1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Glühkerze zur
Beförderung eines Zündvorgangs und einer Verbrennung von
Brennstoff durch Vorheizen eines Inneren einer
Verbrennungskammer eines Dieselmotors.
2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
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In dem japanischen Patent Nr. 3160226 ist ein keramische s
Heizelement offenbart, das in einem Trägerelement aus einem
keramischen Material eingebettet ist, das 1 bis 3 Gew.-%
Metallsilicid enthält, wodurch ein Unterschied zwischen dem
linearen Ausdehnungskoeffizienten des Heizelements und dem des
Trägerelements verringert wird, um deren Hitzebeständigkeiten
zu verbessern.
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Darüber hinaus ist in JP-A-2001-176647 ein keramisches
Heizelement offenbart, das in einem Trägerelement aus einem
keramischen Material eingebettet ist, wobei L/D größer als oder
gleich 0,11 und kleiner als oder gleich 0,35 ist, wobei L eine
minimale Länge zwischen der Spitze des Heizelements und der
Spitze des Trägerelements und D ein äußerer Durchmesser der
Spitze des Trägerelements ist, wodurch eine Schnelligkeit des
Aufheizens und eine Hitzebeständigkeit zusammen auftreten.
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Es ist seit kurzem erwünscht, dass das schnelle Aufheizen und
die Hitzebeständigkeit in der Glühkerze für den Dieselmotor
weiter verbessert werden.
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Hier ist eine Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs des
Heizelements mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten des
Widerstands klein. Daher ist es effektiv, ein Heizelement mit
einem großen Temperaturkoeffizienten des Widerstands für ein
verbessertes schnelles Aufheizen zu verwenden. Wenn allerdings
ein Heizelement mit einem großen Temperaturkoeffizienten des
Widerstands verwendet wird, können das Heizelement und das
Trägerelement aufgrund eines durch einen großen
Temperaturunterschied zwischen ihnen verursachten Hitzeschocks
leicht reißen.
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Konkret steigt in einer tatsächlichen Umgebung zur Verwendung
der Glühkerze, in der das Heizelement durch den Brennstoff
gekühlt wird, ein elektrischer Strom aufgrund eines starken
Abfalls des Widerstands stark an, wenn die Temperatur des
Heizelements fällt.
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Daher ist der Temperaturabfall des Heizelements klein und der
Temperaturunterschied zwischen dem Heizelement und seinem
Trägerelement wird groß, wodurch der Riss hervorgerufen wird.
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Daher gibt es in dem japanischen Patent Nr. 3160226 den
Nachteil, dass durch den Hitzeschock ein Riss erzeugt wird, da
ein Unterschied in den linearen Ausdehnungskoeffizienten nicht
ausreichend verringert ist. Der Nachteil wird insbesondere
deutlich, wenn der Temperaturkoeffizient des Widerstands des
Heizelements groß ist.
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Andererseits gibt es in JP-A-2001-176647 den Nachteil, dass der
Riss durch den durch einen großen Temperaturunterschied
zwischen dem Heizelement und dem Trägerelement verursachten
Hitzeschock erzeugt wird, da das Verhältnis L/D groß ist, d. h.
da das Spitzenteil des Heizers dick ist. Der Nachteil wird
insbesondere deutlich, wenn der Temperaturkoeffizient des
Widerstands des Heizelements groß ist.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sowohl die
Aufheizschnelligkeit als auch die Hitzebeständigkeit einer
Glühkerze zum Vorheizen der Motorverbrennungskammer durch das
keramische Heizelement zu verbessern.
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Die vorliegende Erfindung schließt die nachstehend erwähnten
vier Merkmale ein.
