DE102011007347A1

DE102011007347A1 - Glühstiftkerze sowie Verfahren zu deren Herstellung

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Publication number: DE102011007347A1
Application number: DE201110007347
Authority: DE
Inventors: Thomas Otten; Max Seitter; Bernado Ballesteros katemann; Albrecht Geissinger; Pavlo Saltikov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2011-04-14
Publication date: 2012-10-18
Also published as: FR2974161B1; FR2974161A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Glühstiftkerze 10, insbesondere für einen Dieselmotor, mit einem Widerstandselement 16, das im Wesentlichen koaxial von einem Glührohr 12 umschlossen ist, wobei das Widerstandselement 16 eine Regelwendel 18 und eine Heizwendel 20 umfasst und das Glührohr 12 mit einem Gehäuse 14 verbunden ist. Erfindungsgemäß ist das Glührohr 12 mit einem hitzebeständigen Stahl gebildet und das Glührohr 12 weist zumindest in einem Brennraumabschnitt 44 eine Funktionsbeschichtung 46 auf, wobei die Funktionsbeschichtung 46 mit einer Aluminiumoxidschicht 52 und mit einer darunter liegenden Speicherdiffusionsschicht 54 gebildet ist. Die Aluminiumoxidschicht 52 verleiht dem Glührohr 12 eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber chemisch aggressiven Medien, die beim Betrieb eines Dieselmotors in den Brennräumen üblicherweise entstehen. Im Fall einer Integritätsbeschädigung der Aluminiumoxidschicht 52, beispielsweise in der Form von kleinen Löchern, wandert metallisches Aluminium aus der Speicherdiffusionsschicht 54 bis in die Fehlstellen in der Aluminiumoxidschicht 52 hinein und wird dort aufgrund der hier herrschenden hohen Temperaturen zu Aluminiumoxid (Al2O3) oxidiert. Hierdurch werden die Fehlstellen in der Aluminiumoxidschicht 52 wieder aufgefüllt und dauerhaft repariert. Infolge der guten Korrosionsbeständigkeit der Aluminiumoxidschicht 52 in Verbindung mit deren Autoregenerationsfähigkeit wird die Lebensdauer der Glühstiftkerze 10 beträchtlich gesteigert. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Glühstiftkerze 10 in drei (Haupt-)Varianten.

Description

Stand der Technik
In modernen Kraftfahrzeugen und anderen Anwendungen kommen verbreitet Dieselmotoren zum Einsatz, die im Vergleich zu benzinbetriebenen Brennkraftmaschinen über einen höheren Wirkungsgrad verfügen. Von Nachteil ist, dass Dieselmotoren während des Anlassvorgangs vielfach eine Kaltstarthilfe benötigen. Denn beim Kaltstart eines Dieselmotors ist eine problemlose Selbstzündung des eingespritzten Dieselkraftstoffs in der Regel nicht möglich. Der Brennraum befindet sich auf niedrigem Temperaturniveau und verfügt zudem über eine hohe spezifische Wärmekapazität, so dass die beim Anlassvorgang des Dieselmotors erzeugte Kompressionswärme schnell in den Motorblock abfließt. Darüber hinaus können unterschiedliche Kraftstoffqualitäten die Zündwilligkeit des komprimierten Luft/Dieselgemisches herabsetzen.
Um den genannten Effekten zu begegnen, befindet sich in den Brennräumen eines Dieselmotors normalerweise jeweils mindestens eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze, mittels der der Dieselmotor in der Startphase vorgeglüht wird. Glühstiftkerzen verfügen gewöhnlich über eine elektrische Widerstandsheizung in der Form einer Regelwendel und einer nachgeschalteten, brennraumseitigen Heizwendel, die von einem Glührohr bzw. einem Schutzrohr als äußerer Hülle koaxial umgeben sind und die elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Der in den Brennraum hineinragende Abschnitt des Glührohrs ist üblicherweise mit einem elektrischen Isolierstoff, wie zum Beispiel Magnesiumoxid, aufgefüllt, in den die Widerstandsheizung eingebettet ist. Der elektrische Anschluss erfolgt im Allgemeinen über einen Anschlussbolzen, der mit der Regelwendel und der Heizwendel elektrisch leitend verbunden ist. Ein Ende der Heizwendel ist mit dem Glührohr elektrisch kontaktiert, über das die Stromrückleitung nach Masse erfolgt. Auf den Anschlussbolzen kann zum Beispiel ein Anschlussstecker aufgeschraubt werden.
Das Glührohr dient dem mechanischen Schutz der Glühwendel und schirmt diese gegenüber chemisch aggressiven Medien, wie zum Beispiel Luftsauerstoff, Kraftstoffrückständen und Verbrennungsrückständen ab. Zudem überträgt das Glührohr die von der Heizwendel freigesetzte Wärmeenergie in den Brennraum. Derartige Glühstiftkerzen finden darüber hinaus in Glühzündermotoren oder als Kaltstarthilfe beim Anlassen von mit Kerosin betriebenen Gasturbinen und Ölheizungen verbreitet Anwendung.
Nach dem Start des Dieselmotors kann es zur Verringerung von Abgasschadstoffen erforderlich sein, die Glühstiftkerzen noch einige Zeit weiter zu betreiben. Hierbei können Temperaturen von bis zu 1.000°C auftreten. Bei direkt einspritzenden Dieselmotoren (so genannten Direkteinspritzern) ist wegen des im Vergleich zu Vorkammerdieseln kleinvolumigeren Brennraumes das Vorglühen unter Umständen nur bei tiefen Umgebungstemperaturen notwendig.
Auf Grund der extremen Temperaturbeanspruchung und der im Betrieb des Dieselmotors auftretenden intensiven Heißgaskorrosion werden die Schutzrohre metallischer Glühstiftkerzen heutzutage aus Nickelbasiswerkstoffen, wie zum Beispiel mit Nicrofer^® 6025 HT, hergestellt. Nachteile dieser Legierung sind unter anderem deren schlechte Tiefziehfähigkeit und Schweißbarkeit, wodurch der Herstellungsprozess aufwändig und kostenintensiv ist.
