Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine. Speziell betrifft die Erfindung eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Vor-, Wirbel- oder Brennkammer einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine .

Aus der DE 196 30 208 Al ist eine Glühstiftkerze mit einem Gehäuse und einem mit dem Gehäuse verbundenen Glührohr bekannt. Dabei ist innerhalb des Glührohrs eine Drahtwendelanordnung vorgesehen, die als Heizelement dient. Die Drahtwendelanordnung ist dabei in einem Isolierstoff angeordnet .

Die aus der DE 196 30 208 Al bekannte Glühstiftkerze hat den Nachteil, dass die Heizwendelanordnung einer erheblichen thermischen Belastung ausgesetzt ist, was die Lebensdauer der Glühstiftkerze begrenzt. Ferner wird die Aufheizgeschwindigkeit und die maximal erreichbare Glühtemperatur durch die begrenzte thermische Belastbarkeit

der Drahtwendelanordnung begrenzt. Außerdem kann es auf Grund mechanischer Erschütterungen zu einem Bruch der Drahtwendelanordnung kommen. Die bekannte Glühstiftkerze weist daher eine begrenzte mechanische Widerstandsfähigkeit auf.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die thermische und die mechanische Belastbarkeit der Glühstiftkerze verbessert sind. Dabei ermöglicht das keramische Heizelement eine hohe Aufheizgeschwindigkeit und eine hohe Betriebstemperatur der Glühstiftkerze. Die Kombination des keramischen Heizelements mit dem umgebenden Glührohr gewährleistet eine hohe mechanische Belastbarkeit. Ferner eignet sich die erfindungsgemäße Glühstiftkerze besonders zur Anordnung in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine. Insbesondere bei kleinvolumigen Brennkammern kann eine Anordnung der Glühstiftkerze in der Nähe eines Einspritzventils erforderlich oder von Vorteil sein. Allerdings kann dadurch zumindest bei gewissen Betriebspunkten eine Benetzung der Glühstiftkerze mit unverbranntem Brennstoff auftreten. Gegebenenfalls kann die Glühstiftkerze auch direkt von dem eingespritzten Brennstoffstrahl getroffen werden. Das Glührohr der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze gewährleistet einen Schutz für das keramische Heizelement, so dass eine Beschädigung des Heizelementes verhindert ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Glühstiftkerze möglich.

In vorteilhafter Weise ist das Heizelement als stabförmiges Heizelement ausgebildet, wobei sich das Heizelement zumindest durch einen Teil eines Innenraums des Glührohrs erstreckt. Dabei ist eine einfache Formgebung für das keramische Heizelement möglich. Speziell der Glühkörper wird vorzugsweise ohne scharfkantige übergänge, die riss- oder bruchanfällig sind, hergestellt. Die Herstellung kann durch Extrudieren oder Transfermolding erfolgen, wobei eine Nachbehandlung durch Schleifen oder dergleichen möglich ist. Das Heizelement kann auch aus mehreren stabförmigen, insbesondere zylindrischen, Elementen bestehen, die parallel zueinander angeordnet sind. Das Heizelement kann beispielsweise aus MoSi2/Polysiloxan hergestellt sein.

In vorteilhafter Weise ist ein zwischen dem Heizelement und einer Innenwand des Glührohres ausgebildeter Zwischenraum mit einem wärmeleitenden Wärmeleitmittel aufgefüllt. Das Wärmeleitmittel ist vorzugsweise elektrisch isolierend und kann durch eine Pulverpackung, beispielsweise aus Magnesiumoxidpulver, gebildet sein. Durch die Einbettung des Heizelementes in eine Pulverpackung oder dergleichen wird eine stoß- und schlagfeste Lagerung des Heizelementes ermöglicht, wodurch die mechanische Widerstandsfähigkeit der Glühstiftkerze verbessert wird. Speziell können dadurch Heizelemente eingesetzt werden, die einer hohen Temperaturbelastung standhalten, aus einem kostengünstigen Material bestehen und/oder mit einem kostengünstigen Herstellungsverfahren hergestellt worden sind, aber gegebenenfalls eine geringe Biegefestigkeit, Thermoschockgüte und dergleichen aufweisen. Durch das Wärmeleitmittel kann auch ein gleichmäßiger Wärmetransport an das Heizelement gewährleistet werden, wodurch die Nachteile bestimmter Materialien für das Heizelement überwunden werden können.

