EP2201298B1 - Glühkerze mit verkokungsoptimiertem design - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Glühkerze zum Einbau in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine. Eine Glühkerze mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist aus der EP 1 637 806 sowie aus der DE 10 2006 008 350 A1 bekannt.
• Ähnliche Glühkerzen sind z. B. auch aus der DE 10346295 bekannt. Daran ist nachteilig, dass im normalen Betrieb der Glühkerzen in einer Brennkraftmaschine eine Verkokung der Glühkerzen zwischen Heizstab und Zylinderkopf und im Ringspalt der Glühkerze stattfindet, dadurch entstehen Probleme bei der Demontage der im Zylinderkopf montierten Glühkerzen bzw. der Drucksensorglühkerzen, sowie bei der Wärmeleitung an bzw. in der Glühkerze.
• Aus der DE 195 06 711 C1 ist eine Flammglühkerze zum Einbau in das Saugrohr einer Brennkraftmaschine bekannt. Bei dieser Flammglühkerze ist ein Glühstift mit einem radialen Abstand von einem Flammrohr umgeben, das in einer Mantelfläche Durchtrittsöffnungen aufweist.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Glühkerze zu schaffen, die einen verkokungsfreien Betrieb der Brennkraftmaschine gestattet bzw. das Verkoken der Glühkerze im Zylinderkopf respektive im Ringspalt der Glühkerze verhindert.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Glühkerze nach Anspruch 1 gelöst. Hierbei ist von Vorteil, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung für einen zuverlässigen Gasaustausch gesorgt wird, der an den Kontaktstellen Zylinderkopf/Glühkerze bzw. Körper/Heizstab für eine vollständige Oxidation sorgt und so Kohlenstoffablagerungen verhindert.
• Durch diese Gestaltung des Ringspalts und des Freiraums wird die Verkokung der Glühkerzen in der Zylinderkopfbohrung zwischen Heizstab und Zylinderkopf dauerhaft verhindert. Dadurch bleibt der Wärmeverlauf bzw. das Wärmeverhalten der Glühkerze über ihre gesamte Lebensdauer unverändert. Bei beweglichen Heizstäben bleibt die Bewegungsfähigkeit über ihre gesamte Lebensdauer unverändert.
• Eine erschwerte Demontage bzw. eine daraus resultierende Beschädigung durch eine mögliche Verkokung mit zu hohem Demontagedrehmoment kann zuverlässig verhindert werden.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:

Figur 1:

Einbausituation der Glühkerze mit Volumen im Zylinderkopf gemäß dem Stand der Technik

Figur 2:

Einbausituation der Glühkerze mit variiertem Volumen

Figur 3:

Glühkerze mit variiertem Volumen sowie zweiteiligem Körper

Figur 4:

Glühkerze mit Volumen im Zylinderkopf

Figur 5:

Volumen und Ringspalt Beschreibung

Figur 6:

Einbausituation einer herkömmlichen Drucksensorglühkerze, die kein Ausführungsbeispiel der beanspruchten Erfindung ist,

Figur 7:

Variante mit 2teiligem Körper

Figur 8:

Drucksensor, der kein Ausführungsbeispiel der beanspruchten Erfindung ist.