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Im Merkmal 1 ist eine Glühkerze mit einem Heizer 30
bereitgestellt. Das durch einen elektrischen Strom geheizte
keramische Heizelement 33 ist in einem Heizer 30, der die
Motorverbrennungskammer vorheizt, in ein keramisches
Trägerelement 35 eingebettet. Wenn R1 ein Widerstandswert des
Heizelements 33 bei 1200°C und R2 ein Widerstandswert des
Heizelements 33 bei 20°C ist, ist das Veränderungsverhältnis
des Widerstands R1/R2 auf größer als oder gleich 2 eingestellt.
Des Weiteren kann ein Gehalt von 4 Gew.-% bis 22 Gew.-% von
wenigstens einem von Metallsilicid, Metallcarbid, Metallborid
und Metallnitrid in dem keramischen Material für das
Trägerelement 35 enthalten sein, dessen linearer
Ausdehnungskoeffizient so eingestellt ist, dass er kleiner als
der des Heizelements 33 ist.
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Gemäß dem Merkmal 1 wird die Aufheizschnelligkeit durch ein
Heizelement mit einem großen Veränderungsverhältnis des
Widerstands R1/R2 von größer als oder gleich 2 verbessert. Des
Weiteren kann durch Verwendung eines Trägerelements 35 mit
einem linearen Ausdehnungskoeffizienten kleiner als dem des
Heizelements 33 das Reißen aufgrund des Hitzeschocks verhindert
werden.
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Es ist möglich, sicher zu verhindern, dass die Glühkerze
aufgrund des Hitzeschocks reißt, selbst wenn ein Heizelement 33
mit einem größeren Veränderungsverhältnis des Widerstands R1/R2
verwendet wird, da der lineare Ausdehnungskoeffizient des
Trägerelements 35 sich dem des Heizelements 33 annähern kann,
wenn ein Gehalt von 4 Gew.-% bis 22 Gew.-% von wenigstens einem
von Metallsilicid, Metallcarbid, Metallborid und Metallnitrid
in dem keramischen Material für das Trägerelement 35 enthalten
ist.
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Wenn eine minimale Länge zwischen der Spitze des Heizelements
33 innerhalb der Verbrennungskammer und einer Spitze des
Trägerelements 35 in der Verbrennungskammer L und der äußere
Durchmesser der Spitze des Trägerelements 35 innerhalb der
Verbrennungskammer D ist, ist im Merkmal 2 das Verhältnis L/D
auf größer als oder gleich 0,01 und kleiner als oder gleich 0,1
eingestellt.
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Wenn die minimale Länge L, d. h. die Dicke der Spitze des
Trägerelements 35, zu klein ist, tritt ein Reißen aufgrund
einer fehlenden Festigkeit auf, während ein Reißen aufgrund
eines großen Temperaturunterschieds zwischen dem Heizelement 33
und dem Trägerelement 35 auftritt, wenn L zu groß ist. Das
Reißen aufgrund der fehlenden Festigkeit und aufgrund des
Temperaturunterschieds zwischen dem Heizelement 33 und dem
Trägerelement 35 kann durch Verwenden des optimalen Bereichs
von L/D, der durch die Experimente der Erfinder ermittelt
wurde, verhindert werden.
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Im Merkmal 3 kann das Trägerelement 35 durch solch eine Keramik
gebildet werden, deren Hauptkomponente Siliciumnitrid ist und
die als einen Zusatz MoSi2 hat.
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Wenn das Heizelement 33 durch ein keramisches Material gebildet
wird, dessen Hauptkomponente Wolframcarbid ist und das als
einen Zusatz Siliciumnitrid hat, wird im Merkmal 4 ein
Unterschied zwischen dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des
Trägerelements 35 und dem des Heizelements 33 klein genug, um
zu verhindern, dass die Glühkerze aufgrund des Hitzeschocks
reißt.
