DE10249408B4

DE10249408B4 - Glühkerze und entsprechendes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE10249408B4
Application number: DE2002149408
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kariya Nakao
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-10-24
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2022-10-24
Also published as: JP2003130349A; FR2831243B1; DE10249408A1; FR2831243A1

Abstract

Glühkerze, mit:
einem zylinderförmigen Gehäuse (10) mit einem an einer äußeren Zylinderfläche des Gehäuses (10) ausgebildeten Außengewinde (13) und einem Rohrabschnitt (15), die sich beide auf einer ersten Seite des Gehäuses (10) befinden;
einer zylinderförmigen Hülse (20), die auf der ersten Seite des Gehäuses (10) in eine Innenbohrung (16) des zylinderförmigen Gehäuses (10) eingepasst ist, sodass sie teilweise aus einem der Axialenden des Gehäuses (10) herausragt;
einem Heizelement (30) zur Erzeugung von Wärme bei Zufuhr von elektrischem Strom, das einen zylinderförmigen Aufbau und einen konstanten Außendurchmesser hat und in eine Innenbohrung der Hülse (20) eingepasst ist, sodass es teilweise aus einem der Axialenden der Hülse (20) herausragt;
einem Kernschaft (40) zur Zufuhr elektrischen Stroms zu dem Heizelement (30), der auf einer zweiten, zur ersten Seite entgegengesetzten Seite des Gehäuses (10) so in der Innenbohrung (16) des Gehäuses (10) platziert ist, dass er an das Heizelement...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Glühkerze nach dem Oberbegriff des Anspruch 1. Die Glühkerze wird in eine Motorzylinderkopfbohrung eines Dieselmotors eingebaut, um eine Brennkammer des Dieselmotors zwecks Steigerung der Zündfähigkeit und Verbrennbarkeit des in die Brennkammer eingeleiteten Kraftstoffs vorzuheizen.
Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung der Glühkerze gemäß Anspruch 5.
Eine herkömmliche Glühkerze hat ein zylinderförmiges Gehäuse mit einem an seiner Außenfläche ausgebildeten Außengewinde. In dem zylinderförmigen Gehäuse sind ein keramisches Stabheizelement und ein Kernschaft untergebracht, die zur elektrischen Stromversorgung miteinander verbunden sind.
Um NO_x und andere Schadstoffe im Abgas zu verringern und um auch den Kraftstoffverbrauch oder die Wirtschaftlichkeit der Dieselmotoren zu verbessern, konzentrierten sich die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen auf dem Gebiet moderner Dieselmotoren in letzter Zeit auf Direkteinspritzungstechniken bzw. Techniken, bei denen der Kraftstoff im Zylinder eingespritzt wird, sowie auf eine Verkleinerung des Motorkörpers bzw. der Motorbestandteile. Dieses Ziel lässt sich wirksam durch Verkleinerung der Glühkerze (als einem der Motorteile) erreichen, wodurch sich der beim Einbau der Glühkerze in die Motorzylinderkopfbohrung erforderliche Einbauraum verringert.
Das auf der Gehäuseaußenseite einer herkömmlichen Glühkerze ausgebildete Außengewinde hat in der Regel eine Größe von nicht weniger als M10. Würde die Größe des Außengewindes von M10 auf M8 oder weniger geändert werden, verringert dies zwar den für die Glühkerze erforderlichen Einbauraum, doch ist es bei der Gestaltung dieser herkömmlichen Art Glühkerze schwierig, zwischen der Innenwand des Gehäuses und einer Metallverbindung einen ausreichenden Isolationsspalt sicherzustellen.
Die US 58 52 280 A offenbart eine Glühkerze, die als Metallverbindung zur elektrischen Verbindung des Heizelements und des Kernschafts eine spiralförmige Leitungsspule enthält. Das Heizelement hat einen gestuften Aufbau mit einem Abschnitt kleinen Durchmessers, der in die spiralförmige Leitungsspule eingefügt oder eingekoppelt ist. Mit dieser Anordnung lässt sich der Außendurchmesser der Leitungsspule auf einen verhältnismäßig kleinen Wert begrenzen. So ergibt sich zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Metallverbindung ein ausreichender Isolationsspalt. Die in der US 58 52 280 A offenbarte Glühkerze ist jedoch insofern mit Nachteilen verbunden, als der Herstellungsablauf beim Ausbilden des Heizelements kompliziert und zeitraubend ist.
Darüber hinaus ist aus der EP 0 943 865 A1 eine Glühkerze gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt. Bei dieser Glühkerze sind das Heizelement und der Kernschaft über einen metallischen Adapter verbunden, der aus einem Vollzylinder besteht, in dem zwei Sacklöcher ausgebildet wurden. Das Heizelement und der Kernschaft werden in die Sacklöcher eingepasst und durch Schweißen oder Walzen befestigt.
