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Die
Erfindung geht aus von einer Glühkerze nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Aus
DE 10 2005 017 802
A1 ist eine Glühkerze mit Brennraumdrucksensor
bekannt, bei der ein als Glühstift ausgebildeter keramischer
Heizkörper in einem Gehäuse angeordnet ist. Der
keramische Heizkörper ist von einem Stützrohr
umgeben, das mittels einer Abdichtung im Gehäuse fixiert
ist. Die Abdichtung ist dabei von einem zwischen Stützrohr
und Gehäuse angeordneten Graphitring gebildet.
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Die
durch die zyklische thermische Beanspruchung im reellen Motorbetrieb
hervorgerufenen mechanischen Spannungen führen zur Verschlechterung
der Haftung an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Stützrohr
und dem keramischen Heizkörper, was als Folge zu einem
Versagen der Dichtfunktion durch einen stellenweisen beziehungsweise
vollständigen Verlust des mechanischen Kontaktes an der
Grenzfläche des Metalls zur Keramik führt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühkerze mit
keramischem Heizkörper bereitzustellen, bei der der Innenraum
gegen die Brennraumgase zuverlässig abgedichtet ist.
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Erfindungsgemäß wird
die Glühkerze mit einem Dichtelement zwischen keramischem
Heizkörper und metallischem Stützrohr versehen,
wobei das Dichtelement aus einer metallischen Legierung mit sogenanntem Invar-Effekt
besteht, wobei derartige Legierungen einen besonders niedrigen Wert
hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweisen.
Als Invar-Effekt wird eine Erscheinung bezeichnet, wonach eine Gruppe
von Legierungen und Verbindungen in bestimmten Temperaturbereichen
anormal kleine oder zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen. Die Verwendung eines derartigen Dichtelementes führt
zu zahlreichen Vorteilen, insbesondere einer Erhöhung der
Dichtwirkung des Dichtelementes insbesondere in kritischen Betriebszuständen,
sowie einer Vermeidung gravierender Änderungen bei der
Serienauslegung des keramischen Heizkörpers. Aufgrund einer
besonders guten stoffschlüssigen Verbindbarkeit, insbesondere
hervorragenden Schweißeigenschaften, lässt sich
eine dichte Verbindung zum metallischen Stützrohr und zum
keramischen Heizkörper realisieren. Das eingesetzte metallische
Stützrohr hat die Aufgabe, den keramischen Heizkörper
zu befestigen. Der keramische Heizkörper wird in das Stützrohr,
zum Beispiel im Wege eines Lötverfahrens, stoffschlüssig
eingebaut. Eine weitere Funktion des Stützrohres besteht darin,
eine hermetische, lange Zeit dauernde Abdichtung eines Sensormoduls
gegen die Einflüsse aggressiver Brennraummedien, insbesondere
gegen die hohen Verbrennungsdrücke, gegen Versottung und
gegen sich anlagernde Rußpartikel sowie gegen Korrosionseinflüsse
darzustellen.
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Als
Legierung mit einem Invar-Effekt wird eine FeNi-Legierung eingesetzt.
Die später aufgeführten FeNi-Legierungen mit einem
kubisch flächenzentrierten Kristallgitter dehnen sich bei
Erwärmung praktisch nicht oder nur gering aus. Besonders
geeignet ist eine ferromagnetische kubisch flächenzentrierte
FeNi-Legierung.
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Bei
einer vorgeschlagenen Lösung wird das Versagen der Dichtfunktion,
d. h. der stellenweise beziehungsweise vollständige Verlust
des mechanischen Kontaktes an der Grenzfläche zwischen
dem metallischen Material des Stützrohres und dem Keramikmaterial
des Heizkörpers dadurch vermieden, dass ein zusätzliches Dichtelement
unmittelbar an einer brennraumseitigen Stirnseite des Stützrohres
auf den keramischen Heizkörper aufgepresst und anschließend
mittels einer kraftschlüssigen oder einer stoffschlüssigen
Fügeverbindung an dem Stützrohr befestigt wird.
Bevorzugt ist das Dichtelement in Ringform ausgebildet. Bei dieser
Ausführungsform kann eine Hertzsche Pressung auf der Berührlinie
zwischen dem Dichtelement und dem Heizkörper realisiert
werden, die zu einer besonders guten Abdichtung gegenüber
den aggressiven Medien, insbesondere den Verbrennungsdrücken
im Brennraum führt.
