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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen und Herstellen einer ein Keramikheizelement aufweisenden Glühstiftkerze für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
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Der beim kalten Dieselmotor in den Brennraum eingespritzte Dieselkraftstoff entzündet sich meist nicht von selbst. Glühkerzen werden üblicherweise als Kaltstarthilfe für Dieselmotoren verwendet. Bei Glühkerzen handelt es sich normalerweise um elektrische Heizelemente. Derartige Glühkerzen werden üblicherweise nur kurzzeitig beim Start des Verbrennungsmotors elektrisch beheizt.
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Glühstiftkerzen, auch Glühkerze oder Glühstift genannt, werden dafür in einem Brennraum des betreffenden Verbrennungsmotors eingesetzt, der in der Startphase vorgeheizt wird, üblicherweise als Bestandteil einer Vorglühanlage. Die Temperatur eines Heizelementes solcher Glühstiftkerzen erreicht bei Metall-Glühstiftkerzen circa 1000 Grad Celsius, bei Keramik-Glühstiftkerzen, bei welchen das Heizelement also ein Keramikheizelement ist, bis zu 1300 Grad Celsius.
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Durch die hohen erreichbaren Temperaturen bei Keramikheizelementen können Kaltstarts von Dieselfahrzeugen verbessert werden, wobei insbesondere ein besonders ruhiger Kaltleerlauf erzielt werden kann. Zusätzlich dienen derartige Glühstiftkerzen mit Keramikheizelementen zur Emissionsverminderung sowie zur Stabilisierung der Verbrennung und unterstützen somit die Erfüllung gesetzlicher Abgasnorm.
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Als so genannte Fahrzeuglebensdauerkomponente ermöglichen Glühstiftkerzen auch anspruchsvolle Glühkonzepte, zum Beispiel durch ein Nachglühen bei einer Überlagerung mit einer Motor-Start-Stopp-Funktion. Allerdings können derartige Keramikheizelemente, welche üblicherweise in Form von Keramikspitzen bei solchen Glühstiftkerzen ausgebildet sind, bei der Fertigung brechen oder auch Vorschädigungen aufweisen und beispielsweise nach einem Einbau in einem Verbrennungsmotor ausfallen und schlimmstenfalls sogar Motorschäden verursachen.
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Solche Keramikheizelemente weisen häufig einen zylindrischen Bereich und einen konischen Bereich auf, wobei insbesondere ein Übergang zwischen dem zylindrischen und dem konischen Bereich bruchgefährdet sein kann. Bei der Herstellung oder Handhabung solcher Keramikheizelemente kann es zu sporadischen Fehlern kommen. Ein Bruch beziehungsweise Riss in derartigen Keramikheizelementen kann beispielsweise durch eine äußere Kraft erzeugt werden, wie zum Beispiel durch ein fehlerhaftes Handling, eine starke Beanspruchung und dergleichen. Derartige Risse beziehungsweise Brüche in Keramikheizelementen können zum Ausfall der Glühstiftkerze führen. Insbesondere bei im Fahrbetrieb auftretenden Vibrationen und Temperaturwechseln kann eine fehlerhafte Glühstiftkerze in den Verbrennungsraum des Verbrennungsmotors geraten. Ausfälle können bereits bei sehr geringen Laufleistungen von weniger als 1000 Kilometern auftreten.
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Die
DE 10 2013 220 971 A1 zeigt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Testen einer Zündkerze, die in einer Brennkraftmaschine montiert werden kann, wobei insbesondere auch ein gerissener Keramikisolator detektiert werden kann. Die Zündkerze wird mithilfe eines Hochspannungssignals auf einen Riss im besagten Keramikisolator überprüft.
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Die
EP 3 163 173 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Glühstifts. Dabei werden Proben aus einer Serie von Glühstiften entnommen und deren Isolatoren getestet.
