Die Erfindung geht von einer elektrisch beheizbaren Glühkerze und einem Verfahren zur Herstellung einer elektrisch beheizbaren Glühkerze aus.

Aus der DE 19928037 C1 ist bereits eine elektrisch beheizbare Glühkerze für Verbrennungsmotoren bekannt, die ein endseitig geschlossenes, korrosionsbeständiges Glührohr umfaßt, das eine Füllung aus einem elektrisch nicht leitenden verdichteten Pulver aufnimmt, in die eine elektrisch leitende Wendel eingebettet ist. Die Wendel umfaßt eine Heizwendel. Diese ist aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung gebildet. Im Bereich der Heizwendel wird die elektrisch leitende Wendel an ihrer Oberfläche gehärtet. Dadurch kann die Wendel die mechanische Beanspruchung während des Verdichtungsvorgangs ohne Vorschädigung überstehen.

Aus der DE 19756988 C1 ist eine elektrisch beheizbare Glühkerze für Verbrennungsmotoren bekannt, die einen Glühstift aus einem korrosionsbeständigen Metallmantel umfaßt. Im Glühstift ist eine verdichtete Pulverfüllung enthalten. In die Füllung ist eine elektrisch leitende Wendel eingebettet. Zur Erhöhung der Lebensdauer der Wendel ist in dem Glühstift ein Gettermaterial zum Binden des in der verdichteten Pulverfüllung enthaltenen Sauerstoffs vorgesehen. Das Gettermaterial kann in Form elektrisch nicht leitender Partikel in der verdichteten Pulverfüllung verteilt sein. Diese können aus Silizium oder Metalloxiden solcher Metalle bestehen, die in mehreren Oxidationsstufen oxidieren und eine höhere Affinität zu Sauerstoff haben als der Wendelwerkstoff, wobei das Gettermaterial im Ausgangszustand die Metalloxide in ihrer ersten Oxidationsstufe enthalten.

Aus der EP 0079385 A1 ist ein Heizelement bekannt, bei dem eine Wendel in einer Hülse angeordnet und in ein elektrisch isolierendes Pulver eingebettet ist. Das Pulver umfaßt 0,1 bis 10 Gewichtsprozent eines Oxides und verhindert dadurch die Oxidation des metallischen Anteils der Wendel.

Die elektrisch beheizbare Glühkerze und das Verfahren zur Herstellung einer elektrisch beheizbaren Glühkerze mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben dem gegenüber den Vorteil, daß im Glührohr Sauerstoffdonatoren vorgesehen sind, um vor oder bei der Beheizung der Heizwendel eine Aluminiumoxidschicht an der Oberfläche der Heizwendel zu bilden. Auf diese Weise wird im Falle eines Eindringens von Luft in das Glührohr die Bildung von Nitriden in den Randschichten der Heizwendel und damit ein lokaler Anstieg des elektrischen Widerstands und ein frühzeitiges Versagen der Heizwendel verhindert.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein Ausdampfen von Aluminium aus der Legierung weitgehend unterdrückt werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der elektrisch beheizbaren Glühkerze und des Verfahrens zur Herstellung einer elektrisch beheizbaren Glühkerze gemäß den unabhängigen Ansprüchen möglich.

Eine wenig aufwendige Realisierung der Zufuhr von Sauerstoffdonatoren ergibt sich, wenn die Heizwendel im Glührohr in ein erstes Isolierpulver eingebettet ist, wobei das erste Isolierpulver ein als Sauerstoffdonator wirkendes Material umfaßt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Sauerstoffdonator als Metalloxyd ausgebildet ist, daß in mehreren Oxydationsstufen oxydieren kann und in seiner höchsten Oxydationsstufe vorliegt. Auf diese Weise wird die Sauerstoffabgabe des Metalloxyds erheblich begünstigt.