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Bevorzugt
wird das vorgeschlagene Dichtelement, sei es in Form einer einteiligen
oder mehrteiligen Hülse ausgebildet, sei es in Ringform
als ein einstückiges Bauteil ausgebildet, aus einem Werkstoff
hergestellt, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (WAK)
aufweist, der im hier in Frage kommenden Betriebstemperaturbereich
unter dem WAK-Wert des keramischen Heizkörpers liegt, sich
diesem annähert oder diesen unbedeutend übersteigt.
Eine derartige Ausbildung des vorgeschlagenen Dichtelementes hat
den konstruktiven Vorteil, dass eine zwischen dem Dichtelement und
dem keramischen Heizkörper realisierte Presspassung die
Presskraft bei steigender Temperatur erhöht, d. h. genau
in dem Falle, in dem es auch zu steigenden Drücken kommt,
denen die erfindungsgemäß vorgeschlagene Glühkerze
im Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt ist. Im Falle
eines Versagens der Lotverbindung des keramischen Heizkörpers
zum diesen umgebenden Stützrohr kann bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
eine Abdichtung der Glühkerze trotzdem sichergestellt werden,
da das ringförmig oder hülsenförmig ausgebildete
Dichtelement die Abdichtfunktion gewährleistet.
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Als
besonders geeignet ist als Werkstoff für das Dichtelement
eine Metalllegierung mit Invar-Effekt zu nennen, die unter dem Handelsnamen
KOVAR® bekannt ist. Diese Metalllegierung
weist einen Nickelgehalt von 29,0 Gew.-%, einen Kobaltgehalt von
17,0 Gew.-%, einen Siliziumgehalt von 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, einen
Mangangehalt von 0,3 Gew.-% sowie einen Kohlenstoffgehalt von maximal
0,02 Gew.-%, Rest Eisen, auf.
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Es
ist auch möglich, das in einer Ausführungsform
in Ringform hergestellte Dichtelement hülsenförmig herzustellen,
wobei das hülsenförmig ausgebildete Dichtelement
am Stützrohr befestigt wird. Die Stoßstelle zwischen
dem hülsenförmigen Dichtelement und dem Stützrohr
kann mit angeschrägten Flächen oder auch stufenförmig
ausgebildet sein.
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Des
Weiteren ist die axiale Positionierung des Dichtelementes, sei es
in Ringform, sei es in Hülsenform ausgebildet, variabel.
Die Position an der ringförmigen, dem Brennraum zuweisenden
Stirnseite des Stützrohres, welches den keramischen Heizkörper
umschließt, ist insbesondere vorteilhaft, da in diesem
Falle keine weiteren Modifikationen des keramischen Heizkörpers
erforderlich sind. Es ist jedoch auch möglich, den keramischen
Heizkörper derart minimal zu modifizieren, so dass das
Dichtelement eine beliebige axiale Position annimmt. Denkbar ist
ebenfalls, das Dichtelement im Bereich des dem Brennraum abgewandten
Endes des keramischen Heizkörpers zu positionieren. Eine
Dichtverbindung zwischen dem Stützrohr und dem Dichtelement,
sei es ringförmig, sei es hülsenförmig
ausgebildet, kann zum Beispiel mittels eines entsprechenden stoffschlüssigen
Fügeverfahrens, wie zum Beispiel dem Schweißverfahren
oder dem Lotverfahren, hergestellt werden.
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Wird
das Dichtelement in Hülsenform ausgeführt, kann
das komplette Stützrohr vollständig aus einer Legierung
mit Invar-Effekt hergestellt werden. Das Dichtelement ist hinsichtlich
seiner Anwendung nicht lediglich auf Glühkerzen beschränkt,
sondern kann auch an anderen Zylinderkopfkomponenten von Verbrennungskraftmaschinen,
so zum Beispiel Glühkerzen mit integrierten Drucksensoren
oder dergleichen eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 eine
Glühkerze mit einer Druckerfassungseinrichtung in Schnittdarstellung,
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2 eine
vergrößerte Darstellung eines keramischen Heizelements
unterhalb eines Sensormoduls,
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3 eine
Ausführungsform einer Stoßstelle eines zweiteilig
ausgebildeten hülsenförmigen Dichtelementes,
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4 eine
weitere Ausführungsform der Stoßstelle der beiden
Teile des hülsenförmig ausgebildeten Dichtelementes,
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5 eine
weitere Ausführungsform der Abdichtung der Glühkerze
durch Ausbildung einer Presspassung und eines Stützrohres
mit reduzierter Wandstärke,
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6 die
Ausbildung der Abdichtung der Glühkerze durch Ausbildung
von mindestens einer Sicke im Stützrohr,
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7 ein
stoffschlüssig mit dem Stützrohr gefügtes,
hülsenförmiges Dichtelement und
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8 die
Abdichtung der Glühkerze durch ein durchgängig
ausgebildetes Stützrohr, dessen Spielpassung zur Aufnahme
des keramischen Heizkörpers mit Lot zum Beispiel ausgefüllt
ist.
