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Stand der
Technik
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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
EP 1 517 086 A1 ist
eine Druckmessglühkerze
für einen
Dieselmotor mit einem Kerzenkörper
zum Einsetzen in einen Zylinder des Dieselmotors, einem im Kerzenkörper angeordneten Heizstab
und einem zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper angeordneten Drucksensor
bekannt. Dabei wird der Drucksensor durch den Druck im Brennraum
beeinflusst, der vom Heizstab auf den Drucksensor übertragen
wird. Der Heizstab ist in axialer Richtung gleitend verschiebbar
angeordnet, wobei zur Abdichtung eine Membran und eine als O-Ring
ausgebildete Dichtung vorgesehen sind.
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Die
aus der
EP 1 517 086
A1 bekannte Druckmessglühkerze
hat den Nachteil, dass sich im Bereich einer Öffnung des Kerzenkörpers, an
der der Heizstab aus dem Kerzenkörper
ragt, Verbrennungsprodukte ablagern können, wodurch die Verschiebbarkeit
des Heizstabes relativ zu dem Kerzenkörper verschlechtert wird. Die
Verschlechterung der Verschiebbarkeit hat zur Folge, dass die Übertragung des
Druckes über
den Heizstab auf den Drucksensor negativ beeinflusst ist, so dass
der von dem Drucksensor bestimmte Druck von dem tatsächlichen Druck
im Brennraum abweicht.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Glühstiftkerze
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Beweglichkeit
des Heizelements relativ zu dem Gehäuse in Bezug auf Verschmutzungen,
die insbesondere durch Verkokungsprodukte bedingt sind, verbessert
ist. Speziell wird ein teilweises Eindringen von Verbrennungsrückständen in
das Gehäuse
und eine Ablagerung dieser im Bereich der endseitigen Öffnung des
Gehäuses,
an der das Heizelement aus dem Gehäuse ragt, verhindert.
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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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Vorzugsweise
ist das Dichtmittel als temperaturbeständiges, fließfähiges Dichtmittel
ausgebildet. Dabei kann das Dichtmittel pulverförmig oder pastenförmig ausgebildet
sein. Dies hat den Vorteil, dass das Heizelement im Wesentlichen
unbeeinflusst in dem Gehäuse
hin- und hergleiten kann, so dass eine weitgehend ungestörte Kraftübertragung
auf den Drucksensor möglich
ist. Ein pulverförmiges Dichtmittel
kann dabei geeignet verpresst sein, um es zuverlässig in dem Dichtraum zu halten.
Die Viskosität
eines pastenförmigen
Dichtmittels ist vorzugsweise so gewählt, dass eine gute Einfüllbarkeit
in den Dichtraum ermöglicht
und vorteilhafte Gleiteigenschaften gewährleistet sind und dass gleichzeitig
ein Ausfließen
aus dem Dichtraum, insbesondere im Bereich der endseitigen Öffnung des
Gehäuses,
verhindert ist.
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Vorteilhaft
ist es, dass das Dichtmittel zumindest im Wesentlichen auf Basis
eines Graphits gebildet ist. Graphit hat den Vorteil einer hohen
Wärmeleitfähigkeit,
so dass eine Wärmeableitung
von dem Heizelement auf das Gehäuse
geschaffen ist, die eine Temperaturbelastung des Drucksensors und
gegebenenfalls weiterer Elemente der Glühstiftkerze verringert. Dadurch
ist die Zuverlässigkeit
der Glühstiftkerze
weiter verbessert. Das Dichtmittel kann einen oder mehrere Zusatzstoffe,
insbesondere ein Kalziumfluorid oder ein Kalziumoxid aufweisen. Durch
die Zusatzstoffe können
die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Dichtmittels
geeignet eingestellt werden. Dadurch ist zum einen eine Anpassung
an die konstruktive Ausgestaltung der Glühstiftkerze und zum anderen
eine Anpassung an den Einsatzbereich der Glühstiftkerze möglich. Speziell
kann die Viskosität
und die chemische Beständigkeit
gezielt beeinflusst werden. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das
Dichtmittel zumindest im Wesentlichen frei von ungebundenen Metallen
ist.
