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Stand der Technik
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Glühstiftkerzen, auch als Glühkerzen bezeichnet, bzw. basierend auf der englischen Bezeichnung „glow plug“ mit GLP abgekürzt, welche in Verbrennungsmotoren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches eingesetzt werden, werden im kalten Zustand vorgeglüht, bevor ihre Temperatur ausreichend hoch ist, dass sie für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ausreicht. Ferner kann es zur Verringerung von Emissionen nach dem Start erforderlich sein, die Glühstiftkerzen zumindest noch einige Zeit weiter zu betreiben, um eine Anhebung der Temperatur im Inneren des Brennraumes zu erreichen.
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Glühstiftkerzen umfassen im Allgemeinen ein elektrisches Widerstandselement, auch als Heizwiderstand bezeichnet, welches als eine brennraumseitige Heizwendel und eine mit der Heizwendel verschweißte Regelwendel ausgebildet ist. In der Glühstiftkerze wird das elektrische Widerstandselement von einem beispielsweise metallischen Glührohr, bzw. einem Schutzrohr, als äußere Hülle koaxial umgeben. Der in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine hineinragende Abschnitt des Glührohres ist üblicherweise mit einem elektrisch isolierenden Füllpulver befüllt, beispielsweise Magnesiumoxid, in das das elektrische Widerstandselement eingebettet ist. Der elektrische Anschluss erfolgt allgemein 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 Stromrückführung nach Masse erfolgt. An dem Anschlussbolzen kann beispielsweise ein Anschlussstecker befestigt werden.
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In Glühstiftkerzen ist demnach eine Kombination von Heiz- und Regelwendel verwirklicht, die einen gemeinsamen Widerstandswert aufweist. Der Heizwiderstand wird aus einem geeigneten Material gefertigt, welches eine Legierung umfasst, die Chrom, Aluminium oder dergleichen zusätzlich zu den Hauptbestandteilen Eisen und Nickel enthält. Das Rohr, in dem der Heizwiderstand aufgenommen ist, ist üblicherweise aus einer Legierung, welche als Hauptbestandteile Eisen und Nickel enthält.
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Im Allgemeinen bildet die Heizwendel den vorderen Teil des Glührohres, die Heizzone. Der hintere Teil, nämlich die Regelwendel, besitzt die Eigenschaft, dass mit zunehmender Temperatur der Widerstand steigt, d.h. die Regelwendel besitzt einen hohen positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten (PTC „Positive Temperature-Coefficient“ Charakteristik). Bei steigender Temperatur und demnach zunehmendem Widerstandwert kommt es zu einem Abregeln des Stroms, wobei sich eine definierte Endtemperatur einstellt. Heiz- und Regelwendel sind elektrisch in Reihe geschaltet, wobei beide Wendeln positive, aber voneinander verschiedene hohe Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweisen.
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Die Heizwendel besitzt bei Raumtemperatur einen hohen elektrischen Widerstand, der nahezu konstant über den Betriebstemperaturbereich bleibt.
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Die Regelwendel besitzt dagegen einen bei Raumtemperatur sehr niedrigen elektrischen Widerstand, welcher steil mit zunehmender Temperatur ansteigt. Übliche geeignete Materialien der Regelwendel sind Reinstnickel oder eine Cobalt-Eisen-Legierung oder eine Cobalt-Eisen-Nickel-Legierung.
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Aus
DE 10 2011 077 239 A1 ist eine Glühkerze bekannt mit einer Heizspule aus einem Metallmaterial, das Wolfram oder Molybdän als Hauptbestandteil enthält, und welche in einem Rohr aufgenommen ist, welches aus einer Legierung besteht, die 0,5 bis 5,0 Gew.-% Aluminium und 20 bis 40 Gew.-% Chrom enthält, um so möglichst hohe Temperaturen des Heizwiderstandes realisieren zu können, ohne dass dieser seinen Schmelzpunkt erreicht und auch die Temperaturbeständigkeit des Rohres zu gewährleisten.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, wobei ein elektrisches Widerstandselement umfasst ist, ausgebildet als Einstoffwendel mit einem definierten Widerstands-Temperaturkoeffizienten und aufgenommen in einem Glührohr. Das elektrische Widerstandselement wird mittels einer sich dynamisch ändernden Ansteuerspannung aufgeheizt und/oder auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten, wobei eine Temperaturregelung der Glühstiftkerze über einen ermittelten Widerstandswert erfolgt. Ferner enthält das elektrische Widerstandselement mindestens ein Refraktärmetall und ist mit dem Glührohr gasdicht und korrosionsfest verschweißt.