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Die
in 1 dargestellte Glühkerze mit Druckerfassungseinrichtung,
die nachfolgend als Druckmessglühkerze 10 bezeichnet
wird, umfasst ein Gehäuse 11, in welches ein als
Glühstift ausgeführter keramischer Heizkörper 12 und
ein Sensor 13 zur Druckerfassung eingesetzt sind. Der Sensor 13 ist
in einem Sensormodul 30 angeordnet. Zur Abdichtung des
separaten, vormontierten Sensormoduls 30 wird zum Beispiel
eine radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46 eingesetzt.
Die auf die Metallmembran 46 ausgeübte Druckkraft wird
in einem separaten Druckmessmodul umgewandelt. Das Druckmessmodul
umfasst im Wesentlichen den im Stützrohr 14 befestigten
keramischen Heizkörper 12, ein Kompensationselement 24 sowie
ein Wärmedämm- und Kraftübertragungselement 26 sowie
das separate Sensormodul 30, ein Fixierelement 28,
die bereits erwähnte radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46 und
einen Sensorkäfig 32.
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Bei
Beaufschlagung mit einem Druck, so zum Beispiel dem im Zylinder
einer Verbrennungskraftmaschine herrschenden Druck, dient der keramische
Heizkörper 12 als Übertragungselement
der Druckkraft im Brennraum an das Sensormodul 30. Der
keramische Heizkörper 12 ist über das
Stützrohr 14 mit der Metallmembran 46 bewegungsgekoppelt.
Die auf den keramischen Heizkörper 12 einwirkende
Kraft wird über den Kraftpfad an das Sensormodul 30 übertragen.
Das Kompensationselement 24 wird bevorzugt aus einem Material
mit einem speziell angepassten Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten
(WAK) hergestellt und dient hauptsächlich zur thermischen
Längenkompensation bei höheren Temperaturen. Das
obere Wärmedämm- und Kraftübertragungselement 26 weist
einen möglichst kleinen Wert für die Wärmeleitfähigkeit
auf und dient der maximalen Temperaturabsenkung am Sensormodul 30.
Das Wärmedämm- und Kompensationselement 26 weist
eine sehr hohe Oberflächengüte und eine hohe Steifigkeit
auf. Hinter dem Sensormodul 30 befindet sich das Fixierelement 28.
Das Sensormodul 30 ist zwischen der radialsymmetrisch ausgebildeten
Metallmembran 46 und dem Fixierelement 28 mittels
des in 1 dargestellten, hülsenförmig
ausgebildeten Sensorkäfigs 32 unter Erzeugung
einer definierten Vorspannkraft zusammengehalten.
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Zu
einer effektiven Wärmeableitung vom Sensormodul 30 wird
der Sensorkäfig 32 mittels einer Schweißnaht
zum Beispiel möglichst nah im Bereich eines Dichtkonus 34 befestigt.
Der Glühstrom zum keramischen Heizkörper 12 wird
diesem über eine Glühstromleitung 20 zugeführt.
Eine Kontaktierung der Glühstromleitung 20 an
einer Stirnseite des keramischen Heizkörpers 12 erfolgt
an einer Kontaktierung 22. Die Symmetrieachse des keramischen
Heizkörpers 12 ist durch Bezugszeichen 36 kenntlich
gemacht.
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Aus
der Darstellung gemäß 1 und 2 geht
hervor, dass am hier einteilig ausgebildeten Stützrohr 14 an
einer brennraumseitigen Stirnseite 16 ein in Ringform 18 ausgebildetes
Dichtelement 40 angeordnet ist. Das hier in Ringform 18 ausgebildete
Dichtelement 40 wird mittels eines Schrumpfsitzes 38 an
der Umfangsfläche des keramischen Heizkörpers 12 befestigt.
Anschließend wird eine kraftschlüssige oder eine
stoffschlüssige Fügeverbindung 44 an
der brennraumseitigen Stirnseite 16 des ein- oder mehrteilig
ausgebildeten Stützrohres 14 erzeugt. Bei dieser
Ausführungsform kann eine Hertzsche Pressung auf der Berührlinie
zwischen dem in Ringform 18 ausgebildeten Dichtelement 40 und
der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 am
Schrumpfsitz 38 realisiert werden, wodurch eine besonders
gute Abdichtung gegenüber dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine
erreicht wird.
