Glühkerze und Verfahren zur Herstellung derselben

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glühkerze mit einem Heizstab, in den ein Innenpol, verbunden mit Heiz- und ggf. Regelelementen, führt, und einem Außenpol, wobei der Außenpol die Wandung des von anliegenden Bauteilen des Kerzenkörpers elektrisch isolierten Heizstabes (2) ist, und der Körper (1) aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial besteht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Glühkerzen, die einen Heizstab mit einem Innenpol mit Glüh- und ggf. Regelelement(en) aufweisen, wobei der Heizstab gegenüber dem Glühkerzenkörper elektrisch isoliert ist, sowie Verfahren zur Herstellung dieser Glühkerzen.

[0002] Es ist aus der gängigen Praxis bekannt, Glühkerzen mit einem Heizstab aus Metall mit innenliegendem Innenpol und mit metallenem Glühkerzenkörper derart auszubilden, daß zwischen Heizstabwandung und Glühkerzenkörper eine hitzebeständige elektrische Isolierung in Form einer Glaseinschmelzung eingebracht ist. Hierbei werden der Glühkerzenkörper aus Metall und der Heizstab aus Metall mit ihrem jeweiligen Anschluß sowie zwischen Glühkerzenkörper und Heizstab befindliche Glasröhrchen in eine Graphitform eingebracht und in einem Ofen erwärmt, bis das Glas schmilzt. Die Anschlüsse werden durch keramische Röhrchen gegeneinander elektrisch isoliert. Nach Abkühlung und Erstarrung der Glasschmelze ist der Glühkerzenkörper gegen den Heizstab und die Anschlüsse isoliert fixiert. Bei diesem aufwendigen Fertigungsverfahren muß die Behandlung in einem Ofen erfolgen, wodurch unter anderem auch der Einsatz hitzebeständiger Werkstoffe nötig ist. Baupräzision und Funktionsqualität sind bei dieser Verfahrensweise nicht ohne weiteres zu gewährleisten, da beispielsweise während des Verfahrens der Verzug der Bauteile möglich ist. Der eben geschilderte technische Aufwand der Erstellung der Glühkerzen dieser Art entspricht dem wirtschaftlichen Aufwand.

[0003] Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, zumindest den Heizstab aus Keramikmaterial herzustellen; hierbei muß in einem mehrstufigen Fertigungsprozeß, für den Spezialwerkzeuge und Vorrichtungen notwendig sind, die Keramik zu dem Heizstab geformt, zusammengesetzt, gebrannt und geschliffen werden. Darüberhinaus muß der Keramikheizstab mit einem Stützrohr verbunden werden und kann erst dann in einer konventionellen Montage zu einer fertigen Glühkerze verbaut werden.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Umgehung der aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile eine Glühkerze zur Verfügung zu stellen, die üblicherweise unter Vermeidung spezieller teurer und aufwendiger Fertigungsverfahren herstellbar ist, eine relativ große, definierte Elektrode zur Verfügung stellt, hohe konstruktive Präzision und funktionelle Qualität besitzt und, insbesondere bei kombinierter Verwendung zur Ionenstrommessung zu verbesserten und zuverlässigeren Meßsignalen führt.

[0005] Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die Glühkerze gemäß Ansprüchen 1 bis 7 sowie durch die Verfahren zur Herstellung derartiger Glühkerzen gemäß Ansprüchen 8 bis 13 gelöst. Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren 1 bis 13 näher erläutert. Hierbei ist:

Figur 1 ein teilweiser schematischer Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze;

Figur 2 der teilweise schematische Längsschnitt einer anderen erfindungsgemäßen Glühkerze;

Figur 3 der teilweise schematische Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Glühkerze mit separater Ionenstrommeßhülse;

Figur 4 der teilweise Längsschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze nach Figur 3;

Figur 5 der teilweise Längsschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform;

Figur 6 der Längsschnitt durch den anschlußseitigen Endbereich des Heizstabes einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze;

Figur 7 der teilweise Längsschnitt durch den anschlußseitigen Endbereich des Heizstabes einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze;

Figur 8 eine schematische Darstellung des Anschlußbereichs einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;

Figur 9 der teilweise Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze;

Figur 10 der teilweise Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze;

Figur 11 der schematische teilweise Längsschnitt durch eine Anordnung mit erfindungsgemäßer Glühkerze;

[0006] Gemäß Figur 1 besitzt die abgebildete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze einen üblichen Glühkerzenkörper 1, der jedoch aus wärmebeständigen, elektrisch nicht leitendem Kunststoffmaterial besteht und mit einem üblichen Heizstab 2 aus Metall, der in üblicher Weise mit einem inrenliegenden Innenpol (nicht abgebildet) und damit verbundenen Heiz- und ggf. Regelelementen versehen ist.

