EP2255130A1 - Glührohr für eine glühstiftkerze und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Glührohr (14) für eine Glühstiftkerze sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorgeschlagen. Zur Herstellung des Glührohres (14) wird ein nahtlos hergestellter Glührohrkörper (30) mit einer Länge L eingesetzt, welcher einen rohrförmiger langen Endabschnitt (31) mit einem Außendurchmesser D und einem Innendurchmesser d, einen stumpfförmiger kurzen Endabschnitt (32) mit einem Reduzierdurchmesser Dj und einem Öffnungsdurchmesser dö sowie einen dazwischen liegender Reduzierabschnitt (33) aufweist. Der Reduzierabschnitt (33) bildet eine gleichmäßige Verjüngung des Außendurchmessers D auf den Reduzierdurchmesser Dj und des Innendurchmessers d auf den Öffnungsdurchmesser dö aus. Die Herstellung des nahtlosen Glührohrkörpers (30) erfolgt durch Tiefziehen oder durch Extrusion eines Compounds aus einem Metallpulver oder durch Metallpulverspritzgießen.

Description

Beschreibung

Titel

Glührohr für eine Glühstiftkerze und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung betrifft ein Glührohr für eine Glühstiftkerze und ein Verfahren zur Herstellung des Glührohres nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Stand der Technik

Eine Glühstiftkerze mit einem Glühstift, der von einem dünnwandigen Glührohr ummantelt ist, ist beispielsweise aus DE 94 12 268 Ul bekannt. Das dünnwandige Glührohr ist an seinem brennraumseitigen Ende verschlossen. Im Innenraum des Glührohres ist in ein keramisches Isoliermaterial ein sich in axialer Richtung erstreckendes Widerstandsheizelement als Heizeinrichtung eingebettet. Das Widerstandsheizelement ist dabei aus einer Heizwendel und einer Regelwendel zusammengesetzt. Das Widerstandsheizelement ist brennraumfern mit einem Anschlussteil für einen elektrischen Stromkreis versehen. Beim Schließen des Stromkreises wird die Heizeinrichtung aufgeheizt und das Glührohr der Glühstiftkerze wird bei jedem Glühvorgang auf eine

Betriebstemperatur von ca. 1100 ⁰C aufgeheizt. Das Material des Glührohres ist folglich einer sehr starken thermischen Beanspruchung ausgesetzt. Als Material für das Glührohr sind üblicherweise Ni-Basis-Legierungen eingesetzt, die beispielweise unter den DIN-Bezeichnungen 2.4851 oder 2.4633 bekannt sind.

Aus DE 1081720 A ist bekannt, als Glührohr einen Glührohrkörper zu verwenden, der am brennraumseitigen Ende eine Öffnung aufweist, durch die ein Endabschnitt der Heizwendel nach außen geführt und die Öffnung mit dem durchgeführten Endabschnitt verschweißt wird. Anschließend wird der Glührohrkörper mit Isoliermaterial gefüllt und durch Hämmern, Walzen oder Pressen nachverdichtet.

Aus DE 2935424 A ist weiterhin bekannt, den mit der Heizwendel des Widerstandselements und dem Isoliermaterial gefüllten Glührohrkörper durch

Rundhämmern auf einen kleinen Durchmesser zu bringen.

Als Glührohre werden üblicherweise längsnahtgeschweißte Glührohrkörper verwendet. Ausgangsprodukt für diese Glührohrkörper ist ein Blechband, das zu einem Rohr gebogen und die Stöße ohne Zusatz verschweißt werden. Die

Glührohrkörper werden anschließend geglüht, um die Schweißspannungen zu beseitigen. Danach werden die Rohre über einen Dorn gezogen, wobei der Umformungsgrad bei 10 bis 50% liegt. Anschließend erfolgt ein Rekristallisationsglühen, um die mechanischen Eigenschaften und das Gefüge einzustellen.

