Titel

GLÜHSTIFTKERZE MIT KERAMISCHEM HEIZELEMENT MIT INNENLIEGENDER KONTAKTIERUNG, UND

HERSTELLUNGSVERFAHREN DERSELBEN Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze oder Glühstiftkerze, und genauer gesagt eine keramische Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine, so zum Beispiel einer Vor-, Wirbel- oder Brennkammer eines luftverdichtenden,

selbstzündenden Dieselmotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren einer derartigen erfindungsgemäßen Glühstiftkerze.

In modernen Kraftfahrzeugen und anderen Anwendungen kommen verbreitet Dieselmotoren zum Einsatz, die im Vergleich zu benzinbetriebenen Brennkraftmaschinen über einen höheren Wirkungsgrad verfügen. Dieselmotoren benötigen jedoch während des

Anlassvorgangs vielfach eine Kaltstarthilfe, da bei einem Kaltstart eines Dieselmotors eine problemlose Selbstzündung des eingespritzten Dieselkraftstoffs in der Regel nicht möglich ist. Auch nach dem Start können Glühstiftkerzen zum Einsatz kommen, um einen Kaltlauf des Motors sowie dessen Abgasemissionen zu verbessern. Darüber hinaus können unterschiedliche Kraftstoffqualitäten die Zündwilligkeit des komprimierten

Luft/Dieselgemisches herabsetzen.

Um den genannten Effekten zu begegnen, befindet sich in den Brennräumen eines

Dieselmotors normalerweise jeweils mindestens eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze, auch GLP (von dem englischen Fachbegriff„glow plug") genannt, mittels der der Dieselmotor in der Startphase vorgeglüht wird. Glühstiftkerzen können ein Heizelement aus Metall oder aus Keramik aufweisen, auch Glühstift genannt. Derartige Glühstiftkerzen finden weiterhin als Kaltstarthilfe beim Anlassen von mit Kerosin betriebenen Gasturbinen und Ölheizungen verbreitet Anwendung. Bei bekannten Glühstiftkerzen mit einem keramischen Glühstift, sogenannten keramischen Glühstiftkerzen wie sie beispielsweise aus der DE 100 29 004 A1 bekannt sind, besteht der Glühstift üblicherweise aus elektrisch isolierendem

Keramikmaterial, beispielsweise Siliziumnitrid, in das elektrisch hochleitfähige Zuleitungen und ein innenliegender Heizleiter eingebettet sein können. Im Gegensatz zu metallischen Glühstiftkerzen ist dabei die Heiz- und Regelfunktion im Heizleiter kombiniert. Der keramische Glühstift ist in einem Metallrohr fixiert und gasdicht in ein Glühstiftkerzengehäuse eingepresst. Die elektrische Kontaktierung des Pluspols des Glühstifts, der in der Regel durch eine an einem Ende des Glühstifts vorgesehene Kontaktstelle des Heizleiters bereitgestellt wird, findet durch einen Anschlussbolzen statt, der über einen Draht mit dem Pluspol des keramischen Glühstifts verbunden ist, und die elektrische Kontaktierung des Minuspols des Glühstifts, das heißt die Masseverbindung zum Motorblock wird über das Metallrohr des Glühstifts und das Gehäuse hergestellt. Die beschriebene Drahtverbindung eines Anschlussbolzens mit dem Pluspol des Glühstifts der bekannten Glühstiftkerzen verlangt jedoch aufwendige Herstellungsschritte, und es kann dabei vorkommen, dass der Draht bei der Herstellung zerstört und somit die Glühkerze unbrauchbar wird. Um diesem Problem zu begegnen, wurden bereits Lösungen vorgeschlagen, wie sie zum Beispiel aus der DE 100 30 924 A1 bekannt sind. Der DE 100 30 924 A1 ist eine Glühstiftkerze 9 zu entnehmen, wie sie in Figur 2 in einer schematischen Schnittansicht gezeigt ist. Die

