DE19928037C1 - Elektrisch beheizbare Glühkerze oder Glühstab für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft keine elektrisch beheizbare Glühkerze oder einen Glühstab für Verbrennungsmotoren. Diese weist ein endseitig geschlossenes, korrosionsbeständiges Glührohr auf, in dem eine Füllung aus einem elektrisch nichtleitenden, verdichteten Pulver enthalten ist, in welches eine elektrisch leitende Wendel eingebettet ist. Um die Glühkerze oder den Glühstab bezüglich einer höheren Lebensdauer der Heizwendel zu verbessern, ist erfindungsgemäß die elektrisch leitende Wendel zumindest auf einem Teil ihrer Längserstreckung, vorzugsweise im Bereich der Heizwendel, an ihrer Oberfläche gehärtet, insbesondere durch eine Diffusionsbehandlung nitriergehärtet. Dadurch kann die Wendel die mechanische Beanspruchung während des Verdichtungsvorganges ohne Vorschädigung überstehen.

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektrisch beheizbaren Glüh­ kerze oder einem Glühstab für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der EP 0 450 185 B1 als bekannt hervorgeht.

In Dieselmotoren werden Glühkerzen im Brennraum für die Vor­ heizung beim Kaltstart oder - als Glühstab im Ansaugkanal - für die Ansaugluftvorwärmung eingesetzt. Die Glühkerze oder der Glühstab bestehen aus einem korrosionsfreien metallischen Mantel, aus einer Heiz- und einer Regelwendel und aus einer elektrisch isolierenden, verdichteten Pulverfüllung. Die Heiz- und Regelwendel besteht im Heizbereich aus einem ferritischen Stahl, an die ein Reinnickeldraht als Regelwiderstand ange­ schweißt ist.

Der Werkstoff der Heizwendel unterliegt während des Betriebes einer thermischen und chemischen Beeinflussung, die die Le­ bensdauer der Glühkerze beeinträchtigen kann. Zumindest stel­ len diese Einflüsse wesentliche Parameter hinsichtlich der Le­ bensdauer der Glühkerze dar. Aufgrund der hohen Betriebstempe­ raturen der Heizwendel und eines nach wie vor noch vorhandenen Sauerstoffangebotes in der verdichteten Pulverfüllung kommt es zu einer schleichenden Korrosion der Heizwendel. Und zwar kann es zum einen zu einer interkristallinen Korrosion kommen, die durch Kristallwachstum und Neigung zur Grobkornbildung bei ferritischen Heizleitern gefördert wird. Zum anderen kann es bei hohen Temperaturen zur Korrosion an der freien Oberfläche der Heizwendel und somit zur Schwächung des Heizdrahtquer­ schnittes kommen.

Als Pulverfüllung wird im allgemeinen Magnesiumoxid verwendet. Um den in den Poren der Pulverfüllung enthaltenen Luftsauer­ stoff zu minimieren, wird das Pulver sehr stark verdichtet, indem der gefüllte Metallmantel von außen durch ein konzen­ trisch wirkendes Schlagwerkzeug gestaucht und dadurch im Durchmesser reduziert wird. Die Pulverfüllung wird im Bereich der Heizstabspitze besonders stark verdichtet, indem dort der Metallmantel konisch gestaucht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundegeleg­ te Glühkerze bezüglich einer höheren Lebensdauer der Heizwen­ del zu verbessern.

Diese Aufgabe wird - ausgehend von der gattungsgemäß zugrunde­ gelegten Glühkerze - erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Es hat sich nämlich herausge­ stellt, daß bei dem Verdichten der Pulverfüllung durch das ra­ diale Stauchen des Mantelrohres auch der Draht der Heizwendel und der der Regelwendel mechanisch stark beansprucht und dabei unbeabsichtigt z. B. durch Kerben, Vertiefungen o. dgl. vorge­ schädigt, d. h. lokal im Querschnitt verengt wird. Aufgrund der Härtezunahme der Wendel an ihrer Oberfläche, insbesondere durch Nitrieren, ist die Wendel in der Lage, die mechanische Beanspruchung beim Verdichten der Pulverfüllung ohne nennens­ werte Vorschädigung zu überstehen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Glühkerze,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II aus Fig. 1 und

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine herkömmliche Glühkerze im Bereich der Einzelheit II mit oberflächlichen Vorschä­ digungen der Wendel durch die mechanische Beanspruchung beim Verdichten der Pulverfüllung.

