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Die
Erfindung betrifft eine Glühkerze. Derartige Glühkerzen
sind bekannt z. B. aus der
DE 10346295 .
Daran ist nachteilig, dass im normalen Betrieb der Glühkerzen
in einer Brennkraftmaschine eine Verkokung der Glühkerzen
zwischen Heizstab und Zylinderkopf und im Ringspalt der Glühkerze stattfindet,
dadurch entstehen Probleme bei der Demontage der im Zylinderkopf
montierten Glühkerzen bzw. der Drucksensorglühkerzen,
sowie bei der Wärmeleitung an bzw. in der Glühkerze.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden
und eine Glühkerze zu schaffen, die einen verkokungsfreien
Betrieb der Brennkraftmaschine gestattet bzw. das Verkoken der Glühkerze
im Zylinderkopf respektive im Ringspalt der Glühkerze verhindert.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Glühkerze
nach Anspruch 1 gelöst. Hierbei ist von Vorteil, dass durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung für
einen zuverlässigen Gasaustausch gesorgt wird, der an den
Kontaktstellen Zylinderkopf/Glühkerze bzw. Körper/Heizstab
für eine vollständige Oxidation sorgt und so Kohlenstoffablagerungen
verhindert.
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Durch
diese Gestaltung des Ringspalts und des Freiraums wird die Verkokung
der Glühkerzen in der Zylinderkopfbohrung zwischen Heizstab
und Zylinderkopf dauerhaft verhindert. Dadurch bleibt der Wärmeverlauf
bzw. das Wärmeverhalten der Glühkerze über
ihre gesamte Lebensdauer unverändert. Bei beweglichen Heizstäben
bleibt die Bewegungsfähigkeit über ihre gesamte
Lebensdauer unverändert.
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Eine
erschwerte Demontage bzw. eine daraus resultierende Beschädigung
durch eine mögliche Verkokung mit zu hohem Demontagedrehmoment kann
zuverlässig verhindert werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Im
folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
Einbausituation der Glühkerze mit Volumen im Zylinderkopf
gemäß dem Stand der Technik
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2:
Einbausituation der Glühkerze mit variiertem Volumen
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3:
Glühkerze mit variiertem Volumen sowie zweiteiligem Körper
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4:
Glühkerze mit Volumen im Zylinderkopf
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5:
Volumen und Ringspalt Beschreibung
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6:
Einbausituation einer Drucksensorglühkerze mit Volumen
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7:
Variante mit 2teiligem Körper
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8:
Drucksensor
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2 zeigt
eine in einem Zylinderkopf 5 angeordnete Glühkerze,
die einen zwischen Heizstab 1 und Körper 2 der
Glühkerze angeordneten Ringspalt 3 und einen sich
an den Ringspalt 3 anschließenden Raum 4 aufweist,
der mittels Ringspalt 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine
in der Weise kommuniziert, dass sauerstoffhaltiges Gas in den Raum 4 gelangt.
Durch diesen Ringspalt 3 und den Freiraum 4 besteht
die Möglichkeit eines Volumenstroms aus dem Verbrennungsraum
der Brennkraftmaschine in den Raum 4, der für
einen zuverlässigen Gasaustausch und somit für
einen ausreichenden Sauerstoffgehalt im Bereich der Kontaktflächen
zwischen Zylinderkopf und Glühkerze sorgt. Somit werden
in dem Ringspalt 3 und im Freiraum 4 mittels oxidativer
Vorgänge sehr hohe Temperaturen erreicht. Durch diese hohen
Temperaturen wird der in diesem Bereich befindliche Kohlenstoff
verbrannt, der sich somit nicht in dem für einen störungsfreien
Betrieb einer Brennkraftmaschine relevanten Bereich ablagern kann.
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Durch
die erfindungsgemäße Auslegung des Ringspaltes 3 lässt
sich der Volumenstrom und somit der Gasaustausch derart einstellen,
dass es zu keinerlei Kohlenstoffablagerungen kommt.
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Wichtig
ist, dass genügend Sauerstoffanteil in den Ringspalt 3 gelangt
und somit die vollständige Verbrennung unterstützt
bzw. ermöglicht.
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Durch
diese Möglichkeit des Gasaustauschs steigt auch die Temperatur
im Ringspalt zwischen Zylinderkopf 5 und Heizstab 1.
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Für
Anwendungen bei denen ein beweglicher Heizstab 1 zum Einsatz
kommt, wie dies in 6 dargestellt ist, ist diese
Ringspalt- 3/Freiraum- 4 Kombination zum beweglich
halten des Heizstabs 1 vorgesehen.
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Mit
einem definierten Ringspalt 3 und dem dazugehörenden
Freiraum 4 kann ein entsprechendes Volumen erreicht werden,
das in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung etwa 140 mm3 umfasst, um ausreichend Verbrennungsgasströmung
zur ermöglichen.
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Der
definierte Ringspalt 3 und der mit ihm korrespondierende
Freiraum 4 der ein wie oben beschrieben definiertes Volumen
zum Gasaustausch beim Verbrennungsprozess zulässt, basiert
auf dem Prinzip des sogenannten Helmholtz-Resonators.