Aus der EP 0 945 724 A2 ist ein Schutzrohr für Glüh- und Messinstrumente bekannt. Das vorbekannte Schutzrohr soll einen Schutz der Glühelemente vor hohen Temperaturen und/oder aggressiven Reaktionsmedien gewährleisten und zugleich einfach und kostengünstig herstellbar sein. Zu diesem Zweck wird unter anderem vorgeschlagen, einen Schutzüberzug aus einem hochtemperaturbeständigen und/oder hochchemikalienbeständigen Material, zum Beispiel aus Nicrofer^® 6025 HT, auf einem brennraumseitigen Ende eines Glührohrs einer Glühstiftkerze anzuordnen. Alternativ wird ein nicht als separates, festes Bauteil ausgestalteter Schutzüberzug angegeben, der beispielsweise durch eine Pulverbeschichtung mit Yttrium stabilisiertem Zirkonoxid ausgebildet sein kann. Legierungen aus Nicrofer^® 6025 HT weisen jedoch die vorstehend erwähnten Nachteile hinsichtlich ihrer Verarbeitbarkeit auf.
Die EP 1 944 551 A1 betrifft eine Glühstiftkerze. Zur Erhöhung der Lebensdauer der Heizwendel der Glühstiftkerze wird die Heizwendel einer thermischen Vorbehandlung durch Glühen bei einer Temperatur zwischen 1.000°C und 1.300°C über eine Zeitdauer von bis zu 15 Minuten unterzogen. Hierbei bildet sich an der Oberfläche der Heizwendel eine Oxidschicht eines Legierungsbestandteils des Heizwendelmaterials, insbesondere eine schützende Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃), aus. Im Anschluss an die thermische Vorbehandlung der Heizwendel wird diese in der Glühstiftkerze verbaut. Die im Zuge der Voroxidation gebildete Oxidschicht des Legierungsbestandteils verhindert chemische Reaktionen des Materials der Heizwendel nach dessen Einbettung in das Isolationsmaterial und erhöht hierdurch die Lebensdauer der Glühstiftkerze. Die lediglich aus dem Legierungsbestandteil des Heizwendelmaterials gebildete Oxidschicht hat nur eine geringe Dicke und entfaltet zudem keine Schutzwirkung für das Glührohr.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine möglichst langlebige Glühstiftkerze zu schaffen, die einfach und kostengünstig in der Großserienfertigung herstellbar ist, die zudem insbesondere über eine ausgezeichnete Temperatur- und Heißgaskorosionsfestigkeit verfügt und deren Heizwendel gegenüber schädlichen äußeren Einflüssen effektiv geschützt ist. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur insbesondere kostengünstigen, prozesssicheren und großserientauglichen Herstellung einer solchen Glühstiftkerze anzugeben.
Offenbarung der Erfindung
Es wird zunächst eine Glühstiftkerze, insbesondere für einen Dieselmotor, mit einem Widerstandselement, das im Wesentlichen koaxial von einem Glührohr umschlossen ist, offenbart, wobei das Widerstandselement eine Regelwendel und eine Heizwendel umfasst und das Glührohr mit einem Gehäuse verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist das Glührohr insbesondere mit einem hitzebeständigen Stahl gebildet und das Glührohr weist zumindest in einem Brennraumabschnitt eine Funktionsbeschichtung auf, wobei die Funktionsbeschichtung mit einer Aluminiumoxidschicht und mit einer darunterliegenden Speicherdiffusionsschicht gebildet ist.
Infolge der auf einem brennraumseitigen Abschnitt des Glührohrs ausgebildeten Aluminiumoxidschicht ergibt sich eine hohe Resistenz des Glührohrs gegenüber den im Brennraum entstehenden, in der Regel chemisch aggressiven Stoffen. Hierdurch kann dessen Lebensdauer im Vergleich zu konventionellen Ausführungsformen von Glühstiftkerzen deutlich erhöht werden. Dadurch, dass das Glührohr mit einem hitzebeständigen Stahl gebildet ist, verfügt dieses zudem über eine ausgezeichnete Standfestigkeit gegenüber hohen Temperaturen im Bereich von bis zu 1.000°C. Anstelle des hitzebeständigen Stahls können andere metallische Legierungen und/oder nichtmetallische Materialien zum Einsatz kommen. Darüber hinaus kann ein plattenförmiges Halbzeug aus hitzebeständigem Stahl als Ausgangsmaterial für den Produktionsvorgang auf einfache Art und Weise zum Beispiel durch übliche Umformprozesse, Zuschneideprozesse und/oder Standardschweißtechniken zu einem Glührohr für die Glühstiftkerze weiterverarbeitet wenden. Insbesondere kann das Glührohr nahtlos aus dem mit der Funktionsschicht versehenen Halbzeug gezogen werden. Das mit dem Glührohr verbundene Gehäuse dient zur Integration der Glühstiftkerze in einen Motorblock.
Eine Weiterbildung der Glühstiftkerze sieht vor, dass die Speicherdiffusionsschicht mit metallischem Aluminium gebildet ist.
Die Speicherdiffusionsschicht innerhalb der Funktionsschicht wird durch die Einlagerung von metallischem Aluminium bzw. von Aluminiumatomen in das Kristallgitter des hitzebeständigen Stahls gebildet. Die beim Glühen des Glührohrs während des Herstellungsprozesses eingelagerten Aluminiumatome bilden ein Reservoir zur Regeneration der Aluminiumoxidschicht für den Fall, dass diese zum Beispiel mechanisch beschädigt oder chemisch erodiert wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass aus der Speicherdiffusionsschicht metallisches Aluminium, insbesondere zur Regeneration von Schadstellen in der Aluminiumoxidschicht, abgebbar ist.