Moderne Dieselmotoren sollen ohne merkliches Vorglühen starten. Deshalb müssen die Glühstiftkerzen sehr schnell aufgeheizt werden. Für ein gutes Kaltlaufverhalten der Dieselmotoren werden außerdem Glühstiftkerzen mit höheren Glühtemperaturen benötigt. Höhere Glühtemperaturen erzeugen wiederum hohe Temperaturgradienten, so dass unter diesen Betriebsbedingungen nach längerer Beanspruchung das Glührohr Risse entlang der Schweißnaht aufweist. Ursache für dieses Versagensbild sind thermomechanische Belastungen. Die durch die thermomechanischen Belastung verursachten Dehnungen konzentrieren sich aufgrund der unterschiedlichen

Gefüge von Schweißnaht, Blechmaterial des Glührohres und Wärmeeinflusszone der Schweißung auf den mechanisch schwächsten Bereich, nämlich die wärmebeeinflusste Zone der Schweißung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rissbildungen am Glührohr infolge thermischer Beanspruchung zu vermeiden.

Darlegung der Erfindung Die Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Maßnahmen des Anspruchs 1 und der nebengeordneten Verfahrensansprüche gelöst. Das nahtlose Glührohr weist entlang des Umfangs keinen Gefügegradient auf, so dass sich thermomechanische Belastungen im Wesentlichen auf den gesamten Umfang des Glührohres gleichmäßig verteilen und somit sich nicht negativ auf die Haltbarkeit des Glührohres auswirken. Das nahtlose Glührohre wird durch die Herstellung eines ebenfalls nahtlosen Glührohrkörpers erzeugt, wobei der Glührohrkörper eine Vorstufe des Glührohres ist. Dazu weist der Glührohrkörper einen rohrförmiger langen Endabschnitt mit einem Außendurchmesser D und einem Innendurchmesser d, einen stumpfförmiger kurzen Endabschnitt mit einem

Reduzierdurchmesser Dj und einem Öffnungsdurchmesser dö sowie einen dazwischen liegenden Reduzierabschnitt auf. Der Reduzierabschnitt wird von einer gleichmäßigen Verjüngung des Außendurchmessers D auf den Reduzierdurchmesser Dj und des Innendurchmessers d auf den Öffnungsdurchmesser dö gebildet.

Zweckmäßigerweise weist der Reduzierabschnitt einen kugelkalottenförmigen Querschnitt oder einen kegelförmigen Querschnitt mit einem Kegelwinkel α auf, wobei der Querschnitt der Kugelkalotte einen Außenradius R und einen Innerradius r von 0,5d besitzt oder der Kegelwinkel α zwischen 60 bis 80 Grad liegt. Vorteilhaft ist außerdem, wenn das Verhältnis L/d der Länge L und des Innendurchmessers d des Glührohrkörpers zwischen 9 und 5,5 und das Verhältnis L/Querschnittsfläche Rohrwandung L/(D²-d²)π/4 zwischen 4,5 und 2 (Einheit l/mm) liegt.

Das nahtlose Glührohr für die Glühstiftkerze wird zweckmäßigerweise durch Tiefziehen eines Metallblechs oder mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellt. Das Tiefziehen kann dabei in mehreren Zügen mit Zwischenglühen durchgeführt werden. Als pulvermetallurgisches Verfahren eignet sich eine Extrusion eines Compounds aus Metallpulver mit einem anschließenden Austreiben des Binders und Sintern eines so erzeugten Vorkörpers. Als weiteres pulvermetallurgisches Verfahren eignet sich das Metallpulverspritzgießen.

Ausführungsbeispiele - A -

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung und mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch den brennraumseitigen Teil einer Glühstiftkerze,

Figur 2 einen Längsschnitt durch einen Glührohrkörper gemäß einer ersten Ausführungsform, Figur 3 einen vergrößerten Ausschnitt X in Figur 2

Figur 4 einen Längsschnitt durch einen Glührohrkörper gemäß einer zweiten

Ausführungsform und

Figur 5 einen vergrößerten Ausschnitt Y in Figur 4.

Die dargestellte Glühstiftkerze besitzt ein rohrförmiges Gehäuse 11 mit einer

Längsbohrung 12, in die ein Glühstift 13 mit einem Teil seiner Länge abdichtend festgelegt ist. Der Glühstift 13 weist ein dünnwandiges Glührohr 14 mit beispielsweise einem Innendurchmesser von 2 bis 5 mm und einer Wandstärke von 0,5 bis 0,7 mm auf, welches an seinem brennraumseitigen Ende 15 verschlossen ist. Im Innenraum 16 des Glührohres 14 erstreckt sich in axialer

Richtung eine Widerstandsheizelement 17 als Heizeinrichtung, das in ein keramisches Isoliermaterial 18, welches beispielsweise Magnesiumoxidpulver ist, eingebettet ist. Das Widerstandsheizelement 17 ist brennraumfern mit einem Anschlussteil 19 zum Anschließen eines elektrischen Stromkreises kontaktiert. Das brennraumseitige Ende des Widerstandsheizelements 17 ist elektrisch leitend mit dem Boden des Glührohrs 14 verbunden.