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Er
besteht aus einem Gasvolumen mit einer engen Öffnung, dem
Ringspalt 3 nach außen. Durch die Elastizität
des Luftvolumens im Inneren in Kombination mit der trägen
Masse, der in der Öffnung befindlichen Luft entsteht ein
mechanisches Masse-Feder-System mit einer ausgeprägten
Eigenresonanz.
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Der
Wert des Korrekturgliedes für die Grenzflächen
des Rohres ist etwa nur halb so groß wie in der weiter
unten angegebenen Formel:
- c:
- Schallgeschwindigkeit
- V:
- Volumen des Hohlkörpers
- r:
- Radius des Rohres
- l:
- Länge des
Rohres
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Korrekturglied
für die Grenzflächen des Rohres: +π r/4
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Da
der Übergang zwischen Gas-Bereichen, die als Masse, bzw.
als Feder wirken, fließend ist, ist die exakte Frequenz
eines Helmholtz-Resonators schwer zu berechnen.
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Näherungsformel
zur Berechnung der Resonanzfrequenz:
- l:
- Länge des
Tunnels
- A:
- Fläche des
Tunnels
- V:
- Innenvolumen der Box.
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Das
Volumen des Helmholtz-Hohlkörpers setzt sich, wie in 5 zu
sehen ist, aus dem aus b und c gebildeten Ringspaltvolumen zusammen.
Der Radius des Helmholtz–Rohres ergibt sich, wie ebenfalls
in 5 zu sehen ist, aus dem Maß am Ringspalt 3,
wobei die innere Länge des Ringspalts 3 der Länge
des Rohres 1 der Helmholtzformel entspricht.
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Durch
den Gasaustausch und die damit verbundene Versorgung des Volumens 4 und
des Ringspalts 3 mit sauerstoffhaltigem Brenngas sorgt
dafür, dass die Temperaturen im Ringspalt 3 und
im Freiraum 4 so weit steigen, dass der Kohlenstoff insbesondere
in den problematischen Kontaktzonen verbrannt wird.
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Der
Effekt kann durch eine gezielte und vorteilhafte Beschichtung der
Oberflächen mit einem katalytisch wirkendem Werkstoff verstärkt
werden. Besonders vorteilhaft wirkt hier beispielsweise eine Platinbeschichtung.
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Beim
Einsatz von Muster in speziellen Motordauerläufen und Versottungsdauerläufe
zeigten keine Spuren von Kohlenstoff bzw. von Kohlenstoffablagerungen
im Ringspalt 3 oder im Freiraum 4. Auch im Faltenbalg 7,
wie er in 6 dargestellt ist, konnte kein
Ruß bzw. Rußablagerungen nach den erfindungsgemäß angelegten
Dauerläufen festgestellt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wenigstens
ein Element wie beispielsweise der Faltenbalg aus einer katalysatorhaltigen Beschichtung
und/oder Materialpaarung besteht, um die Zündtemperatur
für Verbrennungsrückstände zu erniedrigen.
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Als
Katalysatormaterialien kommen beispielsweise Platin und/oder Palladium,
Cereisen, Raney-Nickel, Rhodium, Hopkalit, Vanadiumpentoxid und
Samariumoxid in Frage. Jedes andere Element der beschriebenen Glühkerze
kann ebenfalls katalysatorbeschichtet sein. Bei Temperaturmessungen
mit den beschriebenen erfindungsgemäßen Konfigurationen
wurden Temperaturen gemessen bei denen der Kohlenstoff rückstandsfrei
verbrennt.
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In 2 wird
eine in einem Zylinderkopf 5 angeordnete Glühkerze,
die einen zwischen Heizstab 1 und Körper 2 der
Glühkerze angeordneten Ringspalt 3 und einen sich
an den Ringspalt 3 anschließenden Raum 4 aufweist,
der mittels Ringspalt 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine
in der Weise kommuniziert, dass sauerstoffhaltiges Gas in den Raum 4 gelangt,
gezeigt. Durch diesen Ringspalt 3 und den Freiraum 4 besteht
die Möglichkeit eines Volumenstroms aus dem Verbrennungsraum
der Brennkraftmaschine in den Raum 4, der für
einen zuverlässigen Gasaustausch und somit für
einen ausreichenden Sauerstoffgehalt im Bereich der Kontaktflächen
zwischen Zylinderkopf und Glühkerze sorgt. Somit werden
in dem Ringspalt 3 und im Freiraum 4 mittels vollständiger
Verbrennung Temperaturen über 600 Grad oder kleiner, wenn
eine entsprechende Katalysatoroberfläche vorhanden ist,
Celsius erreicht. Durch diese hohen Temperaturen wird der in diesem Bereich
befindliche Kohlenstoff verbrannt, der sich somit nicht in dem für
einen störungsfreien Betrieb einer Brennkraftmaschine relevanten
Bereich ablagern kann.
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3 zeigt
eine in einem Zylinderkopf 5 angeordnete Glühkerze,
die einen zwischen Heizstab 1 und zweiteiligem Körper 2 der
Glühkerze angeordneten Ringspalt 3 und einen sich
an den Ringspalt 3 anschließenden Raum 4 aufweist,
der mittels Ringspalt 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine
in der Weise kommuniziert, dass sauerstoffhaltiges Gas in den Raum 4 gelangt.