In Dieselmotoren werden Glühkerzen im Brennraum für die Vor­ heizung beim Kaltstart oder - als stabförmige Flammglühkerze oder Flammanlage im Zuluftkanal - für die Luftvorwärmung ein­ gesetzt. Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Glühkerze weist ein Glührohr 5 auf, das in einem Kerzenkörper 1 gehaltert und mit ihm elektrisch leitend verbunden ist. Der Mantel des Glührohres besteht meist aus einer nickelreichen Eisenlegierung oder aus einer korrosionsfreien Nickelbasisle­ gierung wie z. B. Inconel 601 und ist elektrisch in der Regel als Massepol, also negativ geschaltet. Diese elektrische Mas­ se-Verbindung kommt über das Einschraubgewinde 7 und/oder durch den Konus 7a am unteren strirnseitigen Ende des Kerzen­ körpers 1 zustande.

In dem Glührohr ist eine Heizwendel 8 mit einer über eine Ver­ bindungsschweißung 11 daran angeschweißten Regelwendel 9 und eine elektrisch isolierende, verdichtete Pulverfüllung 10 an­ geordnet. Diese Pulverfüllung hat, insbesondere in verdichte­ tem Zustand, mehrere Funktionen: Sie sorgt zunächst dafür, daß die Heiz- (8) und Regelwendel 9 innerhalb des Glührohres orts­ fest untergebracht und fixiert sowie elektrisch isoliert ge­ haltert sind. Durch das verdichte Pulver muß die in der Heiz­ wendel 8 erzeugte Wärme möglichst gut an den Mantel des Glüh­ rohres weitergeleitet werde. Außerdem sollen durch die Kompri­ mierung des Pulvers etwaige Lufteinschlüsse, insbesondere ein gewisser Restsauerstoff möglichst beseitigt werden. Dies er­ fordert macht eine besonders intensive Verdichtung des Pul­ vers, insbesondere im Bereich der Heizwendel 8.

Die Heiz- und Regelwendel 8, 9 besteht im Heizbereich (Heiz­ wendel 8) aus einem ferritischen Stahl, z. B. aus einer Eisen- Chrom-Aluminium-Legierung mit 17 bis 22% Chrom und 3 bis 7% Aluminium; eine häufig verwendete Legierung ist Kantal AF CrAl225. An eine solche Heizwendel ist ein gewendelter Draht (Regelwendel 9) aus reinem Nickel angeschweißt (Verbindungs­ schweißung 11), der die Funktion eines Regelwiderstandes be­ sitzt. Die Heizwendel 8 ist in der Spitze des Glührohres über eine Dichtschweißung 12 mit dem Glührohr verbunden.

Das andere Ende der Regelwendel 9 ist mit einem in einer Iso­ lierscheibe 4 eingebetteten Anschlußbolzen 2 verbunden, der elektrisch isoliert und über eine Dichtung 6 abgedichtet aus dem Kerzenkörper 1 herausgeführt ist. Der Anschlußbolzen wird über eine Mutter 3, die eine Kabelöse sicher mit dem Anschluß­ bolzen kontaktiert, mit dem Pluspol einer Stromquelle verbun­ den. Außerdem ist der Anschlußbolzen 2 am oberen offenen Ende des Glührohres mit einer weichen isolierenden Dichtung 6 ab­ gedichtet, die ein Eindringen von Luftsauerstoff in die kom­ primierte Pulverfüllung zuverlässig verhindern soll.

Als Pulverfüllung 10 wird im allgemeinen Magnesiumoxid verwen­ det. Um die Pulverfüllung - wie beschrieben - zu verdichten, wird das gefüllte Glührohr von außen durch ein konzentrisch wirkendes Schlagwerkzeug radial gestaucht und dadurch im Durchmesser reduziert, wobei auch ein konischer Verlauf er­ reichbar ist. Vor allem im Bereich der Glührohrspitze wird die Pulverfüllung besonders stark verdichtet, indem dort der Me­ tallmantel besonders stark radial gestaucht wird.

Aufgrund der starken Verdichtung der Pulverfüllung wird die gesamte Wendel 8, 9, insbesondere aber die Heizwendel 8 mecha­ nisch stark beansprucht. Bei der radialen Stauchung des Glüh­ rohres 5 wird nicht nur dessen Mantel plastisch verformt, son­ der auch die eingelagerten Wendeln 8 und 9. Die verdichtende und verdichtete Pulverfüllung 10 überträgt Kraftwirkungen von den außen angreifenden Schlagwerkzeugen isostatisch auch auf die Windungen der Heiz- und Regelwendeln 8 bzw. 9 und reduzie­ ren deren Durchmesser bei diesem Vorgang in entsprechendem Ma­ ße. Nachdem aber die Pulverfüllung nicht völlig homogen ist, sondern gewissen Ungleichmäßigkeiten unterliegt, sind die über die Pulverfüllung auf die Wendeln ausgeübten Kräfte entspre­ chend der Streuung der Pulverdichte lokal unterschiedlich groß.

