Glühstiftkerze mit einem Glühstift und Verbrennungskraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze mit einem Glühstift zur Anordnung in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, welcher ein Glührohr, eine innerhalb des Glührohrs angeordnete Mittelelektrode und ein innerhalb des Glührohrs angeordnetes Heizmaterial umfasst. Die Erfindung betrifft ferner eine Verbrennungskraftmaschine, welche eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze umfasst.

Stand der Technik

Bekannte Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere Dieselmotoren, für Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise Glühstiftkerzen auf, welche in je einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine hineinragen. Aufgabe der

Glühstiftkerze ist es, den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine derart zu erwärmen, dass eine

Entzündung eines und eine saubere Verbrennung in den Brennraum

eingespritzten Treibstoffs, insbesondere Diesel, erfolgt.

Die Glühstiftkerze ist annähernd kreiszylindrisch ausgeführt und weist ein Außengewinde auf, mittels welchem die Glühstiftkerze in eine Bohrung in der Verbrennungskraftmaschine, welche ein entsprechendes Innengewinde aufweist, eingeschraubt ist. Vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine wird eine Spannung an die Glühstiftkerze angelegt, woraufhin ein Strom durch die

Glühstiftkerze fließt. Besagter Strom bewirkt dann eine Erwärmung eines in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hineinragenden Teils der

Glühstiftkerze. Durch die Erwärmung der Glühstiftkerze erfolgt auch eine

Erwärmung des Brennraums. Aus der Druckschrift DE 10 2006 040 245 AI ist eine gattungsgemäße

Glühstiftkerze zur Anordnung in einem Brennraum einer gattungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine bekannt. Die Glühstiftkerze umfasst dabei ein Heizrohr, eine innerhalb des Heizrohrs angeordnete Mittelelektrode und ein innerhalb des Heizrohrs angeordnetes Heizmaterial. Das Heizmaterial ist dabei keramisch und elektrisch leitend ausgeführt. Bei Anlegen einer Spannung fließt ein Strom durch die Mittelektrode, durch das Heizmaterial und durch das Heizrohr. Dabei erfolgt eine Aufheizung des Heizmaterials. Dabei wird Wärme an das Heizrohr abgegeben, wodurch eine Erwärmung des Brennraums der Verbrennungskraftmaschine erfolgt.

Eine Glühkerze für Brennkraftmaschinen ist auch aus der Druckschrift EP 1 162 407 Bl bekannt. Die Glühkerze umfasst dabei ein Glührohr, eine innerhalb des Glührohrs angeordnete Mittelelektrode und ein innerhalb des Glührohrs angeordnetes Heizmaterial. An einer inneren Mantelfläche des Glührohrs ist eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen. Das Heizmaterial, welches als elektrisch leitfähiges Pulver ausgeführt ist, ist weitgehend in einem von der elektrisch isolierenden Schicht gebildeten Hohlraum angeordnet. Das

Heizmaterial ragt dabei aus dem besagten Hohlraum heraus bis zu einem Endbereich des Glührohrs.

Auch in der Druckschrift DE 26 37 464 AI ist eine Glühkerze für eine

Brennkraftmaschine offenbart. Die Glühkerze umfasst dabei eine Glühhülse, einen innerhalb der Glühhülse angeordneten Glühstift und ein innerhalb der Glühhülse angeordnetes Heizelement. Das Heizelement ist dabei als elektrisch leitfähiges Pulver ausgeführt und umfasst insbesondere Silicium Carbid (SiC) sowie ein weiteres elektrisch leitfähiges Pulver.

Ferner sind durch Benutzung Glühstiftkerzen bekannt, welche als Heizmaterial eine Heizwendel aufweisen. Die Heizwendel ist dabei aus einer metallischen Legierung gefertigt.

Aufgrund immer strenger werdender Gesetzgebung bezüglich des

Kraftstoffverbrauchs und der dabei entstehenden Schadstoff- Emissionen von Verbrennungskraftmaschinen, speziell im Kraftfahrzeugbereich, sind

Weiterentwicklungen der Verbrennungssteuerung sowie weiterer zugehöriger Bauteile, unter anderem auch der Glühstiftkerzen, notwendig. Insbesondere ist es wünschenswert, in verhältnismäßig kurzer Zeit eine ausreichende Erwärmung des Brennraums der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen.