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In den nachstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung entsprechen Bezugszeichen ähnlichen Elementen.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht der Gesamtstruktur der
Glühkerze der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Tabelle zur Bewertung einer Motorzündfähigkeit
der Glühkerze der vorliegenden Erfindung, wenn das
Veränderungsverhältnis des Widerstands α des Heizelements 33
variiert wird;
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Fig. 3 ist eine Tabelle zur Bewertung einer
Hitzeschockbeständigkeit und einer Stromwiderstandsfähigkeit
der Glühkerze der vorliegenden Erfindung, wenn ein Gehalt eines
leitfähigen Materials in der Keramik des Trägerelements 35
variiert wird; und
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Fig. 4 ist eine Tabelle zur Bewertung einer
Hitzeschockbeständigkeit der Glühkerze der vorliegenden
Erfindung, wenn eine minimale Länge L und ein äußerer
Durchmesser D des Trägerelements variiert werden.
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Nachstehend werden mit Bezug auf die Zeichnungen bevorzugte
Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail
offenbart.
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht der Gesamtstruktur der
Glühkerze G1 einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Die Glühkerze G1 ist in einem Zylinderkopf
befestigt, zum Beispiel in einem nicht gezeigten Dieselmotor
mit Brennstoffdirekteinspritzung für ein Kraftfahrzeug, wodurch
sie das Innere der Motorverbrennungskammer vorheizt, um die
Zündung und die Verbrennung des Brennstoffs beim und nach dem
Anlassen des Motors zu befördern.
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Das an dem Motor befestigte röhrenförmige Gehäuse 10 ist aus
einem leitfähigen Material wie etwa Eisen hergestellt. Auf der
äußeren Oberfläche des Gehäuses 10 sind von einem Ende 22 zu
dem anderen Ende 12 ein Feststellschraubenteil 13 und ein
Schraubenmutterteil 14 zum Antreiben des Schraubenteils 13
gebildet.
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Der Fixierschraubenteil 13b der Glühkerze G1 wird in einen
nicht gezeigten Gewindeteil geschraubt, der in einem Loch des
Zylinderkopfes gebildet und an dem Zylinderkopf befestigt ist,
wodurch eine Spitze des Heizers 30 innerhalb der
Verbrennungskammer freiliegt.
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In einem inneren Loch des Gehäuses 10 ist eine gestufte
zylindrische Hülse 20 aus einem hitze- und
korrosionsbeständigen Metall wie etwa rostfreiem Stahl
aufgenommen. Ein Ende 21 der Hülse 20 ragt aus dem einen Ende
11 des Gehäuses heraus, während das andere Ende 22 der Hülse 20
in das Gehäuse 10 eingesetzt ist. Die Hülse 20 wird in das
Gehäuse 10 gepresst oder mit diesem verlötet.
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In einem inneren Loch der Hülse 20 ist der durch einen
elektrischen Strom geheizte stangenförmige keramische Heizer 30
aufgenommen. Ein Ende 31 des Heizers 30 ragt aus dem einen Ende
21 der Hülse 20 heraus, während das andere Ende 32 des Heizers
30 aus dem anderen Ende 22 der Hülse 20 herausragt und in die
Hülse 20 eingesetzt ist. Der Heizer 30 wird in die Hülse 20
gepresst oder mit dieser verlötet.
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Der Heizer 30 umfasst ein leitfähiges, keramisches, U-förmiges
Heizelement 33, das durch einen elektrischen Strom geheizt
wird, ein Paar Führungsdrähte 34, die aus solch einem Material
wie Wolfram hergestellt und mit dem Heizelement 33 elektrisch
verbunden sind, um den elektrischen Strom zu dem Heizelement 33
zuzuführen, und ein isolierendes keramisches Trägerelement 35,
in dem das Heizelement 33 und die Führungsdrähte 34 eingebettet
sind.
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Des Weiteren ist in einem anderen Ende 12 des inneren Lochs des
Gehäuses 10 eine stangenförmige innere Achse 40 aus
Kohlenstoffstahl aufgenommen, die durch Schneiden und
Kaltumformen hergestellt wird. In das eine Ende 41 der inneren
Achse 40 ist ein gestufter zylindrischer Deckel 50 aus einem
leitfähigen Material wie etwa einem rostfreien Stahl
eingesetzt.