Hierdurch können etwaige Schäden innerhalb der Aluminiumoxidschicht des Glührohrs, wie zum Beispiel Zonen in denen der hitzebeständige Stahl frei liegt, durch die Einlagerung und Oxidation von Aluminiumatomen aus der Speicherdiffusionsschicht automatisch repariert werden. Hierbei wandern Aluminiumatome aus der Speicherdiffusionsschicht heraus und werden im Bereich der Aluminiumoxidschicht oxidiert und in diese eingelagert.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Heizwendel mit einem Glührohrendabschnitt und die Regelwendel mit dem Anschlussbolzen elektrisch leitend verbunden sind.
Diese Ausgestaltung gewährleistet den elektrischen Anschluss von Heizwendel und Regelwendel über den Anschlussbolzen an ein elektrisches Versorgungssystem eines Kraftfahrzeugs. Die Heizwendel und die Regelwendel sind hierbei elektrisch in Serie geschaltet. Auf den Anschlussbolzen kann ein Anschlussstecker für einen Rundstecker aufgeschraubt sein, um den elektrischen Kontakt zu dem elektrischen System des Kraftfahrzeugs herzustellen.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Herstellung einer Glühstiftkerze, insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Glührohr, mit einem Widerstandselement und mit einem Anschlussbolzen offenbart, wobei das Widerstandselement eine Heizwendel sowie eine Regelwendel aufweist und das Glührohr mit einem Gehäuse verbunden ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Zumindest bereichsweises Herstellen einer Aluminiumbeschichtung in einem Brennraumabschnitt eines Werkstückes und Glühen der Aluminiumbeschichtung unter einer oxidierenden Atmosphäre zur Ausbildung einer Funktionsbeschichtung mit einer Aluminiumoxidschicht und einer darunter liegenden Speicherdiffusionsschicht.
Im Verfahrensschritt a) wird zumindest bereichsweise eine Aluminiumbeschichtung in einem Brennraumabschnitt eines Werkstückes hergestellt. Bei dem Werkstück kann es sich prinzipiell um ein plattenförmiges Halbzeug aus einem hitzebeständigen Stahl, ein noch nicht mit Aluminium beschichtetes vorgefertigtes Glührohr aus einem hitzebeständigen Stahl oder um das noch nicht beschichtete Glührohr aus einem solchen Stahl einer vollständig montierten Glühstiftkerze handeln. Die Aluminiumbeschichtung wird vorzugsweise möglichst vollständig im späteren Brennraumabschnitt des Werkstückes, das heißt derjenigen Zone des Glührohrs, die später in den Brennraum des Dieselmotorblocks hineinragt, ausgebildet.
Die Aluminiumbeschichtung kann mit einer Vielzahl aus dem Stand der Technik bekannter Beschichtungsverfahren geschaffen werden. Im Verfahrensschritt b) wird die Aluminiumbeschichtung zunächst in neutraler Atmosphäre diffusionsgeglüht und anschließend unter einer oxidierenden Atmosphäre zur Ausbildung der Funktionsbeschichtung geglüht. Das Glühen kann beispielsweise in einem Durchlaufofen erfolgen, wodurch ein kontinuierlicher Fertigungsprozess erreicht wird. Durch den Glühprozess wird das Aluminium mit dem hitzebeständigen Stahl durch Diffusion innig verbunden bzw. an der Oberfläche des Werkstückes vollständig in Aluminiumoxid (Al₂O₃) umgewandelt. Nach dem Abschluss der Glühbehandlung liegt im Bereich der Oberfläche des Werkstückes kein metallisches Aluminium mehr vor. Das in das Werkstück diffundierte metallische Aluminium wirkt als ein Speicher zur Bildung von neuem Aluminiumoxid bei einer etwaigen Beschädigung der äußeren Aluminiumoxidschicht. Eine Beschädigung der äußeren Aluminiumoxidschicht liegt beispielsweise vor, wenn das Werkstück stellenweise frei liegt und somit den korrosiven Einflüssen des Brennraums in dieser Zone ungeschützt ausgesetzt ist.
Eine erste Verfahrensvariante sieht vor, dass das Werkstück ein plattenförmiges Halbzeug, insbesondere aus einem hitzebeständigen Stahl, ist.
Infolge der Verwendung eines Halbzeugs aus hitzebeständigem Stahl hat ein daraus gefertigtes Glührohr eine hohe Temperaturfestigkeit bis zu etwa 1.000°C und darüber, wodurch sich im Ergebnis eine hohe Lebensdauer einer mit einem solchen Glührohr aufgebauten Glühstiftkerze ergibt.
Nach Maßgabe einer vorteilhaften Fortbildung dieser ersten Verfahrensvariante wird im Anschluss an den Verfahrensschritt a) das Halbzeug zu einem Glührohr, insbesondere durch nahtloses Ziehen, Tiefziehen und/oder Zuschneiden umgeformt.
Aufgrund der Duktilität der aufgebrachten Aluminiumbeschichtung in Verbindung mit der Duktilität des darunter liegenden Halbzeugs aus dem hitzebeständigen Stahl ist eine problemlose Umformung des Halbzeugs zu einem Glührohr möglich. Das Zuschneiden des plastisch umgeformten Halbzeugs ist in der Regel notwendig, um die vorgegebene Maßhaltigkeit zu gewährleisten. Hierdurch wird eine einfache, kostengünstige und vor allem serientaugliche und zudem prozesssichere Herstellung des Glührohrs ermöglicht. Eine zweite Verfahrensvariante sieht vor, dass das Werkstück ein diskretes Glührohr ist. Bei dieser Verfahrensvariante wird davon ausgegangen, dass das Werkstück ein bereits vorgefertigtes Glührohr ist, das vorzugsweise noch nicht mit der Aluminiumbeschichtung versehen ist.