Darüber hinaus ist aus der älteren Anmeldung DE 102 48 045 A1 eine Glühkerze bekannt, die zwar dem Erfindungsgegenstand nahe kommt, bei der aber das Außengewinde des Gehäuses keine Größe von M8 oder weniger gemäß ISO-Vorschriften hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühkerze zur Verfügung zu stellen, die bei einer einfachen Heizelementgestaltung einen ausreichenden Isolationsspalt gewährleisten kann, ohne dass es zu einer Ausbeulung oder Verformung kommt, wenn die Glühkerze in eine Motorkopfbohrung eingebaut wird. Ferner zielt die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze.
Um die obige oder damit in Beziehung stehende Aufgaben zu lösen, ist erfindungsgemäß eine Glühkerze vorgesehen, wie sie in Anspruch 1, sowie ein Verfahren, wie es im Anspruch 5 definiert ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den Unteransprüchen genannt.
Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung der Glühkerze hat die Verbindungskappe einen röhrenförmigen Aufbau, der einer herkömmlichen Leitungsspule insofern überlegen ist, als dass leicht eine ausreichende Querschnittsfläche gewährleistet werden kann. Mit anderen Worten kann mit der erfindungsgemäßen Glühkerze auch dann die für die Verbindungskappe erforderliche Querschnittsfläche gewährleistet werden, wenn die Dicke der Verbindungskappe dünner als der Spulendurchmesser einer vergleichbaren Leitungsspule ist.
Die Dicke der Verbindungskappe lässt sich demnach deutlich verringern. Auch dann, wenn das Gehäuse ein Außengewinde mit einer Größe von M8 oder weniger hat, kann ein ausreichender Isolationsspalt zwischen dem Gehäuse und der Verbindungskappe gewährleistet werden, ohne das Heizelement in eine gestufte Röhrenform oder in einen anderen komplizierten Aufbau umzugestalten.
Nach den Untersuchungsergebnissen der Erfinder gewährleistet die Beibehaltung eines Abstands von größer oder gleich 0,3 mm zwischen dem Gehäuse und der Verbindungskappe gute Isolierungseigenschaften zwischen dem Gehäuse und der Kappe.
Nach den Untersuchungsergebnissen der Erfinder kann der wenigstens 0,85 mm dicke Rohrabschnitt bei einem Außengewinde mit einer von Größe M8 oder weniger gemäß ISO-Vorschriften eine zufriedenstellende Beulfestigkeit sicherstellen (d. h. es kommt zu keiner Ausbeulung oder Verformung), wenn die Glühkerze in der Motorkopfbohrung eingebaut wird.
Daneben ist es vorzuziehen, dass um die äußere Zylinderfläche der Verbindungskappe herum eine Überzugsschicht aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen ist. Mit dieser Gestaltung lassen sich gute Isolationseigenschaften zwischen dem Gehäuse und der Verbindungskappe sicherstellen.
Die Erfindung ist insofern vorteilhaft, als dass der Heizelementaufbau verglichen mit der herkömmlichen Glühkerze vereinfacht werden kann.
Eine weitere Vereinfachung ergibt sich, wenn das Heizelement mit dem ersten röhrenförmigen Verbindungsabschnitt der Verbindungskappe durch Hartlöten verbunden wird. Die Erfindung sieht in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze vor, wie es in Anspruch 5 definiert ist.
Die obigen und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich genauer aus der folgenden ausführlichen Beschreibung, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. In den Zeichnungen zeigen:
1 in vertikaler Schnittansicht die Gesamtgestaltung einer Glühkerze gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung vergrößert in Schnittansicht die Gestaltung eines Heizelements und einer Verbindungskappe, die in der in 1 gezeigten Glühkerze eingebaut sind, zusammen mit ihrer Umgebung;
3 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die in der Glühkerze eingebaute Verbindungskappe in Perspektivansicht;
4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung die in der Glühkerze eingebaute Verbindungskappe vergrößert in Schnittansicht;
5A bis 5C eine Darstellung eines Hartlötvorgangs, der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bei der Hülse, dem Heizelement und der Verbindungskappe der Glühkerze Anwendung findet;
6 eine Tabelle mit den Ergebnissen eines Isolationsversuchs, der zur Überprüfung der Isolationseigenschaften der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellten Glühkerze durchgeführt wurde;
7 eine Tabelle mit den Ergebnissen eines Einbeulversuchs, der zur Überprüfung der Beulfestigkeit der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellten Glühkerze durchgeführt wurde; und
8 in Schnittansicht den wesentlichen Teil einer Glühkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen folgt nun eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. In den Zeichnungen sind identische Teile oder Komponenten mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 zeigt in vertikaler Schnittansicht die Gesamtgestaltung einer Glühkerze G1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 zeigt vergrößert in Schnittansicht den genauen Aufbau eines Heizelements 30 und einer Verbindungskappe 50 zusammen mit ihrer in 1 gezeigten Umgebung. 3 zeigt das Gesamterscheinungsbild der in 1 gezeigten Verbindungskappe 50 in Perspektivansicht, und 4 entspricht einer vergrößerten Schnittansicht mit dem genauen Aufbau der in 1 gezeigten Verbindungskappe 50.
