Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine.
Speziell betrifft die Erfindung eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Vor-, Wirbel-
oder Brennkammer einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine.
[0002] Aus der
DE 102 48 802 A1 ist eine Glühstiftkerze bekannt. Die bekannte Glühstiftkerze weist ein Kerzengehäuse
auf, an das eine Anschlussvorrichtung für einen Glühstrom anschließbar ist. Ferner
ist ein Glührohr vorgesehen, das teilweise aus dem Kerzengehäuse ragt. Innerhalb des
Glührohrs sind eine Regelwendel und eine Heizwendel angeordnet. Durch Zuführen des
Glühstroms über die Anschlussvorrichtung wird ein Aufheizen der Heizwendel erreicht,
was ein Aufheizen des Glührohrs zur Folge hat.
[0003] Die aus der
DE 102 48 802 A1 bekannte Glühstiftkerze hat den Nachteil, dass sowohl die metallische Heizwendel
als auch die Regelwendel beschädigungs- und alterungsanfällig sind. Speziell begrenzt
die metallische Heizwendel die Maximaltemperatur und Lebensdauer der Glühstiftkerze,
wodurch der Einsatzbereich der bekannten Glühstiftkerze begrenzt ist.
Offenbarung der Erfindung
Vorteilhafte Wirkungen
[0004] Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass die Widerstandsfähigkeit gegenüber Beschädigungen und die Alterungsbeständigkeit
verbessert sind und gleichzeitig ein vorteilhaftes Aufheizverhalten gewährleistet
ist.
[0005] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen
der im Anspruch 1 angegebenen Glühstiftkerze möglich.
[0006] Vorteilhaft ist die Aufnahme des keramischen Heizelements durch die Aufnahmeelemente.
Die Aufnahmeelemente sind dabei vorzugsweise aus zumindest einem metallischen Werkstoff
gebildet. Die auftretenden Metall-/Keramikkontaktierungen erfolgen durch Zusammenstecken
der beiden metallischen Aufnahmeelemente mit dem keramischen Heizelement. Dabei wird
in vorteilhafter Weise jeweils eine gute Anpassung zwischen einem konusförmigen Abschnitt
des keramischen Heizelements und einer Kappe eines Aufnahmeelements erzielt, um eine
möglichst große Kontaktfläche und somit einen möglichst niedrigen Übergangswiderstand
auszubilden. Die dabei auftretenden Kontakte erfolgen vorzugsweise kraftschlüssig
und werden dauerhaft über die Längsachse der Glühstiftkerze durch Verpressung oder
mittels eines Federelements, insbesondere einer Feder, gehalten. Dadurch ist ein zuverlässiger
Betrieb der Glühstiftkerze gewährleistet. Ferner ist eine hohe Lebensdauer der Glühstiftkerze
ermöglicht.
[0007] In vorteilhafter Weise ist der Innenraum des Glührohrs gasdicht verschlossen. Der
Innenraum kann dabei mit einem Pulver, insbesondere einer Stopfpackung aus einem Magnesiumoxid,
aufgefüllt sein, um das keramische Heizelement sowie die Aufnahmeelemente gegenüber
dem elektrisch leitenden, metallischen Glührohr zu isolieren. Dabei ist es ferner
vorteilhaft, dass in dem Innenraum zumindest ein Opfermaterial vorgesehen ist, das
zum Binden von Wasser und/oder Sauerstoff dient. Selbst bei einer korrekten Montage
kann sich nach dem gasdichten Verschließen des Glührohrs noch eine Restmenge an Sauerstoff
und/oder Wasser in dem Innenraum befinden. Beispielsweise können die eingesetzten
Materialien Magnesiumoxid und Prozessgas eine Restmenge von Sauerstoff und/oder Wasser
abgeben beziehungsweise aufweisen, die nach der Montage in dem Innenraum, der sozusagen
eine Heizkammer darstellt, gefangen sind. Speziell in Verbindung mit den hohen auftretenden
Temperaturen kann es zu einer oxidativen oder hydrothermalen Schädigung der Kontaktierungen,
insbesondere zwischen dem keramischen Heizelement und den Aufnahmeelementen kommen,
welche eine Widerstandserhöhung im Bereich der Kontaktflächen und somit einen Ausfall
der Glühstiftkerze verursachen können. Das in dem Innenraum vorgesehene Opfermaterial
dient zum Binden von Wasser und/oder Sauerstoff, so dass dieses dauerhaft gebunden
ist, wodurch in dem Innenraum keine freien Wasser- und Sauerstoffgase mehr vorhanden
sind.
