DE10014526B4 - Self-regulating quick heating rod glow plug - Google Patents

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Glühkerze für Dieselmotoren mit zwei in Reihe geschalteten, wendelförmigen Widerstandselementen, von denen das brennraumnahe Widerstandselement als Heizelement (2) und das brennraumferne Widerstandselement als Regelelement (3) dient, wobei das Heizelement (2) mit dem Regelelement (3) durch Schweißen verbunden ist und wobei das Regelelement (3), das aus einer Kobalt-Nickel-Legierung besteht, einen höheren positiven Temperaturfaktor des elektrischen Widerstands aufweist als das Heizelement (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß das Regelelement (3) einschließlich der Schweißstelle während aller Betriebszustände der Glühkerze eine kubisch flächenzentrierte Materialstruktur aufweist, und daß bei dem Regelelement (3) der Nickelgehalt teilweise durch Eisen ersetzt ist gemäß der Formel Coy (Nix F1-x)1-y mit y im Bereich 0,75 bis 0,60 und x > 0,25.Glow plug for diesel engines with two serially connected, helical resistance elements, of which the combustion chamber near resistance element as a heating element (2) and the combustion chamber remote resistance element as a control element (3), wherein the heating element (2) is connected to the control element (3) by welding and wherein the control element (3) consisting of a cobalt-nickel alloy has a higher positive temperature factor of electrical resistance than the heating element (2),
characterized,
that the control element (3) including the weld point during all operating states of the glow plug has a cubic surface-centered material structure, and that in the control element (3) the nickel content is partially replaced by iron according to the formula Co y (Ni x F 1-x ) 1- y with y in the range 0.75 to 0.60 and x> 0.25.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze für Dieselmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere eine selbstregelnde Schnellheizstabglühkerze.The The invention relates to a glow plug for diesel engines according to the preamble of claim 1, in particular a self-regulating Schnellheizstabglühkerze.

Selbstregelnde Glühstiftkerzen sind bekannt. Derartige Glühkerzen sind beispielsweise in DE 28 02 625 A1 , DE 38 25 012 A1 oder in EP 0 523 062 B1 beschrieben.Self-regulating glow plugs are known. Such glow plugs are for example in DE 28 02 625 A1 . DE 38 25 012 A1 or in EP 0 523 062 B1 described.

Der prinzipielle Aufbau derartiger Glühstiftkerzen ist beispielsweise in der Broschüre der Fa. Beru, Ludwigsburg, "Alles über Stabglühkerzen", Technische Information Nr. 04, Bestell-Nr. 5100 0060 01, 10.04.94, S. 6–9, beschrieben. Dieser Schrift ist zu entnehmen, daß ein um so besserer Selbstregelungseffekt erhalten wird, wenn man Materialien für die Regelwendel verwendet, deren spezifischer elektrischer Widerstand möglichst steil mit der Temperatur ansteigt, d. h. je höher der Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands, im Folgenden TKR genannt, ist.Of the basic structure of such glow plugs is, for example in the brochure the company Beru, Ludwigsburg, "Everything about stick glow plugs", Technical Information No. 04, order no. 5100 0060 01, 10.04.94, p. 6-9. This font it can be seen that a the better self-regulating effect is obtained when using materials for the Control coil used whose specific electrical resistance preferably rises steeply with temperature, d. H. the higher the temperature coefficient of the electrical resistance, hereinafter called TKR, is.