Die Glühkerze G1 wird zum Beispiel in eine Einbaubohrung (d. h. Glühkerzenbohrung) 901 eingebaut, die in einem Motorzylinderkopf 900 eines direkt einspritzenden Dieselmotors für ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist bzw. sich in diesem öffnet. Der direkt einspritzende Dieselmotor weist beispielsweise mehrere Zylinder (z. B. vier Zylinder in Reihe) auf, die in sich jeweils eine Brennkammer 902 abgrenzen. Die Glühkerze G1 wird im Allgemeinen zu dem Zweck eingesetzt bzw. eingebaut, die Zündfähigkeit und die Verbrennbarkeit des in die Brennkammer eingeleiteten Kraftstoffs bei kaltem Motor, d. h. beim Motorstart oder unmittelbar nach dem Motorstart, zu unterstützen.
Die Glühkerze C1 hat ein zylinderförmiges Gehäuse 10 mit einem Innenhohlraum bzw. -bohrung 16, der in Axialrichtung von dessen einen Axialende 11 zu dessen anderen Axialende 12 verläuft. Das zylinderförmige Gehäuse 10 besteht aus einem Stahlmaterial (z. B. S25C~S45C), damit es sich in die Glühkerzenbohrung 901 des Motorzylinderkopfs 900 einbauen lässt. Das eine Axialende 11 des Gehäuses 10 ist nahe der Brennkammer 902 des Dieselmotors anzuordnen, und das andere Axialende 12 des Gehäuses 10 ist fern von der Brennkammer 902 des Dieselmotors anzuordnen.
An einer äußeren Zylinderfläche des Gehäuses 10, die zwischen den beiden Axialenden 11 und 12 verläuft, sind ein Außengewinde 13 und eine Mutter 14 ausgebildet. Das Außengewinde 13 befindet sich im Wesentlichen in der axialen Mitte der äußeren Zylinderfläche des Gehäuses 10 und bildet mit dem Gehäuse 10 eine Einheit. Die Mutter 14 ist nahe dem Axialende 12 platziert oder gelegen und bildet mit dem Gehäuse 10 eine Einheit. Die Glühkerzenbohrung 901 des Motorzylinderkopfs 900 ist mit einem passenden (nicht gezeigten) Innengewinde versehen, das mit dem Außengewinde 13 des Gehäuses 10 in Eingriff steht. Ein Arbeiter kann also mit einem geeigneten Festziehwerkzeug, das mit der Mutter 14 in Eingriff gebracht werden kann, das Gehäuse 10 der Glühkerze G1 in die Glühkerzenbohrung 901 des Motorzylinderkopfs 900 einschrauben.
Das Gehäuse 10 weist einen Rohrabschnitt 15 auf, der bezogen auf das Außengewindes 13 in Axialrichtung versetzt ist. Der Rohrabschnitt 15 befindet sich nahe dem einen Axialende 11 des Gehäuses 10 und ist zu einer Röhrenform mit einem konstanten Außendurchmesser D1 gestaltet. Der Rohrabschnitt 15 ist etwas von der Innenwand der Glühkerzenbohrung 901 beabstandet. Mit anderen Worten ist der Außendurchmesser D1 des Rohrabschnitts 15 kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders 10. Die Dicke ”T” des Rohrabschnitts 15, d. h. die Differenz zwischen dem Außendurchmesser D1 und dem Innendurchmesser ”d” des Rohrabschnitts 15, ist konstant. Der Rohrabschnitt 15 ist bezogen auf das Außengewinde 13 axial zu dem einen Axialende 11 des Gehäuses 10 versetzt. Der Rohrabschnitt 15 hält eine Hülse 20 und das Heizelement 30 freitragend fest.
Die Größe des Außengewindes 13 beträgt nach den ISO-Vorschriften (ISO: International Organisation of Standardization) M8 oder weniger.

Genauer gesagt spezifiziert der internationale Standard ISO 6550-4 die Haupteigenschaften von Glühkerzen für Dieselmotoren mit M8 × 1 Hülle und konischem Sitz und von ihrem Zylinderkopfgehäuse. Tabelle 1 gibt die Abmessungsgrenzen für M8 × 1 Gewinde an, wie sie ISO 6550-4 regelt. TABELLE 1

		Abmessungen in Millimetern
Abmessungen		Kerzengewinde M8 × 1-6g (an fertiger Kerze)	Gewindebohrung in Zylinderkopf M8 × 1-6H
Außendurchmesser	Max.	7,974	nicht spezif.