[0008] Die Ausgestaltung des Opfermaterials kann auf mehrere Arten erfolgen. Vorteilhaft
ist es, dass eine oder mehrere Opferschichten vorgesehen sind, die auf eine Innenwand
des Glührohrs und/oder die Aufnahmeelemente aufgebracht sind. Ferner können auch Opferkörner
und/oder ein Opfergries und/oder ein Opferpulver vorgesehen sein, die dem als Füllmittel
dienenden Magnesiumoxid und dergleichen beigemengt sind. Beispielsweise kann die Beimischungsmenge
0,1 Gewichtsprozent bis 5,0 Gewichtsprozent betragen. Die Korngröße kann beispielsweise
als d90, das heißt aus einem Bereich von 0,001 mm bis unter 1 mm, gewählt sein. Die
Schichtdicke einer Opferschicht kann beispielsweise aus einem Bereich von 1 µm bis
200 µm gewählt sein.
[0009] Vorteilhaft ist es, dass das Opfermaterial aus einem leicht oxidierbaren Metall oder
einer leicht oxidierbaren Metalllegierung gebildet ist. Als Metalle eignen sich zum
Beispiel Aluminium, Magnesium, Kalzium, Eisen, Zink und dergleichen. Dadurch ist eine
kostengünstige Lösung zur Herstellung eines Opfermaterials gegeben.
[0010] Vorteilhaft ist es, dass zumindest ein elektrisch leitendes Kontaktmittel zwischen
dem keramischen Heizelement und dem ersten Aufnahmeelement vorgesehen ist und/oder
dass zumindest ein elektrisch leitendes Kontaktmittel zwischen dem keramischen Heizelement
und dem zweiten Aufnahmeelement vorgesehen ist. Dadurch kann der Kontakt zwischen
dem keramischen Heizelement und dem jeweiligen Aufnahmeelement verbessert werden.
Ferner ist es vorteilhaft, dass zumindest eines der Kontaktmittel als Kontaktschicht
ausgebildet ist, die zumindest teilweise auf das Heizelement oder das Aufnahmeelement
aufgebracht ist. Dadurch kann die Oberfläche des Heizelements beziehungsweise des
jeweiligen Aufnahmeelements zuverlässig geschützt sein, wodurch insbesondere Korrosionen
verhindert oder reduziert sind und ein geringer Kontaktwiderstand ausgebildet ist.
Ferner kann zumindest ein Kontaktmittel als Kontaktpaste oder als Kontaktpulver ausgebildet
sein, wobei das Kontaktmittel zwischen dem Aufnahmeelement und dem Heizelement vorgesehen
ist. Vorteilhaft ist auch eine Kombination dieser Möglichkeiten, um erstens eine Oxidation
im Bereich des keramischen Heizelements und der Aufnahmeelemente zu verhindern und
zweitens einen zuverlässigen elektrischen Kontakt mit einem niedrigen Widerstand aufrechtzuerhalten.
[0011] Vorteilhaft ist es auch, dass das keramische Heizelement einen Abschnitt, insbesondere
einen mittleren Abschnitt, aufweist, in dem ein verringerter Querschnitt vorgesehen
ist, um ein Aufheizen des Heizelements hauptsächlich in diesem Abschnitt zu erzielen.