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Das
in der Regel aus metallischem Material hergestellte Stützrohr 14 hat
die Aufgabe, den keramischen Heizkörper 12 zu
befestigen. Im Regelfall ist der keramische Heizkörper 12 im
Stützrohr 14 in einer stoffschlüssigen
Verbindung, zum Beispiel in einer Lotverbindung aufgenommen. Die
Lotverbindung dient einerseits zur Befestigung und zur Abdichtung
des keramischen Heizkörpers 12 innerhalb des Stützrohres 14,
andererseits zur elektrischen Kontaktierung des keramischen Heizkörpers 12 im
Stützrohr 14. Eine weitere Funktion des Stützrohres 14 liegt
darin, eine hermetische, lange Zeit andauernde Abdichtung des Sensormoduls 30 gegen
die Einflüsse aggressiver Brennraummedien, insbesondere
gegen hohe Verbrennungsdrücke, gegen Versottung und sich
anlagernde Rußpartikel sowie Korrosionseinflüsse
darzustellen. In der Praxis wird der keramische Heizkörper 12 aus
einer Keramik mit einem relativ niedrigen Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
(WAK) hergestellt, während das Material des Stützrohres 14 selbst
wiederum einen im Vergleich dazu höheren WAK-Wert (Stahl)
aufweist. Das Dichtelement 40, sei es in Ringform 18,
sei es in Hülsenform ausgebildet, wird bevorzugt aus einem
Werkstoff hergestellt, der einen WAK-Wert aufweist, der im relevanten Betriebstemperaturbereich
unterhalb des WAK-Wertes des keramischen Heizkörpers 12 liegt,
sich diesem annähert oder diesen nur unbedeutend übersteigt.
Eine solche Eigenschaftskombination des Werkstoffes hat den konstruktiven
Vorteil, dass die Presspassung 38 zwischen dem Dichtelement 40 in
Ringform 18 und dem keramischen Heizkörper 12 mit
steigender Temperatur zunimmt. Bricht das Lot zwischen der Mantelfläche
des keramischen Heizkörper 12 und dem Innenmantel
des Stützrohres 14, so wird die Abdichtung der
Druckmessglühkerze 10 nach wie vor durch das Dichtelement 40 in
Ringform 18 gewährleistet.
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Als
Material für das Dichtelement 40, sei es in Hülsenform,
sei es in Ringform 18 ausgebildet, kommen Metalllegierungen
in Frage, die einen sogenannten Invar-Effekt aufweisen. Diese Legierungen
zeichnen sich vor allem durch eine nahezu konstante, invariante
thermische Expansion als Funktion der Temperatur in einem großen
Temperaturbereich aus.
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Wie
aus 2 hervorgeht, umfasst die Druckmessglühkerze 10 oberhalb
des ein- oder mehrteilig ausgebildeten Stützrohrs 14 die
Metallmembran 46. Die Metallmembran 46 ist im
Wesentlichen radialsymmetrisch ausgebildet und bilde eine erste
Stoßstelle 48 zum ein- oder mehrteilig ausgebildeten
Stützrohr 14 und eine weitere, zweite Stoßstelle 50 zum
in dieser Ausführungsform hülsenförmig
ausgebildeten Sensorkäfig 32. Der Sensorkäfig 32 umschließt
seinerseits das Fixierelement 28, das Wärmedämm-
und Kraftübertragungselement 26 sowie das Kompensationselement 24.
Aus 2 geht hervor, dass die obere Stirnseite des keramischen
Heizelements 12 an der Kontaktierung 22 durch
die Glühstromleitung 20 elektrisch kontaktiert
wird. Die Glühstromleitung 20 kann – wie
in 2 dargestellt – im Wesentlichen gerade
verlaufen, sie kann auch eine oder mehrere wendelförmige
Windungen umfassen, je nach Einsatzzweck.
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Der
Sensorkäfig 32 umschließt das Sensormodul 30,
welches in der in 2 dargestellten Ausführungsform
mit dem Kompensationselement 24 und dem Wärmedämm-
und Kraftübertragungselement 26 zusammenwirkt.
Das Sensormodul 30 kann zum Beispiel als piezoelektrisches
oder als piezoresistives Sensormodul zur Druckmessung ausgebildet
sein.