Neben dem aus der DE 28 02 625 A1 bekannten Reinnickel sind in der US 24 74 473 und in der EP 0 523 062 B1 Kobalt-Eisen Legierungen für die Abregelung des elektrischen Stroms vorgeschlagen worden. Kobalt-Eisen Legierungen eignen sich insbesondere für diesen Zweck, da diese einen besonders hohen Wert des TKR haben können. Dies geht beispielsweise aus Bild 1 der Firmenschrift der Fa. Vacuumschmelze GmbH, Hanau, "Vacon CF 25 Vacon CF 8" hervor. Ebenfalls für diesen Zweck sind in der EP 0 785 396 A1 Kobalt-Kupfer-Legierungen vorgeschlagen worden.Besides that from the DE 28 02 625 A1 known pure nickel are in the US 24 74 473 and in the EP 0 523 062 B1 Cobalt-iron alloys have been proposed for the regulation of electric current. Cobalt-iron alloys are particularly suitable for this purpose because they can have a particularly high TKR value. This is evident, for example, from FIG. 1 of the company brochure of the company Vacuumschmelze GmbH, Hanau, "Vacon CF 25 Vacon CF 8". Also for this purpose are in the EP 0 785 396 A1 Cobalt-copper alloys have been proposed.

Weiter ist aus der US 24 74 473 bekannt, daß Reineisen, obwohl es einen höheren Wert des TKR im Vergleich zum bekannten Reinnickel hat, für die Selbstabregelung des elektrischen Stroms nicht geeignet ist wegen des Auftretens der Alpha-Gamma-Umwandlung. Hier wird bei jedem Aufheizzyklus diese Umwandlung durchfahren, wobei es nach der Lehre der US 24 74 473 zu der Ausbildung von sog. "hot spots" kommt, was zum frühzeitigen Materialausfall führt. Aus demselben Grund haben sich die Kobalt- Eisen-Legierungen der Sorte Vacon CF 25, wie sie in der DE 38 25 012 A1 vorgeschlagen wurden, nicht bewährt. Diese Legierungen durchlaufen wie Reineisen ebenfalls eine Alpha-Gamma Umwandlung.Next is from the US 24 74 473 It is known that pure iron, although having a higher TKR value compared to the known pure nickel, is not suitable for the self-regulation of the electric current due to the occurrence of the alpha-gamma conversion. Here, at each heating cycle, this conversion is passed through, and it is according to the doctrine of US 24 74 473 This leads to the formation of so-called "hot spots", which leads to premature material failure. For the same reason, the Vacon CF 25 cobalt-iron alloys, as described in the DE 38 25 012 A1 have not been proven. Like pure iron, these alloys also undergo alpha-gamma conversion.

Bei Verwendung von Kobalt-Eisen-Legierungen mit 6–18 Gew.-% Eisen, die – wie aus J. Jap. Inst. Metals, 42 (1978), S. 256–260, hervorgeht – eine kubisch – flächenzentrierte, im Folgenden „kfz" genannt, Materialstruktur haben, tritt beim Zusammenschweißen dieser Kobalt-Eisen-Legierungen mit der bekannten Heizleiterlegierung Fe25Cr5Al, die die kubisch-raumzentrierte, im Folgenden „krz" genannt, Materialstruktur hat, das Problem auf, daß bei einer zu starken Durchmischung der Legierungskomponenten im Schweißpunkt eine Eisenanreicherung in der Regelwendel bzw. eine Kobaltanreicherung in der Heizwendel auftritt, was dazu führt, daß im Schweißpunkt Bereiche auftreten mit unerwünschten spröden intermetallischen Phasen bzw. Zusammensetzungen entstehen, die eine Alpha-Gamma- Umwandlung zeigen, was in bekannter Weise zu einem frühzeitigen Ausfall der Kerze führen würde.at Use of cobalt-iron alloys with 6-18 wt .-% iron, which - as out J. Jap. Inst. Metals, 42 (1978), p. 256-260, discloses a cubic-face-centered, hereafter referred to as "kfz", material structure have occurs when welding together these cobalt-iron alloys with the well-known Fe25Cr5Al heating conductor alloy, which is the cubic-body-centered, hereafter referred to as "krz", material structure has the problem on that at an excessive mixing of the alloying components in the welding point an iron enrichment in the rule spiral or a cobalt enrichment in the heating coil occurs, which leads that in the WeldingSpot Areas occur with unwanted brittle arise intermetallic phases or compositions that a Alpha-gamma conversion show what is known in a way early Failure of the candle lead would.

