EP2255130B1 - Glührohr für eine glühstiftkerze und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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EP2255130B1
EP2255130B1 EP09713582.6A EP09713582A EP2255130B1 EP 2255130 B1 EP2255130 B1 EP 2255130B1 EP 09713582 A EP09713582 A EP 09713582A EP 2255130 B1 EP2255130 B1 EP 2255130B1
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EP
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glow tube
glow
seamless
tube
sheathed
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EP09713582.6A
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Albrecht Geissinger
Simon Schmittinger
Karl-Heinz Heussner
Pavlo Saltikov
Armin Kussmaul
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F23Q2007/004—Manufacturing or assembling methods

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a seamless glow tube according to the preamble of the independent claims.
  • a glow plug with a glow plug which is encased in a thin-walled glow tube, is for example out DE 94 12 268 U1 known.
  • the thin-walled glow tube is closed at its combustion chamber end.
  • resistance heating element is embedded as a heater.
  • the resistance heating element is composed of a heating coil and a control coil.
  • the resistance heating element is provided brennraumfern with a connection part for an electrical circuit. When closing the circuit, the heater is heated and the glow tube of the glow plug is heated at each annealing to an operating temperature of about 1100 ° C.
  • the material of the glow tube is therefore exposed to a very high thermal stress.
  • Ni-base alloys are used, which are known for example under the DIN designations 2.4851 or 2.4633.
  • glow tubes usually longitudinally welded glow tube body are used.
  • the starting material for this Glührohr notion is a metal strip, which is bent into a tube and the joints are welded without additional.
  • the glow tube bodies are then annealed to eliminate the welding stresses. Thereafter, the tubes are pulled over a mandrel, wherein the degree of deformation is 10 to 50%. Subsequently, recrystallization annealing is performed to adjust the mechanical properties and microstructure.
  • thermomechanical loads The strains caused by the thermo-mechanical stress are concentrated on the mechanically weakest region, namely the heat-affected zone of the weld, due to the different structures of the weld seam, the sheet material of the glow tube and the heat-affected zone of the weld.
  • Object of the present invention is to avoid cracking on the glow tube due to thermal stress.
  • the object of the invention is achieved with the characterizing measures of claim 1, claim 3 and dependent claim 2.
  • the seamless glow tube has no structure gradient along the circumference, so that thermomechanical loads are distributed substantially uniformly over the entire circumference of the glow tube and thus do not adversely affect the durability of the glow tube.
  • the seamless glow tube is produced by the production of a likewise seamless glow tube body, wherein the glow tube body is a precursor of the glow tube.
  • the glow tube body has a tubular long end portion with an outer diameter D and an inner diameter d, a truncated short end portion with a Reduzier devismesser Dj and an opening diameter dö and an intermediate reducing section.
  • the reduction section is formed by uniform tapering of the outer diameter D to the reduction diameter Dj and the inner diameter d to the opening diameter dö.
  • the seamless glow tube for the glow plug is conveniently prepared by means of a powder metallurgy process.
  • a powder metallurgy process is an extrusion of a compound of metal powder with a subsequent expulsion of the binder and sintering of a preform thus produced is suitable.
  • Another powder metallurgical process is metal powder injection molding.
  • the illustrated glow plug has a tubular housing 11 with a longitudinal bore 12 into which a glow plug 13 is sealingly fixed with a portion of its length.
  • the glow plug 13 has a thin-walled glow tube 14 with, for example, an inner diameter of 2 to 5 mm and a wall thickness of 0.5 to 0.7 mm, which is closed at its combustion chamber end 15.
  • a resistance heating element 17 as a heater, which is embedded in a ceramic insulating material 18, which is for example magnesium oxide powder.
  • the resistance heating element 17 is contacted with the combustion chamber remote with a connection part 19 for connecting an electrical circuit.
  • the combustion chamber-side end of the resistance heating element 17 is electrically conductively connected to the bottom of the glow tube 14.
  • the resistance heating element 17 consists of two resistance coils connected in series, wherein the combustion space side resistance coil forms a heating coil 20 and the resistance coil remote from the combustion space forms a control coil 21.
  • the control coil 21 has the task to limit the current in the circuit due to its high positive temperature coefficient with increasing temperature.
  • the glow tube 14 is seamless. Due to the lack of weld, the glow tube 14 has no structure gradient along the circumference.
  • the ratio L / d of the length L and the inner diameter d is advantageously between 9 and 5.5.
  • the ratio of the length L to the cross-sectional area of the tube wall of the glow tube body 30 L / (D 2 -d 2 ) ⁇ / 4 is between 4.5 and 2 in 1 / mm.
  • the reducing section 33 has an S-shaped profile with a spherical-cap-shaped cross section 34, wherein the spherical cap of the cross section 34 has an outer radius R and an inner radius r.
  • the inner radius r is, for example, 0.5d.
  • the reducing section 33 has a conical cross section 35 with a cone angle ⁇ , wherein the cone angle ⁇ is between 60 and 80 degrees.
  • an extrusion of a compound of a metal powder is suitable.
  • the metal powder consists for example of a Ni-base alloy with the chemical composition 24- 26% Cr, 8 - 11% Fe, 1.8 - 2.4% Al, 0.15 - 0.25% C and balance Ni.
  • a seamless preform green body is produced by extrusion, whereby a cylindrical tube is produced by extrusion.
  • the cone or dome is applied either to the cylindrical green body or to the final sintered component by forming.
  • the binder contained in the preform is expelled.
  • the preform body thus produced sintered at a suitable sintering temperature to the finished powder metallurgical glow tube body 30.
  • Another powder metallurgical manufacturing method is to produce a seamless glow tube body 30 by metal powder injection molding.
  • metal powder injection molding a component is produced which has the contour of the glow tube body 30.
  • the length and diameter must be greater because the body shrinks approximately 15% linearly during sintering.
  • the indicated manufacturing methods for producing the seamless glow tube body 30 are known as such.
  • the heating coil of the resistance heating element 17 is inserted in the seamlessly produced glow tube body 30 and welded to the glow tube body 30 at the opening 37. Subsequently, the insulating material 18 is filled and the Glührohrelasticity 30 with the used resistance heating element 17 and the filled insulation material 18 is by forming, for. B. brought by pulling, swaging, pressing or stamping in the final shape of the seamless glow tube 14.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines nahtllosen 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 U1 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 °C 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.
  • Weitere Glührohrkörper und deren Herstellung sind in den Patentanmeldungen EP0945724A , US5118921A , US5251589A und DE1465025A1 beschrieben.
  • 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, des Anspruchs 3 und des abhängigen Anspruchs 2 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 1/mm) liegt.
  • Das nahtlose Glührohr für die Glühstiftkerze wird zweckmäßigerweise mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens hergestellt. 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
  • 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 1/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.
  • 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 % Al, 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 (3)

  1. 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 ein Glührohrkörper (30) erzeugt, und dass der Glührohrkörper (30) anschließend zum nahtlosen Glührohr (14) gesintert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallpulver aus einer Ni-Basis-Legierung mit der chemischen Zusammensetzung 24- 26 % Cr, 8 - 11 % Fe, 1,8 - 2,4 % Al, 0,15 - 0,25 % C und Rest Ni besteht.
  3. 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.
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