[0001] Die Erfindung geht aus von einer elektrisch beheizbaren Glühkerze oder einem Glühstab
für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise
aus der EP 450 185 B1 als bekannt hervorgeht.
[0002] In Dieselmotoren werden Glühkerzen im Brennraum für die Vorheizung beim Kaltstart
oder - als Glühstab im Ansaugkanal - für die Ansaugluftvorwärmung eingesetzt. Die
Glühkerze oder der Glühstab bestehen aus einem korrosionsfreien metallischen Mantel,
aus einer Heiz- und einer Regelwendel und aus einer elektrisch isolierenden, verdichteten
Pulverfüllung. Die Heiz- und Regelwendel besteht im Heizbereich aus einem ferritischen
Stahl, an die ein Reinnickeldraht als Regelwiderstand angeschweißt ist.
[0003] Der Werkstoff der Heizwendel unterliegt einer thermischen und chemischen Beeinflussung,
die die Lebensdauer der Glühkerze beeinträchtigen kann. Zumindest stellen diese Einflüsse
wesentliche Parameter hinsichtlich der Lebensdauer der Glühkerze dar. Und zwar kann
es zum einen zu einer interkristallinen Korrosion kommen, die durch Kristallwachstum
und Neigung zur Grobkornbildung bei ferritischen Heizleitern gefördert wird. Zum anderen
kann es bei hohen Temperaturen zur Korrosion an der freien Oberfläche der Heizwendel
und somit zur Schwächung des Heizdrahtquerschnittes kommen. Dieser Vorgang wird durch
Anwesenheit von Sauerstoff in der Umgebung des Heizdrahtes ermöglicht, der an der
Partikeloberfläche der Pulverfüllung aus der Luft während der Herstellung der Glühkerze
adsorbiert wurde.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundegelegte Glühkerze bezüglich
einer höheren Lebensdauer der Heizwendel zu verbessern.
[0005] Diese Aufgabe wird - ausgehend von der gattungsgemäß zugrundegelegten Glühkerze -
erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Durch den
integrierten Sauerstoff-Getter wird während des Betriebes der Glühkerze der Restsauerstoff
gebunden und eine inerte Atmosphäre in den Poren und an der freien Porenoberfläche
der Pulverfüllung aufrechterhalten. Etwaige Korrosionsvorgänge der oben angesprochenen
Art sind daher unterbunden oder laufen allenfalls extrem langsam ab. Erfindungsgemäß
ausgestattete Glühkerzen werden demgemäß eine erheblich größere Lebensdauer als bisher
haben.
[0006] Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden;
im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch eine Glühkerze,
- Fig. 2
- eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II aus Figur 1 und
- Figuren 3 bis 5
- unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Beschichtungen der Heizwendel oder der Innenoberfläche
des Metallmantels mit Gettermaterial.
[0007] In Dieselmotoren werden Glühkerzen im Brennraum für die Vorheizung beim Kaltstart
oder - als stabförmige Flammglühkerze oder Flammanlage im Zuluftkanal - für die Luftvorwärmung
eingesetzt. Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Glühkerze 1 weist
einen Glühstift 5 auf, der in einem Sockel 2 gehaltert ist. Der Glühstift seinerseits
besteht aus einem korrosionsfreien metallischen Mantel 7, aus einer Heizwendel 8 mit
einer daran angeschweißten Regelwendel 9 und aus einer elektrisch isolierenden, verdichteten
Pulverfüllung 10, die dafür sorgt, daß die Heiz- und Regelwendel 8, 9 innerhalb des
Metallmantels 7 ortsfest untergebracht und fixiert werden kann.
[0008] Der Metallmantel 7 besteht meist aus einer nickelreichen Eisenlegierung oder aus
einer Nickelbasislegierung wie z.B. Inconel 601 und ist elektrisch in der Regel als
Massepol, also negativ geschaltet.
[0009] Die Heiz- und Regelwendel 8, 9 ist mit ihrem einen Ende elektrisch leitend mit der
Spitze des Metallmantels 7 verschweißt. Ihr anderes Ende ist mit einer in einen Isolator
3 eingebetteten Anschlußschraube 4, auch Innenpol genannt, verbunden, die elektrisch
isoliert und abgedichtet (Dichtung 6) aus dem Sockel der Glühkerze bzw. des Glühstabes
herausgeführt und mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden wird. Außerdem ist der
Bolzen des Innenpoles 4 am oberen offenen Ende des Metallmantels 7 mit einer weichen
isolierenden Dichtung 6' abgedichtet, die zuverlässig abdichten muß. Die Heiz- und
Regelwendel 8, 9 besteht im Heizbereich (Heizwendel 8) aus einem ferritischen Stahl,
z.B. aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-legierung mit 17 bis 22 % Chrom und 3 bis 7 %
Aluminium; eine häufig verwendete Legierung ist Kantal AF CrAl225. An eine solche
Heizwendel ist ein gewendelter Draht (Regelwendel 9) aus reinem Nickel angeschweißt,
der die Funktion eines Regelwiderstandes besitzt.