Nach einer Weiterbildung dieser zweiten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass im Anschluss an den Verfahrensschritt b) Einzelkomponenten der Glühstiftkerze, insbesondere das Gehäuse, das Glührohr, das Widerstandselement und der Anschlussbolzen, zur fertigen Glühstiftkerze montiert werden.
Durch diesen abschließenden Integrationsschritt der Einzelkomponenten wird die Glühstiftkerze endgültig fertiggestellt.
Nach Maßgabe einer dritten Verfahrensvariante ist das Werkstück ein bereits in eine montierte Glühstiftkerze integriertes Glührohr.
Hierdurch kann das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze weiter vereinfacht werden, da nur noch die Funktionsbeschichtung auf einer bereits vollständig montierten und funktionsfähigen Glühstiftkerze hergestellt werden muss. Dies ermöglicht eine weitgehende Entkopplung des Herstellungsprozesses und einen weitgehenden Rückgriff auf bewährte Fertigungsmethoden und Produktionsanlagen bei der Vorfertigung der funktionsfähigen Glühkerze.
Gemäß einer Ausgestaltung dieser dritten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Glühen der Aluminiumbeschichtung im Verfahrensschritt b) insbesondere durch das Bestromen des Widerstandselementes erfolgt.
Hierdurch kann die Funktionsschicht zum Beispiel während des in der Regel obligatorischen Testbetriebs einer Glühstiftkerze geschaffen werden. Als Testbetrieb wird hierbei eine Funktionsüberprüfung der Glühstiftkerze nach dem Abschluss des Herstellungsprozesses verstanden. Zur Erzielung der notwendigen Glühtemperatur zur Ausbildung der Funktionsschicht ist es erforderlich, einen Heizstrom mit einer geeigneten Stromstärke durch die Regelwendel und die Heizwendel des Widerstandselementes fließen zu lassen. Die hierfür notwendige Stromstärke lässt sich versuchsweise zum Beispiel durch Temperaturmessungen am Glührohr und durch Messung der jeweiligen, zugehörigen Stromstärke in der Glüh- und Heizwendel bestimmen. Unter Umständen ist auch eine rein rechnerische Ermittlung der für den ordnungsgemäßen Ablauf des Glühprozesses notwendigen Stromstärke möglich. Durch diese Vorgehensweise kann der Herstellungsprozess der Funktionsschicht weiter vereinfacht werden.
Nach Maßgabe einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Glühen der Aluminiumbeschichtung bei einer Temperatur zwischen 350°C und 1.200°C erfolgt.
Hierdurch können die Aluminiumatome aus der Aluminiumschicht zur Ausbildung der Speicherdiffusionsschicht weit in das Kristallgitter des hitzebeständigen Stahls hinein diffundieren und dort eingelagert werden. Durch diesen Glühprozess wird das Aluminium mit dem Stahl durch Diffusion verbunden bzw. an der Oberfläche vollständig in Aluminiumoxid (Al₂O₃) umgewandelt. Das genannte Temperaturintervall, das die jeweiligen Endwerte mit einschließt, gewährleistet zudem eine ausreichende Eindringtiefe der Aluminiumatome in den hitzebeständigen Stahl zur Ausbildung einer Speicherdiffusionsschicht in ausreichender Stärke. Die Glühtemperatur kann gegebenenfalls während der Dauer des Glühprozesses gemäß einer vorzugebenden Temperaturrampe bzw. einer Temperaturverlaufskurve zeitlich variiert werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Glühen der Aluminiumbeschichtung über eine Zeitspanne von 1 Minute bis zu 60 Minuten hinweg erfolgt.
Hierdurch ist zunächst die vollständige Oxidation der vorab aufgebrachten Aluminiumbeschichtung gewährleistet. Darüber hinaus ergibt sich in Verbindung mit den angegebenen Glühtemperaturen eine hinreichend hohe Dicke der Speicherdiffusionsschicht, so dass eine ausreichende Selbstheilungsfähigkeit der Aluminiumoxidschicht im Fall von Beschädigungen derselben gegeben ist. Solche Beschädigungen in der Aluminiumoxidschicht können beispielsweise in der Form von (mikroskopisch) kleinen Löchern und/oder Rissen auftreten, die zu einer unerwünschten Freilegung der darunter liegenden (metallischen) Speicherdiffusionsschicht bzw. der wiederum darunter befindlichen Schicht aus dem hitzebeständigen Stahl führen. Die beschädigten Bereiche wären ohne diese Selbstheilungsfähigkeit unter anderem dem Einfluss der Heißgaskorrosion im Brennraum des Dieselmotors dauerhaft ungeschützt ausgesetzt, was zu einer stark beschleunigten Erosion der restlichen, noch intakten Funktionsbeschichtung sowie der metallisch blanken Bereiche führen würde. Hiermit einhergehend käme es zu einer drastischen Lebensdauerverkürzung der Glühstiftkerze. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Aluminiumbeschichtung insbesondere durch Aluminium-Sputtern, galvanisches Abscheiden von Aluminium, Feueraluminimieren oder durch eine Kombination von mindestens zwei der genannten Beschichtungstechnologien hergestellt wird. Das Feueraluminieren kann beispielsweise durch das Eintauchen des Glührohrs bzw. das einseitige Einbringen des Halbzeuges in geschmolzenes, flüssiges Aluminium erfolgen. Der Rückgriff auf die hinlänglich bekannten Beschichtungstechnologien erlaubt insbesondere eine kostengünstige Herstellung der Funktionsschicht des Glührohrs mit zuverlässig bzw. prozesssicher reproduzierbaren Schichtdicken auch in der Großserienfertigung. Weiterhin kann die Aluminiumbeschichtung beispielsweise auch durch Metallspritzen erzeugt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben wenden.
Es zeigt:
1 Eine stark schematische Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze,
2 eine stark vergrößerte Darstellung des Ausschnittes II aus der 1, und
3–5 eine schematische Darstellung des Verfahrensablaufs.