Glühstiftkerze 9 besteht prinzipiell aus einem Heizelement 91 , einem beispielsweise in Form einer Zentral-Elektrode der Glühstiftkerze vorliegendem Anschlussbolzen 92, einem

Gehäuse 93 und einem Kontaktstecker 94. Die Plus-Kontaktierung findet hier durch den

Anschlussbolzen 92 über eine Graphittablette 95 als Kontaktelement zu dem Heizelement 91 statt, und eine Minus-Kontaktierung findet über eine aus Graphit bestehende Dichtmasse 96 zu dem Gehäuse 93 statt. Um einen Kurzschluss zu verhindern, sind die Graphittablette 95 und der Anschlussbolzen 92 durch Keramikspannhülsen 97 und 98 gegenüber dem

Gehäuse 93 isoliert. Eine derartige Isolierung gegenüber dem Gehäuse verlangt jedoch zusätzliche Bauteile und Herstellungsschritte, was die Herstellungskosten der Glühstiftkerze negativ beeinflusst. Um den oben genannten Problemen zu begegnen gibt es Ansätze, die Plus-Kontaktierung einer Glühstiftkerze zwischen Heizelement und Anschlussbolzen mit einer Graphittablette auf vereinfachte Art und Weise umzusetzen. Beispiele dafür sind der DE 10 2009 045 273 A1 entnehmbar, wobei die Graphittablette in verschiedenen Größen und Ausführungen, abhängig von der Gestalt und der Aufteilung des

Glühstiftkerzengehäuses, zwischen dem Heizelement und dem Anschlussbolzen angeordnet ist. Die Graphittablette wird dabei in jeder der der DE 10 2009 045 273 A1 entnehmbaren Ausführungen durch ein festes keramisches Element in Form eines Keramikrings gehalten und gegenüber dem Gehäuse isoliert. Die bekannte Lösung durch eine Drahtkontaktierung, wie sie unter anderem oben beschrieben ist, ist aufwendig in der Herstellung, bei der vermehrt gelötet werden muss, was die Montage der Glühstiftkerze schwierig und teuer macht. Bei den bekannten Lösungen mit einer Graphittablette, wie sie ebenfalls oben beschrieben sind, erfolgt die Masseverbindung zum Motor immer über das Kerzengehäuse. Aus diesem Grund muss der komplette

Pluspfad gegenüber dem Gehäuse, das üblicherweise aus Metall besteht, elektrisch isoliert werden. Zu diesem Zweck kommt in der Regel eine oder mehrere speziell dafür

