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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.
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Aus
der
DE 196 30 208
A1 ist eine Glühstiftkerze
mit einem Gehäuse
und einem mit dem Gehäuse
verbundenen Glührohr
bekannt. Dabei ist innerhalb des Glührohrs eine Drahtwendelanordnung
vorgesehen, die als Heizelement dient. Die Drahtwendelanordnung
ist dabei in einem Isolierstoff angeordnet.
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Die
aus der
DE 196 30
208 A1 bekannte Glühstiftkerze
hat den Nachteil, dass die Heizwendelanordnung einer erheblichen
thermischen Belastung ausgesetzt ist, was die Lebensdauer der Glühstiftkerze
begrenzt. Ferner wird die Aufheizgeschwindigkeit und die maximal
erreichbare Glühtemperatur
durch die begrenzte thermische Belastbarkeit der Drahtwendelanordnung
begrenzt. Außerdem
kann es auf Grund mechanischer Erschütterungen zu einem Bruch der
Drahtwendelanordnung kommen. Die bekannte Glühstiftkerze weist daher eine
begrenzte mechanische Widerstandsfähigkeit auf.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Glühstiftkerze
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die thermische
und die mechanische Belastbarkeit der Glühstiftkerze verbessert sind.
Dabei ermöglicht
das keramische Heizelement eine hohe Aufheizgeschwindigkeit und
eine hohe Betriebstemperatur der Glühstiftkerze. Die Kombination
des keramischen Heizelements mit dem umgebenden Glührohr gewährleistet
eine hohe mechanische Belastbarkeit. Ferner eignet sich die erfindungsgemäße Glühstiftkerze
besonders zur Anordnung in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine.
Insbesondere bei kleinvolumigen Brennkammern kann eine Anordnung der
Glühstiftkerze
in der Nähe
eines Einspritzventils erforderlich oder von Vorteil sein. Allerdings
kann dadurch zumindest bei gewissen Betriebspunkten eine Benetzung
der Glühstiftkerze
mit unverbranntem Brennstoff auftreten. Gegebenenfalls kann die
Glühstiftkerze
auch direkt von dem eingespritzten Brennstoffstrahl getroffen werden.
Das Glührohr
der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze
gewährleistet
einen Schutz für
das keramische Heizelement, so dass eine Beschädigung des Heizelementes verhindert
ist.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen
Glühstiftkerze möglich.
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In
vorteilhafter Weise ist das Heizelement als stabförmiges Heizelement
ausgebildet, wobei sich das Heizelement zumindest durch einen Teil
eines Innenraums des Glührohrs
erstreckt. Dabei ist eine einfache Formgebung für das keramische Heizelement möglich. Speziell
der Glühkörper wird
vorzugsweise ohne scharfkantige Übergänge, die
riss- oder bruchanfällig
sind, hergestellt. Die Herstellung kann durch Extrudieren oder Transfermolding
erfolgen, wobei eine Nachbehandlung durch Schleifen oder dergleichen
möglich
ist. Das Heizelement kann auch aus mehreren stabförmigen,
insbesondere zylindrischen, Elementen bestehen, die parallel zueinander
angeordnet sind. Das Heizelement kann beispielsweise aus MoSi2/Polysiloxan
hergestellt sein.
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In
vorteilhafter Weise ist ein zwischen dem Heizelement und einer Innenwand
des Glührohres ausgebildeter
Zwischenraum mit einem wärmeleitenden
Wärmeleitmittel
aufgefüllt.
Das Wärmeleitmittel ist
vorzugsweise elektrisch isolierend und kann durch eine Pulverpackung,
beispielsweise aus Magnesiumoxidpulver, gebildet sein. Durch die
Einbettung des Heizelementes in eine Pulverpackung oder dergleichen
wird eine stoß-
und schlagfeste Lagerung des Heizelementes ermöglicht, wodurch die mechanische
Widerstandsfähigkeit
der Glühstiftkerze
verbessert wird. Speziell können
dadurch Heizelemente eingesetzt werden, die einer hohen Temperaturbelastung
standhalten, aus einem kostengünstigen
Material bestehen und/oder mit einem kostengünstigen Herstellungsverfahren
hergestellt worden sind, aber gegebenenfalls eine geringe Biegefestigkeit,
Thermoschockgüte
und dergleichen aufweisen. Durch das Wärmeleitmittel kann auch ein
gleichmäßiger Wärmetransport
an das Heizelement gewährleistet werden,
wodurch die Nachteile bestimmter Materialien für das Heizelement überwunden
werden können.