[0010] Als Pulverfüllung 10 wird im allgemeinen Magnesiomoxid verwendet. Um den in den Poren
der Pulverfüllung enthaltenen Luftsauerstoff zu minimieren, wird das Pulver sehr stark
verdichtet, indem der gefüllte Metallmantel von außen durch ein konzentrisch wirkendes
Schlagwerkzeug gestaucht und dadurch im Durchmesser reduziert wird. Die Pulverfüllung
wird im Bereich der Heizstabspitze besonders stark verdichtet, indem dort der Metallmantel
konisch gestaucht wird. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen der Heizwendel und
eines ausreichenden Sauerstoffangebotes in der verdichteten Pulverfüllung kommt es
zu einer schleichenden Korrosion der Heizwendel. Der Restsauerstoff ist nicht nur
in dem freien, mit Luft gefüllten Porenvolumen der Pulverfüllung enthalten, sondern
er ist vor allem an der sehr großen Porenoberfläche der Füllung aus Magnesiumoxid-Pulver
adsorbiert.
[0011] Zur Erhöhung der Lebensdauer der durch thermische und chemische Einflüsse stark beanspruchten
Heizwendel 8 ist erfindungsgemäß im Innern des Metallmantels 7 ein bei Erwärmung auf
betriebstemperatur reduzierend wirkendes Gettermaterial enthalten. Durch dieses Gettermaterial
wird der in der verdichteten Pulverfüllung 10 enthaltene Sauerstoff chemisch gebunden
und so eine sauerstoffreie, also inerte Atmosphäre darin geschaffen.
[0012] Bei der Auswahl der Getterstoffe ist darauf zu achten, daß bei deren chemischer Umsetzung
mit Sauerstoff keine Gase gebildet werden dürfen, weil sonst der Innendruck in den
Heizstäben steigt und der Metallmantel u.U. bersten kann. Damit scheiden Ruß und organische
Stoffe oder Kohlenwasserstoffe als reduzierend wirkende Gettermaterialien aus. Aus
dem gleichen Grunde - Vermeidung der Berstgefahr - muß auch sorgfältig getrocknetes
Pulver eingefüllt und verdichtet werden, weil sonst im Betrieb ein hoher wasserdampfdruck
im Innern des Heizstabes entsteht.
[0013] Als reduzierend wirkende Getterstoffe werden folgende Materialien favorisiert:
- Silizium, das über SiO zu SiO2 oxidieren kann;
- zweiwertiges Eisenoxid (FeO), das zu dreiwertigem Eisenoxid (Fe2O3) oxidieren kann;
- Bor, das zu B2O3 oxidieren kann;
- Titan, das zu drei- und zu vierwertigem Oxid (Ti2O3 bzw. TiO2) oxidieren kann;
- Aluminium, das zu dreiwertigem Al2O3 oxidieren kann.
[0014] Das Gettermaterial kann in Form feiner, in der verdichteten Pulverfüllung 10 verteilter
Partikel 11 enthalten sein, wie es beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und
2 vorgesehen ist. Nachdem die Pulverfüllung elektrisch isolierend wirken soll, sollten
vor allem bei starker Zumischung von Gettermaterial in die Pulverfüllung auch die
Gettermaterial-Partikel 11 elektrisch nichtleitend sein, wenngleich ein geringer Anteil
der zugemischten Getterpartikel auch metallischer Art sein kann; es dürfen sich keine
metallischen Brücken aus den Partikeln bilden. Aus diesem Grund bestehen die in die
Pulverfüllung eingemischten Gettermaterial-Partikel 11 zumindest überwiegend aus Silizium
oder aus Metalloxiden. Und zwar werden hier Oxide solcher Metalle verwendet, die in
mehreren Oxidationsstufen oxidieren und die eine höhere Affinität zu Sauerstoff haben
als der Wendelwerkstoff. Im Ausgangszustand liegt das Gettermaterial bei Verwendung
von Metalloxiden in der ersten Oxidationsstufe vor. Als Basismetalle können Eisen,
Bor, Titan, Aluminium, Vanadium, Mangan, Chrom, Molybdän, Iridium und/oder Wolfram
einzeln oder in Gemischen verschiedener Zusammensetzung eingesetzt werden. Auch Kupfer,
Zinn und/oder Cer können gegebenenfalls verwendet werden.