vorgesehene Keramik- oder Kunststoffhülsen zum Einsatz, die die Graphittablette in dem Gehäuse fixieren und gegenüber diesem elektrisch isolieren.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, vorzugsweise zur Kaltstarthilfe einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel eines Dieselmotors. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche gekennzeichnet. Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße elektrisch beheizbare Glühstiftkerze ein Aufnahmeteil, ein in dem Aufnahmeteil gehaltenes keramisches Heizelement mit einem Pluspol und einem Minuspol, einen elektrisch leitfähigen Anschlussbolzen, der mit dem Pluspol in elektrischer Verbindung steht, und ein elektrisch leitfähiges Verbindungselement, das zwischen dem Anschlussbolzen und dem Pluspol angeordnet ist. Dabei sind zumindest der Pluspol und das Verbindungselement in einer Aussparung in dem Heizelement angeordnet. Das Aufnahmeteil ist üblicherweise ein rohrförmiges Bauteil, vorzugsweise ein Stützrohr, das entweder als separates Teil oder auch mitunter als Teil eines Gehäuses der Glühstiftkerze ausgebildet sein kann. Das keramische Heizelement der erfindungsmäßigen Glühstiftkerze, auch Glühstift genannt, besteht dabei wie aus dem oben diskutierten Stand der Technik bekannt prinzipiell üblicherweise aus elektrisch isolierendem Keramikmaterial, beispielsweise Siliziumnitrid, in das elektrisch hochleitfähige Zuleitungen und ein innenliegender Heizleiter eingebettet sein können, wobei die Heiz- und Regelfunktion im Heizleiter kombiniert ist. Der Pluspol wird durch ein Ende des Heizleiters ausgebildet, das hier anders als im Stand der Technik erfindungsgemäß zu der Aussparung hin freiliegt, und der Minuspol findet durch eine Verbindung des Heizleiters mit der Außenhülle des Glühstifts statt, die über das Aufnahmeteil und das Gehäuse der Glühstiftkerze, die vorzugsweise aus Metall ausgebildet sind, mit dem Motorblock als Masseverbindung verbunden ist. Durch die Einbettung des Verbindungselements in der Aussparung des Heizelements, also der in der Aussparung liegenden Plus-Kontaktierung, bei der die Aussparungsform der Gestalt des Verbindungselements entsprechen kann, wird eine separate Fixierung des Verbindungselements überflüssig. Ferner wird bereits durch die gehaltene Anordnung des Verbindungselements in der Aussparung in dem keramischen Heizelement eine Isolierung gegenüber dem elektrisch leitenden Aufnahmeteil erreicht, wodurch auf zusätzliche isolierende Bauteile zwischen Aufnahmeteil und Verbindungsbauteil verzichtet werden kann. Dabei ist es vorzuziehen, dass das Verbindungselement vollständig in der Aussparung aufgenommen ist. In einer Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Glühstiftkerze so ausgebildet sein, dass eine Dimension der Aussparung in Breitenrichtung größer als eine Dimension des Verbindungselements in Breitenrichtung ist, also eine Breitenausdehnung der Aussparung senkrecht zu der Längsachse des Heizelements größer als eine

Breitenausdehnung des Verbindungselements senkrecht zu dessen Längsachse ist, vorzugsweise mit einem Dimensionsbereich der Breitenausdehnung der Aussparung von 1 bis 2mm. Damit kann erreicht werden, dass sich das Verbindungselement zwischen

Aussparungsinnenwand und Anschlussbolzen ausdehnen kann und dadurch eine elektrische Verbindung zwischen Anschlussbolzen und Pluspol des Heizelements durch die

ausgedehnte beziehungsweise verformte Verbindungselementgestalt verbessert wird. In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze kann das

Verbindungselement eine Tablettenform aufweisen, wobei das Verbindungselement weiter vorzugsweise aus elastischem Material besteht. Beispielsweise kann das

Verbindungselement als Pressling ausgestaltet sein und/oder als nach einem üblichen keramischen Herstellungsverfahren hergestelltes Element. Das leitfähige

Verbindungselement weist dabei elektrisch leitfähige Eigenschaften auf, wobei das leitfähige Verbindungselement beispielsweise eines oder mehrere der folgenden Materialien in verfestigter Form umfassen kann: ein Metallpulver, insbesondere ein Silberpulver; ein leitfähiges Keramikpulver; ein Graphit. Graphit kommt dabei bevorzugt als Material für das Verbindungselement zur Anwendung. Ein aufgewickeltes Metallgeflecht wäre als

Ausgestaltung für das Verbindungselement ebenfalls denkbar, wobei das Metall nicht oxidieren sollte. Beispiele für ein derartiges Metall sind Kupfer, Bronze, Messing, Stahl, rostfreier Stahl, Nickel. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch auch die Verwendung anderer geeigneter elektrisch leitender Materialien möglich.