Bei unbehandelten Wendeln führt dies zu einer lokal unter­ schiedlichen plastischen Stauchung der Wendeln. Die unter­ schiedliche Stauchung ihrerseits ruft eine stochastisch ge­ narbte Oberfläche der Wendeln 8' hervor, wie diese in Fig. 3 am Beispiel einer herkömmlichen Ausführung einer Glühkerze mit unbehandelter Wendel 8' gezeigt ist. Diese Wendel weist be­ reits im Neuzustand nach der Pulververdichtung eine genarbte Oberfläche 15 auf. In dieser Oberflächennarbung ist nach den Erkenntnissen der Erfindung eine gewisse Vorschädigung zu er­ blicken. Es kann nämlich aufgrund einer solchen stochastischen Narbung zu lokalen Querschnittsverengungen des Leitungsquer­ schnittes der Wendel kommen. Diese lokale Querschnittsveren­ gung wiederum führt zu einer lokalen Erhöhung des elektrischen Widerstandes und somit im Betrieb zu einer lokal stärkeren Er­ wärmung der Wendel. Das bedeutet, daß die thermischen und che­ mischen Alterungsprozesse an dieser Stelle aufgrund des höhe­ ren Temperaturniveaus schneller ablaufen als an anderen Stel­ len. Eine solche, anfänglich nur kleine, narbungsbedingte Ver­ engung des Leitungsquerschnitts der Wendel kann somit lebens­ dauerbestimmend, also lebensdauerverkürzend sein.

Erfindungsgemäß soll die Lebensdauer der Wendeln, insbesondere die beim Verdichten besonders stark mechanisch beanspruchte Heizwendel 8, die im Betrieb auch thermisch besonders stark beansprucht ist, erhöht werden. Zur Lebensdauererhöhung werden erfindungsgemäß die elektrisch leitenden Wendeln 8, 9, zumin­ dest aber die besonders gefährdete Heizwendel 8, an der Ober­ fläche gehärtet. Und zwar wird vorteilhafter Weise eine Diffu­ sionsbehandlung wie Nitrieren empfohlen, welche durch Nitrid­ bildung in der Diffusionszone zu einer Steigerung der Härte führt und infolge der Diffusionsvorgänge einen allmählichen Übergang von der gehärteten Randzone zum weichen Kern ergibt. Diese Diffusionszone 13 der Wendeln 8, 9 weist zweckmäßiger Weise eine Tiefe t von etwa 5 bis 10 µm auf.

Aufgrund der Härtung der Wendeln lediglich in einer oberflä­ chennahen Randschicht 13 bleiben die Wendeln gleichwohl als ganzes plastisch verformbar. Andererseits wird eine ausgepräg­ te Narbung der Drahtoberfläche beim radialen Verdichten der Pulverfüllung durch die Randschichthärtung vermieden. Die Wen­ deln weisen auch nach dem Verdichten der Pulverfüllung eine glatte Oberfläche 14 auf. Dadurch werden mechanische Vorschä­ digungen des Leiterdrahtes vermieden. Die folge ist eine höhe­ re Lebensdauererwartung des Leiters und somit der gesamten Glühkerze.

Bezugszeichenliste

1

Kerzenkörper

2

Anschlußbolzen

3

Mutter

4

Isolierscheibe

5

Glührohr

6

,

6

' Dichtungen

7

Einschraubgewinde

7

a Konus an Stirnende des Kerzenkörpers

8

,

8

' Heizwendel (

8

':

Fig.

3

)

9

Regelwendel

10

Pulverfüllung

11

Verbindungsschweißung zwischen Heiz- (

8

) und Regelwendel

9

12

endseitige Dichtschweißung am Glührohr zum elektr. Anschluß der Heizwendel

8

13

harte Diffusionszone an

8

14

glatte Oberfläche an

8

15

genarbte Oberfläche an

8

' (

Fig.

3

)
t Einhärtetiefe
d Drahtdurchmesser

Claims (4)

1. Elektrisch beheizbare Glühkerze oder Glühstab für Verbren­ nungsmotoren, mit einem endseitig geschlossenen, korrosionsbe­ ständigen Glührohr, das eine Füllung aus einem elektrisch nichtleitenden, verdichteten Pulver aufnimmt, in die eine elektrisch leitende Wendel eingebettet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Wendel (8, 9) an ihrer Oberfläche ge­ härtet ist.

2. Glühkerze oder Glühstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Heizwendel (8) an ihrer Oberfläche gehärtet ist.

3. Glühkerze oder Glühstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Wendel (8, 9) zumindest auf einem Teil ihrer Längserstreckung an ihrer Oberfläche durch eine Diffusi­ onsbehandlung, insbesondere durch Nitrieren, gehärtet ist.

4. Glühkerze oder Glühstab nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die harte Diffusionszone (13) der elektrisch leitenden Wendel (8, 9) eine Tiefe (t) von etwa 5 bis 10 µm aufweist.