	Min.	7,794	8,000
Flankendurchmesser	Max.	7,324	7,500
	Min.	7,212	7,350
Kerndurchmesser	Max.	6,747	7,153
	Min.	6,5961)	6,917
1) mit einem Gewindegrundradius von ≥ 0,1 mm (0,1 P)

In Tabelle 1 bezeichnet ”Außendurchmesser” den größten Durchmesser des Außengewindes gemessen an seiner Gewindespitze, ”Flankendurchmesser” den Mittelpunktdurchmesser des Außengewindes gemessen an seinem Flankenkreis und ”Kerndurchmesser” den kleinsten Durchmesser des Außengewindes gemessen an seinem Gewindegrund.
Um das Gehäuse 10 der Glühkerze G1 in die Einbaubohrung (d. h. die Glühkerzenbohrung) 901 des Zylinderkopfs 900 einzupassen, wird das Außengewinde 13 des Gehäuses 10 in die Einbaubohrung 901, an dessen Zylinderwand das (nicht gezeigte) Innengewinde ausgebildet ist, eingeschraubt. Die Glühkerze G1 wird auf diese Weise fest mit dem Zylinderkopf 900 verbunden. Wenn die Glühkerze G1 eingebaut ist, ragt das ferne Ende 31 des Heizelements 30 etwas in die Brennkammer 902 hinein.
Das Gehäuse 10 hat an seinem einen Axialende 11 einen sich verjüngenden Aufbau. Wenn das Gehäuse 10 in der Einbaubohrung 901 des Zylinderkopfs 900 festgemacht wird, wird das Axialende 11 in luftdichten Kontakt mit einer Bodenfläche (d. h. einer Anlagefläche) 903 der Einbaubohrung 901 gebracht. Mit anderen Worten sichert bzw. ergibt der Kontakt zwischen dem Axialende 11 des Gehäuses 10 und der Bodenfläche 903 der Einbaubohrung 901 eine luftdichte Abdichtung für die Brennkammer 902.
Die aus Edelstahl oder einer vergleichbaren wärme- und korrosionsbeständigen Legierung bestehende zylinderförmige Hülse 20 ist fest und luftdicht in der axial verlaufenden Innenbohrung 16 des Gehäuses 10 untergebracht bzw. befestigt. Die Hülse 20 hat ein Axialende 21, das aus dem Axialende 11 des Gehäuses 10 herausragt, sodass es nahe der Brennkammer 902 platziert ist. Das andere Axialende 22, d. h. das innere Axialende der Hülse 20, befindet sich in der axial verlaufenden Innenbohrung 16 des Gehäuses 10. Die Lage des Axialendes 22 der Hülse 20 entspricht im Wesentlichen der Grenze oder dem Übergangsabschnitt zwischen dem Außengewinde 13 und dem Rohrabschnitt 15.
Die innere Zylinderfläche des Gehäuses 10 und die Außenfläche der Hülse 20 sind durch Presspassung oder eine um die Einlassöffnung des Gehäuses 10 herum aufgebrachte Hartlötung luftdicht verbunden.
Das Heizelement 30, z. B. ein Keramikstab (mit zylinderförmigen Aufbau), das bei anliegendem elektrischem Strom Wärme erzeugt, ist in der Hülse 20 untergebracht. Das Heizelement 30 hat einen konstanten Außendurchmesser D2, der im Wesentlichen identisch mit dem Innendurchmesser der Hülse 20 ist. Das Heizelement 30 hat ein Axialende 31, das aus dem einen Axialende 21 der Hülse 20 herausragt. Das ferne Ende des Heizelements 30 befindet sich im Wesentlichen in der Brennkammer 902. Das andere Axialende 32, d. h. das innere Axialende des Heizelements 30, befindet sich innerhalb des Gehäuses 10 und reicht über das andere Axialende 22 der Hülse 20 hinaus nach innen.
Das Heizelement 30, die Hülse 20 und das Gehäuse 10 sind bezüglich der Mittelachse der Glühkerze G1 in dieser Reihenfolge konzentrisch angeordnet. Die Hülse 20 ragt bezogen auf das Gehäuse 10 und das Heizelement 30 bezogen auf die Hülse 20 zur Brennkammer 902 vor. Auf diese Weise ragen die Hülse 20 und das Heizelement 30 hintereinander zur Brennkammer 902 vor.
Das Heizelement 30 umfasst einen (nicht gezeigten) U-förmigen Wärmeerzeugungsabschnitt aus einer elektrisch leitenden Keramik (die beispielsweise Siliziumnitrid und Molybdänsilicid enthält) und ein Paar (nicht gezeigter) Leitungsdrähte, die elektrisch mit dem Wärmeerzeugungsabschnitt verbunden sind, um dem Wärmeerzeugungsabschnitt elektrischen Strom zuzuführen. Der Wärmeerzeugungsabschnitt und die Leitungsdrähte sind vollständig in dem zylinderförmigen Heizelementkörper eingebettet. Der Heizelementkörper besteht aus einem isolierenden Keramikmaterial (das beispielsweise Siliziumnitrid enthält). Das Heizelement 30 ist ein gesintertes Produkt und hat eine einfache Zylinderform ohne Stufenabschnitt und auch ohne rückspringenden oder vorspringenden Abschnitt.