Weiter vorzugsweise ist ein brennraumseitiges Ende beziehungsweise ein brennraumseitiger Abschnitt des Anschlussbolzens, der mit dem Verbindungselement in Verbindung steht, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Anschlussbolzen und dem Pluspol des

Heizelements herzustellen, zumindest teilweise in der Aussparung des Heizelements vorgesehen beziehungsweise darin angeordnet. Der Anschlussbolzen ist ferner

vorzugsweise gegen das insbesondere elastische Verbindungselement vorgespannt, wobei der Anschlussbolzen in Richtung des Heizelements eingedrückt wird und das

Verbindungselement damit zwischen Heizelement und Anschlussbolzen gedrückt oder gequetscht eingespannt ist. Dadurch wird erreicht, dass eine Kontaktierung des

Anschlussbolzens mit dem Pluspol des Heizelements über das Verbindungselement dauerhaft aufrechterhalten werden kann, ohne anfällig für Verbindungsabbrüche aufgrund leichter Verschiebungen zwischen den einzelnen Bauteilen zu sein. Im Falle der Anordnung des einen Endes des Anschlussbolzens zusammen mit dem elastischen

Verbindungselement in der Aussparung kann sich dabei das Verbindungelement um das in der Aussparung angeordnete Ende des Anschlussbolzens herum verteilen und sich an dieses anzulegen. Die Vorspannung des Verbindungselements beziehungsweise des Anschlussbolzens muss ferner durch geeignete Maßnahmen im Bereich des Aufnahmeteils oder des Gehäuses gehalten werden, wobei verschiedenste Lösungen denkbar sind.

Weiter vorzugsweise liegt innerhalb des Aufnahmeteils zwischen dem Anschlussbolzen und dem Aufnahmeteil ein Hohlraum vor. Durch die gehaltene Anordnung des Anschlussbolzens zusammen mit dem Verbindungselement in der Aussparung in dem keramischen

Heizelement wird eine Isolierung dieser Bauteile gegenüber dem üblicherweise elektrisch leitenden Aufnahmeteil erreicht, wodurch auf zusätzliche isolierende Bauteile zwischen Aufnahmeteil, Anschlussbolzen und Verbindungsbauteil verzichtet werden kann. Der Hohlraum kann zumindest teilweise mit einem Material befüllt sein, vorzugsweise einem keramischen Pulver wie zum Beispiel Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid, wobei das Pulver verdichtet werden kann, beispielsweise indem das Aufnahmeteil durch einen

Rundknetprozess im Durchmesser verringert wird. Das dadurch verdichtete Pulver stützt den Anschlussbolzen im Inneren des Aufnahmebauteils und isoliert diesen gegenüber dem Aufnahmebauteil. Ferner kann die erfindungsgemäße Glühstiftkerze des Weiteren ein Deckelbauteil aufweisen. Das Deckelbauteil kann eine Dichtung sein, die den Hohlraum abschließt, um das keramische Pulver in dem Aufnahmeteil zu halten und Schmutz und Feuchtigkeit nicht eindringen zu lassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das Deckelbauteil in Form einer elektrisch isolierenden Hülse umgesetzt sein, die den

Anschlussbolzen gegenüber dem Aufnahmebauteil zusätzlich elektrisch isoliert und mechanisch abstützt.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer vorhergehend beschriebenen elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze insbesondere den Schritt des Vorspannens des Anschlussbolzens gegen das Verbindungselement. Dabei ist das Verbindungselement in der Aussparung des Heizelements angeordnet und steht mit dem Pluspol des Heizelements in elektrischer Verbindung. Vorzugsweise ist zudem ein Ende des Anschlussbolzens, das mit dem Verbindungselement in Verbindung steht, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem Anschlussbolzen und dem Pluspol des Heizelements herzustellen, zumindest teilweise in der Aussparung des Heizelements angeordnet. Die Schritte des Fertigens der einzelnen Komponenten, des Zusammenführen des Heizelements mit dem Aufnahmeteil sowie die letztendliche Anordnung des Aufnahmeteils mitsamt den oben beschriebenen Komponenten in dem Gehäuse der Glühstiftkerze sind aus dem Stand der Technik bereits weitestgehend bekannt und demnach vorausgesetzt.