Ausführungsformen
Die 1 zeigt eine stark vereinfachte Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Glühstiftkerze mit einer Zweistoffwendel beschrieben. Diese umfasst eine Heizwendel und eine Regelwendel. Prinzipiell lässt sich die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung einer Ausführungsvariante mit einer Einstoffwendel verwirklichen, bei der die Heizwendel an eine elektronisch geregelte Stromversorgung der Glühstiftkerze angeschlossen ist.
Eine Glühstiftkerze 10 umfasst unter anderem ein im Wesentlichen hohlzylindrisches Glührohr 12, das mit einem Gehäuse 14 verbunden ist. In dem Glührohr 12 befindet sich ein elektrisches Widerstandselement 16, das eine Regelwendel 18 und eine nachgeschaltete Heizwendel 20 umfasst. Das im Wesentlichen spiralförmige Widerstandselement 16 ist koaxial zum Glührohr 12 angeordnet und vorzugsweise vollständig in einen pulverförmigen Isolierstoff 22 zur mechanischen Stabilisierung sowie zur elektrischen Isolierung eingebettet. Der Isolierstoff 22 kann zum Beispiel mit Magnesiumoxid (MgO) gebildet sein. Die Regelwendel 18 und die Heizwendel 20 sind über eine Kontaktstelle 24 elektrisch leitend miteinander verbunden, das heißt in Serie geschaltet. Ein nicht bezeichnetes, unteres Ende der Heizwendel 20 ist mittels einer weiteren Kontaktstelle 26 mit einem halbkugelförmigen Glührohrendabschnitt 28 elektrisch verbunden. Ein gleichfalls nicht bezeichnetes oberes Ende der Regelwendel 18 ist mittels einer weiteren Kontaktstelle 30 elektrisch leitend mit einem im Wesentlichen zylindrischen Anschlussbolzen 32 elektrisch verbunden. Der Anschlussbolzen 32 ist mit einem elektrisch leitfähigen metallischen Material hergestellt. Die Kontaktstellen 24, 26 sowie 30 können beispielsweise als Schweißpunkte ausgebildet sein. Auf den Anschlussbolzen 32 ist ein kappenförmiger Anschlussstecker 34 aufgeschraubt, der ebenfalls mit einem elektrisch gut leitfähigen metallischen Material hergestellt ist. Auf den Anschlussstecker 34 kann zum Beispiel ein nicht dargestellter Rundstecker federndrastend aufgesteckt werden, um die elektrische Verbindung der Glühstiftkerze 10 zu einer Stromverteilung eines nicht dargestellten elektrischen Versorgungssystems eines Kraftfahrzeugs zu schaffen, die beispielsweise mit dem Pluspol einer Batterie und/oder eines Generators verschaltet ist. Die Rückführung an Masse erfolgt über die Kontaktstelle 26, das Glührohr 12, das hiermit leitend verbundene Gehäuse 14 und den – in einen nicht dargestellten Dieselmotorblock – eingeschraubten Gehäusegewindeabschnitt 36. Zur elektrischen Isolation gegenüber dem Gehäuse 14 dient unter anderem eine unterhalb des Anschlusssteckers 34 angeordnete scheibenförmige Isolierscheibe 38 sowie eine darunter positionierte, kegelstumpfförmige Gehäusedichtung 40. Eine weitere, scheibenförmige Glührohrdichtung 42 ist im Bereich des Glührohrs 12 vorgesehen.
Sowohl die Gehäusedichtung 40 als auch die Glührohrdichtung 42 sind mit einem elektrisch isolierenden Material gebildet, das zudem über eine hinreichende Temperaturbeständigkeit verfügen muss. Die Gehäusedichtung 40 und die Glührohrdichtung 42 sorgen neben ihrer elektrischen Isolationsfunktion auch für die ordnungsgemäße koaxiale Befestigung des Anschlussbolzens 32 bzw. der Regel- und Heizwendel 18, 20 innerhalb des Glührohrs 12 und des Gehäuses 14 der Glühstiftkerze 10. ine weitere Lagesicherung und einen zusätzlichen mechanischen Schutz erfahren die Regel- und die Heizwendel 18, 20 durch die vorzugsweise vollständige Einbettung in den pulverförmigen Isolierstoff 22.
Mit einem Brennraumabschnitt 44 ragt die Glühstiftkerze 10 im eingeschraubten Zustand in einen nicht dargestellten Brennraum eines Motorblocks eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotorblocks, hinein. Erfindungsgemäß ist der Brennraumabschnitt 44 des Glührohrs 12 mit einer Funktionsbeschichtung 46 versehen. Die Funktionsbeschichtung 46 umfasst eine nicht dargestellte Aluminiumoxidschicht (Al₂O₃) mit einer darunter liegenden, hier gleichfalls zeichnerisch nicht darstellbaren Speicherdiffusionsschicht.
Die 2 zeigt den Ausschnitt II einer nicht bezeichneten Glührohrwandung des Glührohrs 12 in einer stark vergrößerten Darstellung.
Die Glührohrwandung 50 des Glührohrs 12 umfasst eine oberseitige Aluminiumoxidschicht 52, eine darunter liegende Speicherdiffusionsschicht 54 sowie eine unterhalb der Speicherdiffusionsschicht 54 verlaufende weitere Schicht 56, die im Wesentlichen ausschließlich aus einem bis zu ungefähr 1.000°C hitzebeständigen Stahl und/oder mit einer bis zu etwa 1.000°C hitzebeständigen Metalllegierung besteht. Die Aluminiumoxidschicht 52 ist dem Brennraum der Brennkraftmaschine, insbesondere dem Brennraum des Dieselmotors, zugewandt. Die erfindungswesentliche Funktionsbeschichtung 46 umfasst lediglich die oberseitige Aluminiumoxidschicht 52 und die darunter verlaufende Speicherdiffusionsschicht 54. Vor allem durch die Wirkung der Aluminiumoxidschicht 52 wird eine ausgezeichnete Beständigkeit des Glührohrs 12 gegenüber den im Brennraum eines Verbrennungsmotors entstehenden, chemisch hochaggressiven bzw. korrosiven Stoffen (s. g. Heißgaskorrosion) erreicht. Bei diesen Stoffen handelt es sich beispielsweise um Luftsauerstoff, Kraftstoffrückstände, verschleißbedingten Abrieb, Fremdpartikel, Schmiermittelrückstände, Verbrennungsrückstäde oder dergleichen.