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Die
DE 10 2013 226 735 A1 zeigt einen Prüfstand und ein Verfahren zur Bestimmung eines thermischen Verhaltens einer Zündkerze. Es werden physikalische Eigenschaften der Zündkerze in einer dafür vorgesehenen Apparatur geprüft.
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Die
CN 106932159 A beschreibt ein Verfahren, bei welchem durch Anlegen einer Hochspannung an Keramikbauteilen Leckstellen und Risse ermittelt werden, wobei überprüft wird, ob ein Spannungsdurchschlag erfolgt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders einfache und zuverlässige Rissprüfung an einem Keramikheizelement für eine Glühstiftkerze für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Überprüfen und Herstellen einer ein Keramikheizelement aufweisenden Glühstiftkerze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überprüfen und Herstellen einer ein Keramikheizelement aufweisenden Glühstiftkerze für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs wird vor einem Fertigstellen der Glühstiftkerze an dem Keramikheizelement oder an einem Vorprodukt des Keramikheizelements zur Rissprüfung eine Hochspannung angelegt und durch eine Messung der angelegten Hochspannung überwacht, ob ein Spannungsdurchschlag erfolgt.
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Erfindungsgemäß erfolgt also eine Rissprüfung am Keramikheizelement durch Anlegen einer Hochspannung. Üblicherweise spricht man von einer Hochspannung, wenn die Spannung über 1000 Volt liegt. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, Mikrorisse im Keramikheizelement, insbesondere in Form von Vorbeschädigungen, zu detektieren. Die Rissprüfung erfolgt also mittels einer Durchschlagfestigkeitsmessung und zwar vor dem Fertigstellen und somit vor dem Einbauen des Keramikheizelements in der restlichen Glühstiftkerze. Erfolgt beispielsweise die Fertigstellung der Glühstiftkerze an anderer Stelle oder auch durch eine andere Firma als die eigentliche Herstellung des Keramikheizelements, so kann die Rissprüfung am Keramikheizelement beispielsweise schon durch einen Lieferanten durchgeführt werden.
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Ohne Beschädigungen, insbesondere Risse, weist ein intaktes Keramikheizelement eine höherer Durchschlagsspannung auf als ein Keramikheizelement, welches Risse aufweist. Unter Ausnutzung dieser Erkenntnis führt das erfindungsgemäße Verfahren die Rissprüfung durch Anlegung der Hochspannung am betreffenden Keramikheizelement durch. Die angelegte Hochspannung muss einfach nur überwacht werden, um zu erkennen, ob ein Spannungsdurchschlag erfolgt. Dieser Spannungsdurchschlag ist beispielsweise daran zu erkennen, dass die angelegte Hochspannung schlagartig abfällt, was mit einer entsprechenden Messeinrichtung überwacht und gemessen werden kann. Dies ist ein zuverlässiger Hinweis darauf, dass ein Spannungsdurchschlag aufgrund eines oder mehrerer Risse am Keramikheizelement erfolgt ist.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auf einfache und zuverlässige Weise möglich, Risse, insbesondere Mikrorisse, ganz allgemein Vorbeschädigungen, am Keramikheizelement zu detektieren. Dies kann wesentlich einfacher erfolgen als mittels Röntgenverfahren oder durch eine computertomografische Überprüfung. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren relativ einfach automatisierbar und günstiger als eine Ultraschallprüfung oder eine Röntgen- beziehungsweise computertomografische Überprüfung.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass falls ein Spannungsdurchschlag ermittelt wird, zumindest ein rissbehafteter Teil des Keramikheizelements oder des Vorprodukts des Keramikheizelements durch ein anderes Teil ausgetauscht wird. Wird also ein Riss am Keramikheizelement oder am Vorprodukt, aus welchem das Keramikheizelement hergestellt werden kann, ermittelt, so wird zumindest der rissbehaftete Teil des Keramikheizelements beziehungsweise Vorprodukts durch ein anderes Teil ausgetauscht. So kann sichergestellt werden, dass kein rissbehaftetes Keramikheizelement letztlich in der betreffenden Glühstiftkerze eingebaut wird. Bevor das Austauschteil, also ein anderes Keramikheizelement oder ein anders Vorprodukt, aus welchem das Keramikheizelement herzustellen ist, in der Glühstiftkerze verbaut wird, kann dieses Teil ebenfalls der Rissprüfung durch Anlegung und Überwachung der Hochspannung unterzogen werden.