Das Widerstandsheizelement 17 besteht aus zwei in Reihe geschalteten Widerstandswendeln, wobei die brennraumseitige Widerstandswendel eine Heizwendel 20 und die brennraumferne Widerstandswendel eine Regelwendel

21 bildet. Die Regelwendel 21 hat die Aufgabe, aufgrund ihres hohen positiven Temperaturkoeffizienten mit steigender Temperatur den Strom im Stromkreis zu begrenzen. Das Glührohr 14 ist nahtlos ausgeführt. Aufgrund der fehlenden Schweißnaht besitzt das Glührohr 14 entlang des Umfangs keinen Gefügegradient. Das Verhältnis L/d der Länge L und des Innendurchmessers d liegt vorteilhafterweise zwischen 9 und 5,5. Das Verhältnis Länge L zu Querschnittsfläche Rohrwandung des Glührohrkörpers 30 L/(D²-d²)π/4 liegt zwischen 4,5 und 2 in l/mm.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 und 3 weist der Reduzierabschnitt 33 einen s-förmig Verlauf mit einem kugelkalottenförmigen Querschnitt 34 auf, wobei die Kugelkalotte des Querschnitts 34 einen Außenradius R und einen Innerradius r besitzt. Der Innenradius r beträgt beispielsweise 0,5d.

Bei der Ausführungsform in Figur 4 und 5 weist der Reduzierabschnitt 33 einen kegelförmigen Querschnitt 35 mit einem Kegelwinkel α auf, wobei der Kegelwinkel α zwischen 60 bis 80 Grad liegt.

Zum Tiefziehen des Glührohrkörpers 30 wird ein Blech aus einer Ni-Basis- Legierung mit beispielsweise einer chemischen Zusammensetzung 24- 26 % Cr, 8 - 11 % Fe, 1,8 - 2,4 % AI, 0,15 - 0,25 % C und Rest Ni verwendet. Die Wandstärke des Blechs beträgt 0,6 bis 0,8 mm, vorzugsweise 0,7 mm. Das Tiefziehen kann gegebenenfalls in mehreren Zügen mit Zwischenglühen durchgeführt werden, wobei das Zwischenglühen zur Reduzierung der Kaltverfestigung zwischen den Tiefziehzügen dient.

Als pulvermetallurgisches Fertigungsverfahren eignet sich eine Extrusion eines Compounds eines Metallpulvers. Das Metallpulver besteht beispielsweise aus einer Ni-Basis-Legierung mit der chemischen Zusammensetzung 24- 26 % Cr, 8 - 11 % Fe, 1,8 - 2,4 % AI, 0,15 - 0,25 % C und Rest Ni. Zunächst wird ein nahtloser Vorkörper (Grünling) mittels Extrusion hergestellt, wobei durch Extrusion ein zylindrisches Rohr hergestellt wird. Der Kegel oder die Kalotte werden entweder am zylindrischen Grünling oder am fertig gesinterten Bauteil durch Umformen angebracht. Nach der Extrusion wird der im Vorkörper enthaltende Binder ausgetrieben. Anschließend der so erzeugte Vorkörper bei einer geeigneten Sintertemperatur zum fertigen pulvermetallurgischen Glührohrkörper 30 gesintert. Ein weiteres pulvermetallurgisches Fertigungsverfahren besteht in der Herstellung eines nahtlosen Glührohrkörpers 30 mittels Metallpulverspritzgießen. Bei Metallpulverspritzgießen wird ein Bauteil hergestellt, welches die Kontur des Glührohrkörpers 30 hat.

Bei beiden pulvermetallurgischen Fertigungsverfahren müssen Länge und Durchmesser allerdings größer sein, weil der Körper beim Sintern ca. 15 % linear schwindet.

Die aufgezeigten Fertigungsverfahren zur Herstellung des nahtlosen

Glührohrkörpers 30 sind als solche bekannt.