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Vorteilhaft
ist es, dass der Dichtraum an der endseitigen Öffnung einen Ringspalt aufweist
und dass der Ringspalt zumindest im Wesentlichen mit dem Dichtmittel
gefüllt
ist. Zunächst
ergibt sich durch das Vorsehen eines Ringspalts der Vorteil, dass
eine gute Beweglichkeit des Heizelementes in Bezug auf das Gehäuse gewährleistet
ist. Allerdings wird durch den Ringspalt das Eindringen von Schmutz,
insbesondere Verbrennungsrückständen, in
das Gehäuse der
Glühstiftkerze
erleichtert. Ferner führt
eine Verschmutzung unmittelbar am Ringspalt zu einer erheblichen
Beeinträchtigung
der Beweglichkeit des Heizelements. Durch das Auffüllen des
Ringspaltes mit dem Dichtmittel wird die Bewegbarkeit des Heizelementes
in Bezug auf das Gehäuse
auch im Betrieb der Glühstiftkerze
gewährleistet.
Ferner wird ein Eindringen von Verbrennungsrückständen in das Gehäuse der
Glühstiftkerze
verhindert.
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In
vorteilhafter Weise ist der Dichtraum zu dem Innenraum hin durch
eine flexible Stahlmembran begrenzt, die einerseits mit dem Gehäuse und andererseits
mit dem Heizelement verbunden ist. Durch die Stahlmembran ist eine
zusätzliche
Abdichtung gegeben, die für
Gase, insbesondere Verbrennungsrückstände, die
aus der Kammer der Brennkraftmaschine durch die endseitige Öffnung des
Gehäuses
in das Gehäuse
der Glühstiftkerze
gelangen, undurchdringbar ist. Ferner wird der Innenraum der Glühstiftkerze
gegenüber
dem Dichtraum zuverlässig abgedichtet,
so dass das Dichtmittel nicht in den Innenraum eindringen kann.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass der Dichtraum mit dem
Dichtmittel gefüllt
ist. Das Dichtmittel gewährleistet
einen zusätzlichen
Schutz der Stahlmembran. Speziell gewährleistet das Dichtmittel einen
Schutz der Stahlmembran gegen einen Korrosionsangriff von Brennraummedien
und gegen die hohen Verbrennungstemperaturen im Brennraum.
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Zeichnung
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen,
in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen
versehen sind, näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Glühstiftkerze
in einer schematischen Schnittdarstellung und
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2 den
in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt der Glühstiftkerze
des bevorzugten Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
einer Glühstiftkerze 1 in
einer axialen Schnittdarstellung. Die Glühstiftkerze 1 kann
insbesondere als Glühstiftkerze 1 für eine luftverdichtende,
selbstzündende
Brennkraftmaschine ausgestaltet sein. Ein stabförmiges Heizelement 2 der
Glühstiftkerze 1 ragt bei
Vor- und Wirbelkammermotoren in die Kammer der Brennkraftmaschine
und bei Motoren mit Direkteinspritzung in eine Brennkammer des Motors,
wobei das Heizelement 2 als metallisches oder keramisches
Heizelement 2 ausgebildet sein kann. Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze 1 eignet
sich jedoch auch für
andere Anwendungsfälle.
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Die
Glühstiftkerze 2 weist
ein Gehäuse 3 auf, das
vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht. Das Gehäuse 3 weist
eine konzentrische Durchgangsbohrung auf, wobei das Heizelement 2 teilweise
innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet
ist und an einer endseitigen Öffnung 4 des
Gehäuses 3 aus
dem Gehäuse 3 in
die Kammer der Brennkraftmaschine ragt. Ferner weist das Gehäuse 3 ein
Außengewinde 5 auf,
mit dem die Glühstiftkerze 1 in eine
Bohrung der Brennkraftmaschine einschraubbar ist, wobei ein Dichtkonus 6 einen
dichten Sitz der Glühstiftkerze 1 in
der Bohrung der Brennkraftmaschine gewährleistet.