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Aus 2 geht
weiter hervor, dass der Körper der Druckmessglühkerze 10 eine Öffnung 52 umfasst, durch
welche sich das Stützrohr 14 erstreckt. Im Inneren
des Stützrohres 14 befindet sich der keramische
Heizkörper 12. Der in 2 teilweise
dargestellte keramische Heizkörper 12 ist entlang
seiner Axialerstreckung im Stützrohr 14 von einer
Lotverbindung umschlossen. In 2 ist die
brennraumseitige Stirnseite 16 des ein- oder mehrteilig
ausgebildeten Stützrohres 14 angedeutet, an welchem
das Dichtelement 40 in Ringform 18 anliegt. Das
Dichtelement 40 liegt einerseits am Schrumpfsitz 38 an
der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 an
und ist andererseits über die bereits im Zusammenhang mit 1 erwähnte
stoffschlüssige Verbindung 44 mit der brennraumseitigen
Stirnseite 16 des Stützrohres 14 verbunden.
Die Abdichtung des keramischen Heizkörpers 12 erfolgt
durch das an der brennraumseitigen Stirnseite 16 des ein-
oder mehrteilig ausgebildeten Stützrohres 14 angeordnete
Dichtelement 40. Dieses ist über eine kraftschlüssige
oder stoffschlüssig ausgebildete Fügeverbindung 44 an
der brennraumseitigen Stirnseite 16 des ein- oder mehrteilig
ausgebildeten Stützrohrs 14 befestigt.
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Das
Dichtelement 40 wird der vorgeschlagenen Erfindung folgend,
aus einem Werkstoff hergestellt, der einen WAK-Wert aufweist, der
im relevanten Betriebstemperaturbereich unter dem WAK-Wert des keramischen
Heizkörpers 12 liegt oder sich diesem annähert
oder diesen nur unbedeutend übersteigt. Eine derartige Eigenschaftskombination
hat den konstruktiven Vorteil, dass die Presspassung am Schrumpfsitz 38 zwischen dem
Dichtelement 40 und dem keramischen Heizkörper 12 mit
steigender Temperatur zunimmt. Es kann somit im Falle eines Versagens,
zum Beispiel beim Bruch der Lotverbindung zwischen der Mantelfläche
des keramischen Heizkörpers 12 und der Innenseite
des Stützrohres 14, die Abdichtung der Druckerfassungseinrichtung durch
das Dichtelement 40 gewährleistet werden, die
sowohl bei niedrigen als auch bei höheren Betriebstemperaturen
zuverlässig funktioniert. Als Material für das
Dichtelement 40 wird eine Metalllegierung mit Invar-Effekt
verwendet. Die Basislegierung mit dieser Eigenschaft ist eine ferromagnetische,
kubisch-flächenzentrierte FeNi-Legierung mit einer Stöchiometrie
von ungefähr Fe65Ni35.
Diese Legierung zeichnet sich durch eine nahezu konstante, invariante
thermische Expansion als Funktion der Temperatur über einen
großen Temperaturbereich aus.
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Den
Darstellungen gemäß der 3 und 4 sind
weitere Ausführungsformen Dichtelementes 40 zu
entnehmen. Wie den Darstellungen gemäß der 3 und 4 entnommen
werden kann, kann das Dichtelement 40 im Gegensatz zu den
Darstellungen gemäß der 1 und 2 – wie
obenstehend beschrieben – auch als Hülse 54 ausgebildet
sein. Das Stützrohr 14 und die Hülse 54 sind
an einer Stoßstelle 60 miteinander fixiert. Aus
der Darstellung gemäß 3 geht hervor,
dass die Stoßstelle 60 zwischen der Hülse 54 und dem
Stützrohr 14 mindestens eine oder auch mehrere
Schrägen umfassen kann, so dass sich die in 3 dargestellte
Konfiguration einer schräg verlaufenden Stoßstelle 60 ergibt.
Bei mit Schrägen ausgebildeter Stoßstelle 60 ergibt
sich eine Verbesserung der stoffschlüssigen Fügbarkeit,
insbesondere der Verschweißbarkeit bei der Herstellung.
Wird, wie in 3 dargestellt, eine Hülse 54 mit
Innenprofilierung 55 eingesetzt, kann eine erhöhte
Hertzsche Pressung auf der Berührlinie am Umfang des keramischen
Heizkörpers 12 realisiert werden. Dies verbessert
die Abdichtwirkung. Durch die an der Stoßstelle 60 ausgeführte
stoffschlüssige Verbindung kann des Weiteren eine Zusatzabdichtung
erzielt werden.