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Geeignete Materialien für ein entsprechendes elektrisches Widerstandselement, welche hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstands geeignet sind und darüber hinaus eine hohe Haltbarkeit zeigen, umfassen Chrom, Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram aber auch Nickel, Titan, Rhenium und Kupfer sowie deren Legierungen. Das elektrische Heizelement enthält zumindest ein Refraktärmetall als Hauptbestandteil, beispielsweise Molybdän oder Wolfram oder deren Legierungen.
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Weitere Ausführungsformen umfassen Nickel-Chrom-Eisen Legierungen mit mehr als 10 Gew.-% Nickel, mehr als 10 Gew.-% Chrom, mehr als 1 Gew.-% Aluminium und/oder mehr als 0,5 Gew.-% Silizium. Ferner besteht die Möglichkeit, eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit 15 bis 60 Gew.-% Nickel und/oder 12 bis 27 Gew.-% Chrom und/oder 24 bis 58 Gew.-% Eisen und/oder 0,1 bis 10 Gew.-% Aluminium einzusetzen.
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In einer alternativen Ausführungsform erweisen sich Molybdän oder Wolfram mit Lanthanoxid (La2O3) und/oder Thoriumdioxid (ThO2) und/oder Cerdioxid (CeO2) und/oder Yttriumoxid (Y2O3) als geeignete Materialzusammensetzung. Ferner sind Molybdän-Titan-Zirkon Legierungen geeignet.
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Hinsichtlich des Materials des Glührohres, welches mit dem erfindungsgemäß als Einstoffwendel ausgebildeten elektrischen Widerstandselements kombinierbar ist, sind Materialien geeignet, welche die Haltbarkeit des Rohres bei den angestrebten hohen Temperaturen steigern und diese über einen langen Zeitraum aufrechthält. Geeignete Materialzusammensetzungen enthalten neben Eisen und Nickel als Hauptbestandteile Anteile an Aluminium und Chrom. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst eine Nickel-Chrom-Legierung unter anderem mindestens 1 bis 10 Gew.-% Aluminium, 10 bis 30 Gew.-% Chrom und 0,05 bis 5 Gew.-% Silizium.
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Weitere Ausführungsformen des Materials des Glührohrs umfassen mehr als 5 Gew.-% Eisen und/oder mehr als 0,05 Gew.-% Titan und/oder weniger als 0,2 Gew.-% Kupfer und/oder weniger als 0,5 Gew.-% Kohlenstoff und/oder weniger als 0,3 Gew.-% Yttrium und/oder weniger als 0,2 Gew.-% Zirkon und/oder weniger als 0,7 Gew.-% Mangan.
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Der Einsatz eines Refraktärmetalls als Material des Heizwiderstandes, welches entsprechend hohe Temperaturen der Glühwendel zulässt, in Kombination mit einem metallischen Glührohr, stellt besondere Anforderungen an die Anbindung des Heizelements an das Glührohr. Ein Vorderendabschnitt des als Einstoffwendel ausgebildeten Heizelements ist erfindungsgemäß mit einem Vorderendabschnitt des Glührohres verbunden. Das Heizelement, ausgebildet als Einstoffwendel, wird in das Glührohr eingeführt, wobei der Vorderendabschnitt, ausgebildet als Glührohrhals, desselben offen ist. Nun wird der Vorderendabschnitt des Glührohres geschlossen, wobei der Vorderendabschnitt des Heizelements zumindest teilweise eingebettet wird. Der Vorderendabschnitt des Glührohrs kann mit mindestens einem Teil des Heizelements verschweißt werden, so dass die Vorderendabschnitte von Glührohr und Heizelement stofflich und somit auch elektrisch miteinander verbunden sind. Alternativ kann der Vorderendabschnitt des elektrischen Widerstandselements mit dem Glührohrmaterial stoffschlüssig gefügt, zum Beispiel verschweißt werden, beispielsweise mittels Laserschweißung und anschließend erfolgt das Verschließen des Glührohres in einem weiteren stoffschlüssigen Fügeschritt. In einer weiteren Ausführungsvariante können die Fügestellen mittels Lötmaterials geschlossen werden.