In der EP 0 607 872 A2 wird zur Vermeidung dieses Problems vorgeschlagen, die Enden von Heiz- und Regelwendel überlappend anzuordnen und eine Wendelsorte nur partiell aufzuschmelzen, wobei mehrere Schweißpunkte gesetzt werden müssen. Dies ist ein kritischer Prozeß und erfordert spezielle Schweißverfahren wie beispielsweise Laserschweißen.In the EP 0 607 872 A2 In order to avoid this problem, it is proposed to overlap the ends of the heating coil and control coil and to only partially melt a spiral type, wherein a plurality of welding points must be set. This is a critical process and requires special welding processes such as laser welding.

Aus der DE 38 25 012 A1 ist eine Glühkerze für Dieselmotoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Nach der Lehre dieser Druckschrift wird ein besonders vorteilhaftes Regelverhalten dadurch erreicht, daß das Regelelement beim Aufheizen von der kubisch-raumzentrierten Struktur in die kubisch-flächenzentrierte Struktur übergeht. Für das Regelelement werden unter anderem Eisen-Nickel-Kobalt-Legierungen mit einem Nickelanteil von bis zu 10 Gew.-% verwendet. Höhere Nickelanteile werden von der DE 38 25 012 A1 als nachteilig abgelehnt, da derartige Legierungen auch bei Raumtemperatur eine kubisch-flächenzentrierte Struktur aufweisen, so daß die vorteilhafte Charakteristik der Widerstandskurve, die auf dem Übergang von kubisch-raumzentrierter zu kubisch-flächenzentrierter Struktur beruht, verloren geht.From the DE 38 25 012 A1 a glow plug for diesel engines according to the preamble of claim 1 is known. According to the teaching of this document, a particularly advantageous control behavior is achieved in that the control element merges during heating from the cubic-body-centered structure into the face-centered cubic structure. For the control element, inter alia iron-nickel-cobalt alloys are used with a nickel content of up to 10 wt .-%. Higher nickel shares are from the DE 38 25 012 A1 rejected as disadvantageous, since such alloys also have a cubic face-centered structure at room temperature, so that the advantageous characteristic of the resistance curve, which is based on the transition from cubic-body-centered to cubic face-centered structure is lost.

Die DE 40 29 185 C2 offenbart eine Glühkerze für Dieselmotoren mit drei in Reihe geschalteten, wendelförmigen Widerstandselementen, von denen das erste Widerstandselement als Heizelement und die beiden anderen Widerstandselemente als erstes und zweites Regelelement dienen. Um ein verbessertes Regelverhalten zu erreichen, weist das zweite Regelelement im Temperaturintervall von Raumtemperatur bis 800°C einen stärkeren Anstieg des spezifischen Widerstandes auf als das erste Regelelement. Für das zweite Regelelement wird als Werkstoff eine Co-Basislegierung mit 5–18 Gew.-% Eisen oder 25–60 Gew.-% Nickel verwendet. Das zweite Regelelement weist eine größere Wendellänge auf als das erste Regelelement.The DE 40 29 185 C2 discloses a glow plug for diesel engines with three series-connected, helical resistance elements, of which the first resistance element serve as a heating element and the other two resistance elements as the first and second control element. In order to achieve an improved control behavior, the second control element in the temperature range from room temperature to 800 ° C ei NEN greater increase in resistivity than the first control element. The material used for the second control element is a Co base alloy containing 5-18% by weight of iron or 25-60% by weight of nickel. The second control element has a greater helix length than the first control element.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Glühkerze für Dieselmotoren vorzuschlagen.task The invention is to propose an improved glow plug for diesel engines.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.According to the invention this Problem solved by the features of claim 1. Advantageous developments are in the subclaims described.

Das Regelelement weist einschließlich der Schweißstelle während aller Betriebszustände der Glühkerze eine kubisch-flächenzentrierte Materialstruktur auf.The Control element includes inclusive the weld while all operating states the glow plug a cubic face-centered Material structure on.