In der axial verlaufenden Innenbohrung 16 des Gehäuses 10 ist ein Kernschaft 40, d. h. ein Stabelement (mit zylinderförmigen Aufbau) aus Kohlenstoffstahl untergebracht, der üblicherweise durch Schneiden oder Kaltschmieden bearbeitet wird. Der Kernschaft 40 stellt ein Element dar, dass einen positiven Anschluss zur Zuführung elektrischen Stroms zum Heizelement 30 der Glühkerze G1 bildet. Der Kernschaft 40 ist nahe dem anderen Axialende 12 des Gehäuses 10 angeordnet und hat einen gestuften Aufbau. Genauer gesagt hat der Kernschaft 40 ein Axialende 41, das zu einem zylinderförmigen Abschnitt 43 kleinen Durchmessers gestaltet ist, mit dem die Verbindungskappe 50 in Verbindung gebracht wird. Der zylinderförmige Abschnitt 43 kleinen Durchmessers ist mit dem Rest des Kernschafts 40 (d. h. einem Abschnitt großen Durchmessers) konzentrisch. Den zylinderförmigen Abschnitt 43 kleinen Durchmessers auszubilden, ist im Vergleich dazu, ein kompliziertes Heizelement mit gestuften Abschnitt auszubilden, verhältnismäßig einfach, da der Kernschaft 40 maschinell durch Schneiden oder Kaltschmieden angefertigt werden kann.
Das andere Axialende 42 des Kernschafts 40 ragt aus dem anderen Axialende 12 des Gehäuses 10 heraus. Der herausragende Abschnitt (d. h. das Axialende 42) des Kernschafts 40 hat einen an seiner äußeren Zylinderfläche ausgebildeten Anschlussgewindeabschnitt 44 und ist über ein (nicht gezeigtes) externes Verdrahtungselement elektrisch mit einer (nicht gezeigten) Batterie oder einer vergleichbaren elektrischen Stromquelle verbunden, die sich beispielsweise im Motorraum eines Kraftfahrzeugs befindet. Das externe Verdrahtungselement ist mit Hilfe einer Schraube mit dem Anschlussgewindeabschnitt 44 verbunden. An dem Anschlussgewindeabschnitt 44 sind eine isolierende Buchse 45 und eine Mutter 46 angebracht bzw. mit ihr verbunden. Wenn die Mutter 46 festgezogen wird, wird an dem Axialende 12 die Öffnung des Zylinders 10 luftdicht durch die isolierende Buchse 45 abgedichtet.
Zwischen der äußeren Zylinderfläche des Kernschafts 40 und der inneren Zylinderfläche des Gehäuses 10 liegt eine ringförmige isolierende Buchse 60. Auf vergleichbare Weise liegt zwischen der äußeren Zylinderfläche des Kernschafts 40 und der inneren Zylinderfläche des Gehäuses 10 ein ringförmiges Schmelzglas 62. Das ringförmige Schmelzglas 62 wird zum Halten und Fixieren des Kernschafts 40 und zum Zentrieren des Kernschafts 40 bezüglich des Gehäuses 10 verwendet. Sowohl die Buchse 60 als auch der Schmelzglas 62 stellen ein elektrisch isolierendes Element dar.
Die aus Edelstahl oder einem vergleichbaren elektrisch leitenden Metall bestehende Verbindungskappe 50 ist an ihrem einen Ende mit dem anderen Axialende 32 (d. h. dem inneren Axialende) des Heizelements 30 und mit ihrem anderen Ende mit dem einen Axialende 41 (d. h. dem inneren Axialende) des Kernschafts 40 verbunden. Die Verbindungskappe 50 sorgt für einen elektrischen Weg, der das Heizelement 30 und den Kernschaft 40 verbindet. Genauer gesagt hat die Kappe 50 einen gestuften röhrenförmigen Aufbau, der durch Pressformen oder dergleichen hergestellt werden kann. So besteht die Verbindungskappe 50 hauptsächlich aus einem röhrenförmigen Verbindungsabschnitt 51 großen Durchmessers, in den das andere Axialende 32 (d. h. das innere Ende) des Heizelements 30 eingefügt ist, und einem röhrenförmigen Verbindungsabschnitt 52 kleinen Durchmessers, in den der zylinderförmige Abschnitt 43 kleinen Durchmessers des Kernschafts 40 eingefügt ist. Der röhrenförmige Verbindungsabschnitt 51 großen Durchmessers und der röhrenförmige Verbindungsabschnitt 52 kleinen Durchmessers, aus denen die Verbindungskappe 50 im Wesentlichen besteht, sind durchgängig und einstückig ausgebildet, sodass sie in Axialrichtung der Verbindungskappe 50 konzentrisch nebeneinander liegen. Die Verbindungskappe 50 hat am röhrenförmigen Verbindungsabschnitt 51 großen Durchmessers und am röhrenförmigen Verbindungsabschnitt 52 kleinen Durchmessers jeweils eine konstante Dicke ”t”.