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Vorteilhaft
ist es, dass das Heizelement zumindest mittelbar mit einer an einer
Spitze des Glührohres
ausgebildeten Innenfläche
des Glührohres
mit dem Glührohr
verbunden ist. Das Heizelement kann dadurch einmal am kammerseitigen
Ende und einmal am kammerfernen Ende kontaktiert werden, wodurch ein
einfacher Aufbau des Heizelementes möglich ist. Das Gehäuse der
Glühstiftkerze
ist vorzugsweise auf Masse (0 V) gelegt, so dass der durch das Heizelement
fließende
Strom über
das mit dem Gehäuse verbundene
Glührohr
abfließen
kann.
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Ferner
ist es vorteilhaft, dass ein Leitelement vorgesehen ist, welches
einerseits in das keramische Heizelement eingebettet ist und welches
andererseits mit der Innenfläche
an der Spitze des Glührohres
verbunden ist. Das Leitelement, das durch einen Leitdraht oder eine
Leitschicht gebildet sein kann, kann im Bereich der Innenfläche mit
der Spitze des Glührohres
verlötet,
verschweißt
oder auf ähnliche Weise
verbunden sein. Dadurch ist eine kostengünstige Lösung zur Verbindung des Heizelementes
mit der Spitze des Glührohres
gegeben.
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Vorteilhaft
ist es auch, dass in einem zwischen dem Heizelement und einer Innenwand
des Glührohres
ausgebildeten Zwischenraum im Bereich der Spitze des Glührohres
ein elektrisch leitendes Leitmittel vorgesehen ist. Das Leitmittel
kann zusätzlich
oder alternativ zu dem Leitelement einen elektrischen Kontakt mit
der Spitze des Glührohres
schaffen. Dabei kann das Leitmittel auch eine bewegbare elektrische
Verbindung zwischen dem Heizelement und der Spitze schaffen, zum
Beispiel indem das Leitmittel aus einem leitenden Pulver oder einer
gemahlenen, elektrisch leitenden Keramik besteht. Dadurch wird auch
nach Erschütterungen
und dergleichen ein zuverlässiger
elektrischer Kontakt gewährleistet.
Ferner kann dadurch, dass das Heizelement auch im Bereich der Spitze
bewegbar angeordnet ist, eine Beschädigung des Heizelementes bei
einer Erschütterung
oder dergleichen verhindert werden.
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Zeichnung
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der
beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert. Es
zeigt:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze
in einer axialen Schnittdarstellung;
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2 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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3 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Glühstiftkerze 1 in
einer axialen, schematischen Schnittdarstellung. Die Glühstiftkerze 1 kann
insbesondere als Glühstiftkerze 1 für eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine
ausgestaltet sein. Ein Heizkörper 2 der
Glühstiftkerze 1 ragt
bei Vor- und Wirbelkammermotoren in die Kammer der Brennkraftmaschine
und bei Motoren mit Direkteinspritzung in eine Brennkammer des Motors.
Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Anordnung in einer Brennkammer 3 des Motors dargestellt.
Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze 1 eignet
sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
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Die
Glühstiftkerze 1 weist
ein metallisches Gehäuse 4 auf.