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Des Weiteren ist einer der Führungsdrähte 34 mit dem Deckel 50
an einer Stelle verlötet, die von dem Trägerelement 35
freiliegt, und ist somit elektrisch mit der inneren Achse 40
verbunden, während ein weiterer der Führungsdrähte 34 mit der
Hülse 20 an einem Ort verlötet ist, der von dem Trägerelement
35 freiliegt, und ist somit durch die Hülse 20 elektrisch mit
dem Gehäuse 10 verbunden, das elektrisch geerdet ist.
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Des Weiteren ragt ein weiteres Ende 42 der inneren Achse 40 aus
dem anderen Ende 12 des Gehäuses 10 heraus. An dem anderen Ende
42, das auf die Außenseite des Zylinderkopfes herausragt, ist
ein Schraubenendteil 43 zum Verschrauben in einem nicht
gezeigten äußeren Drahtelement gebildet, das mit einer nicht
gezeigten Stromversorgung elektrisch verbunden ist. Des
Weiteren ist an dem Schraubenendteil 43 eine ringförmige
isolierende Hülse 44 und eine Mutter 45 bereitgestellt.
Zwischen dem anderen Ende 42 der inneren Achse 40 und einem
inneren Loch des Gehäuses 10 gibt es ein ringförmiges
isolierendes Lagerglas 60 zum Halten, Befestigen und Zentrieren
der inneren Achse 40.
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Die vorstehend beschriebene Glühkerze G1 wird an dem
Zylinderkopf befestigt und mit dem vorstehend beschriebenen
äußeren Drahtelement an dem Schraubenendteil befestigt, wodurch
dem Heizer 30 von der nicht gezeigten äußeren Stromversorgung
durch das äußere Drahtelement und die innere Achse 40
elektrische Energie zugeführt wird, wobei das Gehäuse 10 und
der Zylinderkopf elektrisch geerdet sind.
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Als nächstes werden verschiedene experimentelle Ergebnisse der
Untersuchung der vorstehend erläuterten Glühkerze G1 erläutert.
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Heizelemente 33 mit verschiedenen Werten des
Veränderungsverhältnisses des Widerstands α werden zum
Bewerten der Motorzündfähigkeit (Aufheizschnelligkeit)
hergestellt. Hier ist das Veränderungsverhältnis des
Widerstands α durch R1/R2 definiert, wobei R1 ein
Widerstandswert des Heizelements 33 bei 1200°C und R2 ein
Widerstandswert des Heizelements 33 bei 20°C ist.
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Die Fig. 2 zeigt das Veränderungsverhältnis des Widerstands α
und das Bewertungsergebnis der Zündfähigkeit. Die Glühkerzen
mit einem Veränderungsverhältnis des Widerstands α von 1,5 und
1,8 zeigten aufgrund eines langsamen Temperaturanstiegs des
Heizers 30 schlechte Zündfähigkeiten, während jene mit einem a
von größer als 2,0 aufgrund eines schnellen Temperaturanstiegs
des Heizers 30 hervorragende Zündfähigkeiten zeigten. Die
Zündkerze mit einem a von 3,0 zeigte eine äußerst
hervorragende Zündfähigkeit.
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Des Weiteren wurde die Temperatur des Trägerelements 35
aufgrund der Kühlung des Heizers 30 durch den während des
Heizens des Heizers 30 injizierten Brennstoff niedriger als die
des Heizelements 33. Tatsächlich gab es eine Tendenz, dass je
größer a ist, um so größer ist der Temperaturunterschied
zwischen dem Heizelement 33 und dem Trägerelement 35.
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Si3N4/75 Gew.-% WC (Wolframcarbid) wurde für das keramische
Material für das Heizelement 33 verwendet, dessen linearer
Ausdehnungskoeffizient 3,8 × 10-6/°C ist.