Die 5A bis 5C erläutern den Hartlötvorgang, der bei der Hülse 20, dem Heizelement 30 und der Verbindungskappe 50 Anwendung findet. Zunächst wird das Heizelement 30 in die Innenbohrung der Hülse 20 eingeführt, sodass das Axialende 32 des Heizelements 30 wie in 5A gezeigt aus der Hülse 20 herausragt. Dann wird der röhrenförmige Verbindungsabschnitt 51 großen Durchmessers der Verbindungskappe 50 um die Zylinderaußenfläche des Axialendes 32 des Heizelements 30 herum in Verbindung gebracht. Dann werden wie in 5B gezeigt auf der Oberseite des Heizelements 30 an dem Axialende 32 ein Hartlötmaterial 70 und auf der Oberseite der Hülse 20 angrenzend an den röhrenförmigen Verbindungsabschnitt 51 großen Durchmessers der Verbindungskappe 50 ein Hartlötmaterial 71 aufgebracht.
Als Nächstes wird der Aufbau aus Hülse 20, Heizelement 30 und Verbindungskappe 50 in einen Ofen gesetzt. Unter der von dem Ofen erzeugten Wärme schmilzt das Hartlötmaterial 70 auf und fließt in den Zwischenraum zwischen dem Heiz element 30 und der Verbindungskappe 50, während das Hartlötmaterial 71 aufschmilzt und in den Zwischenraum zwischen der Hülse 20 und dem Heizelement 30 fließt. Dann wird der Aufbau aus Hülse 20, Heizelement 30 und Verbindungskappe 50 abgekühlt, damit wie in 5C gezeigt das aufgeschmolzene Hartlötmaterial erstarrt und um dadurch den Hartlötvorgang zu vollenden.
Durch Hartlöten wird ein Leitungsdraht des Heizelements 30 an einem aus dem isolierenden Heizelementkörper herausragenden Abschnitt mit der Verbindungskappe 50 verbunden. Der andere Leitungsdraht des Heizelements 30 wird durch Hartlöten an einem aus dem isolierenden Heizelementkörper herausragenden Abschnitt mit der Hülse 20 verbunden.
Um das Leistungsvermögen der oben beschriebenen Glühkerze G1 beurteilen zu können, wurden die Isolationseigenschaften zwischen der Innenzylinderwand des Gehäuses 10 und der äußeren Zylinderwand der Verbindungskappe 50 untersucht.
Die Tabelle in 6 nennt die untersuchten Probekörper, die entsprechend dem Innendurchmesser ”d” (d. h. dem Durchmesser der Innenbohrung 16) des Gehäuses 10 in drei Typen eingeteilt wurden, wobei jeder Typ dann entsprechend der Dicke ”t” der Verbindungskappe 50 weiter in drei Untertypen unterteilt wurde. Für den Isolationsversuch wurden also insgesamt neun Typen angefertigt. Im Isolationsversuch wurde für jeden der untersuchten Probekörper festgestellt, ob zwischen der inneren Zylinderwand des Gehäuses 10 und der äußeren Zylinderfläche der Verbindungskappe 50 ein Kurzschluss auftrat. Die in 6 angegebenen numerischen Daten sind in der Einheit mm angegeben.
Genauer gesagt wurden jeweils 10 zum gleichen Typ gehörende Glühkerzen (d. h. Versuchsprobekörper) dem Isolationsversuch unterzogen. Die Gesamtanzahl der in dem Isolationsversuch untersuchten Glühkerzen stieg also auf 90 Stück. In 6 ist als Untersuchungsergebnis für jeden Typ, der gute Isolationseigenschaften zeigte, ”O” und für jeden Typ, der schlechte Isolationseigenschaften hatte, ”X” angegeben. Die Beurteilung erfolgte dabei, indem festgestellt wurde, ob sämtliche gleiche Probekörper (d. h. alle zehn zu dem gleichen Typ gehörenden Glühkerzen) gute Isolationseigenschaften zeigten.
Aus den in 6 angegebenen Versuchsergebnissen kann geschlossen werden, dass gute Isolationseigenschaften zwischen der Innenzylinderwand des Gehäuses 10 und der Außenzylinderwand der Verbindungskappe 50 sichergestellt werden können, wenn der Abstand (d. h. der Isolationsspalt) G zwischen dem Gehäuse 10 und der Verbindungskappe 50 größer oder gleich 0,3 mm ist.
7 zeigt eine Tabelle mit den Ergebnissen eines Einbeulversuchs, dem der Rohrabschnitt 15 des Gehäuses 10 für fünf Typen Glühkerzen unterzogen wurde. Wie in 7 angegeben ist, unterschieden sich die untersuchten Glühkerzen im Hinblick auf den Innendurchmesser ”d” des Gehäuses (d. h. den Durchmesser des Innenbohrung 16). Das in diesem Einbeulversuch verwendete Material des Gehäuses 10 war mit S45C vergleichbar. Die in 7 angegebenen numerischen Daten sind in der Einheit mm angegeben.