Dadurch wird die Maximaltemperatur in diesem Abschnitt erreicht, wodurch eine gewisse
Verringerung der thermischen Belastung im Bereich der Kontaktstellen erzielt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0012] Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung
anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden
Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze in einer
schematischen, axialen Schnittdarstellung und
Fig. 2 den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
[0013] Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Glühstiftkerze 1 in einer axialen
Schnittdarstellung. Die Glühstiftkerze 1 kann insbesondere als Glühstiftkerze 1 für
eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine ausgestaltet sein. Die Glühstiftkerze
1 weist ein metallisches Glührohr 2 auf, das bei Vor- und Wirbelkammermotoren in die
Kammer der Brennkraftmaschine und bei Motoren mit Direkteinspritzung in eine Brennkammer
des Motors ragt. Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze 1 eignet sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
[0014] Die Glühstiftkerze 1 weist ein metallisches Gehäuse 3 auf, das unter anderem eine
konzentrische Durchgangsbohrung umfasst. Das metallische Glührohr 2 ist teilweise
innerhalb der konzentrischen Durchgangsbohrung des Gehäuses 3 angeordnet und ragt
an einer kammerseitigen Öffnung 4 teilweise aus dem Gehäuse. Das Gehäuse 3 weist außerdem
ein Außengewinde 5 auf, das zum Einschrauben der Glühstiftkerze 1 in eine Bohrung
der Brennkraftmaschine dient, wobei das Gehäuse 3 im montierten Zustand der Glühstiftkerze
1 über dem Motorblock mit elektrischer Masse verbunden ist. Es sind auch andere Verbindungsmöglichkeiten
zum Verbinden der Glühstiftkerze 1 mit elektrischer Masse möglich.
[0015] Durch einen metallischen Anschlussbolzen 6, der zumindest teilweise innerhalb des
Gehäuses 3 angeordnet ist, ist eine Glühstromleitung 6 gebildet, die an einem kammerfernen
Ende 7 mit einem Anschlusselement 8 verbunden ist, das zum Anschließen eines Kontaktsteckers
oder dergleichen dient. Zwischen dem Anschlussbolzen 6 und dem Gehäuse 3 ist ein elektrisch
isolierendes Isolierelement 9 vorgesehen, das die Glühstromleitung 6 gegenüber dem
Gehäuse 3 elektrisch isoliert, um einen Kurzschluss zu verhindern. Ferner ist das
metallische Glührohr 2 mittels eines Dichtelements 10 mit dem metallischen Anschlussbolzen
6 verbunden, wobei das Dichtelement 10 das metallische Glührohr 2 gegenüber dem metallischen
Anschlussbolzen 6 elektrisch isoliert. Das Dichtelement 10 kann beispielsweise aus
Viton gebildet sein und als ringförmiges Dichtelement 10 ausgestaltet sein.
[0016] In dem Glührohr 2 ist ein Innenraum 11 ausgebildet, der durch das Dichtelement 10
verschlossen und somit abgedichtet ist. Der metallische Anschlussbolzen 6 erstreckt
sich teilweise in den Innenraum 11, wobei das Dichtelement 10 den Anschlussbolzen
6 abschnittsweise umschließt. Das Dichtelement 10 ist vorzugsweise als Dichtring 10
ausgestaltet und aus Viton, Teflon oder Bornitrid gebildet.
[0017] In dem Innenraum 11 sind ein erstes Aufnahmeelement 15 und ein zweites Aufnahmeelement
16 angeordnet. Das erste Aufnahmeelement 15 ist dabei an einem kammerseitigen Ende
17 der Glühstiftkerze 1 mit dem metallischen Glührohr 2 durch Schweißen verbunden.
Ferner ist das zweite Aufnahmeelement 16 mit dem metallischen Anschlussbolzen 6 verbunden,
wobei es in eine Bohrung des metallischen Anschlussbolzens 6 eingepresst sein kann.