Offenbarung der Erfindung

Es wird eine Glühstiftkerze mit einem Glühstift zur Anordnung in einem

Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, wobei der Glühstift ein Glührohr, eine innerhalb des Glührohrs angeordnete Mittelelektrode und ein innerhalb des Glührohrs angeordnetes Heizmaterial umfasst.

Erfindungsgemäß ist dabei auf einem ersten Teil der Oberfläche der

Mittelelektrode eine Isolierschicht aufgebracht, welche massiv ausgebildet ist. Als massiv wird dabei eine Schicht bezeichnet, die aus einem zusammenhängenden Feststoff besteht. Insbesondere ist die erfindungsgemäß aufgebrachte

Isolierschicht somit kein loses Pulver.

Die Isolierschicht ist vorzugsweise eine temperaturbeständige Keramikschicht, insbesondere auf Basis von Al ₂ 0 ₃ oder MgO. Die Keramikschicht kann beispielsweise gefertigt werden, indem ein Keramikschiicker auf den ersten Teil der Oberfläche der Mittelelektrode aufgerollt und anschließend getrocknet sowie gegebenenfalls entbindert wird. Ebenfalls sind Dipcoating sowie Umwickeln des ersten Teils der Oberfläche der Mittelelektrode mit Keramikpapier denkbar. Auch kann ein vorgesintertes Keramikröhrchen auf die Mittelektrode aufgeschoben werden.

Es ist auch denkbar, die Isolierschicht als eine hochtemperaturbeständige, duktile Si0 ₂ -Beschichtung auszuführen. Innerhalb der Si0 ₂ -Beschichtung können Keramikpartikel vorgesehen sein.

Die Isolierschicht kann unter anderem vorgesintert mit wenigen Sinterbrücken, gesintert mit offener Porosität sowie auch als dicht gesintertes Röhrchen ausgestaltet sein. Vorzugsweise ist ein zweiter Teil der Oberfläche der Mittelelektrode frei von der Isolierschicht. Dadurch kann gezielt ein Strom durch den zweiten Teil der Oberfläche der Mittelektrode zu dem Heizmaterial fließen.

Bevorzugt ist dabei die Mittelektrode zumindest annähernd zylindrisch

ausgebildet, beispielsweise kreiszylindrisch, und eine Stirnseite der

Mittelelektrode ist frei von der Isolierschicht.

Vorzugsweise ist das Glührohr zumindest annähernd hohlzylindrisch ausgebildet, und das Heizmaterial ist zwischen der Stirnseite der Mittelelektrode und einem Boden des Glührohrs angeordnet. Dadurch kann ein Strom durch die Stirnseite der Mittelektrode und über das Heizmaterial zu dem Boden des Glührohrs fließen.

Das Heizmaterial ist vorteilhaft ein elektrisch leitfähiges Pulver. Das elektrisch leitfähige Pulver kann dabei eine Mischung aus einem Stoff mit einem

verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand und einem Stoff mit einem verhältnismäßig geringen elektrischen Widerstand sein. Der Stoff mit dem verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand kann beispielsweise ein Isolator oder ein Halbleiter sein.

Das leitfähige Pulver kann beispielsweise eine FeCrAI-Legierung, eine NiCr- Legierung, ein refraktäres Metall und/oder ein elektrisch leitfähiges Oxid, Carbid, Nitrid, Borid sowie Silicid aufweisen. Beispielhaft seien hier WC, TiC, ZrC, TiN,

ZrN, ZrB ₂ , MoSi ₂ , Cr ₂ 0 ₃ genannt. Auch Mischungen der besagten Stoffe mit Fe- Oxiden sind verwendbar.