[0015] Anstelle einer Zumischung in die Pulverfüllung oder auch zusätzlich dazu kann das
Gettermaterial gemäß den Darstellungen der Figuren 3 bis 5 auch in Form einer Beschichtung
auf der Wendel 8 oder auf der Innenoberfläche des Metallmantels 7 vorgesehen sein.
Hierbei kann die aufgebrachte Gettermaterial-Beschichtung aus einem Metall bestehen,
und zwar aus einem solchen Metall oder aus einem Gemisch oder einer Legierung solcher
Metalle bestehen, welche eine höhere Affinität zu Sauerstoff haben als der Wendel-
oder der Mantelwerkstoff und welche sich ferner nicht oder nur zu einem geringen Gehalt
mit dem Wendelwerkstoff oder dem Mantelwerkstoff legieren lassen. Dazu gehören Aluminium,
Zinn oder Blei. Aluminium läßt sich etwa nur zu 5 % in Stahl lösen.
[0016] Bei Einsatz von Metallen als sauerstoffbindenden Getterstoff ist die Getterfähigkeit
besonders groß. Der Vollständigkeit halber sei jedoch erwähnt, daß eine Beschichtung
der Wendel 8 oder der Innenoberfläche des Metallmantels 7 mit Gettermaterial auch
Metalloxide niedriger Oxidationsstufe enthalten oder ganz aus solchen Metalloxiden
besteht darf.
[0017] Das - metallische - Gettermaterial kann im Falle einer Beschichtung der Wendel 8
oder der Innenoberfläche des Metallmantels 7 galvanisch aufgebracht werden, wie es
Figur 4 mit der Galvanikschicht 13 zeigt. Auch andere Beschichtungsarten sind möglich.
Beispielsweise kann die Wendel oder der Metallmantel - durch Tauchen oder Besprühen
- mit einer Kleberschicht 12 versehen und in diese Kleberschicht dann Metallpartikel
11' eingelagert (Figur 3) werden, was durch Eintauchen in loses Pulver oder durch
Besprühen mit Pulver erfolgen kann. Bei der Kleberschicht kann es sich um organische
Binder wie z.B. höherwertige Alkohole, Knochenleim oder Tapetenkleister handeln. Die
mit Gettermaterial zu beschichtenden Gegenstände (Wendel 8, Metallmantel 7) können
auch durch Tauchen, Schwallbeschichtung oder Sprühen mit einer organischen Haftschicht
14 überzogen werden, in die Getterpartikel 11'' eingelagert sind (vgl. Figur 5). Der
organische Binder muß allerdings vor der Montage des Heizstiftes durch eine thermische
Behandlung der beschichteten Teile bei Temperaturen im Bereich zwischen 400 und 600
°C beseitigt werden. Eine weitere Beschichtungsmethode besteht in einem elektrostatischen
Beschichten, bei dem die elektrisch aufgeladenen Getterpartikel an den zu beschichtenden
Gegenständen, die elektrisch auf Gegenpotential geschaltet werden, niedergeschlagen
werden. Als weitere Beschichtungsmethoden kommen auch Plasma- oder Impuls-Plasma-Beschichtungen
sowie PVD- und CVD-Verfahren in Betracht.
[0018] Durch die erfindungsgemäße Zugabe von reduzierend wirkenden Gettermaterialien ins
Innere des Glühstabes wird der noch vorhandene Restsauerstoff daraus chemisch gebunden.
Dieses Ziel kann selbstverständlich dann besonders vollkommen erreicht werden, wenn
von vornherein eine inerte Atmosphäre in der Pulverfüllung durch Zufuhr eines Inertgases,
beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas, z.B. Argon geschaffen und
etwaiger Restsauerstoff von vornherein minimiert wird. Das in der Pulverfüllung enthaltene
Inertgas wird zweckmäßigerweise bereits in die beim Herstellungsprozeß der Glühkerzen
erforderlichen Speicher für das Füllpulver zugegeben und das Pulver unter Inertgas
gelagert, damit die Partikel an ihrer Oberfläche dieses Gas adsorbieren und oberflächlich
möglichst wenig Sauerstoff anlagern. Desweiteren sollte man beim pneumatischen Befüllen
des Metallmantels mit Pulver ebenfalls das Inertgas als Trägergas einsetzen und während
des Einrüttelns des Pulvers die Inertgaszufuhr aufrechterhalten. Dadurch kann auch
ein gewisser Feinstoff-Verlust im Bereich der noch unverschweißten Spitze durch Nachfördern
von Feinstoff aus dem hinteren Bereich ausgeglichen werden. Wichtig ist, daß das Inertgas
und die Pulverfüllung absolut trocken sind, was z.B. durch ein vorübergehendes Erwärmen
des befüllten Metallmantels unter Inertgasatmosphäre und unter Feuchtigkeitsentzug
erreicht werden kann.