Die Speicherdiffusionsschicht 54 ist mit einer Vielzahl von Aluminiumatomen gebildet, die in die Kristallstruktur des hitzebeständigen Stahls eingelagert bzw. durch den Glühprozess in diesen eindiffundiert sind. In diesem Zusammenhang kann man von einer Dotierung der aus dem hitzebeständigen Stahl bestehenden Schicht 56 mit Aluminiumatomen sprechen.
Durch die Wirkung der Speicherdiffusionsschicht 54 können etwaige, im Betrieb der Glühstiftkerze 10 entstehende Schadstellen in der Aluminiumoxidschicht 52 automatisch repariert werden. Dies geschieht durch das Herauswandern der Aluminiumatome aus der Speicherdiffusionsschicht 54 in die schadhaften Bereiche der Aluminiumoxidschicht 52, wo sie erneut zu Aluminiumoxid (Al₂O₃) oxidiert werden und so die Schadstellen auffüllen. Beispielsweise können Schadstellen in der Funktionsbeschichtung 46 des Glührohrs 12 – in denen beispielsweise die Aluminiumoxidschicht 52 zumindest bereichsweise löchrig und/oder rissig ist und somit die Speicherdiffusionsschicht 54 bzw. die Schicht 56 aus dem hitzebeständigen Stahl ungeschützt frei liegen – wieder mit Aluminiumoxid aufgefüllt werden, wodurch sich die Aluminiumoxidschicht 52 dauerhaft selbsttätig regeneriert. Im Ergebnis erlaubt die zwischen der Aluminiumoxidschicht 52 und der (Stahl-)Schicht 56 verlaufende Speicherdiffusionsschicht 54 eine im Idealfall vollständige Regeneration von etwaigen, im Betrieb der Glühstiftkerze 10 auftretenden Fehlstellen in der Funktionsbeschichtung 46 des Glührohrs 12. Aufgrund dieser Selbstheilungsfähigkeit der Funktionsbeschichtung 46 lässt sich die Lebensdauer des Glührohrs 12 und damit auch der Glühstiftkerze 10 im Vergleich zu vorbekannten Ausführungsformen erheblich steigern.
Die untere Schicht 56, die im Wesentlichen mit dem hitzebeständigen Stahl gebildet ist, gewährleistet aufgrund ihrer Materialstärke von 0,3 mm bis zu 3,0 mm die geforderte Temperaturbeständigkeit des Glührohrs 12 gegenüber den hohen Verbrennungstemperaturen, die beim Betrieb eines Dieselmotors im Brennraum entstehen. Zudem ist hierdurch eine ausreichende Widerstandsfähigkeit des Glührohrs gegenüber mechanischen Lasten gegeben.
Daneben vereinfacht sich durch die Verwendung des hitzebeständigen Stahls, der über eine hohe Plastizität verfügt, der Herstellungsprozess des Glührohrs 12 im Vergleich zu den bisher bei der Glührohrproduktion eingesetzten Legierungen, wie zum Beispiel Nicrofer^® 6025 HT, erheblich. Insbesondere ist es möglich, das Glührohr 12 der Glühstiftkerze 10 durch nahtloses Ziehen, Tiefziehen, Kanten, Zuschneiden, Schweißen oder ähnliche Fertigungsprozesse zum Beispiel aus einer ebenen Blechtafel als Halbzeug kostengünstig, prozesssicher sowie großserientauglich herzustellen.
Anhand der 3 bis 5, auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird, sollen drei (Haupt-)Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens näher erläutert werden.
Im Zuge der ersten Verfahrensvariante wird ein plattenförmiges Halbzeug als Werkstück zunächst nur mit metallischem Aluminium beschichtet und dann zu einem Glührohr, zum Beispiel durch Umformen und Zuschneiden, weiterverarbeitet. Danach wird die Aluminiumschicht durch Glühen in die aus der Aluminiumoxidschicht und der Speicherdiffusionsschicht bestehende Funktionsschicht umgewandelt. Das so bearbeitete Glührohr wird abschließend zusammen mit weiteren Einzelkomponenten zu einer funktionsfähigen Glühstiftkerze zusammengebaut.
Die 3 illustriert in einer stark schematischen Darstellung ein unbehandeltes Werkstück 70 in der Form eines plattenförmigen Halbzeugs 72 als Ausgangsmaterial für das Verfahren, das hier beispielhaft ein Stahlblech aus einem hitzebeständigen Stahl bzw. einer derartigen hitzebeständigen Stahllegierung ist. Das Stahlblech sollte neben einer möglichst guten Hitzebeständigkeit zugleich über eine hinreichende Duktilität bzw. Plastizität zur prozesssicheren Durchführung der nachfolgenden Umform- und Zuschnittprozesse verfügen.