Vorteile der Erfindung

Eine gemäß der Erfindung ausgeführte Glühstiftkerze hat gegenüber dem oben diskutierten Stand der Technik aufgrund des Einsatzes des Verbindungselements den Vorteil, dass kein Drähte zur Kontaktierung zwischen dem Anschlussbolzen und dem Heizelement der Glühstiftkerze zur Anwendung kommen, wodurch ein Verlöten von Drähten zwischen diesen Bauteilen unnötig wird und dadurch der gesamte Herstellungsprozess kostengünstiger und Ausschuss aufgrund der üblicherweise schwierigen und gelegentlich fehlerbehafteten Montage reduziert wird. Ferner kann durch die erfindungsgemäße Lösung mit innen liegender Kontaktierung, also mit im Inneren des keramischen Heizelements angeordneten Verbindungsbauteil und brennraumseitigen Ende des Anschlussbolzens eine zusätzlich vorgesehene Halterung des Anschlussbolzens, zumindest auf Seiten des Heizelements, sowie eine gesonderte Isolierung des Anschlussbolzens gegenüber dem Aufnahmeteil, beispielsweise durch eine keramische Isolationshülse, vermieden werden, wodurch wiederum Bauteile und Montageschritte verringert werden und dadurch weitere

Kosteneinsparungen erzielt werden können. Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Es zeigen

Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht eines Teils einer Glühstiftkerze gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und

Figur 2 eine schematische Querschnittsansicht einer Glühstiftkerze gemäß dem Stand der Technik. Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines vorderen Teils einer bevorzugten Ausführungsform einer Glühstiftkerze 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die

erfindungsgemäße Glühstiftkerze 1 besteht aus einem Aufnahmeteil oder Stützrohr 2, einem Heizelement oder Glühstift 3, einem Anschlussbolzen 4, einem Verbindungsbauteil oder

Graphittablette 5, sowie einer Dichtungsscheibe 7. In dem Stützrohr 2 befindet sich zwischen dem Innenumfang des Stützrohrs 2, dem Außenumfang des Anschlussbolzens 4 sowie der Dichtungsscheibe 7 ein Hohlraum 6, der optional mit einem keramischen Pulver gefüllt sein kann, wie zum Beispiel einem Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid, das verdichtet werden kann, beispielsweise indem der Durchmesser des Stützrohrs 2 durch einen

Rundknetprozess verringert wird. Das dadurch verdichtete Pulver unterstützt die Anordnung des Anschlussbolzens 4 im Inneren des metallenen Stützrohrs 2 und dessen elektrische Isolierung gegenüber der Innenwand des Stützrohrs 2. Die Kontaktierung des keramischen Glühstifts 3 ist dabei so vorgesehen, dass der Pluspol 31 des Glühstifts 3 in einer

Aussparung 33 des Glühstifts 3 an dessen brennraumabgewandten Seite vorgesehen ist, sozusagen als innen liegende Pluspol-Kontaktierung, und wobei der Minuspol 32, optional als Beschichtung, auf dem brennraumabgewandten Ende des Glühstifts 3 vorgesehen ist, wobei der Minuspol 32 in direktem Kontakt mit einem sich verjüngenden Abschnitt 21 des Stützrohrs 2 steht, indem der Glühstift 3 in diesen eingepresst oder eingelötet ist und sich die optionale Beschichtung zwischen Glühstift 3 und Abschnitt 21 befindet. Die Form des Stützrohrs 2, insbesondere das Vorsehen eines sich verjüngenden Abschnitts 21 an dem brennraumseitigen Ende des Stützrohrs 2 ist nicht zwingend, und jede andere

Querschnittsform des Stützrohrs 2 ist ebenso denkbar, beispielsweise eine zylindrische Form mit durchgehend gleichem Durchmesser oder dergleichen.