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Die Erfindung sieht zudem vor, dass das Keramikheizelement aus einem Hauptkörper, welcher einen Außenleiter aufweist, und einer Heizkappe, welche einen mit dem Außenleiter verbindbaren Innenleiter aufweist, hergestellt wird, wobei der Hauptkörper der Rissprüfung unterzogen wird, bevor die Heizkappe am Hauptkörper angebracht wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass falls ein Spannungsdurchschlag ermittelt wird, der rissbehaftete Hauptkörper durch einen anderen Hauptkörper ausgetauscht wird. So ist es bereits möglich, noch vor Fertigstellung des Keramikheizelements Risse am Hauptkörper des Keramikheizelements zu erkennen. Im Fehlerfall, also wenn der besagte Hauptkörper rissbehaftet sein sollte, kann dieser einfach gegen einen anderen Hauptkörper ausgetauscht werden, noch bevor die Heizkappe am Hauptkörper angebracht wird. So können fehlerhafte Teile in Form von rissbehafteten Hauptkörpern bereits bei der Herstellung des Keramikheizelements detektiert und ausgetauscht werden. Die als Austauschteile dienenden Hauptkörper können ebenfalls wiederum der erfindungsgemäßen Rissprüfung unterzogen werden, bevor die Heizkappe dann am ausgetauschten Hauptkörper angebracht wird. Genauso ist es auch möglich, beispielsweise die Rissprüfung an der Heizkappe oder der Heizkappe und am Hauptkörper vorzunehmen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Heizkappe mittels eines Spritzgussverfahrens am Hauptkörper angebracht wird. Dadurch kann die Heizkappe auf besonders einfache Weise bei besonders großen Stückzahlen an den betreffenden Hauptkörpern angebracht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Keramikheizelement aus einem Grünling hergestellt wird, welcher gesintert und danach in eine Endkontur des Keramikheizelements geschliffen wird, wobei die Rissprüfung am Grünling vorgenommen und falls ein Spannungsdurchschlag ermittelt wird, der rissbehaftete Grünling durch einen anderen Grünling ausgetauscht wird. Als Grünling oder Grünkappe bezeichnet man in der Keramik und bei der Herstellung von Sinterwerkstoffen beziehungsweise Werkstücken einen ungebrannten beziehungsweise ungesinterten Rohling, der sich noch leicht bearbeiten lässt. Bei dem Grünling kann es sich beispielsweise um gepresstes Keramikpulver handeln, welches beim Brennen zu Kohlenstoff karbonisiert. Die Rissprüfung kann also noch vor dem sintern des Grünlings an diesem vorgenommen werden, indem an diesem die Heizkappe angelegt und im Hinblick auf einen eventuellen Spannungsdurchschlag überprüft wird. So können bereits sehr frühzeitig bei der Herstellung des Keramikheizelements Vorbeschädigungen in Form von Rissen detektiert werden. Die weiteren Herstellungsschritte zur Fertigstellung des Keramikheizelements können also eingespart werden, falls bereits am Grünling ein Riss detektiert wird. Dies spart Kosten und unnötige Fertigungsschritte am eventuell bereits defekten Grünling ein.