Ebenfalls ist es denkbar, leitfähige Kohlenstoffmodifikationen in Pulverform einzusetzen, beispielsweise Graphit oder Carbon Black in Form von

Leitfähigkeitsruß. Vorzugsweise ist dabei an der inneren, also der der

Mittelelektrode zugewandten, Oberfläche des Glührohrs eine Diffusionsbarriere aufgebracht, welche ein Aufkohlen des Glührohrs unterbindet. Alternativ kann das Glührohr aus einem Material gefertigt sein, welches nicht mit Kohlenstoff reagiert. Das als elektrisch leitfähiges Pulver ausgeführte Heizmaterial ist beispielsweise als Schüttung oder als ungesinterter Pulverpressling in dem Glührohr vorgesehen. Eine Komprimierung des elektrisch leitfähigen Pulvers auf eine gewünschte Dichte kann durch eine Reduktion des Durchmessers des Glührohrs und damit einhergehender Reduktion des Volumens des Glührohrs durchgeführt werden. Eine derartige Reduktion des Durchmessers des Glührohrs kann beispielsweise durch Rundhämmern erfolgen.

Die Mittelektrode ist dabei, wie bereits erwähnt, vorzugsweise zumindest annähernd zylindrisch ausgebildet, beispielsweise kreiszylindrisch, und die Isolierschicht ist auf einer Mantelfläche der Mittelelektrode aufgebracht. Somit weist dann die Isolierschicht eine zumindest annähernd hohlzylindrische Gestalt auf.

Die Isolierschicht ist dabei vorzugsweise beabstandet von dem Glührohr angeordnet, das bedeutet, die Isolierschicht und das Glührohr berühren einander nicht. Die Isolierschicht ist also verhältnismäßig dünn ausgeführt, so dass ein Abstand zwischen der Isolierschicht und dem Glührohr verbleibt.

Zwischen der Isolierschicht und dem Glührohr ist vorteilhaft ein Füllmaterial vorgesehen. Das Füllmaterial, welches vorteilhaft in Pulverform vorliegt, dient dabei zur Fixierung und zur Positionierung der Mittelelektrode innerhalb des Glührohrs.

Das Füllmaterial kann als elektrisch leitfähiges Pulver ausgebildet sein.

Insbesondere kann das Füllmaterial aus den gleichen Stoffen bestehen wie das Heizmaterial. In diesem Fall ist nur ein Pulver, beziehungsweise eine

Pulvermischung, innerhalb des Glührohrs erforderlich und vorgesehen, wodurch die Fertigung der Glühstiftkerze vorteilhaft vereinfacht ist.

Das Füllmaterial kann auch als ein elektrisch isolierendes Pulver ausgebildet sein. Das Füllmaterial isoliert somit zusätzlich zu der Isolierschicht den ersten Teil der Oberfläche der Mittelelektrode von dem Glührohr. Ein elektrisch isolierendes Pulver ist insbesondere preisgünstiger als verhältnismäßig teures elektrisch leitfähiges Pulver.

Ferner wird eine Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welche mindestens eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit einem Glühstift umfasst.

Vorteile der Erfindung

Die Isolierschicht verhindert einen unkontrollierten Stromfluss von der

Mittelelektrode zu dem Glührohr. Ein Strom fließt lediglich von einem Teil der Oberfläche der Mittelelektrode, welcher frei von der Isolationsschicht ist, zu dem Glührohr. Dadurch wird gezielt nur ein Bereich des Glühstifts, vorzugsweise dessen Spitze, erwärmt.

Gegenüber einer drahtförmigen Heizwendel hat ein als leitfähiges Pulver ausgeführtes Heizmaterial den Vorteil, dass Materialien mit einem

verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt, die aber verhältnismäßig schwer zu bearbeiten und umzuformen sind, verwendet werden können. Auch kann die Aufheizgeschwindigkeit bei einem als leitfähiges Pulver ausgeführten

Heizmaterial höher sein als bei einer Heizwendel, da Materialien mit höherer Temperaturbeständigkeit eingesetzt werden können.

Durch das Mischen verschiedener Stoffe zu dem leitfähigen Pulver, wobei die Stoffe jeweils unterschiedliche Temperaturkoeffizienten ihres spezifischen elektrischen Widerstands aufweisen, kann ein Heizmaterial mit einem

gewünschten Temperaturverhalten hergestellt werden. Insbesondere sind Heizmaterialien mit PTC-Verhalten, NTC-Verhalten, aber auch mit

temperaturunabhängigem elektrischem Widerstand herstellbar. Das

temperaturunabhängige Verhalten des elektrischen Widerstands ist dabei vorrangig von dem Mischungsverhältnis sowie von der Korngrößenverteilung abhängig.