[0018] Die Aufnahmeelemente 15, 16 nehmen ein keramisches Heizelement 18 auf, das ebenfalls
in dem Innenraum 11 angeordnet ist. Das erste Aufnahmeelement 15 verbindet das keramische
Heizelement 18 mit dem Glührohr 2. Das zweite Aufnahmeelement 16 verbindet das keramische
Heizelement 18 mit dem metallischen Anschlussbolzen 6. Somit ist das keramische Heizelement
einerseits mittels des ersten Aufnahmeelements 15 elektrisch mit dem Glührohr 2 und
andererseits mittels des zweiten Aufnahmeelements 16 elektrisch mit dem metallischen
Anschlussbolzen 6 und somit dem Anschlusselement 8 kontaktiert. Der Innenraum 11 ist
zumindest im Wesentlichen mit einer Stopfpackung aus einem Pulver, beispielsweise
einem Pulver aus Magnesiumoxid, aufgefüllt, um einen Wärmetransport von dem keramischen
Heizelement 18 zu dem metallischen Glührohr 2 zu ermöglichen. Ferner können noch ein
oder mehrere Opfermaterialien in dem Innenraum 11 vorgesehen sein, wie es anhand der
Fig. 2 im Detail beschrieben ist.
[0019] Das keramische Heizelement 18 kann einen mittleren Abschnitt 19 aufweisen, an dem
das keramische Heizelement 18 weder mit dem ersten Aufnahmeelement 15 noch mit dem
zweiten Aufnahmeelement 16 verbunden ist. Im dem mittleren Abschnitt 19 weist das
keramische Heizelement 18 zumindest eine Glühstelle 20 mit einem verringerten Querschnitt
auf, an der im Betrieb der Glühstiftkerze 1 eine besonders hohe Aufheizung erzielt
wird.
[0020] Durch Anlegen einer Spannung an das Anschlusselement 8 gegenüber der elektrischen
Masse, mit der das metallische Gehäuse 3 verbunden ist, wird ein Glühstrom erzeugt,
der unter anderem durch das keramische Heizelement 18 fließt. Dadurch kommt es zu
einer Aufheizung des keramischen Heizelements 18. Die dabei erzeugte Wärme wird über
das Pulver aus Magnesiumoxid, mit dem der Innenraum 11 aufgefüllt ist, an das metallische
Glührohr 2 geleitet, so dass es zur Aufheizung des metallischen Glührohrs 2 kommt.
[0021] Fig. 2 zeigt den Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze 1 gemäß
einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer axialen Schnittdarstellung. In diesem Ausführungsbeispiel
wird das keramische Heizelement 18 von den Aufnahmeelementen 15, 16 gehalten, wobei
das keramische Heizelement 18 in die Aufnahmeelemente 15, 16 eingesteckt ist. Ferner
wird das zweite Aufnahmeelement 16 von einem als Feder ausgebildeten Federelement
21 mit einer Federkraft beaufschlagt, so dass ein zuverlässiger elektrischer Kontakt
zwischen dem ersten Aufnahmeelement 15 und dem keramischen Heizelement 18 sowie dem
zweiten Aufnahmeelement 16 und dem keramischen Heizelement 18 gewährleistet ist.
