DE4036161A1

DE4036161A1 - Gluehstiftkerze fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4036161A1
Application number: DE19904036161
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Kaczynski; Werner Dipl Ing Teschner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1992-05-21

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zur Anordnung im Brennraum luftverdichtender Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der prinzipielle Aufbau und die Funktion einer derartigen Glühstiftkerze ist aus der DE-PS 28 02 625 bekannt. Bei dieser Glühstiftkerze enthält ihr Glühstift ein in ein Isoliermaterial eingebettetes, elektrisches Widerstandselement, das sich aus zwei in Reihe verbundenen Widerstandswendeln zusammensetzt (2-Stoff- Widerstandswendel). Die brennraumseitige Widerstandswendel dieses Widerstandselementes dient als Heizelement (Heizwendel) und besitzt einen im wesentlichen temperaturunabhängigen Widerstand, während die brennraumferne bzw. gehäuseseitige Widerstandswendel einen hohen positiven Temperatur-Widerstandskoeffizienten (PTC) aufweist und als Regelelement wirkt.

Bei der üblichen Herstellung von Glühstiftkerzen werden die Heiz- und die Regelwendel jeweils in einem separaten Arbeitsgang gewickelt und dann an ihrer Verbindungsstelle beispielsweise durch Laserstrahl verschweißt. Dabei beträgt der Drahtdurchmesser der Heizwendel beispielsweise 0,5 mm, der Durchmesser der Regelwendel ca. 0,4 mm. Diese Drahtstärken sind an sich ausreichend, um die 2-Stoff- Widerstandswendel bei der Montage außerhalb und innerhalb des Glührohrs hinreichend gut handhaben zu können. Diese Handhabung muß jedoch äußerst präzise und feinfühlig mit hohem manuellem und technischem Aufwand erfolgen, um keine fehlerhaften Glühstiftkerzen zu erzeugen. Fehler können insbesondere durch Kurzschluß mit der Glührohrwandung, durch Windungskurzschluß oder Wendellagefehler eintreten. Vor dem Einsetzen der 2-Stoff-Widerstandswendel in das Glührohr wird diese zunächst axial an einem Anschlußbolzen befestigt. Der Anschlußbolzen mit der daran befestigten 2- Stoff-Widerstandswendel wird dann in das Glührohr eingeführt und das brennraumseitige vordere Ende der Heizwendel mit der Glrührohrspitze verschweißt. Durch ein Auseinanderziehen der 2-Stoff-Widerstandswendel wird diese auf ein bestimmtes Maß gestreckt. Danach erfolgt der Auffüllvorgang des Glührohrs mit keramischem Isolierpulver. Das anschlußseitige Ende des Glührohres wird dann mit einem Isolier- und Dichtring verschlossen.

Um das Isolierpulver im Glührohr zu verdichten, wird in einem sogenannten Reduziervorgang der Durchmesser des Glühstiftes mittels einer Hämmermaschine reduziert, wobei der Außendurchmesser des Glührohrs beispielsweise von 7,5 auf 6 mm verringert wird. Diese Durchmesserreduzierung hat gleichermaßen eine Längenausdehnung des Glührohrs und damit auch der 2-Stoff-Widerstandswendel zur Folge.

Eine solche Herstellung von Glühstiftkerzen kann mit unerwünscht großen Toleranzen bei den technischen Daten verbunden sein. Das Einführen der 2-Stoff- Widerstandswendel in das Glührohr, das Strecken der 2- Stoff-Widerstandswendel, die Pulvereinfüllung sowie das anschließende Reduzieren des Glühstiftes beeinflussen die Geometrie der einzelnen Glühstiftkerzenbestandteile, so daß die Glühstiftkerze unterschiedliche technische Daten aufweisen kann.

Aus der US-PS 44 76 478 ist eine Glühstiftkerze bekannt geworden, bei welcher die Heiz- und die Regelwendel auf einem Führungsstift aus Keramik aufgebracht sind, um sie in ihrer Lage zu fixieren. Die Verwendung dieses Führungsstiftes dient insbesondere auch zur Erleichterung der Montage, d. h., der Einführung der 2-Stoff- Widerstandswendel in das Glührohr. Diese bekannte Anordnung mit der Verwendung eines keramischen Führungsstiftes für die 2-Stoff-Widerstandswendel hat den Vorteil, daß eine exakte und gute Führung, insbesondere auch bei der Montage erreicht werden kann; sie hat jedoch den Nachteil, daß der Führungsstift stets aus Keramik bestehen muß, um die Isolation zwischen der Heizwendel und der Regelwendel sowie den einzelnen Windungen untereinander zu erzielen.