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Das
stabförmige
Heizelement 2 weist einen Heizkörper 7 und ein Stützrohr 8 auf,
wobei das Stützrohr 8 an
einer Mantelfläche 9 des
Heizkörpers 7 anliegt
und mit dem Heizkörper 7 verbunden
ist. Eine Außenfläche 10 des
Stützrohres 8 bildet
zugleich die Außenfläche 10 des
stabförmigen
Heizelements 2.
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Die
konzentrische Durchgangsbohrung der Glühstiftkerze 1 ist
durch eine Stahlmembran 15 in einen Innenraum 16 und
einen Dichtraum 17 geteilt. Die Stahlmembran 15 ist
dabei einerseits mit dem Gehäuse 3 und
andererseits an einem zylinderringförmigen Abschnitt 18 mit
dem Stützrohr 8 des stabförmigen Heizelements 2 verbunden.
Ein tellerförmiger
Abschnitt 19 der Stahlmembran 15 ist flexibel, insbesondere
elastisch, ausgestaltet, um eine Verschiebbarkeit des stabförmigen Heizelementes 2 relativ
zu dem Gehäuse 3 in
Richtung einer Achse 20 des Gehäuses 3 der Glühstiftkerze 1 zu
ermöglichen.
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In
dem Innenraum 16 ist ein Drucksensor 21 angeordnet.
Der Drucksensor 21 kann beispielsweise als piezoelektrisches
Sensorelement ausgestaltet sein, das bei einer mechanischen Beaufschlagung eine
Ladung erzeugt, die an Kontaktstellen 22, 23 des
Drucksensors 21 abgegriffen werden kann und mittels elektrischer
Messleitungen 24, 25 aus dem Gehäuse 3 der
Glühstiftkerze 1 geführt wird.
Der Drucksensor 21 stützt
sich zu einem kammerfernen Ende 26 der Glühstiftkerze 1 hin
an einer mit dem Gehäuse 3 verbundenen
Hülse 27 ab.
Andererseits steht der Drucksensor 21 über eine Kraftübertragungshülse 28 mit
dem stabförmigen
Heizelement 2 in Wirkverbindung. Dabei stützt sich
das Heizelement 2 im Wesentlichen an seinem Stützrohr 8 an
der Kraftübertragungshülse 28 ab.
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Im
montierten Zustand der Glühstiftkerze 1 wird
auf Grund eines Druckes in der Kammer der Brennkraftmaschine eine
Kraft auf das stabförmige Heizelement 2 erzeugt,
die in axialer Richtung 29, das heißt in Richtung der Achse 20,
auf das Heizelement 2 einwirkt. Diese Kraft wird entlang
eines durch die Pfeile 30, 31 und 32 veranschaulichten
Kraftpfads auf den Drucksensor 21 übertragen, der in Abhängigkeit
von der übertragenen
Kraft ein Messsignal über die
elektrischen Messleitungen 24, 25 ausgibt, aus dem
der in der Kammer herrschende Druck bestimmt wird. Um eine zuverlässige Bestimmung
des in der Kammer herrschenden Druckes zu ermöglichen, ist eine weitgehend
freie Beweglichkeit des stabförmigen
Heizelements 2 und der Kraftübertragungshülse 28 in
der axialen Richtung 29 erforderlich. Bestimmte Beeinflussungen
der Kraftübertragung,
wie sie beispielsweise durch die elastische Ausgestaltung der Stahlmembran 15 hervorgerufen
werden, können
dabei bei der Auswertung des Messsignals des Drucksensors 21 berücksichtigt
werden.