[0022] Der Innenraum 11 ist im Wesentlichen mit einer Stopfpackung aus einem Magnesiumoxid
aufgefüllt. Allerdings befindet sich in dem Innenraum 11 nach dem Verschließen in
der Regel noch Wasser und/oder Sauerstoff, die beim Betrieb der Glühstiftkerze 1,
wenn sich das keramische Heizelement 18 aufheizt, zu Korrosionen, insbesondere im
Bereich der Kontaktstelle zwischen dem keramischen Heizelement 18 und dem ersten Aufnahmeelement
15 beziehungsweise dem zweiten Aufnahmeelement 16, führen können. Um solche Korrosionen
zu verhindern oder zumindest zu verringern, sind in den Innenraum 11 außerdem ein
oder mehrere Opfermaterialien eingebracht, die zum Binden von Wasser und/oder Sauerstoff
dienen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Innenwand 22 des metallischen
Glührohrs 2 mit einer Opferschicht 23 beschichtet, die aus einem Opfermaterial gebildet
ist. Als Opfermaterial kommen speziell elementare Metalle oder Legierungen aus leicht
oxidierbaren Metallen, zum Beispiel aus Aluminium, Magnesium, Kalzium, Eisen, Zink
und dergleichen, zum Einsatz. Auf diese Weise können die Reste an Wasser und/oder
Sauerstoff mittels des Opfermaterials chemisch gebunden werden, so dass diese aus
dem Innenraum 11 entfernt sind. Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Beschichtung
des ersten Aufnahmeelements 15 und/oder eine Beschichtung des zweiten Aufnahmeelements
16 vorgesehen sein, wie es durch die Opferschichten 24, 25 veranschaulicht ist.
[0023] Alternativ oder zusätzlich können außerdem ein oder mehrere Opferkörner und/oder
ein Opfergries und/oder ein Opferpulver enthalten sein, die jeweils aus zumindest
einem Opfermaterial gebildet sind. Zur Veranschaulichung sind in der Fig. 2 Opferkörner
dargestellt, von denen ein Opferkorn 30 exemplarisch gekennzeichnet ist. Ein Opfergries
oder ein Opferpulver ist vorzugsweise der Stopfpackung aus Magnesiumoxid oder dergleichen
zugemischt. Entsprechend sind die Opferkörner 30 vorzugsweise in das Pulver aus Magnesiumoxid
eingebettet. Im Betrieb der Glühstiftkerze 1 ermöglicht das in Gestalt des Opferkorns
30, des Opfergrieses oder des Opferpulvers vorgesehene Opfermaterial ebenfalls eine
dauerhafte chemische Bindung von Wasser oder Sauerstoff.
[0024] Das keramische Heizelement 18 weist den mittleren Abschnitt 19 und an den mittleren
Abschnitt 19 angrenzende konische Endabschnitte 31, 32 auf. Die konischen Endabschnitte
31, 32 dienen zum Verbinden des keramischen Heizelements 18 einerseits mit dem ersten
Aufnahmeelement 15 und andererseits mit dem zweiten Aufnahmeelement 16. Dabei sind
die konischen Endabschnitte 31, 32 zumindest teilweise mit jeweils zumindest einer
Kontaktschicht 33, 34 beschichtet, um einen zuverlässigen elektrischen Kontakt mit
den zugeordneten Aufnahmeelementen 15, 16 zu ermöglichen. Entsprechend können auch
die Aufnahmeelemente 15, 16 zusätzlich oder alternativ teilweise an einer Kontaktfläche
35 beziehungsweise an einer Kontaktfläche 36 mit einer Kontaktschicht beschichtet
sein, um den elektrischen Kontakt zwischen dem keramischen Heizelement 18 und dem
jeweiligen Aufnahmeelement 15, 16 zu verbessern. Durch die Kontaktschichten 33, 34
wird außerdem eine Korrosion des keramischen Heizelements 18 im Bereich seiner Oberfläche
verhindert. Entsprechend wird eine Korrosion der Kontaktflächen 35, 36 der Aufnahmeelemente
15, 16 durch die Beschichtung der Kontaktflächen 35, 36 verhindert.
[0025] Alternativ oder zusätzlich kann zur Verbesserung des elektrischen Kontaktes zwischen
dem keramischen Heizelement 18 und den Aufnahmeelementen 15, 16 auch jeweils eine
Kontaktpaste 37, 38 oder ein Kontaktpulver 37, 38 zwischen dem keramischen Heizelement
18 und dem jeweiligen Aufnahmeelement 15, 16 vorgesehen sein.