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Demgegenüber
kann die Stoßstelle 60 zwischen dem Dichtelement 54 und
dem Stützrohr 14 auch stufenförmig ausgebildet
sein, wie dies in 4 dargestellt ist. Bei der in 4 dargestellten
Ausführungsform der Stoßstelle 60 liegt
die in axiale Richtung gesehen verlängerte Stufe am Stützrohr 14 vor,
welche in eine entsprechend konfigurierte innere Ausnehmung der
Hülse 54 eingreift. Bei einer Hülse 54,
die eine Innenprofilierung 55 aufweist, lässt
sich eine verbesserte Hertzsche Pressung an der Berührlinie
am Umfang des keramischen Heizkörpers 12 erreichen.
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Die
metallische Legierung mit Invar-Effekt kann eine der nachfolgend
aufgeführten Basislegierungen sein. Zu nennen ist Fe-36Ni,
allgemein bekannt als Invar, sowie des Weiteren Fe-32Ni-5Co, was
allgemein als Superinvar bekannt ist. Des Weiteren kann Fe-29Ni-17Co,
das allgemein als Kovar® bekannt
ist, eingesetzt werden, ebenso wie Fe- 42Ni-Cr-Ti, was allgemein
bekannt ist als Ni-Span-C. Die einzelnen Komponenten dieser Legierungen
variieren in breiten Grenzen, und zwar (nachfolgende Angaben in
Gew.-%): Für die vorstehend genannten Legierungen Fe-36Ni,
Fe-Ni42 und Fe-Ni43, allgemein bekannt als Invar, ergeben sich für
die einzelnen Legierungselemente folgende Konzentrationsbereiche:
Ni von 35,0 bis 44,0 Gew.-%, Mn < 1,0 Gew.-%,
Si < 0,50 Gew.-%
und C < 0,10 Gew.-%,
Rest Fe.
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Für
die obenstehend ebenfalls aufgeführte Basislegierung Fe-32Ni-5Co,
welche allgemein als Superinvar bekannt ist, ergeben sich folgende
Konzentrationsbereiche: Ni von 31,0 bis 33,0 Gew.-%, Co von 4,0 bis
6,0 Gew.-%, Mn < 0,50
Gew.-% und Si < 0,50
Gew.-%, C < 0,10
Gew.-%, Rest Fe.
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Für
Fe-29Ni-17Co, allgemein bekannt als Kovar, ergeben sich folgende
Konzentrationsbereiche: Ni von 28,0 bis 30,0 Gew.-%, Co von 17,0
bis 18,0 Gew.-%, Mn < 0,50
Gew.-%, Si < 0,30
Gew.-% und C < 0,05 Gew.-%,
Rest Fe.
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Schließlich
ergibt sich für die Basislegierung Fe-42Ni-Cr-Ti, allgemein
bekannt als Ni-Span-C folgende Zusammensetzung: Ni von 41,0 bis
43,0 Gew.-%, Co von 6,0 bis 7,0 Gew.-%, Mn < 1,0 Gew.-%, Si < 0,50 Gew.-% und C < 0,10 Gew.-%, Rest Fe.
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In
der nachfolgenden Tabelle sind die WAK-Anhaltswerte für
die KOVAR
®-Legierung sowie für üblicherweise
verwendete Stähle, so zum Beispiel ferritische Stähle,
und Heizerkeramiken (zum Beispiel auf Siliziumnitrid-Basis) aufgelistet.
