圍附屬項所述的措施，可將申請專利 範圍獨立項的可用電加熱的白熾火星塞及製造一種可用電 加熱的白熾火星塞的方法作有利的進一步發展與改良。 提供氧供應物的一種較廉價的實施方式，係將白熾管 中的加熱線圏埋入到一第一絕緣粉末中，其中該第一絕緣 粉末包含一種呈氧提供物的作用的材料。 如果該氧提供物呈金屬氧/化物形式，它可分數個I氧化^ 階段氧化且係呈其最尚之氧化態’則特別有利。用此方式 對氧氣釋出有很大助益。 對應地，如果該氧化物陶瓷粉末包含一種金屬氧化物 ，它在還原性條件下可由於生成結晶瑕疵而釋出氧，則亦 同樣有利。 如果該氧提供物呈氧分子形式在高壓下被放入白織管 4 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格（210 X 297公釐) ' -- 539805 A7 ____Β7____ 五、發明說明（$ ) 中，也甚有利。依此方式，可利用壓力提高白熾管中的氧 濃度，並利用該氧分子在熱線圏表面氧化形成氧化錦，而 不需爲此利用一股加熱電流將加熱線圏加熱。因此該加熱 線圏在第一次操作之前(亦即第一次利用一股加熱電流加熱 之前)已可受到一氧化層保護以免受氮化作用。 另一優點在於：將一連接到該加熱線圏的「調節線圈 」埋入到一第二絕緣粉末中，該絕緣粉末儘量不含氧，且/ 或具有接受材料’以結合氧。因此可使用一種材料當作該 調節線圏，該材料在氧提供物影響下不會像例如在銘鐵合 金的情形中形成保護性氧化物層。因此，該調節線圈的腐 飩情事可藉使用該第二種絕緣粉末（它儘量不含氧提供物） 而防止或至少大大地延遲。 當在第二種絕緣粉末中使用接受材料時，可將「調節 線圈」的區域中之干擾性氧分子結合。 [圖式之說明] 本發明的實施例示於圖式中，且在以下說明中詳細敘 述。圖式中： 第1圖係一本發明之可用電加熱的白織火星塞的第一 實施例， 第2圖係一本發明之可用電加熱的白熾火星塞的第二 實施例。 [圖號說明] (1) 白熾火星塞 (5) 白熾管 5 本紙ϋ度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱^ "~ — III — — — — — — — — — ·1111111 ^ ·11111111 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 539805 A7 __ B7 五、發明說明（ Ψ ) (10) 加熱線圏 (20) 區域 (35) 開口 (40) 火星塞殼體 (50) 六角形部 (55) 尖端 (60) 調節線圈 (65) 端子銷 (70) 氟化橡膠環 (75) 密封環 (80) 絕緣片 (85) 環螺母 (95) 電子調節元件 [實施例的說明] 第1圖中（1)表示內燃機用的白熾火星塞，設計成白熾 桿火星塞⑴形式。該白熾桿火星塞⑴包含一火星塞殼體 (40)，該火星塞殼體具有螺紋(45)以旋入內燃機的汽缸頭中 。火星塞殻體(40)另外包含一六角形部(5〇)，藉此該白熾桿 火星塞或火星塞殼體(40)可利用一旋轉工具(例如一支六角 螺絲扳手)旋緊到汽缸頭中或由汽缸頭旋出。有一白熾管(5) 被壓入該火星塞殼體(4)(它設計成管形）中且在燃燒室那一 側[亦即在火星塞殻體(40)之與六角形部(50)對立的那一端 上]從火星塞殻體(40)突伸出來。白熾管(5)在燃燒室的那一 側其末端係封閉者。在該白熾管(5)這種設計的燃燒室側的 _— _ 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---— II-----I — · I — I I I I I 訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 539805 ____Β7___ 五、發明說明（夕） -------------i I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -線· 尖端(55)的場合。