Durch das Aufbringen der Isolierschicht unmittelbar auf die Mittelektrode ist die Isolierschicht von dem Glührohr beabstandet angeordnet. Somit kann durch Rundhämmern eine Reduktion des Durchmessers des Glührohrs erfolgen, ohne die Isolierschicht dabei zu Beschädigen. Das Rundhämmern zur Reduktion des Durchmessers und damit des Volumens des Glührohrs dient beispielsweise zur Komprimierung des als elektrisch leitfähigen Pulvers ausgeführten Heizmaterials oder des als elektrisch isolierendes Pulver ausgeführten Füllmaterials auf eine gewünschte Dichte.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen in einen Brennraum hineinragenden

Teil eines Glühstifts einer Glühstiftkerze und

Figur 2 eine vergrößerte Darstellung eines Endbereichs des Glühstifts der

Glühstiftkerze aus Fig. 1.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist ein Längsschnitt durch einen Glühstift 10 gezeichnet. Der Glühstift 10 ist in ein mit einem Außengewinde versehenes metallisches Gehäuse eingepresst, welches hier nicht dargestellt ist, und bildet mit diesem zusammen eine Glühstiftkerze. Der Glühstift 10 ragt in den Brennraum einer hier nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine hinein. Die

Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise ein Dieselmotor. Die

Glühstiftkerze umfasst dabei in bekannter Art ein Gehäuse mit Außengewinde, welches mit dem Glühstift 10 verbunden ist, und mittels welchem die

Glühstiftkerze in eine Bohrung in einem Zylinderkopf der nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine eingeschraubt ist. Die Bohrung in dem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine weist dazu ein entsprechendes Innengewinde auf. Der Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine ist aus einem Metall gefertigt und somit elektrisch leitfähig. Auch das Außengewinde der

Glühstiftkerze ist aus einem Metall gefertigt und somit elektrisch leitfähig. Der Glühstift 10 umfasst einen Anschlussbolzen 1, welcher elektrisch leitfähig ist, und welcher zum Anlegen einer Spannung dient. Der Anschlussbolzen 1 ist elektrisch mit einer Mittelelektrode 3 verbunden, welche von dem

Anschlussbolzen 1 weg in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hineinragt. Auch die Mittelelektrode 3 ist elektrisch leitfähig.

Der Glühstift 10 umfasst ferner ein Glührohr 5, welches annähernd konzentrisch um die Mittelelektrode 3 herum angeordnet ist, und welches ebenfalls in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hineinragt. Auch das Glührohr 5 ist elektrisch leitfähig. Das Glührohr 5 ist mechanisch und elektrisch mit dem

Außengewinde der Glühstiftkerze verbunden. Zwischen dem Glührohr 5 und dem Anschlussbolzen 1 ist eine Heizkörperdichtung 2 vorgesehen.

In Figur 2 ist ein Endbereich des Glühstifts 10 vergrößert dargestellt. Figur 2 zeigt dabei den dem Anschlussbolzen 1 abgewandten Endbereich des Glühstifts 10, mit der Stirnseite 13 der Mittelektrode 3 sowie mit dem Boden 15 des Glührohrs 5.

Die Mittelelektrode 3 ist annähernd zylinderförmig ausgestaltet, vorliegend kreiszylinderförmig. Die Mittelelektrode 3 weist eine Stirnseite 13 auf, welche dem Anschlussbolzen 1 abgewandt ist. Eine Mantelfläche 17 der Mittelelektrode 3 ist von einer Isolierschicht 7 umgeben. Die Isolierschicht 7 ist vorliegend eine massive Keramikschicht, welche auf die Mantelfläche 17 der Mittelelektrode 3 aufgebracht ist. Aber auch andere Ausgestaltungen der Isolierschicht 7 sind denkbar.

Das Glührohr 5 ist annähernd hohlzylindrisch ausgestaltet. Das Glührohr 5 weist an seiner der Heizkörperdichtung 2 abgewandten Seite einen Boden 15 auf. Das Glührohr 5 umgibt die Mittelelektrode 3 und die darauf aufgebrachte

Isolierschicht 7 annähernd topfförmig.