• Figur 2 zeigt eine in einem Zylinderkopf 5 angeordnete Glühkerze, die einen zwischen Heizstab 1 und Körper 2 der Glühkerze angeordneten Ringspalt 3 und einen sich an den Ringspalt 3 anschließenden Raum 4 aufweist, der mittels Ringspalt 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine in der Weise kommuniziert, dass sauerstoffhaltiges Gas in den Raum 4 gelangt. Durch diesen Ringspalt 3 und den Raum 4 besteht die Möglichkeit eines Volumenstroms aus dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine in den Raum 4, der für einen zuverlässigen Gasaustausch und somit für einen ausreichenden Sauerstoffgehalt im Bereich der Kontaktflächen zwischen Zylinderkopf und Glühkerze sorgt. Somit werden in dem Ringspalt 3 und im Raum 4 mittels oxidativer Vorgänge sehr hohe Temperaturen erreicht. Durch diese hohen Temperaturen wird der in diesem Bereich befindliche Kohlenstoff verbrannt, der sich somit nicht in dem für einen störungsfreien Betrieb einer Brennkraftmaschine relevanten Bereich ablagern kann.
• Durch die erfindungsgemäße Auslegung des Ringspaltes 3 lässt sich der Volumenstrom und somit der Gasaustausch derart einstellen, dass es zu keinerlei Kohlenstoffablagerungen kommt.
• Wichtig ist, dass genügend Sauerstoffanteil in den Ringspalt 3 gelangt und somit die vollständige Verbrennung unterstützt bzw. ermöglicht.
• Durch diese Möglichkeit des Gasaustauschs steigt auch die Temperatur im Ringspalt zwischen Zylinderkopf 5 und Heizstab 1.
• Für Anwendungen bei denen ein beweglicher Heizstab 1 zum Einsatz kommt, wie dies in Figur 6 dargestellt ist, ist diese Ringspalt- 3 / Raum- 4 Kombination zum beweglich halten des Heizstabs 1 vorgesehen.
• Mit einem definierten Ringspalt 3 und dem dazugehörenden Raum 4 kann ein entsprechendes Volumen erreicht werden, das in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung etwa 140 mm³ umfasst, um ausreichend Verbrennungsgasströmung zur ermöglichen.
• Der definierte Ringspalt 3 und der mit ihm korrespondierende Raum 4 der ein wie oben beschrieben definiertes Volumen zum Gasaustausch beim Verbrennungsprozess zulässt, basiert auf dem Prinzip des sogenannten Helmholtz-Resonators.
• Er besteht aus einem Gasvolumen mit einer engen Öffnung, dem Ringspalt 3 nach außen. Durch die Elastizität des Luftvolumens im Inneren in Kombination mit der trägen Masse, der in der Öffnung befindlichen Luft entsteht ein mechanisches Masse-Feder-System mit einer ausgeprägten Eigenresonanz.
• Der Wert des Korrekturgliedes für die Grenzflächen des Rohres ist etwa nur halb so groß wie in der weiter unten angegebenen Formel: $$f=\frac{c}{2\cdot \pi }\sqrt{\frac{\pi \cdot r^2}{V\cdot \left(l+\pi r/2\right)}}$$

  
• c : Schallgeschwindigkeit
• V : Volumen des Hohlkörpers
• r : Radius des Rohres
• l : Länge des Rohres
• Korrekturglied für die Grenzflächen des Rohres: +π r/4
• Da der Übergang zwischen Gas-Bereichen, die als Masse, bzw. als Feder wirken, fließend ist, ist die exakte Frequenz eines Helmholtz-Resonators schwer zu berechnen.
• Näherungsformel zur Berechnung der Resonanzfrequenz: $$fb=\sqrt{\frac{3000A}{Vl+0,846V\sqrt{A}}}$$