Ein Kontakt zwischen dem als Zentralelektrode wirkenden Anschlussbolzen 4 sowie dem Glührohr 3 kommt durch die zwischen dem Anschlussbolzen 4 und dem Glührohr 3 angeordnete Graphittablette 5 zustande, wobei die Graphittablette 5 vollständig in der Aussparung 33 des Glührohrs 3 an dessen brennraumabgewandter Seite angeordnet beziehungsweise untergebracht ist. Der Pluspol 31 des Glühstifts 3 steht dabei mit der Graphittablette 5 in direkter elektrischer Verbindung, und der Anschlussbolzen 4 steht wiederum in direktem elektrischen Kontakt mit der Graphittablette 5.

Zur möglichst durchgehenden Aufrechterhaltung des elektrischen Pluskontakts muss die Graphittablette 5 unter Spannung stehen, wobei die Graphittablette 5 in dieser bevorzugten Ausführungsform zu diesem Zweck elastisch ist. Bei der Montage der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 1 wird der Anschlussbolzen 4 in das Stützrohr 2 eingedrückt, so dass die elastische Graphittablette 5, die sich vollständig in der Aussparung 33 befindet, vorgespannt ist. Ein brennraumseitiges Ende 41 des Anschlussbolzens 4 befindet sich bei dieser Anordnung ebenfalls zumindest teilweise in der Aussparung 33 des Glühstifts 3. Dadurch übernimmt das brennraumabgewandte Ende des keramischen Glühstifts 3 die Isolation gegenüber dem Stützrohr 2.

In der bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Figur 1 gezeigt ist, ist die in Form einer kreisförmigen Bohrung oder eines Sacklochs in der brennraumabgewandten

Glühstiftstirnfläche 34 vorgesehene Aussparung 33 mit einem Innendurchmesser versehen, dessen Breitenausdehnung größer als der Außendurchmesser der kreisförmigen

Graphittablette 5 ist. Durch diesen Umstand, zusammen mit der Vorspannung der elastischen Graphittablette 5 durch den Anschlussbolzen 4 in der Aussparung 33, kann das Graphit der Tablette 5 zu einem gewissen Ausmaß das brennraumseitige Ende 41 des Anschlussbolzens 4 umfließen beziehungsweise sich um dieses verteilen, so dass die Verbindung zwischen dem Anschlussbolzen 4 und dem keramischen Glühstift 3 als elastische Verbindung ausgebildet ist. Dadurch können beispielsweise Erschütterungen der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 1 während eines Einsatzes in einem Dieselmotor oder dergleichen ausgeglichen werden, ohne eine Kontaktierung zwischen Anschlussbolzen 4 und Glühstift 3 zu unterbrechen oder zu verschlechtern.

Der Hohlraum 6 der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäße Glühstiftkerze kann ferner mit der Dichtungsscheibe 7 abgedichtet sein, um Schmutz und Feuchtigkeit nicht eindringen zu lassen und/oder das optionale keramische Pulver in dem Aufnahmeteil zu halten. Dabei steht der Außendurchmesser der Dichtungsscheibe 7 in Kontakt mit dem Innendurchmesser eines breiten Abschnitts 22 des Stützrohrs 2. Ferner ist die

Dichtungsscheibe 7 bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform als elektrisch isolierende Hülse umgesetzt, in deren Mitte eine Aussparung 71 vorgesehen ist, in welcher der

Anschlussbolzen 4 gelagert angeordnet ist, wodurch der Anschlussbolzen 4 gegenüber dem Stützrohr 2 zusätzlich elektrisch isoliert ist. Auf ein oder mehrere zusätzliche

Isolierkomponenten zwischen dem Anschlussbolzen 4 und dem Stützrohr 2 kann damit verzichtet werden.

Als Einsatzgebiet für eine derartig aufgebaute Glühstiftkerze sind noch weitere

Anwendungsgebiete der oben beschriebenen Stützrohr-Anordnung denkbar, wie zum Beispiel für einen Kraftstoffheizer wie beispielsweise einen Ethanolheizer in einem Flex- Startsystem, oder jede Form von elektrischem Rohrheizkörper, in dem ein nicht isolierter Heizwiderstand in eine Pulverpackung eingebettet ist.