Die Stirnseite 13 der Mittelektrode 3 ist in einem Abstand a von dem Boden 15 des Glührohrs 5 angeordnet. Der seitliche Abstand der Stirnseite 13 der

Mittelektrode 3 zu einem seitlichen Bereich des Glührohrs 5 entspricht auch etwa dem besagten Abstand a. Somit ist der Abstand a des nicht isolierten Teils der Mittelelektrode 3 zu der Innenoberfläche des Glührohrs 5 annähernd in jede Richtung konstant. Dadurch ergibt sich bei einem Stromfluss von der

Mittelektrode 3 zu dem Glührohr 5 eine zumindest annähernd gleichmäßige Stromdichteverteilung.

In einem zwischen dem Glührohr 5 und der Mittelektrode 3 befindlichen Freiraum ist ein Heizmaterial 6 angeordnet. Das Heizmaterial 6 befindet sich dabei in einem Bereich zwischen dem Boden 15 des Glührohrs 5 und der Stirnseite 13 der Mittelektrode 3. Vorliegend erstreckt sich das Heizmaterial 6 auch entlang der Isolierschicht 7 von dem Boden 15 des Glührohrs 5 sowie von der Stirnseite 13 der Mittelektrode 3 weg. Anschließend an das Heizmaterial 6 ist in dem zwischen der Mittelelektrode 3 und dem Glührohr 5 vorhandenen Freiraum ein Füllmaterial 4 angeordnet. Das Füllmaterial 4 erstreckt sich dabei in dem besagten Freiraum zwischen der Isolierschicht 7 und dem Glührohr 5 bis annähernd zu der Heizkörperdichtung 2.

Das Heizmaterial 6 ist als elektrisch leitfähiges Pulver ausgeführt. Das

Heizmaterial 6 umfasst eine Mischung aus einem Pulver mit einem

verhältnismäßig hohen elektrischen Widerstand sowie einem Pulver mit einem verhältnismäßig geringen elektrischen Widerstand. Das Heizmaterial 6 hat somit einen von dem Mischungsverhältnis und den Korngrößenverteilungen des höherohmigen und niederohmigen Pulvers abhängigen, genau definierten elektrischen Widerstand.

Zum Betrieb der Glühstiftkerze, also vor dem Starten der

Verbrennungskraftmaschine, wird eine Spannung an den Glühstift 10 angelegt. Insbesondere wird die Spannung dabei zwischen dem Anschlussbolzen 1 des Glühstifts 10 und dem metallischen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine angelegt.

Durch Anlegen der besagten Spannung fließt ein Strom durch den

Anschlussbolzen 1 hindurch zu der Mittelelektrode 3. Von der Mittelelektrode 3 fließt der Strom weiter durch das Heizmaterial 6 zu dem Glührohr 5. Von dem Glührohr 5 fließt der Strom weiter über das Außengewinde der Glühstiftkerze zu dem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine.

Der Anschlussbolzen 1, die Mittelelektrode 3, das Glührohr 5 sowie der metallische Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine sind, wie bereits erwähnt, elektrisch leitfähig und weisen jeweils einen verhältnismäßig geringen elektrischen Widerstand auf. Das Heizmaterial 6 ist zwar ebenfalls elektrisch leitfähig, weist aber einen höheren elektrischen Widerstand auf. Dadurch ergibt sich ein Spannungsabfall insbesondere über dem Heizmaterial 6. Somit wird von dem fließenden Strom eine Leistung an das Heizmaterial 6 abgegeben, welches dadurch aufgeheizt wird. Das Heizmaterial 6 gibt dabei die Wärme an den Boden 15 sowie an einen Teil der Seite des Glührohrs 5 ab. Dadurch erwärmt sich das Glührohr 5, und damit erfolgt eine Erwärmung des Brennraums der

Verbrennungskraftmaschine.

Die auf die Mantelfläche 17 der Mittelelektrode 3 aufgebrachte Isolierschicht 7 verhindert einen unkontrollierten Stromfluss von der Mittelelektrode 3 zu dem Glührohr 5. Der besagte Strom fließt ausschließlich in einem Bereich der Stirnseite 13 der Mittelelektrode 3 zu dem Boden 15 des Glührohrs 5, sowie zu benachbart seitlich gelegenen Bereichen des Glührohrs 5. Der Strom fließt damit nur lokal in dem Bereich der Stirnseite 13 der Mittelelektrode 3.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen des fachmännischen Handelns liegen.