Vorteilhaft ist es, wenn für das Regelelement bzw. die Regelwendel der Glühkerze eine Kobalt-Nickel-Legierung mit 25–40 Gew.-% Nickel verwendet wird.Advantageous is it when for the control element or the control coil of the glow plug a cobalt-nickel alloy with 25-40 Wt .-% nickel is used.

Bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Kobalt-Nickel-Legierungen für die Regelwendel wird in das Schweißgefüge Nickel eingebracht, das in bekannter Weise den Austenit, d. h. die kubisch flächenzentrierte Phase stabilisiert, was das Auftreten von spröden Phasen und das Auftreten von Bereichen mit Alpha-Gamma-Umwandlung verhindert. Es wurde gefunden, daß ein vollständiges Aufschmelzen des Schweißpunktes möglich ist, ohne daß die Schweißstelle versprödet.at the use according to the invention of cobalt-nickel alloys for the control coil is introduced into the weld microstructure, the in a known manner the austenite, d. H. the cubic face-centered Phase stabilizes, causing the appearance of brittle phases and the occurrence of areas with alpha-gamma conversion prevented. It was found that a complete melting the welding point possible is without the weld brittle.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung von Kobalt-Nickel-Legierungen für die Regelwendel ist die Möglichkeit, im Vergleich zu den bekannten Kobalt-Eisen-Legierungen, den Kobaltanteil deutlich zu verringern, womit eine Reduzierung der Herstellkosten verbunden ist.One Another advantage of the use of cobalt-nickel alloys according to the invention for the control coil is the possibility Compared to the known cobalt-iron alloys, the cobalt content significantly reduce, resulting in a reduction in manufacturing costs connected is.

Vorteilhaft ist es, wenn die erfindungsgemäßen Kobalt-Nickel-Legierungen einen geringen Gehalt an Begleitelementen wie Mn, Si, Al aufweisen, der einzeln oder als Summe 0,4 Gew.-% nicht überschreiten sollte. Werden diese Gehalte überschritten, ist der Widerstand bei RT stark angestiegen auf Werte > 0.15 Ohm mm2/m, und der TKR-Wert (RT ... 1000°C) ist dann zu niedrig für ein optimales Regelverhalten.It is advantageous if the cobalt-nickel alloys according to the invention have a low content of accompanying elements, such as Mn, Si, Al, which should not exceed, individually or as a sum, 0.4% by weight. If these levels are exceeded, the resistance at RT has risen sharply to values> 0.15 ohm mm 2 / m, and the TKR value (RT ... 1000 ° C) is then too low for optimum control behavior.

Eine typische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze ist in 1 gezeigt Das wendelförmige Heizelement (2) sowie das ebenfalls wendelförmig ausgebildete Regelelement (3) sind in einem brennraumseitig verschlossenen Glührohr (1) angeordnet. Üblicherweise besteht das Glührohr (1) aus Inconel 601 mit einer Wandstärke im Bereich 0,7–1,0 mm. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Glührohr (1) aus einem Material mit verbesserter Oxidationsbeständigkeit wie beispielsweise Haynes alloy 214 und reduzierter Wandstärke besteht.A typical embodiment of the glow plug according to the invention is shown in FIG 1 shown the helical heating element ( 2 ) as well as the likewise helically formed control element ( 3 ) are in a combustion chamber sealed glow tube ( 1 ) arranged. Usually, the glow tube ( 1 ) made of Inconel 601 with a wall thickness in the range 0.7-1.0 mm. It is particularly advantageous if the glow tube ( 1 ) is made of a material with improved oxidation resistance such as Haynes alloy 214 and reduced wall thickness.