Das Gehäuse 4 weist
eine konzentrische Durchgangsbohrung 5 auf, wobei der Heizkörper 2 teilweise
innerhalb des Gehäuses 4 angeordnet ist
und von dem Gehäuse 4 gehalten
wird. Der Heizkörper 2 der
Glühstiftkerze 1 weist
ein Glührohr 6 auf, das
im Bereich einer kammerseitigen Öffnung 7 des Gehäuses 4 beispielsweise
durch eine Schweißverbindung
mit dem Gehäuse 4 verbunden
ist. Das Gehäuse 4 weist
ein Außengewinde 8 auf,
mittels dem die Glühstiftkerze 1 in
eine Bohrung der Brennkraftmaschine einschraubbar ist. Dadurch ist
das Gehäuse 4 gewöhnlich mit
Masse (0 V) verbunden, so dass auch das elektrisch mit dem Gehäuse 4 verbundene Glührohr 6 auf
Masse liegt.
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Die
Glühstiftkerze 1 weist
ferner einen Anschlussbolzen 10 auf, der weitgehend innerhalb
der Durchgangsbohrung 5 angeordnet ist. Im Bereich eines
kammerfernen Endes 11 der Glühstiftkerze 1 ist der
Anschlussbolzen 10 in eine Anschlussvorrichtung 12 eingeschraubt,
die zum Anschließen
einer elektrischen Zuleitung an die Glühstiftkerze 1 dient, um
eine Betriebsspannung an die Glühstiftkerze 1 anzulegen.
Der Anschlussbolzen 10 und die Anschlussvorrichtung 12 sind über ein
elektrisch isolierendes Dichtelement 13 gegenüber dem
Gehäuse 4 elektrisch
isoliert, wobei das Dichtelement 13 den durch die Durchgangsbohrung 5 gegebenen
Innenraum 5 des Gehäuses 4 zusätzlich von
dem kammerfernen Ende 11 her abdichtet. Die Abdichtung
an der kammerseitigen Öffnung 7 ist über die
Schweißnaht gegeben.
Das Glührohr 6 kann
auch in das Gehäuse 4 eingepresst
sein. Die Schweißnaht
kann dann auch entfallen.
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Der
Heizkörper 2 der
Glühstiftkerze 1 weist ein
keramisches Heizelement 15 auf, das innerhalb des mit dem
Gehäuse 4 verbundenen
Glührohrs 6 angeordnet
ist. An einem kammerfernen Ende 16 des keramischen Heizelements 15 des
Heizkörpers 2 weist
das keramische Heizelement 15 einen verringerten Querschnitt,
insbesondere einen verringerten Durchmesser, auf, um das keramische
Heizelement 15 zum elektrischen Verbinden mit dem Anschlussbolzen 10 in
eine Bohrung des Anschlussbolzens 10 einzubringen. Hierbei
kann das keramische Heizelement 15 an seinem kammerfernen
Ende 16 auch mit einer geeigneten Beschichtung versehen
sein. Die Verbindung zwischen dem Anschlussbolzen 10 und dem
keramischen Heizelement 15 kann jedoch auch mittels eines
Drahts, einer Feder, durch Anlöten
oder mittels einer druckunempfindlichen, etwas verformbaren Kontaktpille,
die beispielsweise aus Graphit besteht, erfolgen. Das keramische
Heizelement 15 kann an seinem kammerfernen Ende 16 auch
in die Bohrung des Anschlussbolzens 10 eingepresst sein.
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Der
Heizkörper 2 weist
an seinem kammerseitigen Ende 17 eine Spitze 18 auf.
Zur Spitze 18 hin verengt sich das Glührohr 6 konisch und
ist an der Spitze 18 abgerundet ausgestaltet. Im Bereich
der Spitze 18 weist das keramische Heizelement 15 einen
konischen Abschnitt 19 auf, wobei der konische Abschnitt 19 an
einer Stirnfläche 20 des
Heizelementes 15 endet. Das Glührohr 6 kann aber
auch anders ausgestaltet sein, insbesondere ohne einen konischen
Abschnitt. Das Glührohr 6 weist
eine Innenfläche 21 auf.