Entsprechendes gilt, wenn das oxydische Keramikpuler ein Metalloxyd umfaßt, das unter reduzierenden Bedingungen Sauerstoff durch Defektbildung abgeben kann.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Sauerstoffdonatoren in Form von Sauerstoffmolekülen unter Druck in das Glührohr eingebracht sind. Auf diese Weise kann durch den Druck die Sauerstoffkonzentration im Glührohr erhöht werden und durch die Sauerstoffmoleküle eine Oxydation an der Heizwendeloberfläche zur Bildung von Aluminiumoxyd realisiert werden, ohne das dazu eine Erwärmung der Heizwendel durch einen Heizstrom erforderlich ist. Somit kann die Heizwendel bereits vor dem ersten Betrieb, also vor dem ersten Beheizen durch einen Heizstrom durch eine Oyxdschicht vor Nitridation geschützt werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine sich an die Heizwendel anschließende Regelwendel in ein zweites Isolierpulver eingebettet wird, das möglichst frei von Sauerstoffdonatoren ist und/oder Gettermaterial zum Binden von Sauerstoff umfasst. Somit kann für die Regelwendel ein Material verwendet werden, das keine schützende Oxydschicht unter dem Einfluß von Sauerstoffdonatoren bildet, wie dies beispielsweise bei Kobalt-Eisen-Legierungen der Fall ist. Eine Korrosion der Regelwendel kann somit durch Verwendung des zweiten Isolierpulvers, das möglichst frei von Sauerstoffdonatoren ist, verhindert oder zumindest wesentlich verzögert werden.
Bei der Verwendung von Gettermaterial im zweiten Isolierpulver können störende Sauerstoffmoleküle im Bereich der Regelwendel gebunden werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrisch beheizbaren Glühkerze und Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrisch beheizbaren Glühkerze.

In Figur 1 kennzeichnet 1 eine als Glühstiftkerze ausgebildete Glühkerze für einen Verbrennungsmotor. Die Glühstiftkerze 1 umfaßt ein Kerzengehäuse 40 mit einem Gewinde 45 zum Einschrauben in einen Zylinderkopf des Verbrennungsmotors. Das Kerzengehäuse 40 umfaßt weiterhin einen Sechskant 50, über den die Glühstiftkerze bzw. das Kerzengehäuse 40 mittels eines Verdrehwerkzeugs, beispielsweise eines Sechskantschlüssels, in den Zylinderkopf eingeschraubt oder aus dem Zylinderkopf ausgeschraubt werden kann. In das Kerzengehäuse 40, das rohrförmig ausgebildet ist, ist ein Glührohr 5 eingepreßt und ragt brennraumseitig, d.h. an dem dem Sechskant 50 gegenüberliegenden Ende des Kerzengehäuses 40 aus dem Kerzengehäuse 40 heraus. Das Glührohr 5 ist brennraumseitig an seinem Ende geschlossen. In einem Bereich 20 bei der so gebildeten brennraumseitigen Spitze 55 des Glührohrs 5 kann der Querschnitt des Glührohrs 5 wie in diesem Beispiel reduziert sein. Eine Reduzierung dieses Querschnitts ist aber nicht unbedingt erforderlich. Die Glühstiftkerze 1 ragt lediglich mit dem Bereich 20 reduzierten Querschnitts in den Brennraum hinein. Im Bereich 20 reduzierten Querschnitts umfaßt das Glührohr 5 eine Heizwendel 10, die mit der brennraumseitigen Spitze 55 des Glührohrs 5 verschweißt ist. An die Heizwendel 10 schließt sich eine Regelwendel 60 an, die in dem Bereich des Glührohrs 5 angeordnet ist, dessen Querschnitt nicht reduziert ist. Am brennraumfernen Ende des Glührohrs 5 kontaktiert die Regelwendel 60 einen Anschlußbolzen 65, der mit dem Pluspol einer Fahrzeugbatterie verbindbar ist. In Richtung zur brennraumfernen Öffnung des Kerzengehäuses 40 ist das Glührohr 5 noch innerhalb des Kerzengehäuses 40 durch einen Vitonring 70 gegen Umwelteinflüsse abgedichtet. Ein weiterer Dichtring 75 dichtet den brennraumfernen aus dem Kerzengehäuse 40 herausragenden Anschlußbolzen 65 gegen das Kerzengehäuse 40 ab. Eine sich an den Dichtring 75 brennraumfern anschließende Isolierscheibe 80 dient der elektrischen Isolierung des Anschlußbolzens 65 vom Kerzengehäuse 40 und isoliert somit den Anschlußbolzen 65 elektrisch vom Kerzengehäuse 40, dessen elektrisches Potential auf Fahrzeugmasse liegt. Eine Ringmutter 85 drückt die Isolierscheibe 80 auf das Kerzengehäuse 40 und den Dichtring 75 in das Kerzengehäuse 40.