  
• l: Länge des Tunnels
• A: Fläche des Tunnels
• V: Innenvolumen der Box.
• Das Volumen des Helmholtz-Hohlkörpers setzt sich, wie in Figur 5 zu sehen ist, aus dem aus b und c gebildeten Ringspaltvolumen zusammen. Der Radius des Helmholtz-Rohres ergibt sich, wie ebenfalls in Figur 5 zu sehen ist, aus dem Maß am Ringspalt 3, wobei die innere Länge des Ringspalts 3 der Länge des Rohres 1 der Helmholtzformel entspricht.
• Durch den Gasaustausch und die damit verbundene Versorgung des Volumens des Raums 4 und des Ringspalts 3 mit sauerstoffhaltigem Brenngas sorgt dafür, dass die Temperaturen im Ringspalt 3 und im Raum 4 so weit steigen, dass der Kohlenstoff insbesondere in den problematischen Kontaktzonen verbrannt wird.
• Der Effekt kann durch eine gezielte und vorteilhafte Beschichtung der Oberflächen mit einem katalytisch wirkendem Werkstoff verstärkt werden. Besonders vorteilhaft wirkt hier beispielsweise eine Platinbeschichtung.
• Beim Einsatz von Mustern in speziellen Motordauerläufen und Versottungsdauerläufe zeigten keine Spuren von Kohlenstoff bzw. von Kohlenstoffablagerungen im Ringspalt 3 oder im Raum 4. Auch im Faltenbalg 7, wie er in Figur 6 dargestellt ist, konnte kein Ruß bzw. Rußablagerungen nach den erfindungsgemäß angelegten Dauerläufen festgestellt werden.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Element wie beispielsweise der Faltenbalg mit einer katalysatorhaltigen Beschichtung beschichtet ist und/oder aus einer katalysatorhaltigen Materialpaarung besteht, um die Zündtemperatur für Verbrennungsrückstände zu erniedrigen.
• Als Katalysatormaterialien kommen beispielsweise Platin und/oder Palladium, Cereisen, Raney-Nickel, Rhodium, Hopkalit, Vanadiumpentoxid und Samariumoxid in Frage. Jedes andere Element der beschriebenen Glühkerze kann ebenfalls katalysatorbeschichtet sein. Bei Temperaturmessungen mit den beschriebenen erfindungsgemäßen Konfigurationen wurden Temperaturen gemessen bei denen der Kohlenstoff rückstandsfrei verbrennt.
• In Figur 2 wird eine in einem Zylinderkopf 5 angeordnete Glühkerze, die einen zwischen Heizstab 1 und Körper 2 der Glühkerze angeordneten Ringspalt 3 und einen sich an den Ringspalt 3 anschließenden Raum 4 aufweist, der mittels Ringspalt 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine in der Weise kommuniziert, dass sauerstoffhaltiges Gas in den Raum 4 gelangt, gezeigt. Durch diesen Ringspalt 3 und den Raum 4 besteht die Möglichkeit eines Volumenstroms aus dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine in den Raum 4, der für einen zuverlässigen Gasaustausch und somit für einen ausreichenden Sauerstoffgehalt im Bereich der Kontaktflächen zwischen Zylinderkopf und Glühkerze sorgt. Somit werden in dem Ringspalt 3 und im Raum 4 mittels vollständiger Verbrennung Temperaturen über 600 Grad oder kleiner, wenn eine entsprechende Katalysatoroberfläche vorhanden ist, Celsius erreicht. Durch diese hohen Temperaturen wird der in diesem Bereich befindliche Kohlenstoff verbrannt, der sich somit nicht in dem für einen störungsfreien Betrieb einer Brennkraftmaschine relevanten Bereich ablagern kann.
• Figur 3 zeigt eine in einem Zylinderkopf 5 angeordnete Glühkerze, die einen zwischen Heizstab 1 und zweiteiligem Körper 2 der Glühkerze angeordneten Ringspalt 3 und einen sich an den Ringspalt 3 anschließenden Raum 4 aufweist, der mittels Ringspalt 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine in der Weise kommuniziert, dass sauerstoffhaltiges Gas in den Raum 4 gelangt. Durch diesen Ringspalt 3 und den Raum 4 besteht die Möglichkeit eines Volumenstroms aus dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine in den Raum 4, der für einen zuverlässigen Gasaustausch und somit für einen ausreichenden Sauerstoffgehalt im Bereich der Kontaktflächen zwischen Zylinderkopf und Glühkerze sorgt. Somit werden in dem Ringspalt 3 und im Raum 4 mittels oxidativer Vorgänge sehr hohe Temperaturen erreicht. Durch diese hohen Temperaturen wird auch der in diesem Bereich befindliche Kohlenstoff verbrannt, der sich somit nicht in dem für einen störungsfreien Betrieb einer Brennkraftmaschine relevanten Bereich ablagern kann.