[0026] Die Kontaktschichten 33, 34, die auf das keramische Heizelement 18 aufgebracht sind,
die Beschichtung der Kontaktflächen 35, 36, die an den Aufnahmeelementen 15, 16 vorgesehen
sind, sowie die Kontaktpaste oder das Kontaktpulver 37, 38, die zwischen dem keramischen
Heizelement und dem jeweiligen Aufnahmeelement 15, 16 vorgesehen sind, stellen vorteilhafte
Ausgestaltungen elektrisch leitender Kontaktmittel dar, die zwischen dem keramischen
Heizelement 18 und dem ersten Aufnahmeelement 15 beziehungsweise dem zweiten Aufnahmeelement
16 vorgesehen sein können, um einen zuverlässigen, dauerhaften elektrischen Kontakt
zwischen dem keramischen Heizelement 18 und den beiden Aufnahmeelementen 15, 16 zu
gewährleisten.
[0027] Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispielen beschränkt.
1. Glühstiftkerze (1) zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine mit einem
Gehäuse (3) und einem metallischen Glührohr (2), das teilweise aus dem Gehäuse (3)
ragt,
dadurch gekennzeichnet,
dass in einem Innenraum (11) des Glührohrs (2) ein keramisches Heizelement (18) angeordnet
ist, das einerseits mittels eines ersten Aufnahmeelements (15) zumindest mittelbar
mit dem Glührohr (2) und andererseits mittels eines zweiten Aufnahmeelements (16)
zumindest mittelbar mit einer Glühstromleitung (6) verbunden ist.
2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Innenraum (11) des Glührohrs (2) gasdicht verschlossen ist.
3. Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Innenraum (11) zumindest ein Opfermaterial vorgesehen ist, das zum Binden
von Wasser und/oder Sauerstoff dient.
4. Glühstiftkerze nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Innenraum (11) zumindest eine Opferschicht (23, 24, 25) vorgesehen ist, die
zumindest teilweise auf eine Innenwand (22) des Glührohrs (2) und/oder teilweise auf
das erste Aufnahmeelement (15) und/oder auf das zweite Aufnahmeelement (16) aufgebracht
ist, und dass die Opferschicht (23, 24, 25) aus zumindest einem Opfermaterial gebildet
ist.
5. Glühstiftkerze nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Innenraum (11) zumindest ein Opferkorn (30) und/oder zumindest ein Opfergries
und/oder ein Opferpulver vorgesehen sind, die aus zumindest einem Opfermaterial gebildet
sind.
6. Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Opfermaterial aus einem leicht oxidierbaren Metall oder einer leicht oxidierbaren
Metalllegierung gebildet ist.
7. Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest ein elektrisch leitendes Kontaktmittel (33, 34, 35, 36, 37, 38) zwischen
dem keramischen Heizelement (18) und dem ersten Aufnahmeelement (15) beziehungsweise
dem zweiten Aufnahmeelement (16) vorgesehen ist.
8. Glühstiftkerze nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktmittel als Kontaktschicht (33, 34, 35, 36) ausgebildet ist, die zumindest
teilweise auf das Heizelement (18) oder das Aufnahmeelement (15; 16) aufgebracht ist.
9. Glühstiftkerze nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktmittel als Kontaktpaste (35, 38) oder Kontaktpulver ausgebildet ist.
10. Glühstiftkerze nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass das keramische Heizelement (18) einen Abschnitt (19), insbesondere einen mittleren
Abschnitt (19), aufweist, an dem das keramische Heizelement (18) weder mit dem ersten
Aufnahmeelement (15) noch mit dem zweiten Aufnahmeelement (16) verbunden ist, und
dass das keramische Heizelement (18) in dem Abschnitt (19) zumindest eine Glühstelle
(20) mit einem verringerten Querschnitt aufweist.