在一區域(20)中’白熾管(5)的橫截面可如 在實例中呈減少。但並不一定需要將橫截面減少。白熾火 星塞⑴只用此橫截面減少的區域(20)突伸到燃燒室進去。 在此橫截面減少的區域(20)中’該白熾管(5)包含一「加熱 線圈」（10)，它與該白熾管(5)的燃燒室側的尖端(55)焊接。 有一「調節線圏」（60)接到該加熱線圏（10)，該調節線圈設 在白熾管(5)的區域中，該白熾管的橫截面並不減少。在該 白熾管(5)之遠離燃燒室的那一端上’該調節線圈（60)與一 端子銷(65)接觸，該端子銷可和汽車電池的正極連接。沿 著朝火星塞殼體(40)之遠離燃燒室的開口的方向’該白熾 管（5)仍在火星塞殻體（40)內利用一個氟化橡膠環 (Vitonring)(70)密封，以防周圍空氣流入。另一密封環(75) 把該由火星塞殻體(40)突伸出來、遠離燃燒室的端子銷(65) 對火星塞殻體(40)作密封。有一個在遠離燃燒室那一側接 到密封環(75)上的絕緣片（80)用於將端子銷(65)與火星塞殼 體(40)電絕緣，因而將該端子銷與該火星塞殼體(40)(其電 位係爲車子接地電位)作絕緣，有一環螺母(85)將該絕緣片 (80)壓到火星塞殼體(40)上，並將密封環(75)壓入火星塞殼 體(40)中。 白熾管(5)由金屬構成，且由於壓入火星塞殻體(40)中 其電位同樣地爲汽車接地電位。加熱線圏（10)隨調節線圈 (60)焊接在一連接點(90)上。 該氟化橡膠環(70)的功能很重要，因爲它由一種軟而 絕緣的材料構成，且因此使該端子銷(65)之伸入該白熾管 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 539805 A7 _____B7_____ 五、發明說明（έ ) (5)中與調節線圈(60)接觸的那一端不但呈電絕緣方式對火 星塞殼體(40)呈密封，而且可防止空氣侵入該在遠離燃燒 室那一側開放的白熾管(5)中的情事。此密封作用要儘量可 信賴。 舉例而Η，加熱線圈（10)由一種肥粒鐵式鋼（它含有錦 成分），例如由鐵鉻鋁合金構成。舉例而言，該調節線圏可 由鈍鎳或一種鈷鐵合金(它具有6〜18重量％的鈷的成份)形 成，且具有具正溫度係數的「調節電阻器」的功能。 在該白熾管（5)中更設有一種電絕緣的粉末塡充物 (25)(30)，它在白熾管(5)錘入後被壓縮，該粉末塡充料用於 使加熱線圈（10)與調節線圏(60)呈位置固定的方式裝在白織 管(5)內部並固定住，並相對於白熾管(5)的尖端(55)外的白 熾管(5)部分呈電絕緣。所用粉末塡充物一般爲氧化鎂。此 外，該粉末塡充物用於作白熾管(5)與加熱線圏（10)或調節 線圏(60)之間的導熱接合。 加熱線圈（10)—般在充分氧供應時在短時內由於形成 一薄的ai2〇3層可防止進一步腐蝕。但這種先決條件在白 熾桿火星塞（1)的場合，由於一般會發生起始的氧氣缺乏， 故無法達到。當用在氣缸頭中時，在白熾桿火星塞循環式 地受熱應力時，儘管有密封環(75)與氟化橡膠環(70)，仍會 有空氣侵入白熾管(5)中的情事。這點會造成加熱線圏（1〇) 的材料同時與氧與氮反應。氮與氧不同，氧在加熱線_ (10)表面形成一保護性之氧化鋁層，而氮造成內部氮化作 物，亦即在加熱線圏（10)的材料內形成氮化鋁。