Der verbleibende Raum zwischen dem Glührohr (1) und dem Heizelement (2) bzw. dem Regelelement (3) ist zur elektrischen Isolation mit einem Isolierstoff (4) wie beispielsweise Magnesiumoxid ausgefüllt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Isolierstoff (4) aus einem Isoliermaterial mit guter Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Aluminiumnitrid oder Bornitrid besteht.The remaining space between the glow tube ( 1 ) and the heating element ( 2 ) or the control element ( 3 ) is for electrical insulation with an insulating material ( 4 ) such as magnesium oxide filled. It is particularly advantageous if the insulating material ( 4 ) consists of an insulating material with good thermal conductivity such as aluminum nitride or boron nitride.

Die als Heizelement (2) wirkende Widerstandswendel besteht in bekannter Weise aus einem Material mit einem hohem elektrischen Widerstand und einem geringen positiven oder negativen Temperaturkoeffizienten wie beispielsweise Fe 25 Cr 5 Al (Kanthal) oder Ni 16 Cr 4.5 Al (Haynes alloy 214).As a heating element ( 2 ) acting resistance coil consists in a known manner of a material having a high electrical resistance and a low positive or negative temperature coefficient such as Fe 25 Cr 5 Al (Kanthal) or Ni 16 Cr 4.5 Al (Haynes alloy 214).

Die als Regelelement (3) wirkende Widerstandswendel besteht erfindungsgemäß aus einer Legierung von Kobalt und Nickel, die während aller Betriebzustände der Glühkerzen eine kubisch flächenzentrierte Struktur aufweist. Diese ist gegeben wenn der Nickelgehalt > 25 Gew.-% beträgt. Ein Teil des Nickels kann gemäß der Formel Coy (Nix Fe1-x)1-y durch Eisen ersetzt sein ohne daß der erfindungsgemäße Gedanken verloren geht, wobei x > 0.25 sein muß. Durch diese Forderung wird gewährleistet, daß auch die Eisen enthaltenden Kobalt-Nickel-Legierungen eine kfz Materialstruktur haben.The as a rule element ( 3 ) acting resistance coil according to the invention consists of an alloy of cobalt and nickel, which has a face-centered cubic structure during all operating conditions of the glow plugs. This is given when the nickel content is> 25 wt .-%. A part of the nickel can be replaced by iron according to the formula Co y (Ni x Fe 1-x ) 1-y without losing the idea according to the invention, where x must be> 0.25. This requirement ensures that the iron-containing cobalt-nickel alloys have a kfz material structure.

Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Legierungen ergeben sich aus Tabelle 1: Tabelle 1

Figure 00050001

a–e:
erfindungsgemäße Legierungen
f–h:
Legierungen nach dem Stand der Technik
Examples of alloys which can be used according to the invention are shown in Table 1: Table 1
Figure 00050001
a-e:
alloys according to the invention
f-h:
Alloys according to the prior art

Die Heizelement (2) ist mit dem Regelelement (3) durch Schweißen verbunden, wobei die üblichen Schweißverfahren angewendet werden können. Erfindungsgemäß tritt bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Kobalt-Nickel-Legierungen für das Regelelement kein Schweißproblem auf.The heating element ( 2 ) is connected to the control element ( 3 ) by welding, whereby the usual welding methods can be used. According to the invention occurs in the inventive use of cobalt-nickel alloys for the control element no welding problem.

Claims (12)