Aus der DE 30 35 542 A1 ist ferner eine Glühstiftkerze bekannt geworden, die im Bereich der Regelwendel einen isolierten, koaxialen Führungszapfen zur besseren Lagejustierung der Regelwendel aufweist. Durch diese Maßnahme kann der Montagevorgang in gewisser Weise bereits verbessert werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine exakte Führung der Heizwendel und der Regelwendel während des Montagevorgangs erfolgen kann. Hierfür weist der zusätzliche Zentrierbolzen an seinem brennraumseitigen Ende einen Zentrierzapfen auf, auf welchen ein zusätzlicher, mit verkleinertem Durchmesser versehener Wendelabschnitt am anschlußseitigen Ende der Heizwendel oder am brennraumseitigen Ende der Regelwendel aufgeschoben ist. Dabei wird diese zusätzliche Zentrierwendel über einen konischen Obergangsabschnitt im Endbereich der Heizwendel oder der Regelwendel angeformt, wobei die Verbindung zwischen Regelwendel und Heizwendel nicht im Bereich der Zentrierwendel, sondern im Anschluß an den konischen Übergangsabschnitt, d. h., im normalen Durchmesserbereich der Wendeln erfolgt. Der konische Übergangsabschnitt mit Zentrierwendel liegt deshalb innerhalb der Regelwendel oder der Heizwendel.

Ebenso wie bei der DE 30 35 542 A1 stellt sich der zusätzliche Zentrierbolzen als Verlängerung des üblichen Anschlußbolzens dar. Die Regelwendel wird über den Zentrierbolzen aufgeschoben und der vordere Zentrierzapfen des Zentrierbolzens in die Zentrierwendel eingeführt. Sodann wird die Regelwendel in üblicher Weise mit dem Anschlußbolzen durch Verschrauben, Verschweißen oder ähnlichem verbunden. Dabei wird die Regelwendel in anschlußseitiger Richtung gezogen, wobei sich stets die gleiche Länge der Regelwendel einstellt. Dies erfolgt aufgrund der Abstützung der Zentrierwendel an der Schulter des Zentrierzapfens.

Da der Zentrierbolzen als Verlängerung des Anschlußbolzens ausgebildet ist, muß die elektrische Verbindung zwischen dem Zentrierbolzen und der Zentrierwendel nach erfolgter Justierung der 2-Stoff-Widerstandswendel wieder gelöst werden. Dies geschieht durch den Reduziervorgang am Glühstift, d. h. beim Hämmervorgang des Glühstiftes mit einer Längenausdehnung in axialer Richtung. Dabei muß die Längenausdehnung derart erfolgen, daß zumindest der im vorderen Bereich des Zentrierbolzens vorgesehene Zentrierzapfen aus der Zentrierwendel herausgleitet.

Die Erfindung hat demnach den Vorteil, daß eine optimale Zentrierung der Regelwendel und der hieran anschließenden Heizwendel beim Montagevorgang ermöglicht wird, wobei vorzugsweise die Heizwendel an ihrem brennraumseitigen Ende eine weitere Zentrierwendel aufweist, die in eine entsprechende Bohrung in der Glührohrspitze eingreift und dort verschweißt wird. Hierdurch wird insbesondere eine Lagesicherung der beiden Widerstandswendeln während des Füllens mit keramischem Isolierpulver erreicht.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Glühstift einer Glühstiftkerze vor dem Reduziervorgang des Glühstiftes mit Zentrierbolzen am Anschlußbolzen und einer Zentrierwendel an der Heizwendel,