In den nahtlos gefertigten Glührohrkörper 30 wird die Heizwendel des Widerstandsheizelements 17 eingesetzt und an der Öffnung 37 mit dem Glührohrkörper 30 verschweißt. Anschließend wird das Isolationsmaterial 18 eingefüllt und der Glührohrkörper 30 mit dem eingesetzten Widerstandsheizelement 17 und dem eingefülltem Isolationsmaterial 18 wird durch Umformen, z. B. durch Ziehen, Rundhämmern, Pressen oder Prägen in die endgültige Form des nahtlosen Glührohres 14 gebracht.

Claims

Ansprüche

1. Glührohr (14) für eine Glühstiftkerze, welches an einem brennraumseitigen Ende verschlossen ist und in welchem sich ein in axialer Richtung erstreckendes und in ein Isoliermaterial (18) eingebettetes Widerstandsheizelement (17) befindet, welches brennraumfern mit einem

Anschlussteil (19) für einen elektrischen Stromkreis versehen ist, wobei zur Herstellung des Glührohres (14) ein Glührohrkörper (30) mit einer Länge L vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein nahtloser Glührohrkörper (3) einen rohrförmigen langen Endabschnitt (31) mit einem Außendurchmesser D und einem Innendurchmesser d, einen stumpfförmigen kurzen Endabschnitt (32) mit einem Reduzierdurchmesser Dj und einem Öffnungsdurchmesser dö sowie einen dazwischen liegenden Reduzierabschnitt (33) aufweist, und dass der Reduzierabschnitt (33) eine gleichmäßige Verjüngung des Außendurchmessers D auf den Reduzierdurchmesser Dj und des Innendurchmessers d auf den

Öffnungsdurchmesser dö ausbildet.

2. Glührohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reduzierabschnitt (33) einen kugelkalottenförmigen Querschnitt (34) oder einen kegelförmigen Querschnitt (35) mit einem Kegelwinkel α aufweist.

3. Glührohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelkalotte des Querschnitts (34) einen Außenradius R und einen Innerradius r aufweist, wobei der Innenradius r 0,5d beträgt.

4. Glührohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel α zwischen 60 bis 80 Grad liegt.

5. Glührohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis L/d der Länge L und des Innendurchmessers d des Glührohrkörpers (30) zwischen 9 und 5,5 und das Verhältnis Länge L zu Querschnittsfläche der Rohrwandung des Glührohrkörpers (30) mit L/(D²-d²)π/4 zwischen 4,5 und 2 liegen.

6. Glührohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Glührohrkörpers (30) eine Ni- Basis- Legierung mit der chemischen Zusammensetzung 24- 26 % Cr, 8 - 11 % Fe, 1,8 - 2,4 % AI, 0,15 - 0,25 % C und Rest Ni ist.

7. Glührohr nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser d des Glührohrkörpers (30) 3 bis 6 mm und die Wandstärke des Glührohrkörpers (30) 0,5 bis 0,7 mm beträgt.

8. Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Glührohres (14) für Glühstiftkerzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorstufe des Glührohres (14) eine nahtloser Glührohrkörper (30) durch Tiefziehen eines Blechs hergestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Tiefziehen ein Blech aus einer Ni-Basis-Legierung und einer Wandstärke von 0,6 - 0,8 mm verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefziehen in mehreren Zügen mit Zwischenglühen durchgeführt wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Glührohres (14) für Glühstiftkerzen, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorstufe des nahtlosen Glührohres (14) ein mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellter Vorkörper aus einem Compound eines Metallpulvers mittels

Extrusion erzeugt wird, dass dem Vorkörper der enthaltene Binder ausgetrieben und so der Glührohrkörper (30) erzeugt, und dass der Glührohrkörper (30) anschließend zum nahtlosen Glührohr (14) gesintert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver aus einer Ni-Basis-Legierung mit der chemischen Zusammensetzung 24- 26 % Cr, 8 - 11 % Fe, 1,8 - 2,4 % AI, 0,15 - 0,25 % C und Rest Ni besteht.

13. Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen Glührohres (14) für

Glühstiftkerzen, dadurch gekennzeichnet, dass als Vorstufe des nahtlosen Glührohres (14) ein mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellter Glührohrkörper (30) eingesetzt wird, welcher mittels Metallpulverspritzgießen hergestellt wird.