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Da die für das als Einstoffwendel ausgebildete elektrische Heizelement geeigneten Refraktärmetalle die Eigenschaft haben mit Sauerstoff zu oxidieren, wobei sich der Heizwiderstand derselben verschlechtert, ist von Bedeutung, dass die Fügestellen weitgehend gasdicht sind, insbesondere gegenüber Stickstoff und Sauerstoff.
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Ferner ist der Abstand insbesondere des Vorderendabschnittes des elektrischen Heizelements gegenüber der Außenfläche des Vorderendabschnitts des Glührohres von Bedeutung. Der Abstand steht in Zusammenhang zu der Ausbildung der Fügestelle, welche wiederum von dem gewählten Verbindungsverfahren abhängig ist. Um einen gewünschten Abstand zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Vorderendabschnitt des Glührohrs in Form eines Glührohrhalses auszubilden, wobei die Länge des Glührohrhalses entsprechend den Vorgaben wählbar ist. Ferner ist der Abstand, welcher mindestens zweimal den Durchmesser des zur Einstoffwendel ausgebildeten Glühdrahtes entspricht, von Bedeutung, um einen Kontakt zu den heißen Brennraumgasen zu dem elektrischen Widerstandselement zu vermeiden, auch bei einer externen Korrosion des Glührohres im Laufe der Lebensdauer der Glühstiftkerze.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung stellt eine Glühstiftkerze bereit, welche eine Wärmeerzeugung bei äußerst hohen Temperaturen zulässt, ohne dass es zu einem Aufschmelzvorgang des elektrischen Widerstandselements kommt. Die erfindungsgemäß als Bestandteile des Heizelements vorgeschlagenen Refraktärmetalle zeichnen sich durch extrem hohe Schmelztemperaturen aus, bei niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und einer hohen Temperatur- und Stromleitfähigkeit. Darüber hinaus kann auf einfache Weise eine Steuer- und/oder Regelung der Temperatur der Glühstiftkerze erreicht werden, da die eingesetzten Refraktärmetalle in dem Betriebstemperaturbereich der Glühstiftkerze einen erfassbaren Zusammenhang zwischen messbarem Widerstand und Temperatur erlauben.
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Allerdings neigen Refraktärmetalle zur Oxidation mit Sauerstoff, der beispielsweise in dem Glührohr vorhanden ist, wobei es zu einer Verschlechterung des Heizwiderstands kommt. Um einer Oxidation des elektrischen Heizwiderstandes entgegenzutreten, ist das Material des Glührohres von Bedeutung. So ist ein gewisser Anteil von Aluminium und Chrom in der Materialzusammensetzung des Glührohres notwendig, um als Sauerstofffängerelement insbesondere im Inneren des Glührohres zu fungieren. Da das Innere des Glührohres gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, kann der Sauerstoffpartialdruck im Glührohrinneren effektiv gesenkt werden. Ferner verhindert ein sich an der Außenfläche des Glührohres ausbildender Oxidfilm ein weiteres Eindringen von Sauerstoff, wobei die Oxidationsbeständigkeit der Elemente der Glühstiftkerze verbessert wird.
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Eine sensible Abstimmung der Materialien des Glührohres und des elektrischen Heizelements erlaubt eine lange Lebensdauer der Glühstiftkerze bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten, da die erfindungsgemäße Materialwahl ein Einsparpotential bereitstellt.