Fig. 1a den Glühstift nach Fig. 1 nach dem Reduziervorgang und

Fig. 2 eine andere Ausführungsform eines noch nicht reduzierten Glühstiftes mit Zentrierwendel an der Regelwendel.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Glühstifte werden in ihren übereinstimmenden Merkmalen wie folgt beschrieben:
Glühstiftkerzen bestehen aus einem rohrförmigen (nicht dargestellten) Kerzengehäuse und einem darin fest- und gasdicht befestigten Glühstift 3. Der Glühstift 3 besteht seinerseits aus einem korrosionsfesten dünnwandigen Glührohr 4, in welchem eine sogenannte 2-Stoff- Widerstandswendel 5 in einem Isolierpulver 6, insbesondere Magnesiumoxyd, eingebettet ist. Das Isolierpulver 6 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute elektrische Isolierfähigkeit auf. Die 2-Stoff-Widerstandswendel 5 besteht aus einer brennraumseitigen Heizwendel 7 mit im wesentlichen konstantem Widerstand und einer hiermit in Reihe geschalteten, anschlußseitigen Regelwendel 8. Zur Temperaturregelung bzw. Temperaturbegrenzung weist die Regelwendel 8 in bekannter Weise einen hohen positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten (PTC) auf. Die Regelwendel 8 ist anschlußseitig mit einem Anschlußbolzen 9 zur Stromzuführung verbunden, der in seinem vorderen Bereich einen gewindeartigen Abschnitt 10 aufweist, auf welchen die Regelwendel 8 aufgeschraubt wird. Selbstverständlich kann die Regelwendel auch in sonstiger Weise, wie z. B. verschweißt, verstemmt oder dgl., mit dem Anschlußbolzen 9 verbunden sein. Die Heizwendel 7 ist an ihrem brennraumseitigen Ende 11 mit dem Glührohr 4 über eine Schweißverbindung 12 (siehe Fig. 2) verbunden.

Hierfür weist die Heizwendel 7 an ihrem brennraumseitigen Ende eine erste Zentrierwendel 13 auf, die von dem normalen Wendeldurchmesser d₁ der Heizwendel 7 über einen konischen Übergangsabschnitt 14 auf den Durchmesser d₂ verkleinert ist. Diese Zentrierwendel 13 mit einer Länge von l₂ wird in eine Zentrierbohrung 15 in der Glührohrspitze eingesetzt und am vordersten Ende abdichtend verschweißt.

Die Heizwendel 7 erstreckt sich über eine Länge l₁ über den Durchmesserbereich d₁ und verjüngt sich danach anschlußseitig im Übergangsabschnitt 16 mit einer Länge l₃ auf eine zweite Zentrierwendel 17 mit einer Länge l₄. Der untere Übergangsabschnitt 14 kann ebenfalls die Länge l₃ aufweisen. Die Gesamtlänge der Heizwendel 7 beträgt demnach l₅ und besteht aus den beiden Zentrierwendeln 13, 17, den beiden Übergangsabschnitten 14, 16 sowie dem Mittelabschnitt 18 mit der Länge l₁ und dem Durchmesser d₁.

In der Fig. 1 weist die Regelwendel 8 eine wirksame Länge von l₈ auf, mit einer Gesamtlänge l₆. Dabei dient der obere Abschnitt mit der Länge l₇ zur Befestigung auf dem gewindeartigen Abschnitt 10 des Anschlußbolzens 9.

Der Anschlußbolzen 9 ist über den gewindeartigen Abschnitt 10 hinaus als Zentrierbolzen 19 mit der Länge l₁₀ verlängert, der an seinem brennraumseitigen Ende einen Zentrierzapfen 20 aufweist. Dieser Zentrierzapfen 20 hat etwa die gleiche Länge l₄ wie die zweite Zentrierwendel 17 der Heizwendel 7. Der Durchmesser d₃ des Zentrierzapfens 20 ist derart bemessen, daß zwischen Zentrierwendel 17 und Zentrierzapfen 20 eine Spielpassung besteht.

Die Heizwendel 7 ist mit der Regelwendel 8 über eine Laserschweißverbindung 21 verbunden, wobei die Verbindung am anschlußseitigen Ende des Mittelabschnitts 18 mit der Länge l₁ der Heizwendel 7 erfolgt. Heizwendel 7 und Regelwendel 8 sind demnach in herkömmlicher Weise verbunden und bilden zunächst in etwa den gleichen Durchmesser d₁. Von der Schweißverbindung 21 aus wird die Heizwendel 7 anschlußseitig in den konischen Obergangsabschnitt 16 als Wendelabschnitt nach innen weiter geführt und mündet in der zweiten Zentrierwendel 17.

Der Unterschied der Ausführungsform nach Fig. 2 liegt darin, daß die zweite Zentrierwendel 17 in Fig. 2 durch eine Weiterführung der Regelwendel 8 und nicht der Heizwendel 7 wie in Fig. 1 gebildet ist. Ab der Schweißverbindung 21 zwischen Heizwendel 7 und Regelwendel 8 wird die Regelwendel im konischen Übergangsabschnitt 16 mit der Länge l₃ in Richtung zur Anschlußseite der Glühstiftkerze zurückgeführt und mündet in der zweiten Zentrierwendel 17 mit der Länge l₄.