• In Figur 4 wird eine in einem Zylinderkopf 5 angeordnete Glühkerze, die einen zwischen Heizstab 1 und Körper 2 der Glühkerze angeordneten, mit dem zusätzlichen Raum 8, dessen Länge der Länge des Rohres in der Helmholtzformel zuzurechnen ist, Ringspalt 3, dessen Radius dem Radius des Rohres in der Helmholtzformel entspricht und einen sich an den Ringspalt 3 anschließenden Raum 4 aufweist, der mittels Ringspalt 3 mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine in der Weise kommuniziert, dass sauerstoffhaltiges Gas in den Raum 4 gelangt, gezeigt. Durch diesen Ringspalt 3 und den Raum 4, im Zusammenspiel mit Raum 8 besteht die Möglichkeit eines Volumenstroms aus dem Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine in den Raum 4, der für einen zuverlässigen Gasaustausch und somit für einen ausreichenden Sauerstoffgehalt im Bereich der Kontaktflächen zwischen Zylinderkopf und Glühkerze sorgt. Somit werden in dem Ringspalt 3 und im Raum 4 mittels vollständiger Verbrennung Temperaturen über 600 Grad Celsius erreicht. Durch diese hohen Temperaturen wird der in diesem Bereich befindliche Kohlenstoff verbrannt, der sich somit nicht in dem für einen störungsfreien Betrieb einer Brennkraftmaschine relevanten Bereich ablagern kann.
• In einer alternativen Ausgestaltung wird der Raum 4 durch einen zweiteiligen Körper 2, wie dies in Figur 7 gezeigt wird, mittels Körperoberteil und Körperunterteil erzeugt, wobei die Körperteile um den Heizstab 1 angeordnet sind.
• Die Körperteile sind durch eine Schweißnaht 9 miteinander verbunden.
• In Figur 6 wird ein beweglicher Heizstab 1 mit einen Faltenbalg 7 dargestellt, der mit dem Körper 2 zusammen eine Glühkerze in einem Zylinderkopf 5 ergibt. Zwischen Körper 2 und Heizstab 2 befindet sich ein Ringspalt 3. Der Faltenbalg 7 ist in einem Raum 4 beweglich angeordnet. Der Raum 4 und der Ringspalt 3 kommunizieren mit dem im Zylinderkopf 5 angeordneten Brennraum, der ebenfalls nicht ausdrücklich. dargestellten Brennkraftmaschine. Durch die ständige Bewegung des Raumes 4 mit sauerstoffhaltigem Brenngas wird eine zuverlässige Oxidation aller eventuell vorhandenen Rußpartikel realisiert, eine Verkokung des Bereiches an dem Heizstab, insbesondere im Bereich von dem Ringspalt 3 bzw. im Raum 4 wird schon im Ansatz verhindert, was von Vorteil ist, da dadurch der Faltenbalg über die Laufzeit der Glühkerze beweglich bleibt.
• In Figur 8 wird ein Drucksensor gezeigt, der wie in Figur 6 dargestellt in einem Zylinderkopf 5 einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der Drucksensor umfasst ein zweiteiliges Gehäuse 2, 2a, welches auch, wie in Figur 6 gezeigt, einteilig sein kann. In einem Raum 4 ist ein Faltenbalg 7 zwischen Gehäuse 2 und Druckstößel 1a darauf angeordnet, dass der Druckstößel 1a gemeinsam mit dem Faltenbalg 7 im wesentlichen entlang seiner Längsachse bewegbar ist.
Bezugszeichenliste:

1.

Heizstab

2.

Körper

2a.

Körperunterteil

3.

Ringspalt

4.

Raum

5.

Zylinderkopf

6.

Presssitz

7.

Faltenbalg

8.

Raum

9.

Schweißnaht

a.

Ringspaltbreite

b.

Breite Raum 4

c.

Länge Raum 4

Claims (3)

1. Glühkerze zum Einbau in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, umfassend einen Heizstab (1) und einen Körper (2), wobei zwischen Heizstab (1) und Körper (2) ein Ringspalt (3) angeordnet ist, an den ein zwischen Heizstab (1) und Körper (2) angeordneter Raum (4) anschließt, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine mit einem katalytisch wirkenden Werkstoff, beschichtete Oberfläche die Verbrennung von Kohlenstoff in dem Raum (4) verstärkt wird, wobei der katalytisch wirkende Werkstoff, Raney-Nickel, Vanadiumpentoxid, Samariumoxid und Hopkalit umfasst.
2. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (3) eine kleinere Breite als der Raum (4) hat und der Raum (4) mittels des Ringspalts (3) mit dem Brennraum der Brennkraftmaschine kommuniziert.
3. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (3) mit dem Raum (4) einen Helmholtz-Resonator bildet.

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