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Ferner ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass durch die mechanische und elektrische Kontaktierung des elektrischen Widerstandselements zum metallischen Glührohr der Kontakt zum Minuspol des Motors hergestellt wird. Insbesondere vorteilhaft ist, dass an der Kontaktstelle zwischen elektrischen Heizelement und Glührohr auch bei hohen Temperaturen und langer Lebensdauer keine Versprödung eintritt. Die Legierungen oder Materialien des Glührohrs lassen sich ausgezeichnet verarbeiten und zeichnen sich durch eine hohe Kriechbeständigkeit aus.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer Glühstiftkerze gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein Detail einer schematischen Querschnittsansicht einer Glühstiftkerze gemäß einer Ausführungsvariante;
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3 eine Darstellung des Vorderendabschnitts einer Glühstiftkerze gemäß einer Ausführungsvariante;
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4 eine Darstellung des Vorderendabschnitts einer Glühstiftkerze, wobei elektrisches Widerstandselement und Glührohr mechanisch und elektrische verbunden sind.
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Gemäß dem Stand der Technik geht aus der Darstellung 1 eine Querschnittsansicht einer Glühstiftkerze 10 hervor.
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Die in 1 dargestellte 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, mit der Regelwendel 18 im Allgemeinen verschweißte Heizwendel 20 umfasst. Das im Wesentlichen spiralförmig ausgebildete Widerstandselement 16 ist koaxial zum Glührohr 12 angeordnet und vorzugsweise vollständig in einem Füllpulver 22 zur mechanischen Stabilisierung sowie zur elektrischen Isolierung eingebettet. Das Füllpulver 22 kann beispielsweise Magnesiumoxid (MgO) sein. Die Regelwendel 18 und die Heizwendel 20 sind über eine Kontaktstelle 24 elektrisch leitend miteinander verbunden, wobei sie in Reihe geschaltet sind. Ein unteres Ende der Heizwendel (nicht bezeichnet) ist mittels einer Kontaktstelle 26 mit einem Glührohrendabschnitt 28 elektrisch verbunden. Ein ebenfalls nicht bezeichnetes Ende der Regelwendel 18 ist mittels einer weiteren Kontaktstelle 30 elektrisch leitend mit einem im Wesentlichen zylindrischen Anschlussbolzen 32 elektrisch leitend verbunden. Der Anschlussbolzen 32 ist aus einem elektrisch leitfähigen metallischen Material gefertigt. Die Kontaktstellen 24, 26, 30 können als Schweißpunkte ausgebildet sein. Auf den Anschlussbolzen 32 ist ein kappenförmiger Rundstecker 34 aufgeschraubt, welcher ebenfalls aus einem gut leitenden elektrischen Material hergestellt ist. Mittels des Rundsteckers 34 wird eine elektrische Verbindung der Glühstiftkerze 10 zu einer Stromverteilung eines nicht dargestellten elektrischen Versorgungssystems eines Kraftfahrzeuges geschaffen, die beispielsweise mit dem Pluspol einer Batterie und/oder eines Generators verschaltet ist. Die Rückführung zur Masse erfolgt über die Kontaktstelle 26, das Glührohr 12, das damit leitend verbundene Gehäuse 14 und den – in einem nicht dargestellten Motorblock – eingeschraubten Gehäusegewindeabschnitt 36. Zur elektrischen Isolation gegen das Gehäuse 14 dient unter anderem eine unterhalb des Rundsteckers 34 angeordnete scheibenförmige Isolationsscheibe 38 sowie eine kegelstumpfförmige Gehäusedichtung 40. Eine weitere, scheibenförmige Glührohrabdichtung 42 ist im Bereich des Glührohrs 12 vorgesehen. Die Gehäusedichtung 40 und die Glührohrabdichtung 42 sind aus einem elektrisch isolierenden, temperaturbeständigen Material gefertigt, wobei neben der elektrischen Isolationsfunktion auch eine koaxiale Befestigung des Anschlussbolzens 32 bzw. der Regel- und Heizwendel 18, 20 innerhalb des Glührohrs 12 und des Gehäuses 14 sicher gestellt ist.
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Ausführungsvarianten
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In 2 ist eine Detailansicht einer Ausführungsform der Glühstiftkerze 10 gemäß der Erfindung dargestellt.