Die Stirnfläche 20 des
Heizelementes 15 liegt an einem Spitzenbereich 22 der
Innenfläche 21 an,
wobei der Spitzenbereich 22 an der Innenseite der Spitze 18 ausgebildet
ist. Zur Verbesserung der elektrisch leitenden Verbindung im Übergangsbereich
von der Stirnfläche 20 auf
den Spitzenbereich 22 der Innenfläche 21 kann eine zusätzliche
Beschichtung der Stirnfläche 20 und/oder
der Innenfläche 21 im
Spitzenbereich 22 vorgesehen sein. Die Kontaktierung kann
durch eine Tampoprint-Kontaktierung
oder eine Aktivlot-Kontaktierung verbessert werden oder zum Beispiel
durch einen angeschweißten
Draht ausgebildet sein. Durch die elektrische Verbindung wird das
keramische Heizelement 15 am kammerseitigen Ende 17 mit
der Spitze 18 elektrisch verbunden, so dass ein Abfluss
des Stromes über das
Glührohr 6 und
das Gehäuse 4 der
Glühstiftkerze 1 gewährleistet
ist. Dabei kann das keramische Heizelement 15 in axialer
Richtung auch etwas vorgespannt sein oder mit einer Spannkraft beaufschlagt werden.
Hierfür
eignet sich insbesondere eine federnde Lagerung des Heizelementes 15 an
dem Anschlussbolzen 10, beispielsweise durch eine Kontaktpille
oder eine Feder.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist zwischen der Innenfläche 21 des
Glührohres 6 und dem
keramischen Heizelement 15 ein Zwischenraum 25 ausgebildet,
der sich von dem Anschlussbolzen 10 bis zur Spitze 18 erstreckt.
Der Zwischenraum 25 ist mit einem Wärmeleitmittel 26 gefüllt, wobei
das Wärmeleitmittel 26 aus
einem Magnesiumoxidpulver besteht. Ferner ist der Zwischenraum 25 zum
kammerfernen Ende 11 hin mittels eines Dichtelementes 27 verschlossen,
wobei das Dichtelement 27 zwischen dem Anschlussbolzen 10 und
der Innenfläche 21 des
Glührohres 6 vorgesehen
ist.
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Das
Wärmeleitmittel 26 leitet
die beim Betrieb der Glühstiftkerze 1 von
dem keramischen Heizelement 15 erzeugte Wärme an das
umgebende Glührohr 6.
Außerdem
gewährleistet
das Wärmeleitmittel 6 eine
stoß-
und erschütterungsfeste
Lagerung für
das Heizelement 15. Das Wärmeleitmittel 26 ist dabei
elektrisch isolierend, so dass der Stromkreis über die Spitze 18 geschlossen
ist. Das Wärmeleitmittel 26 kann
allerdings auch elektrisch leitend ausgebildet sein, wenn eine geeignete,
beispielsweise aus Glas bestehende Isolierschicht vorgesehen ist, die
zum Beispiel an dem Heizelement 15 vorgesehen ist.
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In
dem Brennraum 3 der Brennkraftmaschine ist außerdem ein
Brennstoffeinspritzventil 28 angeordnet, das in der 1 schematisch
dargestellt ist. Beim Einspritzen von Brennstoff, insbesondere Dieselbrennstoff,
kann der Einspritzbereich durch eine Kegelmantelfläche begrenzt
sein, die in der 1 durch die unterbrochen dargestellte
Linie 29 angedeutet ist. Insbesondere bei kleinvolumigen Brennkammern 3 kann
der Heizkörper 2 der
Glühstiftkerze 1 teilweise
in den Einspritzbereich ragen, wie es in der 1 schematisch
dargestellt ist. Bei einer Einspritzung von Brennstoff kommt es
daher zur Benetzung des Glührohres 6 mit
unverbranntem Brennstoff, so dass unterstützt durch die nachfolgende
Verbrennung chemische und thermische Belastungen auftreten. Das
metallische Glührohr 6 hält diesen
Belastungen länger
Stand. Außerdem
wird durch das keramische Heizelement 15 ein Betrieb der
Glühstiftkerze 1 auch
mit sehr hohen Temperaturen ermöglicht,
wobei ein effektiver Schutz für
das keramische Material des Heizelementes 15 auf Grund
des metallischen Glührohres 6 besteht.