In der Praxis treten keine Probleme auf, wenn der Einbeulbetrag des Rohrabschnitts 15 (d. h. die radiale Größenzunahme des Rohrabschnitts 15) innerhalb 0,3 mm gehalten werden kann, wenn der Rohrabschnitt 15 dem empfohlenen Anziehmoment (= 13 N·m) unterliegt. Unter diesem Gesichtspunkt wurden die untersuchten Glühkerzen jeweils mit einer guten Beulfestigkeit beurteilt, wenn ihr Einbeulbetrag am Rohrabschnitt 15 weniger als 0,3 mm betrug. Dagegen wurden die untersuchten Glühkerzen mit einem Einbeulbetrag von mehr als 0,3 mm am Rohrabschnitt 15 jeweils mit einer schlechten Beulfestigkeit beurteilt.
Genauer gesagt wurden insgesamt 10 zum gleichen Typ gehörige Glühkerzen (d. h. Versuchsprobekörper) dem Einbeulversuch unterzogen. Die Gesamtanzahl der untersuchten Glühkerzen stieg daher für den Einbeulversuch auf 50 Stück. In 7 ist als Untersuchungsergebnis für jeden Typ, der eine gute Beulfestigkeit (einen Einbeulbetrag von weniger als 0,3 mm) zeigte, ”O” und für jeden Typ, der eine schlechte Beulfestigkeit hatte, ”x” angegeben. Die Beurteilung erfolgte dabei, indem festgestellt wurde, ob sämtliche gleiche Probekörper (d. h. alle zehn zu dem gleichen Typ gehörenden Glühkerzen) eine gute Beulfestigkeit zeigten.
Aus den in 7 angegebenen Versuchsergebnissen kann geschlossen werden, dass für den Rohrabschnitt 15 des Gehäuses 10 eine gute Beulfestigkeit sichergestellt werden kann, wenn die Dicke ”T” des Rohrabschnitts 15 größer oder gleich 0,85 mm ist.
Normalerweise muss verhindert werden, dass die Verbindungskappe 50 (d. h. die Metallverbindung) im ungewöhnlichen Ausmaß Wärme entwickelt, wenn dem Heizelement 30 von dem Kernschaft 40 aus über die Verbindungskappe 50 elektrischer Strom zugeführt wird. Dazu muss die Querschnittsfläche der Metallverbindung (d. h. der Verbindungskappe 50) größer als ein vorbestimmter Wert sein. Die Verbindungskappe 50 gemäß diesem Ausführungsbeispiel hat einen röhrenförmigen Aufbau, der einer herkömmlichen Leitungsspule insofern überlegen ist, als dass sich leicht eine ausreichende Querschnittsfläche (≅π × D2 × t) gewährleisten lässt. Mit anderen Worten lässt sich auch dann die erforderliche Querschnittsfläche gewährleisten, wenn die Dicke ”t” der Verbindungskappe 50 dünner als der Spulendurchmesser einer vergleichbaren Leitungsspule ist.
Wie oben beschrieben ist, lässt sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Dicke ”t” der Verbindungskappe 50 stark verringern. Daher kann bei der Glühkerze G1 das Außengewinde 13 mit einer Größe von kleiner oder gleich M8 Anwendung finden. Zwischen der inneren Zylinderwand des Gehäuses 10 und der äußeren Zylinderfläche der Verbindungskappe 50 lässt sich ein ausreichender Abstand (d. h. Isolationsspalt) G gewährleisten, ohne das Heizelement 30 in einen gestuften röhrenförmigen Aufbau oder eine andere Form umzugestalten.
Wenn die Größe des Außengewindes 13 M8 beträgt, ist es wünschenswert, wenn der Außendurchmesser der Hülse 20 kleiner oder gleich 5,0 mm und der Außendurchmesser des Heizelements 30 kleiner oder gleich 3,5 mm ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
8 zeigt eine abgewandelte Gestaltung der Kappenverbindung 50 der Glühkerze G1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass eine Überzugsschicht 53 die gesamte äußere Zylinderfläche der Verbindungskappe 50 bedeckt. Die Überzugsschicht 53 verläuft von dem einen Axialende zu dem anderen Axialende der Verbindungskappe 50 und besteht aus einem Material mit hervorragender Wärmebeständigkeit und hervorragenden elektrischen Isolationseigenschaften. Durch die Überzugsschicht 53 werden die Isolationseigenschaften zwischen dem Gehäuse 10 und der Verbindungskappe 50 gesteigert bzw. verbessert.