Das Glührohr 5 ist metallisch ausgebildet und liegt aufgrund des Einpressens in das Kerzengehäuses 40 ebenfalls mit seinem elektrischen Potential auf der Fahrzeugmasse. Die Heizwendel 10 ist mit der Regelwendel 60 an einem Verbindungspunkt 90 verschweißt.

Die Funktion des Vitonrings 70 ist von erheblicher Bedeutung, da er aus einem weichen, isolierenden Material besteht und somit den Anschlußbolzen 65 an seinem in das Glührohr 5 zur Kontaktierung der Regelwendel 60 hineinragenden Ende nicht nur elektrisch isolierend gegen das Kerzengehäuse 40 abdichtet, sondern auch das Eindringen von Luft in das brennraumfern geöffnete Glührohr 5 verhindert. Diese Abdichtung sollte möglichst zuverlässig sein.

Die Heizwendel 10 besteht beispielsweise aus einem ferritischen Stahl mit Aluminiumanteil, beispielsweise aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung. Die Regelwendel kann beispielsweise aus reinem Nickel oder einer Kobalt-EisenLegierung mit einem Anteil von 6-18 Gewichtsprozent Kobalt gebildet sein und besitzt die Funktion eines Regelwiderstandes mit positivem Temperaturkoeffizienten.

Weiterhin ist im Glührohr 5 eine elektrisch isolierende und nach Hämmern des Glührohrs 5 verdichtete Pulverfüllung 25,30 vorgesehen, die dafür sorgt, dass die Heizwendel 10 und die Regelwendel 60 im Innern des Glührohrs 5 ortsfest untergebracht und fixiert sowie gegen das Glührohr 5 ausserhalb der Spitze 55 des Glührohrs 5 elektrisch isoliert sind. Als Pulverfüllung wird im Allgemeinem Magnesiumoxid verwendet. Außerdem sorgt die Pulverfüllung für eine thermische Verbindung zwischen dem Glührohr 5 und der Heizwendel 10 bzw. der Regelwendel 60.

Die Legierung der Heizwendel 10 schützt sich normalerweise bei ausreichendem Sauerstoffangebot in kurzer Zeit durch die Ausbildung einer dünnen Al₂ O₃-Schicht gegen weitere Korrosion. Diese Voraussetzung ist jedoch bei der Glühstiftkerze 1 aufgrund eines in der Regel auftretenden anfänglichen Sauerstoffmangels nicht gegeben. Während der zyklischen thermischen Beanspruchung der Glühstiftkerze beim Einsatz im Zylinderkopf kann es trotz Dichtring 75 und Vitonring 70 zum Eindringen von Luft in das Glührohr 5 kommen. Dies führt zu einer gleichzeitigen Reaktion des Materials der Heizwendel 10 mit Sauerstoff und Stickstoff. Stickstoff führt im Gegensatz zu Sauerstoff, der in der Oberfläche der Heizwendel 10 eine schützende Aluminiumoxidschicht bildet, zu einer inneren Nitridation, d. h. zur Bildung von Aluminiumnitrid im Material der Heizwendel 10. Die Folge ist ein lokaler Anstieg des elektrischen Widerstandes der Heizwendel 10, der einen höheren Spannungsabfall und damit eine größere Erwärmung an der Heizwendel 10 zur Folge hat und zu einem frühzeitigen Versagen der Heizwendel 10 führen kann.

Aus diesem Grunde wird der Isolierpulverfüllung ein als Sauerstoffdonator wirkendes Material hinzugegeben, das bei hohen Temperaturen Sauerstoff abgibt und so die Bildung einer schützenden Aluminiumoxydschicht auf der Heizwendel 10 fördert. Dadurch wird im Falle eines Eindringends von Luft in das Glührohr 5 die Bildung von Nitriden in den Randschichten der Heizwendel 10 verhindert. Die Aluminiumoxidschicht wird dabei zumindest teilweise schon beim ersten Beheizen der Heizwendel 10 durch einen Heizstrom realisiert, bei dem Temperaturen von über 1000 Grad Celsius erreicht werden.