Glühkerze für Dieselmotoren mit zwei in Reihe geschalteten, wendelförmigen Widerstandselementen, von denen das brennraumnahe Widerstandselement als Heizelement (2) und das brennraumferne Widerstandselement als Regelelement (3) dient, wobei das Heizelement (2) mit dem Regelelement (3) durch Schweißen verbunden ist und wobei das Regelelement (3), das aus einer Kobalt-Nickel-Legierung besteht, einen höheren positiven Temperaturfaktor des elektrischen Widerstands aufweist als das Heizelement (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Regelelement (3) einschließlich der Schweißstelle während aller Betriebszustände der Glühkerze eine kubisch flächenzentrierte Materialstruktur aufweist, und daß bei dem Regelelement (3) der Nickelgehalt teilweise durch Eisen ersetzt ist gemäß der Formel Coy (Nix F1-x)1-y mit y im Bereich 0,75 bis 0,60 und x > 0,25.Glow plug for diesel engines with two series-connected, helical resistance elements, of which the combustion chamber near resistance element as a heating element ( 2 ) and the combustion chamber remote resistance element as a control element ( 3 ), wherein the heating element ( 2 ) with the control element ( 3 ) is connected by welding and wherein the control element ( 3 ), which consists of a cobalt-nickel alloy, has a higher positive temperature factor of electrical resistance than the heating element ( 2 ), characterized in that the control element ( 3 ) including the welding point has a cubic surface-centered material structure during all operating states of the glow plug, and that in the control element ( 3 ) the nickel content is partially replaced by iron according to the formula Co y (Ni x F 1-x ) 1-y with y in the range 0.75 to 0.60 and x> 0.25. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer Kobalt-Nickel-Legierung bestehende Regelelement (3) einen Nickelgehalt zwischen 25 und 40 Gew.-% aufweist.Glow plug according to Claim 1, characterized in that the control element consisting of a cobalt-nickel alloy ( 3 ) has a nickel content between 25 and 40 wt .-%. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer Kobalt-Nickel-Legierung bestehende Regelelement (3) einen Nickelgehalt zwischen 28 und 35 Gew.-% aufweist.Glow plug according to Claim 1, characterized in that the control element consisting of a cobalt-nickel alloy ( 3 ) has a nickel content between 28 and 35 wt .-%. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem aus einer Kobalt-Nickel-Legierung bestehenden Regelelement (3) der Nickelgehalt teilweise durch Eisen ersetzt ist gemäß der Formel Coy (Nix Fe1-x)1-y mit y im Bereich 0,75 bis 0,60 und x > 0,50.Glow plug according to one of the preceding claims, characterized in that in the case of the control element consisting of a cobalt-nickel alloy ( 3 ) the nickel content is partially replaced by iron according to the formula Co y (Ni x Fe 1-x ) 1-y with y in the range 0.75 to 0.60 and x> 0.50. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer Kobalt-Nickel-Legierung bestehende Regelelement (3) Begleitelemente als Summe < 0,4 Gew.-% enthält.Glow plug according to one of the preceding claims, characterized in that the control element consisting of a cobalt-nickel alloy ( 3 ) Contains accompanying elements as a sum <0.4% by weight. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einer Kobalt-Nickel-Legierung bestehende Regelelement (3) als Desoxidationszusätze Zirkon, Seltene Erden, Cer-Mischmetall einzeln oder als Summe < 0,05 Gew.-% enthält.Glow plug according to one of the preceding claims, characterized in that the control element consisting of a cobalt-nickel alloy ( 3 ) contains, as deoxidizing additives, zirconium, rare earths, cerium misch metal, individually or as a sum <0.05% by weight. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißstelle (5) zu 100% aufgeschmolzen wird.Glow plug according to one of the preceding claims, characterized in that the welding point ( 5 ) is melted to 100%. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Isoliermaterial (4) Aluminiumnitrid verwendet wird.Glow plug according to one of the preceding claims, characterized in that as insulating material ( 4 ) Aluminum nitride is used. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Isoliermaterial (4) Bornitrid verwendet wird.Glow plug according to one of the preceding claims, characterized in that as Isoliermate rial ( 4 ) Boron nitride is used. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Glührohr (1) aus der Legierung Haynes alloy 214 besteht.Glow plug according to one of the preceding claims, characterized in that the glow tube ( 1 ) consists of the alloy Haynes alloy 214. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Glührohrs (1) 0,4–0,6 mm beträgt.Glow plug according to one of the preceding claims, characterized in that the wall thickness of the glow tube ( 1 ) Is 0.4-0.6 mm. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühkerze nachglühfähig ist.glow plug according to one of the preceding claims, characterized that the Glow plug is nachglühfähig.
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