Dabei ist es vorzuziehen, dass die Überzugsschicht 53 aus einem Glasmaterial besteht. Die Dicke der Überzugsschicht 53 ist im Vergleich zu der Dicke ”t” der Verbindungskappe 50 dünn bzw. vernachlässigbar. So ist es zum Beispiel vorzuziehen, dass die Dicke der Überzugsschicht 53 ungefähr 100 μm oder weniger beträgt. Der Schritt, die Überzugsschicht 53 um die äußere Zylinderfläche der Verbindungskappe 50 herum auszubilden, erfolgt nach Beendigung des Hartlötvorgangs, der bei der Hülse 20, dem Heizelement 30 und der Verbindungskappe 50 Anwendung findet.

Claims

Glühkerze, mit: einem zylinderförmigen Gehäuse (10) mit einem an einer äußeren Zylinderfläche des Gehäuses (10) ausgebildeten Außengewinde (13) und einem Rohrabschnitt (15), die sich beide auf einer ersten Seite des Gehäuses (10) befinden; einer zylinderförmigen Hülse (20), die auf der ersten Seite des Gehäuses (10) in eine Innenbohrung (16) des zylinderförmigen Gehäuses (10) eingepasst ist, sodass sie teilweise aus einem der Axialenden des Gehäuses (10) herausragt; einem Heizelement (30) zur Erzeugung von Wärme bei Zufuhr von elektrischem Strom, das einen zylinderförmigen Aufbau und einen konstanten Außendurchmesser hat und in eine Innenbohrung der Hülse (20) eingepasst ist, sodass es teilweise aus einem der Axialenden der Hülse (20) herausragt; einem Kernschaft (40) zur Zufuhr elektrischen Stroms zu dem Heizelement (30), der auf einer zweiten, zur ersten Seite entgegengesetzten Seite des Gehäuses (10) so in der Innenbohrung (16) des Gehäuses (10) platziert ist, dass er an das Heizelement (30) angrenzt; und einer Verbindungskappe (50), die mit dem Heizelement (30) und dem Kernschaft (40) verbunden ist, so dass das Heizelement (30) und der Kernschaft (40) miteinander elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (13) des zylinderförmigen Gehäuses (10) eine Größe von M8 oder weniger gemäß ISO-Vorschriften hat, das Heizelement (30) ein Keramikstab-Heizelement ist; die Verbindungskappe (50) durch Pressformen eines elektrisch leitenden Metalls hergestellt ist, so dass sie einen gestuften, röhrenförmigen Aufbau mit einem ersten röhrenförmigen Verbindungsabschnitt (51), der einen ersten Innendurchmesser hat, und einem zweiten röhrenförmigen Verbindungsabschnitt (52) aufweist, der einen zweiten Innendurchmesser hat, der kleiner als der erste Innendurchmesser ist; das Heizelement (30) ein inneres Axialende (32) aufweist, das in den ersten röhrenförmigen Verbindungsabschnitt (51) der Verbindungskappe (50) eingefügt ist, so dass es mit der Verbindungskappe (50) verbunden ist; der Kernschaft (40) ein inneres Axialende (43) aufweist, das in den zweiten röhrenförmigen Verbindungsabschnitt (52) der Verbindungskappe (50) eingefügt ist, so dass es mit der Verbindungskappe (50) verbunden ist; ein Abstand (G) zwischen einer äußeren Zylinderfläche des ersten röhrenförmigen Verbindungsabschnitts (51) und einer inneren Zylinderfläche des Gehäuses (10) größer oder gleich 0,3 mm ist; und eine Dicke (T) des Rohrabschnitts (15) größer oder gleich 0,85 mm ist.
Glühkerze nach Anspruch 1, bei der der erste röhrenförmige Verbindungsabschnitt (51) und der zweite röhrenförmige Verbindungsabschnitt (52) durchgängig und einstückig ausgebildet sind, sodass sie in Axialrichtung der Verbindungskappe (50) nebeneinander liegen.
Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Verbindungskappe (50) auf einer äußeren Zylinderfläche von ihr eine Überzugsschicht (53) aus einem elektrisch isolierenden Material aufweist.
Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das Heizelement (30) mit dem ersten röhrenförmigen Verbindungsabschnitt (51) der Verbindungskappe (50) durch Hartlöten verbunden ist.
Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze gemäß Anspruch 4, bei dem das Heizelement (30) mit dem ersten röhrenförmigen Verbindungsabschnitt (51) der Verbindungskappe (50) verbunden wird, indem der erste röhrenförmige Verbindungsabschnitt (51) um das innere Axialende (32) des Heizelements (30) herum in Verbindung gebracht wird, auf einer Oberfläche des inneren Axialendes (32) ein Hartlötmaterial (70) aufgebracht wird, das Hartlötmaterial (70) erhitzt wird, damit es schmilzt und in einen Zwischenraum zwischen dem Heizelement (30) und dem ersten röhrenförmigen Verbindungsabschnitt (51) fließt, und das Heizelement (30) und der erste röhrenförmige Verbindungsabschnitt (51) abgekühlt werden, damit das geschmolzene Hartlötmaterial (70) erstarrt.