Aus der Tabelle geht hervor, dass eine deutliche Verringerung der
WAK-Differenz an der Grenzfläche durch den Einsatz dieser
Legierung anstelle eines Stahles erzielt werden kann. Für
bestimmte Materialkombinationen kann eine gute Abdichtung insbesondere
bei höheren Temperaturen, wie sie bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
auftreten, erreicht werden. Tabelle:
WAK-Werte (×10
–6K
–1) für Metalllegierungen
und Keramiken
| T (°C) | αKOVAR ® | αStahl | αSi3N4 | αKOVAR ® – αStahl | αStahl-αSi3N4 |
| 300 | 5,1 | 10,5 | 5,0 | 0,1 | 5,5 |
| 400 | 4,9 | 10,5 | 5,4 | –0,5 | 5,1 |
| 450 | 5,3 | 11,0 | 5,6 | –0,3 | 5,4 |
| 500 | 6,2 | 11,0 | 5,8 | 0,4 | 5,2 |
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Aus
Spalte 4 der obenstehenden Tabelle (αkovar ® – αSi3N4)
ergibt sich, dass zum Beispiel bei Temperaturen von 400°C
eine negative Differenz von –0,5 × 10–6 K–1 zwischen den beiden WAK-Werten
auftritt, und bei einer Temperatur von 450°C eine Differenz
der WAK-Werte zwischen Fe-29Ni-17Co (KOVAR® und
Keramik von –0,3 × 10–6 K–1 auftritt. Da die Differenzen
zwischen den beiden in Spalte 4 angegebenen WAK-Werten äußerst
gering ist und in Bezug auf die Temperatur von 400°C und
450°C sogar negative Werte annehmen, lässt sich
durch Verwendung dieser Materialien zur Abdichtung eine besonders
gute, auch bei höheren Temperaturen stabile Abdichtung
erreichen. In Spalte 5 ergeben sich für die Temperaturen
von 400°C beziehungsweise 450°C Differenzen zwischen αstahl und αsi3N4 von
5,1 bis 5,4 × 10–6 K–1, weil bei Verwendung konventioneller
Stähle als Abdichtelemente in keramischen Heizkörpern 12 wesentlich
höhere Differenzen zwischen den WAK-Werten auftreten, was
auf eine wesentlich schlechtere – im Vergleich zu den in
Spalte 4 angegebenen Werten – Abdichtung schließen
lässt.
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Wie
der Darstellung gemäß 5 zu entnehmen
ist, lässt sich die Abdichtung der Druckmessglühkerze 10 auch
nur über das Stützrohr 14 realisieren.
Das Stützrohr 14, gefertigt zum Beispiel aus Fe-29Ni-17Co weist
an einem dem Brennraum abgewandten Bereich 12' zwei benachbarte
Abschnitte 62 mit reduzierter Wandstärke auf.
Zwischen diesen Abschnitten 62 liegt ein weiterer Abschnitt,
der einen Schrumpfsitz 38 mit dem keramischen Heizkörper 12 ausbildet,
wobei der Schrumpfsitz 38 an dieser Stelle das Dichtelement 40 bildet.
Das Stützrohr 14 liegt an der bevorzugt radialsymmetrisch
ausgebildeten Metallmembran 46 an, die ihrerseits die Glühstromleitung 20 und
deren Kontaktierung 22 am keramischen Heizkörper 12 umschließt.
Das Stützrohr 14 und der keramische Heizkörper 12 sind
im kerzenkörpernahen Bereich 12' zum Beispiel über
eine Lotverbindung 56 miteinander verbunden. Die Lotverbindung 56 stellt
die elektrische Kontaktierung des keramischen Heizelements 12 und
dessen Befestigung im Stützrohr 14 dar. Im kerzenkörperfernen
Bereich des Stützrohres 14 ist eine Spielpassung 58 zwischen
der Innenumfangsfläche des Stützrohres 14 und
der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 ausgebildet,
die in diesem Bereich 12' oberhalb des Schrumpfsitzes 38 mit
Lot 56 befüllt ist.
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Der
Darstellung gemäß 6 ist eine
weitere Ausführungsform der Gestaltung der Abdichtung der Druckmessglühkerze 10 zu
entnehmen. 6 zeigt, dass die Druckmessglühkerze 10 einen
Dichtkonus 34 umfasst. Innerhalb des Dichtkonus 34 ist
das Stützrohr 14 aufgenommen, welches bevorzugt
aus einer metallischen Legierung, wie zum Beispiel Fe-29Ni-17Co
gefertigt ist. Das Stützrohr 14 grenzt an die
Metallmembran 46, die bevorzugt radialsymmetrisch ausgebildet
ist und die Kontaktierung 22 sowie die Glühstromleitung 20 umschließt.
Das Stützrohr 14 bildet im oberen Bereich des keramischen
Heizkörpers 12 zu dessen Mantelfläche
eine Spielpassung, die mit Lot 56 ausgefüllt ist.
Aus der Ausführungsform gemäß 6 geht
hervor, dass sich in axiale Richtung des Stützrohrs 14 gesehen
mindestens eine umlaufende Sicke 64 erstreckt. Die Füllung aus
Lot 56, das zur elektrischen Kontaktierung des keramischen
Heizkörpers 12 dient, erstreckt sich bis oberhalb
der umlaufenden Sicke 64. Durch die mindestens eine umlaufende
Sicke 64 wird der Schrumpfsitz 38 zwischen der
Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 und
der Innenmantelfläche des Stützrohrs 14 gebildet.