Wenn das Material der Regelwendel 60 keinen Aluminiumanteil und auch keinen Siliziumanteil wie in dem hier beschriebenen Beispiel aufweist, so bildet es mit dem von den Sauerstoffdonatoren abgegebenen Sauerstoff keine schützende Oxydschicht sondern korrodiert. Dies soll verhindert werden. Deshalb soll in diesem Fall das als Sauerstoffdonator wirkende Material der Isolierpulverfüllung nur im Bereich 20 bei der Spitze 55 des Glührohrs 5 hinzugegeben werden, in dem sich die Heizwendel 10 befindet. Das als Sauerstoffdonator wirkende Material sollte also nur im Bereich der Heizwendel 10 und nicht im Bereich der Regelwendel 60 vorliegen. Zu diesem Zweck wird bei der Montage der Glühstiftkerze 1 zunächst das Isolierpulver mit dem als Sauerstoffdonator wirkenden Material in das Glührohr 5 solange eingefüllt, bis die Heizwendel 10 möglichst vollständig darin eingebettet ist und die Regelwendel 60 auch nach einem Hämmern des Glührohrs 5 nicht mit dem als Sauerstoffdonator wirkenden Material in Berührung kommt. Die mit dem als Sauerstoffdonator wirkenden Material angereicherte Isolierpulverfüllung ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 25 gekennzeichnet und wird im Folgenden als erstes Isolierpulver bezeichnet. Das anschließend in das Glührohr 5 eingefüllte Isolierpulver, in das die Regelwendel 60 eingebettet ist, sollte in diesem Beispiel kein als Sauerstoffdonator wirkendes Material enthalten und beispielsweise aus reinem Magnesiumoxyd gebildet sein. Auf diese Weise wird die Oxydation nur im Bereich der Heizwendel 10 unterstützt, so dass sowohl eine Nitridation der Heizwendel 10 als auch eine Korrosion der Regelwendel 60 verhindert werden kann. Das Isolierpulver, das frei von als Sauerstoffdonator wirkenden Materialien ist, ist in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet und stellt ein zweites Isolierpulver dar. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Isolierpulver 30 ein Gettermaterial zum Binden von Sauerstoff wie z.B. Si, Ti, Al oder reduzierte Metalloxide, wie z.B. Fe0, Ti₂ O₃ umfassen. Bei elektrisch leitfähigem Gettermaterial wie z.B. Si, Ti, Al muß das zweite Isolierpulver 30 elektrisch isolierendes Material wie z.B. Mg0, in erheblich größerer Konzentration als das Gettermaterial enthalten.

Das als Sauerstoffdonator wirkende Material kann beispielsweise als oxidisches Keramikpulver ausgebildet sein. Dabei kann das Keramikpulver ein Metalloxyd eines Metalls sein, dass in mehreren Oxydationsstufen oxydieren kann. Um die Abgabe von Sauerstoff zu begünstigen, kann dieses Metalloxyd in einem Ausgangszustand in seiner höchsten Oxydationsstufe vorliegen. Dabei kann beispielsweise TiO₂ als Sauerstoffdonator Verwendung finden.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, als Sauerstoffdonator ein oxydisches Keramikpulver bzw. Metalloxyd zu verwenden, das unter reduzierenden Bedingungen, wie sie im Bereich 20 bei der Spitze 55 des Glührohrs 5 durch den Aluminiumanteil der Heizwendel 10 gegeben sind, Sauerstoff abgeben, so dass sich im Kristallgitter des betreffenden Metalloxyds ein Defekt durch fehlende Sauerstoffatome ergibt. Für einen solchen Sauerstoffdonator kann beispielsweise ZrO₂ gewählt werden.

Als ausreichend für die Einleitung der Oxydation an der Heizwendel 10 bei Erwärmung hat sich ein Gehalt des als Sauerstoffdonator wirkenden Materials im ersten Isolierpulver 25 in einem Bereich von bereits etwa 0,1 Gewichtsprozent bis etwa 20 Gewichtsprozent ergeben, der restliche Anteil des ersten Isolierpulvers 25 kann beispielsweise durch Magnesiumoxyd gebildet sein.