其結果使 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂： •線- 539805 A7 _ B7_____ 五、發明說明（9 ) 加熱線圏（10)的電阻局部升高，使電壓降變較大，因此加 熱線圈（10)發熱得較厲害，且造成加熱線圏（10)提早失效。 因此之故，將一種呈氧供應物作用的材料加到該絕緣 粉末塡充物中，該材料在高溫放出氣，且因此有助於在加 熱線圏（10)上形成一保護性氧化鋁層。如此，在空氣侵入 白熾管(5)中時，可防在加熱線圈（10)的邊緣層中形成氮化 物的情事。在此該氧化鋁層至少在該加熱線圈（10)第一次 加熱時已利用一股熱流形成，其中溫度可達到超過1000°C 以上。 如果該調節線圏(60)的材料不似此處所述之實例不含 鋁成分也不含矽成分，則它不會與該由氧供應物釋出的氧 形成保護性氧化物層，而會受腐蝕。這點必須防止。因此 ，在此情形中，該絕緣粉末塡充物之當作氧提供物用的材 料只在區域(20)在白熾管(5)的尖端(55)隨近放入，加熱線圈 (10)位在該區域中。因此緣之該當作氧供應物之作用的材 料只要在加熱線圈（10)的區域中，而不在調節線圈(60)的區 域中。爲此目的，在安裝白熾桿火星塞⑴時，首先將該絕 緣粉末隨同該當作用的材料一直放入到白織管(5)中，直到 加熱線圈（10)儘量完全地埋在其中爲止，且調節線圈(60)即 使在白熾管(5)錘入後，不與該當作氧供應物用材料接觸。 富含呈氧供應物作用的材料的絕緣粉末塡充物在第1圖用 圖號(25)表示’且在以下稱第一絕緣粉末。該隨後充入白 熾管(5)中的絕緣粉末[g亥g周節線圏(6Q)埋入其中]在此實例中 ’不能含任何當作氧供應物作用的材料，且舉例而言，係 9 ί紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) --- ----I---------· I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： -線- 539805 A7 _B7__ 五、發明說明（8 ) 由純氧化鎂構成。用此方式，氧化作用只在加熱線圈（1〇) 的區域受支持，因此可防止加熱線圏（10)的氮化作用及調 節線圈(60)的腐蝕情事。該絕緣粉末(它不含呈氧供應物作 用的材料)在第1圖中用圖號(30)表示，並構成第二絕緣粉 末。如果不採取此方式（或者除了採取此方式外，另外)也 可使該第二絕緣粉末（30)含有一種接受物材料以結合氧， 其例子如Si、Ti、A1或受還原的(即：較低氧化態的)金屬 氧化物(例如FeO、ThCh)。在導電的接受物材料的場合， 例如Si、Ti、A1，該第二絕緣粉末(30)含有電絕緣材料，例 如MgO，其濃度遠比該接受物材料大得多。 舉例而言，該呈氧供應物作用的材料可呈氧化物式陶 瓷粉末。在此，該陶瓷粉末可爲一種金屬的金屬氧化物， 它可氧化成數個氧化階段（數種不同價的氧化態）。爲了有 利釋出氧，該金屬氧化物在起始狀態時在其最高氧化態。 在此，舉例而言，可用Ti〇2當作氧供應物。 另一可能方式係使用一種氧化物陶瓷粉或金屬氧化物 當作氧供應物，它在還原條件下[一如它在區域(20)在白熾 管(5)的尖端(55)附件由於加熱線圏（10)的鋁成分所造成之還 原條件]釋出氧，因此在相關的金屬氧化物的結晶格中由於 缺少氧原子造成瑕疵。選用之這種氧供應物的例子，舉例 而言，可爲ZrCh。 這種呈氧供應物作用的材料在第一絕緣粉末(25)中在 約0.1重量％〜約20重量％的範圍，即足夠在加熱線圈（1〇) 引起氧化作用，該第一絕緣粉末(25)的其餘成分，舉例而 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) . -線· 539805 A7 _____B7___ 五、發明說明（7 ) 言，可由氧化鎂構成。 