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Des Weiteren enthielten die keramischen Materialien des
Trägerelements 35 im wesentlichen Siliciumnitrid mit einem
Zusatz von leitfähigem Metallsilicid wie etwa Molybdänsilicid,
dessen Gehalte variiert wurden. Vier Proben wurden für jeden
der Gehalte an Molybdänsilicid zum Bewerten ihrer
Hitzeschockbeständigkeit und ihrer Stromwiderstandsfähigkeit
hergestellt.
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Die Hitzeschockbeständigkeit wurde durch schnelles Abkühlen der
Proben von 1200°C auf 20°C bewertet. Die
Stromwiderstandsfähigkeit wurde durch 10.000
Zyklenwiederholungen eines 6-minütigen Anlegens von Strom und
einer Minute ohne Strom unter der Bedingung durchgeführt, dass
die maximale Temperatur des Heizers 30 während des Einschaltens
eines elektrischen Stroms 1200°C wird.
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Die Fig. 3 zeigt die Gehalte an Metallsilicid, d. h. an MoSi2,
die linearen Ausdehnungskoeffizienten des Trägerelements 35 der
Proben-Glühkerzen und ihre Bewertungsergebnisse. Eine der vier
Proben mit 3 Gew.-% MoSi2 riss sowohl in dem Test auf
Hitzeschockbeständigkeit als auch in dem Test auf
Stromwiderstandsfähigkeit. Der Grund hierfür ist, dass, obwohl
die linearen Ausdehnungskoeffizienten des Trägerelements 35
kleiner sind als die des Heizelements 33, der Unterschied
zwischen ihnen zu groß ist.
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Obwohl die linearen Ausdehnungskoeffizienten des Trägerelements
35 mit 23 Gew.-% MoSi2 gleich dem des Heizelements 33 sind,
rissen des Weiteren alle Proben in dem Test auf
Hitzeschockbeständigkeit, während zwei der vier Proben in dem
Test auf Stromwiderstandsfähigkeit rissen.
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Andererseits riss das Trägerelement 35 mit 4, 10, 15, 20 und 22
Gew.-% MoSi2 sowohl in dem Test auf Hitzeschockbeständigkeit
als auch in dem Test auf Stromwiderstandsfähigkeit überhaupt
nicht.
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Das Reißen wird verhindert, wenn die MoSi2-Gehalte zwischen
4 Gew.-% und 22 Gew.-% liegen, d. h. wenn der lineare
Ausdehnungskoeffizient des Trägerelements 35 kleiner als der
des Heizelements 33 und ihr Unterschied ausreichend klein ist.
Somit wird durch die MoSi2-Gehalte von 4 Gew.-% bis 22 Gew.-%
die Aufheizschnelligkeit verbessert und das Reißen aufgrund des
Hitzeschocks wird verhindert.
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Obwohl Metallsilicid in dem Siliciumnitrid für das keramische
Material für die vorstehend beschriebenen Proben enthalten war,
können 4 Gew.-% bis 22 Gew.-% von wenigstens einem von
Metallsilicid, Metallcarbid, Metallborid und Metallnitrid in
Siliciumnitrid enthalten sein.
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Als nächstes wurde die minimale Länge L zwischen der Spitze des
Heizelements 33 innerhalb der Verbrennungskammer und der Spitze
des Trägerelements 35 innerhalb der Verbrennungskammer, d. h.
die Dicke der Spitze des Trägerelements 35, untersucht, um zu
verhindern, dass die Zündkerze aufgrund des Hitzeschockes
reißt.
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Das Veränderungsverhältnis des Widerstands α der Proben war
größer als 2,0. Das keramische Material für das Heizelement 33
war Si3N4/75 Gew.-% WC, während das keramische Material für das
Trägerelement 35 Si3N4/10 Gew.-% MoSi2 war. Vier Proben wurden
für jede Kombination der minimalen Länge L zwischen der Spitze
des Heizelements 33 und der Spitze des Trägerelements 35 mit
dem äußeren Durchmesser D des Trägerelements 35 hergestellt.