In Figur 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühkerze dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen wie in Figur 1. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform nach Figur 1 umfasst das Glührohr 5 bei der zweiten Ausführungsform nach Figur 2 keine Regelwendel sondern ein vor Oxidation geschütztes elektronisches Regelelement 95, das beispielsweise einen Temperatursensor und eine von der ermittelten Temperatur abhängige Tastung des der Heizwendel 10 zugeführten Stromes umfassen kann und hier nicht näher beschrieben werden soll. Auch kann auf eine Regelwendel oder ein Regelelement ganz verzichtet werden. Ausserdem ist an Stelle des ersten Isolierpulvers 25 und des zweiten Isolierpulvers 30 ein drittes Isolierpulver 15 im gesamten Bereich des Glührohrs 5 vorgesehen, dass aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus Magnesiumoxyd gebildet ist und frei von Sauerstoffdonatoren ist. Die Heizwendel 10 ist über das Regelelement 95 mit dem Anschlußbolzen 65 verbunden, wobei das Regelelement 95 auch möglichst brennraumfern angeordnet sein kann, um nicht zu stark erhitzt zu werden. Es kann nun vorgesehen sein, dass vor dem ersten Betrieb der Glühstiftkerze 1 in das Glührohr 5 eine Öffnung 35 gebohrt wird, wobei die Öffnung 35 ausserhalb des Bereichs 20 bei der Spitze 55 des Glührohrs 5 mit der Heizwendel 10 liegen sollte, da dieser Bereich aufgrund seiner Querschnittsreduzierung für eine Bohrung zu empfindlich sein könnte. Wenn jedoch im Bereich 20 bei der Spitze 55 des Glührohrs 5 keine Stabilitätsprobleme bestehen, so ist auch denkbar, die Bohrung 35 dort anzubringen, also direkt im Bereich der Heizwendel 10. Die Öffnung 35 wird dabei erst angebracht, nachdem die Heizwendel 10 und gegebenenfalls das Regelelement 95 in den Bereich 20 bei der Spitze 55 des Glührohrs 5 eingebracht und das Glührohr 5 mit dem dritten Isolierpulver 15 gefüllt wurde. Erst dann wird die Öffnung 35 in das Glührohr 5 gebohrt. Durch die Öffnung 35 werden dann Sauerstoffmoleküle unter Gasatmosphäre mit kontrolliertem Partialdruck in das Glührohr 5 eingebracht. Dieser Vorgang kann beispielsweise zwischen etwa einer Stunde und etwa 20 Stunden, wobei die Grenzen dieses Zeitbereichs auch jeweils nach oben oder unten verschoben sein können, andauern. Anschließend wird die durch die Bohrung gebildete Öffnung 35 wieder verschlossen. Das Verschließen kann beispielsweise durch Verschweissen erfolgen. Durch den kontrollierten Partialdruck wird die Sauerstoffkonzentration im Glührohr 5 erhöht. Je höher der Partialdruck ist, um so höher wird die Konzentration des Sauerstoffs im Glührohr 5. Durch die hohe Konzentration von Sauerstoff und vor allem durch das Vorliegen von reinen Sauerstoffmolekülen läßt sich eine Oxydation an der Oberfläche der Heizwendel 10 beschleunigen, so dass sich bereits vor oder bei dem ersten Betrieb der Glühstiftkerze 1 im Verbrennungsmotor eine Passivierung der Heizwendel 10 durch Bildung einer dünnen Al₂ O₃-Schicht an der Oberfläche der Heizwendel 10 in kurzer Zeit realisieren läßt, wobei die Al₂ O₃-Schicht eine Schutzfunktion ausübt und beim Fall eines Eindringens von geringen Mengen an Luft während des Betriebs der Glühstiftkerze die Bildung von Nitriden an der Heizwendel 10 verhindert. Auf diese Weise kann die Lebensdauer der Glühstiftkerze 1 erhöht werden. In diesem Fall geschieht dies durch Voroxydation der Heizwendel 10 vor der ersten Inbetriebnahme der Glühstiftkerze 1. Durch entsprechende Vorgabe des Partialdrucks zum Einbringen von Sauerstoff in das Glührohr 5 und bei entsprechender Vorgabe der Zeit, in der der Sauerstoff in das Glührohr 5 eingebracht wird, läßt sich eine in ihrer Zusammensetzung definierte Schutzschicht, in diesem Beispiel als Aluminiumoxydschicht ausgebildet, auf der Heizwendel 10 erzeugen.

Wenn sich der in das Glührohr 5 auf diese Weise eingebrachte Sauerstoff auch außerhalb des Bereichs mit der Heizwendel 10 im Glührohr 5 verteilt, ist die Verwendung einer oxydations- und korrosionsanfälligen Regelwendel beim zweiten Ausführungsbeispiel nicht empfehlenswert und die Verwendung eines oxydations- und korrosionsfesten Regelelementes, wie dies anhand des Regelelementes 95 beispielhaft beschrieben wurde, oder der Verzicht auf eine Regelwendel oder ein Regelelement vorzuziehen.