Ausweislich der 4 wird in einem ersten Verfahrensschritt a) zunächst eine rein metallische Aluminiumbeschichtung 74 auf dem Halbzeug 72 geschaffen. Das Aufbringen der Aluminiumbeschichtung 74 kann beispielsweise durch so genanntes Aluminium-Sputtern, galvanisches Abscheiden von Aluminium, Feueraluminieren oder durch eine Kombination von mindestens zwei der genannten Beschichtungstechnologien erfolgen. Darüber hinaus können andere, hier nicht ausdrücklich erwähnte Beschichtungsverfahren herangezogen werden. Die Aluminiumschicht 74 wird vorzugsweise nur auf diejenigen Bereiche des Halbzeugs 72 aufgebracht, die später in den Brennraum des Dieselmotors hineinragen bzw. mit den darin entstehenden, korrosiven Stoffen in Berührung kommen. Hierbei sind entsprechende Geometrieänderungen des Halbzeugs 72 bei den nachfolgenden Umform- und Zuschnittprozessen zu berücksichtigen. Nach der Ausbildung der Aluminiumbeschichtung 74 erfolgen keine wesentlichen Diffusionsprozesse zwischen den Aluminiumatomen der Aluminiumschicht 74 und den Atomen im Halbzeug 72 mehr.
Wie weiterhin aus der 5 ersichtlich ist, werden in einem, sich an den Verfahrensschritt a) anschließenden Verfahrensschritt b) durch das Glühen der Aluminiumschicht 74 bei hohen Temperaturen eine oberseitige Aluminiumoxidschicht 76 und eine darunter liegende Speicherdiffusionsschicht 78 erzeugt, die zusammen die erfindungsgemäße Funktionsbeschichtung 80 darstellen. Eine nicht bezeichnete Materialstärke der Funktionsbeschichtung 80 ist klein im Verhältnis zu einer ebenfalls nicht bezeichneten Materialstärke des Werkstückes 70 bzw. der späteren Glührohrwandung des Glührohrs, die vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,3 mm und 3,0 mm liegt. Der Glühprozess der Aluminiumschicht 74 kann beispielsweise in einem Durchlaufofen unter normaler Luft, unter sauerstoffangereicherter Luft oder unter reinem Sauerstoff erfolgen. Zusätzlich kann die Luft oder der Sauerstoff im Glühofen im Vergleich zum normalen Umgebungsluftdruck unter erhöhtem Druck stehen. Das Glühen wird vorzugsweise erst nach dem Abschluss der Umform- und/oder Zuschnittprozesse durchgeführt, um die Integrität der Funktionsbeschichtung möglichst wenig zu beeinflussen. Prinzipiell können die Umform- und Zuschneideprozesse zur Herstellung des Glührohrs jedoch auch erst nach vollständiger Ausbildung der Funktionsbeschichtung 80, also nach dem Aufbringen der Aluminiumschicht und dem Glühen derselben, erfolgen.
In der nicht dargestellten zweiten Verfahrensvariante wird die metallische Aluminiumbeschichtung auf einem bereits umgeformten und zugeschnittenen (= vorgefertigten) Glührohr aus einem unbeschichteten, hitzebeständigen Stahl als Einzelteil ausgebildet. Diese Vorgehensweise weist unter anderem den Vorteil auf, dass die Gefahr einer Integritätsbeschädigung der Aluminiumschicht, insbesondere durch Umform- und Zuschneideprozesse, verringert wird. Abschließend erfolgt durch das Glühen die Umwandlung der metallischen Aluminiumschicht in die Aluminiumoxidschicht mit der darunter liegenden Speicherdiffusionsschicht, die zusammen die Funktionsbeschichtung bilden. Nach der Ausbildung der Funktionsschicht kann das Glührohr dann zusammen mit weiteren Einzelkomponenten in bekannter Weise zu einer funktionsfähigen Glühstiftkerze zusammen gebaut werden.
In der ebenfalls nicht dargestellten dritten Verfahrensvariante wird von einer funktionsfähigen Glühstiftkerze mit einem unbeschichteten Glührohr aus einem hitzebeständigen Stahl ausgegangen. Auf das Glührohr dieser Glühstiftkerze wird die metallische Aluminiumbeschichtung aufgebracht. Danach erfolgt das Glühen des Glührohrs zur Umwandlung der Aluminiumschicht in die Funktionsbeschichtung. Der Glühprozess zur Ausbildung der Funktionsbeschichtung kann in diesem Fall in vorteilhafter Weise durch einfaches Bestromen des Widerstandselementes im Glührohr erfolgen. Dies ermöglicht es, den Glühprozess im Zuge des obligatorischen Testbetriebs einer Glühstiftkerze gleich mit zu vollziehen, wodurch die Fertigungsschritte Testen und Glühen prozessökonomisch in einem Verfahrensschritt zusammengefasst werden.
Alternativ kann beispielsweise auch eine berührungslose, induktive Aufheizung des Glührohrs erfolgen. Abweichend hiervon kann die Glühstiftkerze zur Ausbildung der Funktionsbeschichtung in einem Durchlaufofen thermisch vorbehandelt, das heißt geglüht werden.
In einer Untervariante kann das Glührohr der Glühstiftkerze bereits vorab mit der Aluminiumbeschichtung 74 versehen sein, sodass nur noch der Glühprozess an der funktionsfähigen Glühstiftkerze vollzogen werden muss.
Vorzugsweise erfolgt das Glühen der Aluminiumschicht mit einer Glühtemperatur von 800°C oder darunter, wobei eine Einwirkdauer der Glühtemperatur von einer Minute bis zu 60 Minuten ausreichend ist. Hierbei bewegt sich die Glühtemperatur vorzugsweise in einem Bereich von 350°C bis 800°C unter Einschluss der jeweiligen Grenztemperaturwerte. Durch den Glühprozess wandelt sich die anfänglich rein metallische Aluminiumbeschichtung 74 vollständig in die Aluminiumoxidschicht 76 und die Speicherdiffusionsschicht 78 um. Die Speicherdiffusionsschicht 78 entsteht durch Aluminiumatome, die noch vor dem Abschluss der Oxidation der Aluminiumbeschichtung 74 in die Aluminiumoxidschicht 76 des Halbzeugs 72 hineindiffundieren können. Die vollständig ausgebildete Aluminiumoxidschicht 76 stellt in Verbindung mit der Speicherdiffusionsschicht 78 die erfindungsgemäße Funktionsbeschichtung 80 dar. Nach der Beendigung des Glühprozesses verbleibt unterhalb der Speicherdiffusionsschicht 78 eine weitere vom Glühprozess im Wesentlichen unbeeinflusste Schicht 82, die im Wesentlichen ausschließlich aus dem hitzebeständigen, von Diffusionsprozessen weitgehend unbeeinflussten Stahl besteht und deren Schichtdicke in der Regel deutlich großer ist als die der Funktionsbeschichtung 80. Die Funktionsbeschichtung 80 wird vorzugsweise nur im (späteren) Brennraumabschnitt 84 ausgebildet.