Die Heizwendel 7 hat demnach in Fig. 2 lediglich die Gesamtlänge l₅′, während die Regelwendel 8 einschließlich der Abschnitte 16, 17 die Gesamtlänge l₆ + l₃ + l₄ aufweist. Die wirksame Länge der Regelwendel 8 bleibt jedoch gleich wie in Fig. 1 und beträgt die Länge l₈.

Der Unterschied zwischen Fig. 1 und 2 liegt demnach lediglich darin, daß die zusätzliche Zentrierwendel für den Zentrierzapfen 20 am Zentrierbolzen 19 in Fig. 1 durch einen Heizwendelabschnitt und in Fig. 2 durch einen Regelwendelabschnitt gebildet ist.

Anstelle der in Fig. 2 dargestellten, anschlußseits innerhalb der Regelwendel 8 zurückgeführten Übergangs- und Zentrierabschnitte 16, 17 kann wahlweise auch der Zentrierbolzen 19 brennraumseits verlängert und die Übergangs- und Zentrierabschnitte 16, 17 brennraumseits vor der wirksamen Regelwendel 8 angeordnet werden (nicht dargestellt).

Während der Zustand des Glühstiftes vor dem Reduziervorgang in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, stellt die Fig. 1a den Glühstift nach Fig. 1 nach dem Reduziervorgang dar. Im übrigen sind in Fig. 1a gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen.

Die in bezug auf die vorliegende Erfindung wesentlichen Herstellungsschritte werden wie folgt beschrieben:
Die 2-Stoff-Widerstandswendel wird durch Zusammenschweißen der Heizwendel 7 mit der Regelwendel 8 an der Schweißverbindung 21 hergestellt. Dabei ist die zweite Zentrierwendel 17 konzentrisch innerhalb der 2-Stoff- Widerstandswendel angeordnet. Wie beschrieben, wird die Zentrierwendel 17 entweder durch eine anschlußseitige Verlängerung der Heizwendel 7 (Fig. 1) oder durch eine Brennraumseite Verlängerung der Regelwendel 8 gebildet. Sodann wird der einstückig mit dem Anschlußbolzen 9 verbundene Zentrierbolzen 19 in die Regelwendel 8 koaxial eingeführt, so daß sein vorderer Zentrierzapfen 20 in die Zentrierwendel 17 hineinragt. Die Regelwendel 8 wird auf den gewindeartigen Abschnitt 10 des Anschlußbolzens 9 aufgeschraubt und an diesem befestigt. Aufgrund dieser Vorgehensweise ist die Länge der Regelwendel stets konstant, denn die Zentrierwendel 17 und damit auch die Heizwendel 7 stützen sich infolgedessen an der Schulter zwischen Anschlußzapfen 20 und Zentrierbolzen 19 ab. Hierdurch wird die Lage der Heizwendel 7 und der Regelwendel 8 genauestens fixiert. Die Verbindung der Regelwendel 8 mit dem Anschlußbolzen 9 kann auch auf andere herkömmliche Art und Weise geschehen; im Ausführungsbeispiel ist eine Schraubverbindung mit dem gewindeartigen Abschnitt 10 dargestellt.