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Beim
Betrieb der Glühstiftkerze 1 auftretende
Verschmutzungen, insbesondere solche, die im Bereich der endseitigen Öffnung 4 auftreten,
sind hinsichtlich ihres Ausmaßes
und ihrer Einwirkung jedoch nicht im Vorhinein bestimmbar, so dass
diese eine wesentliche Ursache für
eine Fehlbestimmung des in der Kammer herrschenden Druckes darstellen können. Insbesondere
besteht die Gefahr, dass ein Teil der durch den Druck in der Kammer
hervorgerufenen Kraft auf Grund von Verschmutzungen im Bereich der
endseitigen Öffnung 4 von
dem Heizelement 2 auf das Gehäuse 3 im Bereich des
Dichtkonus 6 abgeleitet wird, so dass die tatsächlich auf
den Drucksensor 21 einwirkende Kraft verringert ist. Außerdem kann
die Beweglichkeit des Heizelementes 2 auf Grund der Ablagerungen
verringert sein, wodurch unerwünschte
Hystereseeffekte auftreten, die zu einer verzögerten Erfassung des in der
Kammer herrschenden Druckes führen.
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Zur
Vermeidung dieser und anderer Probleme ist in dem Dichtraum 17 ein
Dichtmittel 35 vorgesehen. Die Ausgestaltung des Dichtraums 17 sowie die
Eigenschaften und Wirkungen des Dichtmittels 35 sind nachfolgend
anhand der 2 im Detail weiter beschrieben.
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2 zeigt
den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt in einer detaillierten,
schematischen Darstellung. Der tellerförmige Abschnitt 19 der
Stahlmembran 15 ist an einer ringförmigen Fläche 40 mit dem Gehäuse 3 verbunden.
Ferner ist der tellerförmige
Abschnitt 19 der Stahlmembran 15 an einer weiteren
ringförmigen
Fläche 41,
die entgegengesetzt zu der ringförmigen
Fläche 40 orientiert
ist, mit dem Dichtkonus 6 des Gehäuses 3 verbunden.
Außerdem ist
der zylinderringförmige
Abschnitt 18 der Stahlmembran 15 an seiner Innenseite 42 an
die Außenfläche 10 des
Stützrohrs 8 angefügt, wobei
die Stahlmembran 15 und das Stützrohr 8 im Bereich
der Innenseite 42 durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, wie zum Beispiel
Laserschweißen,
verbunden sind. Dadurch ist eine zuverlässige Abdichtung zwischen dem
Dichtraum 17 und dem Innenraum 16 gegeben.
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Um
die Krafteinleitung von dem Heizelement 2 in die Kraftübertragungshülse 28 zu
verbessern, ist die Wandstärke
eines der Kraftübertragungshülse 28 zugewandten
Abschnitts 43 des Stützrohrs 8 an
die Wandstärke
der Kraftübertragungshülse 28 angepasst,
wobei das Stützrohr 8 im
Bereich des Abschnitts 43 mit größerer Wandstärke ausgeführt ist.
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Zwischen
dem Gehäuse 3 und
der Außenfläche 10 des
Heizelementes 2 ist im Bereich des Dichtkonus 6 ein
Ringspalt 44 vorgesehen, der die endseitige Öffnung 4 bildet.
Der Ringspalt 44 ermöglicht eine
ungehinderte Verschiebung des Heizelementes 2 in Richtung
der Achse 20. Dies wird durch die elastische Ausgestaltung
der Stahlmembran 15 unterstützt, wobei die durch die Stahlmembran 15 bedingte, über das
Stützrohr 8 auf
das Heizelement 2 einwirkende Federkraft im Vorhinein bestimmt
ist und somit bei der Bestimmung des in der Kammer herrschenden
Druckes gegebenenfalls berücksichtigt werden
kann. Ferner ist der Dichtraum 17 mit dem Dichtmittel 35 gefüllt, das
auch den Ringspalt 44 ausfüllt. Das Dichtmittel 35 besteht
aus einer hochtemperaturbeständigen
Paste, die bei den in der Kammer herrschenden Temperaturen nicht
verhärtet.