[0007] Im Preßsitzbereich des Körpers 1 auf dem Heizstab 2 können Nuten, Einkerbungen u.ä. in dem Heizstab 2 ausgebildet sein, in die korrespondierende Grate u.ä. des Körpers 1 eingreifen.

[0008] Die Herstellung dieser erfindungsgemäßen Glühkerze kann beispielsweise durch Einpressen des üblichen Heizstabes 2 in den Kunststoffkörper 1 oder durch Umspritzen des Heizstabes 2 mit der Kunststoffmasse für den Körper 1 erfolgen.

[0009] Die Anschlüsse 3, 4 mit Innenpol bzw. Heizstabwandung werden als Kabelanschlüsse aus dem anschlußseitigen Endbereich der Glühkerze herausgeführt.

[0010] Die Ausführungsform gemäß Figur 2 weist einen Körper 1 aus Metall und einen üblichen Heizstab 2 auf; zwischen der Außenwandung des Heizstabes 2 und der Bohrung für den Heizstab 2 in Körper 1 ist eine Kunststoffisolierung 5, beispielsweise aus thermoplastischem oder duroplastischem isolierenden und hitzebeständigem Material eingebracht, wobei in der innenwand der Heizstabbohrung im Körper 1 und/oder auf der Außenwand des Heizstabes 2 bevorzugt Nuten oder Rillen vorgesehen sind, in das das Kunststoffmaterial insbesondere dann eindringt, wenn die Härtung des Materials in dem Ringspalt zwischen Körper 1 und Heizstab 2 bei vormontierter Einheit aus Heizstab 2 und Körper 1 erfolgt. Ebenso kann bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze der Kunststoff im Kontaktbereich zum Körper 1 auf Heizstab 2 oder auf die Innenwandung der Heizstabbohrung im Körper 1 aufgebracht werden, worauf dann Heizstab 2 und Körper 1 durch Reduzieren, Einpressen oder Einziehen miteinander fest verbunden werden. Es kann ebenfalls vorteilhaft sein, den Dichtsitz 1a mit der Isolierung 5 zu überdecken, so daß die Isolierung 5 nach Einbau der Kerze zusätzlich zwischen Kerzenkörper 1 und Zylinderkopf fixiert ist. Die isolierung 5 besteht vorzugsweise aus temperaturbeständigen Kunststoff mit guten Dichteigenschaften wie Teflon oder Vespel.

[0011] Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze gemäß Figur 3 besitzt eine separate Ionenstrommeßhülse 6, die bis in den Verbrennungsbereich vorragt und sowohl gegen den Körper 1 durch Isolierung 5 als auch gegen den Heizstab 2 durch Isolierung 7 elektrisch isoliert ist. Der Anschluß der Wandung des Heizstabes 2 erfolgt über Anschluß 4 in Rohrform, wobei ein O-Ring 8 gegen den Innenpol 3 isoliert.

[0012] Der Körper 1 wird beispielsweise zusammen mit der Ionenstrommeßhülse 6 und dem rohrförmigen Außenpol 4 in einem Spritzgießwerkzeug fixiert, in dann das isolierende Kunststoffmaterial, beispielsweise ein geeignetes Harz oder Thermoplast, eingebracht wird, so daß dieses dann neben der mechanischen Fixierung die Isolierung 5 der Ionenstrommeßhülse 6 gegen den Körper 1 auch die Isolierung 5 der Ionenstrommeßhülse 6 gegen den rohrförmigen Außenpol 4 darstellt. Zu diesem Zweck ist die Ionenstrommeßhülse 6 perforiert, damit die Kunststoffmasse in alle Bereiche vordringen bzw. die eingeschlossene Luft entweichen kann. Zusätzlich ist der Heizstab 2 im Bereich der Kontaktfläche zur Ionenstrommeßhülse 6 beispielsweise keramisch beschichtet 7. Der Heizstab 2 kann dann über Einziehen, Reduzieren oder Rollen mit der Ionenstrommeßhülse 6 fest verbunden werden. Die Isolierung der Ionenstrommeßhülse 6 gegenüber dem Heizstab 2 ist durch die beispielsweise keramische Beschichtung 7 gewährleistet.

[0013] Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform wird in Figur 4 wiedergegeben, die der gemäß Figur 3 entspricht, wobei jedoch das rohrförmige Kontaktrohr 4 als Außenpol entfällt, und wobei die rohrförmige Heizstabwandung als Außenpol-Anschlußelement 9 aus dem Körper herausgeführt ist.