Die so hergestellte Verbindung zwischen Anschlußbolzen 9 und 2-Stoff-Widerstandswendel 5, bestehend aus Heizwendel 7 und Regelwendel 8, wird dann in das Glührohr 4 eingeführt. Zur weiteren Zentrierung dient die vordere brennraumseitige Zentrierwendel 13 der Heizwendel 7, die in die brennraumseitige Zentrierbohrung 15 des Glührohres 4 eingebracht und dort über die Schweißverbindung 12 (s. Fig. 2) festgelegt wird. Sodann wird das Glührohr mit keramischem Isolierpulver 6 aufgefüllt und mit einem (nicht dargestellten) Dichtring verschlossen. Im nachfolgenden "Reduziervorgang" wird mittels des eingangs erwähnten Hämmervorgangs der Durchmesser des Glühstiftes 3 verkleinert und demzufolge das keramische Isolierpulver 6 verdichtet. Bei diesem Hämmervorgang tritt eine Längenausdehnung des Glühstiftes 3 in axialer Richtung ein. Diese Längenausdehnung hat zur Folge, daß die Zentrierwendel 17 - wie in Fig. 1a dargestellt - vor dem Zentrierzapfen 20 axial heruntergleitet und damit die Verbindung dieser beiden Teile löst; hiermit wird die zunächst über den Zentrierbolzen 19 bestehende, direkte elektrische Verbindung zur Heizwendel 7 gelöst. Die Lösung der Verbindung zwischen Zentrierzapfen 20 und Zentrierwendel 17 anläßlich des Reduziervorganges am Glühstift 3 ist aufgrund der Spielpassung zwischen diesen beiden Teilen möglich. Der ursprüngliche Durchmesser D₁ des Glührohrs 4 (Fig. 1) wird auf den Durchmesser D₁′ (Fig. 1a) reduziert. Gleichermaßen reduziert sich der Durchmesser d₁ der 2-Stoff-Widerstandswendel auf den kleineren Wert d₁′.

Nach dem Reduziervorgang bleibt der Zentrierbolzen 19 koaxial innerhalb der Regelwendel 8 angeordnet. Hierdurch wird ein homogenes inneres Volumen innerhalb der Regelwendel 8 erzeugt, was sich positiv auf die Regelcharakteristik der Regelwendel 8 auswirkt.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Weiterbildungen und Verbesserungen im Rahmen des Erfindungsgedankens.

Claims

1. Glühstiftkerze zur Anordnung im Brennraum luftverdichtender Brennkraftmaschinen, mit einem rohrartigen Kerzengehäuse und einem hiermit verbundenen Glühstift (3), der aus einem Glührohr (4) mit darin in einem keramischen Isolierpulver (6) eingebetteter Widerstandswendel (5) besteht, wobei die Widerstandswendel (5) anschlußseitig mit einem Anschlußbolzen (9) und brennraumseitig mit dem Glührohr (4) elektrisch leitend verbunden ist und aus einer vorderen, brennraumseitigen Heizwendel (7) mit im wesentlichen konstanten Widerstand und einer hiermit in Reihe geschalteten Regelwendel (8) mit hohem positiven Widerstands-Temperatur-Koeffizienten (PTC) zur Temperaturregelung bzw. Temperaturbegrenzung besteht und wobei der Anschlußbolzen (9) in den Bereich der Widerstandswendel (5) als koaxialer Zentrierbolzen (19) hinein verlängert ist, der infolge seines angepaßten Außendurchmessers radialen Abstand von der Regelwendel (8) hält, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (7) an ihrem gehäuseseitigen oder die Regelwendel (8) an ihrem brennraumseitigen Ende eine koaxial angeordnete Zentrierwendel (17) aufweist, die auf den brennraumseitigen Abschnitt des Zentrierbolzen (19) lösbar aufsteckbar ist, wobei die Zentrierwendel (17) als von der Heizwendel (7) bzw. der Regelwendel (8) abgezweigter Wendelabschnitt innerhalb der Widerstandswendel ausgebildet ist, und daß sich die Zentrierwendel (17) infolge des "Reduziervorgangs" des Glühstiftes (3) durch relative axiale Verschiebung vom Zentrierbolzen (19) gelöst hat.

2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrierbolzen (19) an seinem brennraumseitigen Ende einen Zentrierzapfen (20) aufweist, auf welchen die Zentrierwendel (17) der Widerstandswendel (5) mittels Spielpassung lösbar aufsteckbar ist.

3. Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierwendel (17) über einen konischen Übergangsabschnitt (16) vom anschlußseitigen Ende der Heizwendel (7) oder vom brennraumseitigen Ende der Regelwendel (8) abgezweigt ist und daß die Regelwendel (8) mit der Heizwendel (7) im äußeren Durchmesserbereich (d₁) des konischen Übergangsabschnitts (16) verschweißt ist.

4. Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (7) und die Regelwendel (8) in ihrem normalen Durchmesserbereich (d₁) miteinander verschweißt sind.

5. Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelwendel (8) mit dem Anschlußbolzen (9) verschraubt, verstemmt und/oder verschweißt ist.

6. Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (7) an ihrem brennraumseitigen Ende eine weitere Zentrierwendel (13) aufweist, die in eine Zentrierbohrung (15) des Glührohrs (4) eingreift und mittels einer Schweißverbindung (12) abdichtend verbunden ist.