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In 2 ist eine Spitze der Glühstiftkerze 10 dargestellt, welche in einen nicht weiter dargestellten Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ragt. Die Glühstiftkerze 10 umfasst ein Glührohr 12, welches im Wesentlichen koaxial ein elektrisches Widerstandselement bzw. einen Glühdraht umfasst, welcher gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform als Einstoffwendel 44 ausgebildet ist. Die Einstoffwendel 44 vereinigt Eigenschaften der Heizwendel 20 und der Regelwendel 18 der 1 und wird auch als Heizelement bezeichnet. Ferner ist die Einstoffwendel 44 in dem Glührohr 12 in dem elektrisch isolierenden Füllpulver 22 eingebettet. In 2 ist auch mit 42 die Heizkörperabdichtung dargestellt. Die Einstoffwendel 44 umfasst einen Glühdraht, welcher aus einem uniformen Material gefertigt ist und Funktionen der Heizwendel 20 erfüllt. Das verwendete uniforme Material der Einstoffwendel 44 besitzt einen Widerstand mit PTC-Verhalten. Insbesondere enthält die Einstoffwendel 44 mindestens ein Refraktärmetall.
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In 3 ist ein Detail der Glühstiftkerze 10 dargestellt. Mit Bezugszeichen 12 ist das Glührohr bezeichnet, in welchem koaxial das als Einstoffwendel 44 ausgebildete elektrische Widerstandselement aufgenommen ist. Das Glührohr 12 weist einen Vorderendabschnitt 46 auf, welcher in der Darstellung der 3 in Form eines Glührohrhalses 48 ausgebildet ist und offen dargestellt ist, d.h. eine Öffnung 49 aufweist. Die Einstoffwendel 44 ist in Form einer Heizspule ausgebildet, welche unterschiedliche Durchschnittsganghöhen 52, 54 aufweist. Insbesondere derjenige Abschnitt der Einstoffwendel 44, bezeichnet als Vorderendabschnitt 50, welcher in dem Glührohrhals 48 aufgenommen ist, hat eine kleinere Durchschnittsganghöhe 54.
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In 4 ist die Glühstiftkerze 10 mit einem geschlossenen Vorderendabschnitt 46 dargestellt. Insbesondere geht aus der Darstellung der 4 hervor, dass der Vorderendabschnitt 50 der Einstoffwendel 44 mit dem Vorderendabschnitt 46 des Glührohres 12 verbunden ist, beispielsweise in dem Material des Glührohres 12 eingebettet ist. Zum Schließen des Glührohres 12, bzw. des Glührohrhalses 48, kann in die Öffnung 49 zunächst ein Materialstück angeordnet werden, welches aus dem gleichen Material gefertigt ist, wie das Glührohr 12 bzw. der Glührohrhals 48. Mittels eines stoffschlüssigen Fügeverfahrens, beispielsweise mittels Lichtbogenschweißens, wird das Materialstück geschmolzen, wobei der Vorderendabschnitt 46 geschlossen wird und der Vorderendabschnitt 50 der Einstoffwendel 44 mit dem Vorderendabschnitt 46 verbunden wird. Insbesondere ist ersichtlich, dass die Einstoffwendel 44 mit dem Glührohr 12 stofflich verbunden ist, insbesondere in das Material des Glührohres 12 eingebettet ist. Ferner geht aus 4 eine Fügestelle 56 hervor, welche einerseits die Schließung der Öffnung 49 des Glührohres 12 entspricht und andererseits den Bereich der Einbettung der Einstoffwendel 44 in dem Material des Glührohres 12 darstellt.
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Es ist ersichtlich, dass der Vorderendabschnitt 50 der Einstoffwendel 44 zu einer äußeren Spitze 58 des Glührohres 12 einen Abstand 60 aufweist. Um zu verhindern, dass das empfindliche Material der Einstoffwendel 44 in Kontakt mit den heißen Brennraumgasen kommt, ist ein ausreichend großer der Abstand 60 notwendig. Dieser berücksichtigt auch, dass im Falle einer externen Korrosion des Glührohres 12 während der Lebensdauer, die Wandstärke des Glührohres 12 abnimmt. Ferner ist von großer Bedeutung, dass die Fügestelle 56 gegenüber Sauerstoff und Stickstoff gasdicht ausgeführt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011077239 A1 [0007]