Durch die mindestens eine umlaufende Sicke 64 am Umfang
des Stützrohres 14 kann eine lokale Presspassung
mit sanftem Verlauf der Fugenpressung in Richtung des Randes der
Presspassung 38 mit dem keramischen Heizkörper 12 erreicht
werden. Durch die mindestens eine Sicke 64 im Stützrohr 14 wird
das Dichtelement 40 zwischen dem Stützrohr 14 und
dem keramischen Heizkörper 12 ausgebildet.
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Der
Darstellung gemäß 7 ist eine
weitere Ausführungsform der Druckmessglühkerze 10 zu
entnehmen. Aus der Konfiguration gemäß 7 geht
hervor, dass die Druckmessglühkerze 10 die Hülse 54 umfasst,
welche im Bereich des Dichtkonus 34 im Kerzenkörper
der Druckmessglühkerze 10 befestigt ist. Die Hülse 54,
welche zum Beispiel aus Fe-29Ni-17Co gefertigt ist, ist an dem dem
Brennraum abgewandten Bereich 12' angeordnet. Die Hülse 54 grenzt
an die bevorzugt radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46 an, die
ihrerseits die Kontaktierung 22 und die Glühstromleitung 20 umschließt.
Das aus konventionellem Stahl gefertigte Stützrohr 14 ist
an einer Verbindungsstelle 68 mit der Hülse 54,
die aus einem Material mit Invar-Effekt, so zum Beispiel Fe-29Ni-17Co,
stoffschlüssig verbunden. Während zwischen der
Hülse 54 und der Umfangsfläche des keramischen
Heizkörpers 12 über die Axialerstreckung
der Hülse 54 der Schrumpfsitz 38 als
Dichtelement 40 in Form einer Presspassung zur Gewährleistung
der Dichtheit ausgebildet ist, befindet sich zwischen dem Stützrohr 14 und
der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 eine
Spielpassung 66, die mit Lot ausgefüllt ist.
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Der
Darstellung gemäß 8 ist schließlich
eine Gestaltung der Abdichtung der Druckmessglühkerze 10 zu
entnehmen, wobei der keramische Heizkörper 12 vom
Stützrohr 14 umgeben ist, und wobei zwischen der
Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 und
der Innenumfangsfläche des Stützrohres 14 die
mit Lot befüllte Spielpassung 66 vorliegt. Wie
aus der Darstellung gemäß 8 weiter
entnehmbar ist, ist das Stützrohr 14 in der Öffnung 52 des
Dichtkonus 34 des Kerzenkörpers der Druckmessglühkerze 10 befestigt
und grenzt an eine bevorzugt radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46.
Die bevorzugt radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46 umschließt
ihrerseits die Kontaktierung 22, in welcher die Glühstromleitung 20 mit
der oberen Stirnseite des keramischen Heizkörpers 12 verbunden
ist. Bevorzugt ist das Stützrohr 14 gemäß der
in 8 dargestellten Ausführungsform der Druckmessglühkerze 10 aus
Fe-29Ni-17Co oder den weiter oben erwähnten Basislegierungen
beschaffen und weist einen niedrigeren thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten
(WAK) im hinteren Bereich 12' auf. In dem Bereich 12' an
dem der Spitze des keramischen Heizkörpers 12 abgewandten
Ende des keramischen Heizkörpers 12 treten geringste
thermisch induzierte Längendifferenzen zwischen dem metallischen
Material und dem keramischen Heizkörper 12 auf,
so dass sich dort aufgrund der Temperaturverteilung die Hülse 54 als
Dichtelement 40 ausbildet. Während an dem dem Brennraum
abgewandten Ende 12' des keramischen Heizkörpers 12 Temperaturen
von etwa 200°C bis 300°C erreicht werden, beträgt
die Temperatur an dem dem Brennraum zugewandten Ende 12' des
Stützrohres 10 zwischen 600°C bis 700°C.
Durch die in 8 dargestellte Ausführungsform
kann somit erreicht werden, dass in dem Bereich des Stützrohres 14,
welches den höheren Temperaturen im Brennraum ausgesetzt
ist, bei dort abnehmender Dichtwirkung die Abdichtwirkung zwischen
dem hier als Abdichtelement 54 dienenden Stützrohr 14 im
hinteren, d. h. dem dem Brennraum abgewandten Bereich 12',
dort, wo geringere Temperaturen zwischen 200°C bis 300°C
herrschen, aufrechterhalten bleibt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005017802
A1 [0002]