[0014] Figur 5 gibt eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform wieder, wobei eine teilweise, elektrisch isolierende keramische Beschichtung 7 auf dem aus dem Körper 1 austretende Bereich des Heizszabes 2 bis beispielsweise etwa 5 mm unterhalb von dessem Kopfende aufgebracht ist; dieser Kopfbereich, der den eigentlichen Zündbereich darstellt, kann durch Abdeckung während des Beschichtens von Beschichtung freigehalten werden. Hierdurch wird eine definierte Ionenstromelektrode im Kopfbereich des Heizstabes 2 ausgebildet, die zusammen mit der Gegenelektrode, die in der Regel die Masse des angeschlossenen Zylinderkopfes ist, ein definiertes elektrisches Feld ausbildet in dessen Einflußbereich der Ionenstrom erfaßt werden kann. Diese "Formung" des elektrischen Feldes kann durch die Anbringung zum Beispiel eines als Ring ausgebildeten Formkörpers 10, der am Kopf des Heizstabes 2 angebracht ist, unterstützt werden. Alternativ hierzu kann eine solche Aufformung auch als integrale Ausformung des vorderen Bereichs des Heizstabes 2 ausgebildet sein.

[0015] In Figur 6 wird eine neuartige Anschlußvariation, insbesondere für Glühkerzen gemäß Erfindung, wiedergegeben, bei der der Anschluß des Heizstabes 2 über ein Kontaktrohr 4 erfolgt, wobei dieses Kontaktrohr 4 in eine Aufbohrung des Endbereichs des Heizstabes 2 eingebracht ist; zum Abschluß des Innenraumes des Heizstabes 2 ist ein O-Ring 8 vorgesehen, der zusammen mit dem Kontaktrohr 4 im anschlußseitigen Endbereich des Heizstabes 2 eingesetzt bzw. einreduziert wird.

[0016] Bei einer anderen erfindungsgemäßen Gestaltung des Heizstabanschlusses gemäß Figur 7 ist ein Kontaktrohr 4, beispielsweise durch Impulsschweißen, konzentrisch auf der Stirnfläche des anschlußseitigen Endbereichs des Heizstabes 2 fixiert; zwischen Kontaktrohr 4 und Innenpol 3 ist die Isolierung 11 in Form eines Isolierrohrs oder einer Isoliermasse, beispielsweise MgO vorgesehen; der O-Ring 8 wiederum isoliert und fixiert den Innenpol 3 gegenüber dem Heizstab 2 und dichtet gleichzeitig den Innenraum des Heizstabes 2 ab.

[0017] Gemäß Figur 8 kann ein zwei- oder mehrpoiiger Stecker 12 über den mit einer Mutter 13 befestigten - bereits serienmäßig verbauten - Schraubanschluß 14 mit einer Glühkerze verbunden werden, bei der der Anschluß des Innenpols 3 wie ein konventioneller Innenpol mit Gewindeabschluß und der Anschluß des Heizstabes 2 als über den Körper 1 hinausragendes Metallrohr mit Bund ausgebildet ist.

[0018] Gemäß Figur 9 besitzt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze eine isolierende, hitzebeständige Schicht 7, beispielsweise aus Keramik, im Bereich des in den. Brennraum ragenden Teils des Heizstabes 2 und schließt bevorzugt an die Isolation 5 zwischen Heizstab 2 und Körper 1 an. Diese Schicht überdeckt jedoch die Heizstabspitze, beispielsweise über einen Bereich von etwa 5 bis 10 mm, soweit sie den eigentlichen Zündbereich bildet, nicht. Hierdurch wird erreicht, daß die Nebenschlußgefahr durch Verminderung oder Verhinderung von Rußbildung auf der temperaturbeständigen isolierenden Schicht 24 verhindert wird. Meßsignale, z.B. bezüglich des Ionenstroms können von dem nicht isolierten Spitzenbereich des Heizstabes 2, der den eigentlichen Zündbereich bildet, über den Zylinderkopf genommen werden; in diesem Bereich wird der Ruß infolge der Umgebungstemperatur oder der Heizstabtemperatur beim Glühbetrieb abgebrannt.

[0019] In entsprechender Weise wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 9 ist bei einer anderen Ausführungsform gemäß Figur 10 anstelle der Keramikschicht eine katalytische Schicht 20 aufgebracht, die das Abbrennen der Rußschicht in diesem Heizstabbereich geringerer Temperatur katalysiert; geeignete Bestandteile einer solchen katalytischen Schicht 20 können Platin oder Palladium oder deren hitzebeständige Verbindungen oder Legierungen sein.

[0020] Eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß Figur 11 weist eine erfindungsgemäße Glühkerze auf, wobei die Kerze in einem Zylinderkopf 22 aus Keramik oder einem anderen isolierenden temperaturbeständigen Material angeordnet ist und wobei der Ionenstrom beispielsweise zwischen Heizstab 2 und Injektor 23 gemessen werden kann.