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Eine Vorrichtung zum Durchführen einer Rissprüfung während der Herstellung einer Glühstiftkerze für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ist dazu ausgelegt, zur Rissprüfung eine Hochspannung an einem Keramikheizelement oder einem Vorprodukt des Keramikheizelements anzulegen und die angelegte Hochspannung zur Detektion eines Spannungsdurchschlags zu messen. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt anzusehen, wobei die Vorrichtung insbesondere Mittel zur Durchführung der Verfahrensschritte aufweist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine Perspektivansicht einer Glühstiftkerze für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, wobei die Glühstiftkerze einmal in einer teilweise geschnittenen und einmal in einer Explosionsdarstellung gezeigt ist;
- 2 eine Seitenschnittansicht eines Keramikheizelements der Glühstiftkerze;
- 3 eine Detailansicht des Keramikheizelements; und in
- 4 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Rissprüfung am Keramikheizelement.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
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Eine Glühstiftkerze 10 für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ist in 1 in einer teilweise geschnittenen Ansicht und in einer Explosionsdarstellung gezeigt. Die Glühstiftkerze 10 kann insbesondere bei Dieselfahrzeugen eingesetzt werden, um einen Brennraum des Dieselmotors vorzuheizen. Die Glühstiftkerze 10 umfasst ein Keramikheizelement 12 in Form eines Keramikpins. Das Keramikheizelement 12 ist teilweise von einer Schutzhülse 14 umgeben und in diese eingesteckt, wobei das Keramikheizelement 12 mit einem Innenpolkopf 16 kontaktiert ist. Des Weiteren umfasst die Glühstiftkerze 10 einen Innenpol 18, welcher in einen Steckanschluss 20 der Glühstiftkerze 10 mündet. Des Weiteren weist die Glühstiftkerze 10 noch ein Gehäuse 21 auf, in welchem die zuvor erwähnten Elemente 12, 14, 16, 18, 20 zumindest zum Teil eingebaut sind.
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In 2 ist das Keramikheizelement 12 in einer Seitenschnittansicht gezeigt. Das Keramikheizelement 12 umfasst einen Hauptkörper 22 und eine Heizkappe 24, die mit dem Hauptkörper 22 verbunden ist.
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In 3 ist das Keramikheizelement 12 in einer geschnittenen Detailansicht gezeigt. In der vorliegenden Darstellung sind ein Außenleiter 26 am Hauptkörper 22 sowie ein Innenleiter 28 der Heizkappe 24 gekennzeichnet. Des Weiteren weist das Keramikheizelement 12 noch einen Isolator 30 auf. Das Keramikheizelement 12 umfasst also den Hauptkörper 22, welcher den Außenleiter 26 aufweist, sowie die Heizkappe 24, die den mit dem Außenleiter 26 verbindbaren Innenleiter 28 aufweist. Der Hauptkörper 22 bildet eine Art keramisches Koaxialkabel, wobei die Heizkappe 24 eine eigentliche Heizzone bildet, welche in einen Verbrennungsraum eines Zylinders eines Verbrennungsmotors hinein ragt. Der Hauptkörper 22 kann beispielsweise durch Koextrusion hergestellt werden, wobei die Heizkappe 24 durch Spritzguss hergestellt und mit dem Hauptkörper 22 verbunden werden kann. Eine Verdichtung während der Herstellung des Keramikheizelements 12 kann beispielsweise durch Gasdrucksinterung erfolgen.
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In 4 ist eine Vorrichtung 32 zur Rissprüfung am Keramikheizelement 12 schematisch gezeigt. Während der Herstellung der Glühstiftkerze 10 kann das Keramikheizelement 12 noch vor dem Einbau der restlichen Glühstiftkerze 10 mittels der Vorrichtung 32 einer Rissprüfung unterzogen werden. Vor dem Fertigstellen der Glühstiftkerze 10 wird das Keramikheizelement 12 auf Risse untersucht. Dabei kann die Rissprüfung mittels der Vorrichtung 32 an dem fertiggestellten Keramikheizelement 12, besonders bevorzugt aber an einem Vorprodukt des Keramikheizelements 12 durchgeführt werden. Mittels der Vorrichtung 32 wird dafür eine Hochspannung am Keramikheizelement 12 oder einem Vorprodukt, aus welchem das Keramikheizelement 12 noch hergestellt wird, angelegt und durch eine Messung der angelegten Hochspannung überwacht, ob ein Spannungsdurchschlag erfolgt.