Das Dichtmittel 35 gewährleistet
dadurch ein weitgehend ungehindertes Gleiten des Heizelementes 2 im
Bereich des Dichtraumes 17. Außerdem wird das Eindringen
von Gasen und Verbrennungsrückständen in das
Gehäuse 3 der
Glühstiftkerze 1 verhindert.
Speziell wird eine Anlagerung von Verkokungsrückständen in dem Ringspalt 44 verhindert,
so dass der Drucksensor 21 im Wesentlichen mit der Kraft beaufschlagt
ist, die dem in der Kammer herrschenden Druck entspricht.
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Das
Dichtmittel 35 gewährleistet
auch einen Schutz der Stahlmembran 15, insbesondere gegenüber Medien,
die eine Korrosion der Stahlmembran 15 begünstigen.
Außerdem
kann das Dichtmittel 35 als elektrisch leitendes und thermisch
leitendes Dichtmittel 35 ausgestaltet sein. Ein elektrisch
leitendes Dichtmittel 35 ermöglicht eine elektrische Verbindung des
Stützrohrs 8 mit
dem Gehäuse 3.
Die zum Heizen erforderliche elektrische Energie kann dann beispielsweise
durch Anlegen einer Spannung an einen mehrschichtigen, keramischen
Heizkörper 7 erfolgen,
die über
ein elektrisch leitendes Anschlusselement 45 an den Heizkörper 7 geführt wird.
Entsprechend kann über
das Anschlusselement 45 auch eine Spannung gegenüber dem
Gehäuse 3 an
eine Heizwendel des Heizkörpers 7 angelegt
werden, sofern das Heizelement 2 entsprechend ausgestaltet ist.
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Ein
thermisch leitendes Dichtmittel 35 ermöglicht eine verbesserte Ableitung
der im Bereich des Dichtkonus 6 von dem Heizelement 2 in
das Gehäuse 3 geleiteten
Wärme an
das Gehäuse 3.
Im montierten Zustand der Glühstiftkerze 1 kann
dadurch ein Teil dieser Wärme
beispielsweise über
den Dichtkonus 6 an die Brennkraftmaschine abgeleitet werden,
so dass die thermische Belastung von Elementen, insbesondere dem
Drucksensor 21, die in dem Innenraum 16 vorgesehen
sind, verringert ist.
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Das
Dichtmittel 35 kann beispielsweise aus Graphit bestehen
oder auf der Basis von Graphit hergestellt sein. Geeignete Zusatzstoffe,
insbesondere Kalziumfluorid oder Kalziumoxid, ermöglichen
innerhalb eines gewissen Bereichs eine Anpassung der physikalischen
und chemischen Eigenschaften des Dichtmittels 35 an den
jeweiligen Anwendungsfall.
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Die
Stahlmembran 15 kann so ausgestaltet sein, dass eine von
der Verstellung des Heizelements 2 abhängige Rückstellkraft erzeugt wird,
die das Heizelement 2 nach einem Druckimpuls in seine ursprüngliche
Lage zurückbewegt.
Da eine weitere Beeinflussung der Verstellbewegung durch Ablagerungen
oder dergleichen verhindert wird, kann eine für den Drucksensor 21 anfangs
ermittelte Sensorkennlinie über
die Lebensdauer der Glühstiftkerze 1 zur Bestimmung
des in der Kammer herrschenden Druckes verwendet werden. Außerdem verhindert
das Dichtmittel 35 einen unmittelbaren Kontakt der heißen Verbrennungsgase
mit der Stahlmembran 15, so dass auch die von der Stahlmembran 15 erzeugte Rückstellkraft über die
Lebensdauer der Glühstiftkerze 1 einen
zumindest im Wesentlichen unveränderten
Verlauf hat.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.