第2圖中顯示本發明的白熾火星塞的第二實施例，其 中相同圖號表示與第1圖相同的元件。與第1圖的實施例 不同者，在第2圖的第二實施例中，該白熾管(5)沒有調節 線圈，而係有一個受保護防止氧化的電子調節元件(95)， 舉例而言，它可包含一溫度感測器以及供到加熱線圈（10) 的電流的一鍵控手段(Tastung)，該鍵控手段與求得之溫度 有關，它們在此處不作詳細說明。也可完全省却一調節線 圈或一調節元件。此外，在第一絕緣粉末(25)與第二絕緣 粉末(30)的位置可在整個白熾桿(5)的區域設一第三絕緣粉 末（15)，它由一種電絕緣材料(例如氧化鎂)構成且不含氧供 應物。加熱線圏（10)經由該調節元件(95)與該端子銷(65)連 接，其中該調節元件(95)也可設成距燃燒室儘量遠，俾不 會受太厲害的加熱。此處，可在該白熾桿火星塞（1)第一次 操作前，將一開口（35)鑽入到白熾管(5)中，其中該開口（35) 須隨加熱線圏（10)位在區域(20)在白熾管(5)尖端附近，因爲 此區域由於橫截面減少，如鑽孔易損壞。但如果在區域 (20)在白熾管(5)的尖端(55)附近沒有穩定性的問題，則也可 考慮，將鑽孔(35)設在該處，亦即直接在加熱線圏（10)的區 域。在此，在加熱線圈（10)[如有必要，還有調節元件(95)] 裝入區域(20)在白熾管(5)尖端(55)附近，並將白熾管(5)充 以第三種絕緣粉末（15)，則才設置該開口（35)。在此時’才 將開口（35)鑽入到白熾管(5)中。如此，氧分子經該開口（35) 在具有受控制之分壓的氣體大氣下加入該白熾管(5)中。舉 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---I--------------訂·---------線 (請先閱讀背面之注咅S事項再填寫本頁) A7 539805 — __—___B7_____ 五、發明說明（ 例而言，此過程可爲時在約一小時到約20小時之間，其中 此時間範圍的上下限也可向下或向下移，然後，將鑽孔形 成的開口（35)再封閉。舉例而言，這種封閉作業可用焊接 達成。利用該受控制的分壓，可提高白熾管(5)中的氧濃度 。分壓越高，該白熾管(5)中氧濃度越高。利用這種高氧濃 度’以及主要由於有純氧分子存在，可加速加熱線圏（10) 表面的氧化作用，因此在白熾桿火星塞（1)第一次操作之前 或之時，在內燃機中已由於在加熱線圈（10)表面形成一薄 Al2〇3層而可在短時內將加熱線圏（1〇)鈍化(passivierung)， 其中該Ah〇3層作保護的功能，且當在白熾桿火星塞操作時 ，當少量空氣侵入時，可防止在加熱線圈（10)上形成氮化 物的情事。用此方式，可提高白熾焊火星塞（1)的壽命。在 此情形中，這點係藉著在白熾桿火星塞（1)第一次操作前將 加熱線圏（10)預氧化而達成。藉著將偏壓作相關的預設， 以將氧加入白熾管(5)中，以及將時間[在此時間中該氧氣加 入白熾管(5)中]作相關的預設，可使護層的組成一定。在此 例中，在加熱線圈（10)上形成氧化鋁形式的護層。 如果該用此方式加入白熾管(5)中的氧也在該具有加熱 線圏（10)的區域之外在白熾管(5)中分佈，則在第二實施例 中，並不宜使用對氧化及腐蝕敏感的調節線圈，而宜如前 面關於調節元件(95)的例子所述，使用耐氧化及腐蝕的調 節元件，或省却調節線圏或調節元件。 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) I --------訂----------

Claims (1)