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Ein Diagramm 34 ist schematisch ebenfalls in 4 dargestellt, in welchem ein Spannungsverlauf der angelegten Hochspannung über der Zeit schematisch dargestellt ist. An einem bestimmten Punkt 36 erfolgt ein Spannungseinbruch, welcher den besagten Spannungsdurchschlag am Keramikheizelement 12 beziehungsweise an einem Vorprodukt des Keramikheizelements 12 charakterisiert.
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Denn falls das zu überprüfende Keramikheizelement 12 beziehungsweise Vorprodukt des Keramikheizelements 12 einen oder mehrere Risse aufweist, treten an diesen rissbehafteten Stellen ab einer gewissen angelegten Spannung Spannungsdurchschläge auf. Das hat damit zu tun, dass die Durchschlagsspannung beim keramischen Werkstoff des Keramikheizelements 12 beziehungsweise Vorprodukts des Keramikheizelements 12 höher ist als bei Luftspalten. Mittels der Vorrichtung 32 ist es also auf einfache und zuverlässige Weise möglich, Vorschädigungen am Keramikheizelement 12 beziehungsweise Vorprodukt des Keramikheizelements 12 in Form von Mikrorissen und Rissen ganz allgemein zu detektieren.
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Falls ein Spannungsdurchschlag ermittelt wird, kann beispielsweise das gesamte Keramikheizelement 12 oder Vorprodukt des Keramikheizelements 12 ausgetauscht werden, sodass diese gar nicht erst in der restlichen Glühstiftkerze 10 eingebaut wird. Diese Rissprüfung kann beispielsweise auch bei einem Produzenten des Keramikheizelements 12 erfolgen, sodass dieser bereits während der eigentlichen Herstellung des Keramikheizelements 12 Schlechtteile, also rissbehaftete Teile, aussortieren kann.
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Beispielsweise ist es möglich, die besagte Rissprüfung unter Anlegung der Hochspannung am Hauptkörper 22 des Keramikheizelements 12 durchzuführen, und zwar noch bevor die Heizkappe 24 am Hauptkörper 22 angebracht worden ist. Falls dabei ein Spannungsdurchschlag ermittelt wird, kann der rissbehaftete Hauptkörper 22 durch einen anderen Hauptkörper 22 ausgetauscht werden.
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Das Keramikheizelement 12 kann beispielsweise aus einem Grünling hergestellt werden, welcher gesintert und danach in eine Endkontur des Keramikheizelements 12 geschnitten wird. In dem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die Rissprüfung am Grünling, also am Vorprodukt, aus welchem das Keramikheizelement 12 hergestellt wird, vorgenommen wird. wenn bereits am Grünling Risse detektiert werden, kann ein nachgelagerter Sintervorgang und Schleifvorgang eingespart werden. Wird also im Zuge der Rissprüfung am Grünling ein Spannungsdurchschlag ermittelt, kann der rissbehaftete Grünling aussortiert und durch einen anderen Grünling ausgetauscht werden.
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Die Vorrichtung 32 kann einen relativ einfachen Aufbau aufweisen, wobei mittels des erläuterten Verfahrens eine besonders einfache und zuverlässige Rissdetektion an Keramikheizelementen 12 für Glühstiftkerzen durchgeführt werden kann. Insbesondere ermöglicht die beschriebene Rissprüfung eine schnellere Prüfung als beispielsweise bei einer Widerstandsprüfung oder Ultraschallprüfung. Schäden an Glühstiftkerzen 10 aufgrund defekter Keramikheizelemente 12 können so zuverlässig verhindert werden.