Die Speicherdiffusionsschicht 78 bildet letztlich ein Reservoir von metallischen Aluminiumatomen, die durch Diffusionsprozesse in das Kristallgitter des hitzebeständigen Stahls des Halbzeugs 72 eingetragen und dort eingelagert worden sind. Durch dieses Reservoir ist eine im Idealfall vollständige Regeneration der Aluminiumoxidschicht 76 im Fall einer Beschädigung derselben möglich. Im Zuge dieses automatischen Regenerationsprozesses bzw. Selbstheilungsprozesses wandern metallische Aluminiumatome aus der Speicherdiffusionsschicht 78 in etwaig beschädigte Bereiche der Aluminiumoxidschicht 76 hinein, wo sie aufgrund der im Brennraum eines Dieselmotors herrschenden hohen Temperaturen im Bereich von beispielsweise 1.000°C wiederum zu Al₂O₃ oxidiert werden und die geschädigten Bereiche in der Aluminiumoxidschicht 76 auffüllen und verschließen. Die Konzentration von Aluminiumatomen ist in der Speicherdiffusionsschicht 76 so hoch, dass die Regenerationsfähigkeit über die gesamte Lebensdauer der Glühstiftkerze bzw. des Glührohrs erhalten bleibt. Durch diesen, von der Speicherdiffusionsschicht 78 ermöglichten Selbstheilungsprozess wird insbesondere die Lebensdauer eines in einer Glühstiftkerze verbauten Glührohrs im Vergleich zu vorbekannten Glühstiftkerzen erheblich gesteigert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0945724 A2 [0006]
EP 1944551 A1 [0007]

Claims

Glühstiftkerze (10), insbesondere für einen Dieselmotor, mit einem Widerstandselement (16), das im Wesentlichen koaxial von einem Glührohr (12) umschlossen ist, wobei das Widerstandselement (16) eine Regelwendel (18) und eine Heizwendel (20) umfasst und das Glührohr (12) mit einem Gehäuse (14) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Glührohr (12) insbesondere mit einem hitzebeständigen Stahl gebildet ist und das Glührohr (12) zumindest in einem Brennraumabschnitt (44) eine Funktionsbeschichtung (46) aufweist, wobei die Funktionsbeschichtung (46) mit einer Aluminiumoxidschicht (52) und mit einer darunter liegenden Speicherdiffusionsschicht (54) gebildet ist.
Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 1, wobei die Speicherdiffusionsschicht (54) mit metallischem Aluminium gebildet ist.
Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei aus der Speicherdiffusionsschicht (54) metallisches Aluminium, insbesondere zur Regeneration von Schadstellen in der Aluminiumoxidschicht (52), abgebbar ist.
Glühstiftkerze (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Heizwendel (20) mit einem Glührohrendabschnitt (28) und die Regelwendel (18) mit einem Anschlussbolzen (32) elektrisch leitend verbunden sind.
Verfahren zur Herstellung einer Glühstiftkerze (10), insbesondere nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Glührohr (12), mit einem Widerstandselement (16) und mit einem Anschlussbolzen (32), wobei das Widerstandselement (16) eine Heizwendel (18) sowie eine Regelwendel (20) aufweist und das Glührohr (12) mit einem Gehäuse (14) verbunden ist, umfassend die folgenden Schritte: Zumindest bereichsweises Herstellen einer Aluminiumbeschichtung (74) in einem Brennraumabschnitt (84) eines Werkstückes (70), Diffusionsglühen der Aluminiumbeschichtung (74) in neutraler Atmosphäre und anschließendes Glühen der Aluminiumbeschichtung (74) unter einer oxidierenden Atmosphäre zur Ausbildung einer Funktionsbeschichtung (80) mit einer Aluminiumoxidschicht (76) und einer darunter liegenden Speicherdiffusionsschicht (78).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Werkstück (70) ein plattenförmiges Halbzeug (72), insbesondere aus einem hitzebeständigen Stahl (82), ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei im Anschluss an den Verfahrensschritt a) das Halbzeug (70) zu einem Glührohr (12), insbesondere durch nahtloses Ziehen, Tiefziehen und/oder Zuschneiden, umgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Werkstück (70) ein diskretes Glührohr (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei im Anschluss an den Verfahrensschritt b) Einzelkomponenten der Glühstiftkerze (10), insbesondere das Gehäuse (14), das Glührohr (12), das Widerstandselement (16) und der Anschlussbolzen (32), zur fertigen Glühstiftkerze (10) montiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Werkstück (70) ein bereits in eine montierte Glühstiftkerze (10) integriertes Glührohr (12) ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Glühen der Aluminiumbeschichtung (74) im Verfahrensschritt b) insbesondere durch das Bestromen des Widerstandselementes (16) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, wobei das Glühen der Aluminiumbeschichtung (74) bei einer Temperatur zwischen 350°C und 800°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wonach das Glühen der Aluminiumbeschichtung (74) über eine Zeitspanne von 1 Minute bis zu 60 Minuten hinweg erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die Aluminiumbeschichtung (74) insbesondere durch Aluminium-Sputtern, galvanisches Abscheiden von Aluminium, Feueraluminieren oder durch eine Kombination von mindestens zwei der genannten Beschichtungstechnologien hergestellt wird.