Durch diesen Ringspalt 3 und den Freiraum 4 besteht
die Möglichkeit eines Volumenstroms aus dem Verbrennungsraum
der Brennkraftmaschine in den Raum 4, der für
einen zuverlässigen Gasaustausch und somit für
einen ausreichenden Sauerstoffgehalt im Bereich der Kontaktflächen zwischen
Zylinderkopf und Glühkerze sorgt. Somit werden in dem Ringspalt 3 und
im Freiraum 4 mittels oxidativer Vorgänge sehr
hohe Temperaturen erreicht. Durch diese hohen Temperaturen wird
auch der in diesem Bereich befindliche Kohlenstoff verbrannt, der
sich somit nicht in dem für einen störungsfreien
Betrieb einer Brennkraftmaschine relevanten Bereich ablagern kann.
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In 4 wird
eine in einem Zylinderkopf 5 angeordnete Glühkerze,
die einen zwischen Heizstab 1 und Körper 2 der
Glühkerze angeordneten, mit dem zusätzlichen Raum 8,
dessen Länge der Länge des Rohres in der Helmholtzformel
zuzurechnen ist, Ringspalt 3, dessen Radius dem Radius
des Rohres in der Helmholtzformel entspricht und einen sich an den
Ringspalt 3 anschließenden Raum 4 aufweist, der
mittels Ringspalt 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine
in der Weise kommuniziert, dass sauerstoffhaltiges Gas in den Raum 4 gelangt,
gezeigt. Durch diesen Ringspalt 3 und den Freiraum 4, im
Zusammenspiel mit Raum 8 besteht die Möglichkeit
eines Volumenstroms aus dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine
in den Raum 4, der für einen zuverlässigen
Gasaustausch und somit für einen ausreichenden Sauerstoffgehalt
im Bereich der Kontaktflächen zwischen Zylinderkopf und
Glühkerze sorgt. Somit werden in dem Ringspalt 3 und
im Freiraum 4 mittels vollständiger Verbrennung
Temperaturen über 600 Grad Celsius erreicht. Durch diese
hohen Temperaturen wird der in diesem Bereich befindliche Kohlenstoff
verbrannt, der sich somit nicht in dem für einen störungsfreien
Betrieb einer Brennkraftmaschine relevanten Bereich ablagern kann.
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In
einer alternativen Ausgestaltung wird der Freiraum 4 durch
einen zweiteiligen Körper 2, 2a, wie dies
in Figur 7 gezeigt wird, mittels Körperoberteil
(2) und Körperunterteil (2a) erzeugt,
wobei die Körperteile 2, 2a um den Heizstab 1 angeordnet
sind.
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Die
Körperteile 2, 2a sind durch eine Schweißnaht 9 miteinander
verbunden.
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In 6 wird
ein beweglicher Heizstab 1 mit einen Faltenbalg 7 dargestellt,
der mit dem Körper 2 zusammen eine Glühkerze
in einem Zylinderkopf 5 ergibt. Zwischen Körper 2 und
Heizstab 2 befindet sich ein Ringspalt 3. Der
Faltenbalg 7 ist in einem Raum 4 beweglich angeordnet.
Der Raum 4 und der Ringspalt 3 kommunizieren mit
dem im Zylinderkopf 5 angeordneten Brennraum, der ebenfalls
nicht ausdrücklich. dargestellten Brennkraftmaschine. Durch die
ständige Bewegung des Raumes 4 mit sauerstoffhaltigem
Brenngas wird eine zuverlässige Oxidation aller eventuell
vorhandenen Rußpartikel realisiert, eine Verkokung des
Bereiches an dem Heizstab, insbesondere im Bereich von dem Ringspalt 3 bzw.
im Raum 4 wird schon im Ansatz verhindert, was von Vorteil
ist, da dadurch der Faltenbalg über die Laufzeit der Glühkerze
beweglich bleibt.
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In 8 wird
ein Drucksensor gezeigt, der wie in 6 dargestellt
in einem Zylinderkopf 5 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine
angeordnet ist. Der Drucksensor umfasst ein zweiteiliges Gehäuse 2, 2a,
welches auch, wie in 6 gezeigt, einteilig sein kann.
In einem Raum 4 ist ein Faltenbalg 7 zwischen
Gehäuse 2 und Drückstößel 1a darauf
angeordnet, dass der Druckstößel 1a gemeinsam
mit dem Faltenbalg 7 im wesentlichen entlang seiner Längsachse
bewegbar ist.
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- 1
- Heizstab
- 2
- Körper
- 2a
- Körperunterteil
- 3
- Ringspalt
- 4
- Raum
(Volumen/Freiraum)
- 5
- Zylinderkopf
- 6
- Presssitz
- 7
- Faltenbalg
- 8
- Raum
(Volumen/Freiraum)
- 9
- Schweißnaht
- a
- Ringspaltbreite
- b
- Breite
Freiraum
- c
- Länge
Freiraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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