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2 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze 1 gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
in einer schematischen Schnittdarstellung. Bereits beschriebene
Elemente sind in allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen, wodurch sich eine wiederholende Beschreibung erübrigt.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stirnfläche 20 etwas
von der Innenfläche 21 im
Spitzenbereich 22 beabstandet. Dadurch ist auch der Bereich
zwischen der Stirnfläche 20 und dem
Spitzenbereich 22 mit dem wärmeleitenden Wärmeleitmittel 26 gefüllt. Erschütterungen,
die im Bereich der Spitze 18 auftreten, werden daher ebenfalls
durch das Wärmeleitmittel 26 gedämpft, so
dass die mechanische Belastung des Heizelementes 15 weiter
verringert ist. In den konischen Abschnitt 19 des keramischen
Heizelementes 15 ist ein Leitelement 35, insbesondere
ein Leitdraht 35, teilweise eingebettet. Der Leitdraht 35 ragt
dabei aus der Stirnfläche 20 des
Heizelementes 15 heraus und ist an den Spitzenbereich 22 des
Glührohres 6 geführt und
mit der Spitze 18 im Spitzenbereich 22 mittels
einer Lötverbindung 36,
durch Schweißen
oder dergleichen, verbunden. Das keramische Heizelement 15 ist
daher am kammerseitigen Ende 17 mittels des Leitelements 35 mit
der Spitze 18 elektrisch verbunden. Das metallische Glührohr 6 kann
beispielsweise aus einer Legierung bestehen, die Nickel, Chrom und
Eisen umfasst. Dadurch wird ein vorteilhafter Schutz bezüglich mechanischer
und thermischer Belastungen für
das keramische Heizelement 15 gewährleistet. Dabei kann das Glührohr 6 auch
einen kleinen Querschnitt, insbesondere kleinen Durchmesser, aufweisen.
Der Durchmesser kann beispielsweise 4,0 mm oder kleiner sein.
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3 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze 1 gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
in einer schematischen Schnittdarstellung. Bei dem in 3 dargestellten dritten
Ausführungsbeispiel
ist die Stirnfläche 20 entsprechend
dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ebenfalls von
der Innenfläche 21 im Spitzenbereich 22 beabstandet.
Allerdings ist der Zwischenraum 25 zum kammerseitigen Ende 17 hin mit
einem Leitmittel 37 gefüllt.
Das Leitmittel 37 ist dabei um einen Teil des konischen
Abschnitts 19 des Heizelements 15 und im Bereich
der Stirnfläche 20 angeordnet.
Das Leitmittel 37 ist elektrisch leitend und gewährleistet
eine elektrische Verbindung zwischen der Spitze 18 und
dem keramischen Heizelement 15. Dabei kann das keramische
Heizelement 15 beispielsweise im konischen Abschnitt 19 mit
einer Beschichtung versehen sein, um den Kontaktwiderstand zwischen
dem keramischen Heizelement 15 und dem Leitmittel 37 zu
verringern. Entsprechend kann auch die Innenfläche 21, insbesondere
im Spitzenbereich 22, mit einer geeigneten Beschichtung versehen
sein. Das Leitmittel 37 kann aus einer Vielzahl gegeneinander
bewegbarer Partikel gebildet sein, um eine gewisse Bewegbarkeit
des Heizelements 15 auch im Bereich des konischen Abschnitts 19 zu
ermöglichen.
Dadurch können
auf das Glührohr 6 einwirkende
mechanische Einwirkungen vorteilhaft gedämpft werden. Das Leitmittel 37 kann
eine Presspackung aus einem Metall- oder Zermetpulver sowie eine
Panatpackung aufweisen.
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Das
Leitmittel 37 und/oder das Wärmeleitmittel 26 können auch
aus einer Flüssigkeit
bestehen. Außerdem
kann das Wärmeleitmittel 26 aus
einem hochtemperaturbeständigen
Kunstharz, insbesondere einem Gießharz, das nach der Verarbeitung aushärtet, bestehen.
Sofern das Wärmeleitmittel 26 formfest
ausgebildet ist, kann das Dichtelement 27 auch entfallen.
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Die
Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.