[0021] Die erfindungsgemäßen Vorteile bestehen in den einfachen Fertigungsverfahren, die zur Massenproduktion geeignet und in die bisher übliche Fertigung integrierbar sind; die erfindungsgemäßen Glühkerzen zeichnen sich durch geringe Form- und Lagerabweichungen der Bauteile, insbesondere des Innenpols aus, wobei die verschiedenen Bauteile und Baustoffe wie abdichtende Bauteile und Isoliermassen den unterschiedlichen Betriebstemperaturen des jeweiligen Glühkerzenbereichs angepaßt werden können; gleichzeitig stellen die erfindungsgemäßen Glühkerzen in ihrem brennraumseitigen Bereich eine unempfindliche, großflächige Elektrode zur Verfügung, wobei genauere und zuverlässigere Ionenstrommeßsignale erzielbar sind. Gleichzeitig erlauben die rohrförmig ausgebildeten Coaxialverbindungen einfache Anschlüsse, insbesondere des Innenpols.

Ansprüche

1. Glühkerze mit einem Heizstab, in den ein Innenpol, verbunden mit Heiz- und ggf. Regelelementen, führt, und einem Außenpol, wobei der Außenpol die Wandung des von anliegenden Bauteilen des Kerzenkörpers elektrisch isolierten Heizstabes (2) ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial besteht.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Isolierung (5) im Preßsitzbereich zwischen Körper (1) und Heizstab (2) in Form einer Beschichtung aus elektrisch isolierendem Kunststoff auf dem Heizstab (2) oder auf der am Heizstab (2) anliegenden Bohrungswandung des Körpers (1) ausgebildet ist.

3. Glühkerze nach Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im anschlußseitigen Bereich der elektrische Anschluß an die Wandung des Heizstabes (2) durch einen Rohrabschnitt (4) als Kontaktrohr erfolgt, dessen eines Ende in einer angepaßten Ausbohrung im Endbereich der Heizstabwandung angeordnet ist, wobei ein O-Ring (8) den Innenraum des Heizstab (2) abdichtet und gleichzeitig das Kontaktrohr (4) gegen den Innenpol (3) elektrisch isoliert.

4. Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im anschlußseitigen Endbereich des Heizstabes (2) ein Kontaktrohr (4) beispielsweise durch Punktschweißung fixiert ist, das gegenüber den sich durch das Kontaktrohr erstreckenden Innenpol durch eingebrachtes elektrisch isolierendes Material (11) elektrisch isoliert ist, wobei ggf. ein O-Ring (8) zur Abdichtung des Innenraumes des Heizstabes (2) und zur elektrisch isolierenden Positionierung des Innenpols (3) vorgesehen ist.

5. Glühkerze nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine separate Ionenstrommeßhülse (6) konzentrisch um den in den Brennraum ragenden Bereich des Heizstabes (2) vorgesehen ist, die sowohl gegen den Körper (1) als auch gegen den Heizstab (2) isoliert ist, wobei bevorzugt die Isolierung gegen den Heizstab (2) auf dem Anlagebereich der Ionenstrommeßhülse (6) am Heizstab (2) als Beschichtung aus hitzebeständigem, elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial oder Keramik ausgebildet ist.

6. Glühkerze nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Brennraum ragende Bereich des Heizstabes (2), ausschließlich der Heizstabspitze als Zündbereich, mit einem hitzbeständigen elektrisch isolierenden Kunststoff- oder Keramikmaterial (7), beschichtet ist.

7. Glühkerze nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Brennraum ragende Bereich des Heizstabes (2) ausschließlich der Heizstabspitze als Zündbereich, mit einer Schicht (20) versehen ist, die katalytisches Material zur Verhinderung der Bildung einer Rußschicht enthält oder daraus besteht.

8. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit isoliertem Heizstab, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstab (2) mit einem Körper (1) durch Umspritzen mit elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial verbunden wird.

9. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit isoliertem Heizstab, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizstab (2) in einem vorgefertigten Kunststoffkörper (1) eingepreßt wird.

10. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit isoliertem Heizstab, dadurch gekennzeichnet, daß man in den Ringspalt zwischen Heizstab (2) und Körper (1) aus Metall elektrisch isolierenden Kunststoff einbringt.

11. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit isoliertem Heizstab nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß man den Kunststoff flüssig oder pulverförmig einbringt und aushärtet.

12. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit isoliertem Heizstab nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man den Anschluß zum Glühkerzenkörper durch ein Kontaktrohr (4) herstellt, das mit einem zwischenliegenden O-Ring (8) am Innenpol (3) anliegt.

13. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit isoliertem Heizstab nach Anspruche 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung zwischen Innenpol (3) und Körper (1) im anschlußseitigen Bereich durch O-Ring (8) erfolgt, während man das Kontaktrohr (4) am anschlußseitigen Endbereich des Körpers (1) durch beispielsweise Impulsschweißen fixiert und zwischen Kontaktrohr (4) und Innenpol (3) eine Isolierung (11) in Form eines O-Rings oder einer Isoliermasse, wie MgO, einbringt.

Zeichnung