1. Elektrisch beheizbare Glühkerze oder Glühstab für Verbrennungsmotoren, mit einem Glühstift,
der aus einem korrosionsbeständigen geschlossenen Metallmantel, aus einer darin enthaltenen
Füllung aus einem elektrisch nichtleitenden, verdichteten Pulver und aus einer in
die Füllung eingebetteten elektrisch leitenden Wendel besteht, wobei der Metallmantel
und die in ihn eingeführten elektrischen Anschlüsse für die Wendel an dem Ende der
Einführung gasdicht abgedichtet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Innern des Metallmantels (7) ein Gettermaterial (11, 11', 11'', 13) zum Binden
des in der verdichteten Pulverfüllung (10) enthaltenen Sauerstoffs vorgesehen ist.
2. Glühkerze nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gettermaterial als feine, in der verdichteten Pulverfüllung (10) verteilte
Partikel (11) enthalten ist.
3. Glühkerze nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die in der verdichteten Pulverfüllung (10) verteilten Gettermaterial-Partikel
(11) elektrisch nichtleitend sind.
4. Glühkerze nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gettermaterial-Partikel (11) aus Silizium oder aus Oxiden solcher Metalle
bestehen, die in mehreren Oxidationsstufen oxidieren und eine höhere Affinität zu
Sauerstoff haben als der Wendelwerkstoff, wobei das Gettermaterial im Ausgangszustand
aus Metalloxiden der ersten Oxidationsstufe besteht.
5. Glühkerze nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gettermaterial (11) Oxide der Metalle Eisen, Bor, Titan, Vanadium, Mangan,
Chrom, Molybdän, Iridium und/oder Wolfram der ersten Oxidationsstufe enthält.
6. Glühkerze nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gettermaterial (11) auch noch Oxide von Kupfer, Zinn und/oder Cer der ersten
Oxidationsstufe enthält.
7. Glühkerze nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gettermaterial (11', 11'', 13) als Beschichtung auf der Wendel (8) oder auf
der Innenoberfläche des Metallmantels (7) vorgesehen ist.
8. Glühkerze nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die auf der Wendel (8) oder auf der Innenoberfläche des Metallmantels (7) aufgebrachte
Gettermaterial-Beschichtung (11', 11'', 13) aus einem Metall, und zwar aus einem solchen
Metall oder aus einem Gemisch oder einer Legierung solcher Metalle besteht, welche
eine höhere Affinität zu Sauerstoff haben als der Wendelwerkstoff oder der Mantelwerkstoff
und welche sich ferner nicht oder nur zu einem geringen Gehalt mit dem Wendelwerkstoff
oder dem Mantelwerkstoff legieren lassen.
9. Glühkerze nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die auf der Wendel (8) oder auf der Innenoberfläche des Metallmantels (7) aufgebrachte
Gettermaterial-Beschichtung ein Metalloxid niedriger Oxidationsstufe oder ein Gemisch
solcher Metalloxide verschiedener Metalle enthält oder ganz aus solchen Metalloxiden
besteht, wobei die Basismetalle dieser Oxide und die Metalloxide selber eine höhere
Affinität zu Sauerstoff haben als der Wendelwerkstoff oder der Mantelwerkstoff.
10. Glühkerze nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gettermaterial in Form eine galvanisch aufgebrachten Beschichtung (13) auf
der Wendel (8) oder auf der Innenoberfläche des Metallmantels (7) enthalten ist.
11. Glühkerze nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet
daß das Gettermaterial in feinen auf der Wendel (8) oder auf der Innenoberfläche des
Metallmantels (7) angeklebten oder elektostatisch angelagerten oder in oberflächennahe
Werkstofflagen implantierten oder in einer Haftschicht (14) eingebetteten Partikeln
(11', 11'') enthalten ist.
12. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Innern des Metallmantels (7) ein Inertgas, beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid
oder ein Edelgas, z.B. Argon oder ein Gemisch derartiger Gase zu einem möglichst hohen
Gehalt enthalten und dadurch etwaiger Restsauerstoff von vornherein minimiert ist.