Die Hitzeschockbeständigkeit der Proben wurde bewertet, indem
sie schnell von 1400°C auf 20°C abgekühlt wurden.
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Die Fig. 4 zeigt die minimale Länge L, den äußeren Durchmesser
D, das Verhältnis L/D und ihre Bewertungsergebnisse.
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Wie in Fig. 4 gezeigt reißen zwei der vier Proben mit D = 4 mm
und L/D = 0,008 in dem Hitzeschocktest, während zwei der vier
Proben mit D = 4 mm und L/D = 0,113 in dem Hitzeschocktest
rissen. Allerdings rissen die Proben mit D = 4 mm und L/D = 0,01
und 0,1 überhaupt nicht.
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Die Kerze mit L/D = 0,008 riss aufgrund einer fehlenden
Festigkeit, die durch eine übermäßig geringe Dicke der Spitze
des Trägerelements 35 bedingt war. Des Weiteren riss die Kerze
mit L/D = 0,113 aufgrund eines großen Temperaturunterschieds
zwischen dem Heizelement 33 und dem Trägerelement 35, der durch
eine übermäßig große Dicke der Spitze des Trägerelements 35
bedingt war.
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Des Weiteren riss eine der vier Probenkerzen mit D = 3,5 mm und
L/D = 0,009 aufgrund fehlender Festigkeit in dem
Hitzeschocktest, während zwei der vier Probenkerzen mit D = 3,5 mm
und L/D = 0,113 aufgrund eines großen Temperaturunterschieds
zwischen dem Heizelement 33 und dem Trägerelement 35 in dem
Hitzeschocktest rissen. Allerdings rissen die Probenkerzen mit
D = 3,5 mm und L/D = 0,01 und 0,01 überhaupt nicht.
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Darüber hinaus riss eine der vier Proben mit D = 3 mm und
L/D = 0,008 aufgrund fehlender Festigkeit in dem Hitzeschocktest,
während drei der vier Proben mit D = 3 mm und L/D = 0,117
aufgrund eines großen Temperaturunterschieds zwischen dem
Heizer 33 und dem Trägerelement 35 in dem Hitzeschocktest
rissen. Allerdings rissen die Probenkerzen mit D = 3 mm und
L/D = 0,01 und 0,1 überhaupt nicht.
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Demgemäß kann das Reißen aufgrund fehlender Festigkeit und
aufgrund eines großen Temperaturunterschieds zwischen dem
Heizelement 33 und dem Trägerelement unter solch einer
Bedingung verhindert werden, dass L/D größer als oder gleich
0,01 und kleiner als oder gleich 0,1 ist. Des Weiteren ist der
äußere Durchmesser D des Trägerelements 35 bevorzugt größer als
2 mm.
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Eine Glühkerze mit einem verbesserten schnellen Aufheizen einer
Verbrennungskammer und einer Hitzebeständigkeit wird offenbart.
Ein keramisches Heizelement in der Glühkerze, das durch einen
elektrischen Strom geheizt wird, ist in einem keramischen
Träger eingebettet. Wenn R1 ein Widerstandswert des
Heizelements bei 1200°C und R2 ein Widerstandswert des
Heizelements bei 20°C ist, ist das
Widerstandsveränderungsverhältnis R1/R2 auf größer als oder
gleich 2 eingestellt, wodurch die Verbrennungskammer schneller
aufgeheizt wird. Des Weiteren kann ein Gehalt von 4 Gew.-% bis
22 Gew.-% von wenigstens einem von Metallsilicid, Metallcarbid,
Metallborid und Metallnitrid in dem keramischen Material für
das Trägerelement enthalten sein, dessen linearer
Ausdehnungskoeffizient kleiner als der des Heizelements ist,
wodurch verhindert wird, dass die Glühkerze aufgrund eines
Hitzeschocks reißt.