1. 539805 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種可用電加熱的白熾火星塞（1)，其用供內燃機用 者，具有一個末端封閉的白熾管(5)，有一導電的加熱線圈 (10)放入該白熾管(5)中，其中該加熱線圈（10)至少部分地由 鋁構成，特別是由一種鋁-鐵-鉻合金構成，其特徵在：在 該白熾管(5)中設有氧供應物，俾在加熱線圈（10)加熱之前 或之時在加熱線圈（10)表面形成一層氧化鋁層。 2. 如申請專利範圍第1或第2項之白熾火星塞，其中 該加熱線圏（10)在白熾管(5)中埋入第一絕緣粉末(25)ψ ，且該第一絕緣粉末(25)爲一種呈氧供應物的作用的材半斗 〇 3. 如申請專利範圍第2項之白熾火星塞，其中： 該材料爲一種氧化物陶瓷粉末。 4. 如申請專利範圍第3項之白熾火星塞，其中： 該陶瓷粉末包含一種金屬的氧化物，它可氧化成數 氧化態，特別是Ti〇2。 f 5. 如申請專利範圍第4項之白熾火星塞，其中： 該金屬氧化物在起始狀態時係在其最高氧化態。 6. 如申請專利範圍第3項之白熾火星塞，其中： 該氧化物陶瓷粉末包含一種金屬氧化物，特別是 ，它在還原的條件下形成結晶瑕疵而釋出氧。 ~ 7. 如申請專利範圍第2項之白熾火星塞，其中： 該當作氧供應物作用的材料的含量在第一絕緣粉 (25)的約0.1%重量〜約20%重量的範圍。 尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297¾^----- (請先閱讀背面之注音？事項再場寫本頁C 裝 線 539805 C8 D8 六、申請專利範圍 8.如申請專利範圍第1項之白熾火星塞，其中： 該氧供應物呈氧分子形式在壓力下加入該白熾管(5)中 〇 9·一種製造內燃機用之可用電加熱的白熾火星塞（1)的 方法，其中將一種導電加熱線圈（10)放入一個一邊封閉的 白熾管(5)中，該加熱線圈（1〇)至少一部分由鋁構成，特別 是由一種鋁-鐵-鉻合金構成，其特徵在： 在該白熾火星塞(1)操作之前將氧供應物放入白熾管(5) 中’俾在該加熱線圏（10)加熱之前或之時在加熱線圈（10)表 現成一層氧化鋁層。 10·如申請專利範圍第9項之方法，其中： 該加熱線圈（10)放入該白熾管(5)尖端的區域(20)中後， 將第一種絕緣粉末(25)充入該白熾管(5)中，該粉末含有一 種呈氧供應物作用的材料，故該加熱線圏儘量完全地埋入 該第一絕緣粉末(25)中。 11.如申請專利範圍第1〇項之方法，其中·· 接著將第二種絕緣粉末(30)，充入該白熾管(5)中，該 粉末特別是以MgO爲基礎者，它儘量不含氧供應物及/或 含有氧接收材料以結合氧，並將一個調節線圏(60)用此方 式埋入該第二絕緣粉末中，該調節線圈(60)接到該加熱線 圈（10)，且特別由一種鈷-鐵合金形成。 12·如申請專利範圍第9項之方法，其中： 在該加熱線圈（10)放入白熾管(5)的尖端的區域(20)後， 以及將白織管(5)充以弟二種絕緣粉末（15)後’在白織管(5) _______— 2_____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝 、1T: 線 539805 058892 ABCD 六、申請專利範圍 中鑽一開口（35)，將氧分子在壓力下經白熾管(5)的開口（35) 導入白熾管(5)中，然後將該鑽出之開口（35)再封閉，且宜 利用焊接。 13.如申請專利範圍第12項之方法，其中： 該氧分子導入白熾管(5)—段預定時間，且宜在約1小 時到約20小時間。 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 裝 -uu 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)