Vorteilhaft ist es, dass das Heizelement zumindest mittelbar mit einer an einer Spitze des Glührohres ausgebildeten Innenfläche des Glührohres mit dem Glührohr verbunden ist. Das Heizelement kann dadurch einmal am kammerseitigen Ende und einmal am kammerfernen Ende kontaktiert werden, wodurch ein einfacher Aufbau des Heizelementes möglich ist. Das Gehäuse der Glühstiftkerze ist vorzugsweise auf Masse (0 V) gelegt, so dass der durch das Heizelement fließende Strom über das mit dem Gehäuse verbundene Glührohr abfließen kann.

Ferner ist es vorteilhaft, dass ein Leitelement vorgesehen ist, welches einerseits in das keramische Heizelement eingebettet ist und welches andererseits mit der Innenfläche an der Spitze des Glührohres verbunden ist. Das Leitelement, das durch einen Leitdraht oder eine Leitschicht gebildet sein kann, kann im Bereich der Innenfläche mit der Spitze des Glührohres verlötet, verschweißt oder auf ähnliche Weise verbunden sein. Dadurch ist eine kostengünstige Lösung zur Verbindung des Heizelementes mit der Spitze des Glührohres gegeben.

Vorteilhaft ist es auch, dass in einem zwischen dem Heizelement und einer Innenwand des Glührohres ausgebildeten Zwischenraum im Bereich der Spitze des Glührohres ein elektrisch leitendes Leitmittel vorgesehen ist. Das Leitmittel kann zusätzlich oder alternativ zu dem Leitelement einen elektrischen Kontakt mit der Spitze des Glührohres schaffen. Dabei kann das Leitmittel auch eine bewegbare elektrische Verbindung zwischen dem Heizelement und der Spitze schaffen, zum Beispiel indem das Leitmittel aus einem leitenden Pulver oder einer gemahlenen, elektrisch leitenden Keramik besteht. Dadurch wird auch nach Erschütterungen und

dergleichen ein zuverlässiger elektrischer Kontakt gewährleistet. Ferner kann dadurch, dass das Heizelement auch im Bereich der Spitze bewegbar angeordnet ist, eine Beschädigung des Heizelementes bei einer Erschütterung oder dergleichen verhindert werden.

Zeichnung

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze in einer axialen Schnittdarstellung;

Fig. 2 den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 3 den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Glühstiftkerze 1 in einer axialen, schematischen Schnittdarstellung. Die Glühstiftkerze 1 kann insbesondere als Glühstiftkerze 1 für eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine ausgestaltet sein. Ein Heizkörper 2 der Glühstiftkerze 1 ragt bei Vor- und Wirbelkammermotoren in die Kammer der Brennkraftmaschine und bei Motoren mit Direkteinspritzung in eine Brennkammer des Motors. Bei dem in Fig. 1 dargestellten

Ausführungsbeispiel ist die Anordnung in einer Brennkammer 3 des Motors dargestellt. Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle .

Die Glühstiftkerze 1 weist ein metallisches Gehäuse 4 auf. Das Gehäuse 4 weist eine konzentrische Durchgangsbohrung 5 auf, wobei der Heizkörper 2 teilweise innerhalb des Gehäuses 4 angeordnet ist und von dem Gehäuse 4 gehalten wird. Der Heizkörper 2 der Glühstiftkerze 1 weist ein Glührohr 6 auf, das im Bereich einer kammerseitigen öffnung 7 des Gehäuses 4 beispielsweise durch eine Schweißverbindung mit dem Gehäuse 4 verbunden ist. Das Gehäuse 4 weist ein Außengewinde 8 auf, mittels dem die Glühstiftkerze 1 in eine Bohrung der Brennkraftmaschine einschraubbar ist. Dadurch ist das Gehäuse 4 gewöhnlich mit Masse (0 V) verbunden, so dass auch das elektrisch mit dem Gehäuse 4 verbundene Glührohr 6 auf Masse liegt .

Die Glühstiftkerze 1 weist ferner einen Anschlussbolzen 10 auf, der weitgehend innerhalb der Durchgangsbohrung 5 angeordnet ist. Im Bereich eines kammerfernen Endes 11 der Glühstiftkerze 1 ist der Anschlussbolzen 10 in eine Anschlussvorrichtung 12 eingeschraubt, die zum Anschließen einer elektrischen Zuleitung an die Glühstiftkerze 1 dient, um eine Betriebsspannung an die Glühstiftkerze 1 anzulegen. Der Anschlussbolzen 10 und die Anschlussvorrichtung 12 sind über ein elektrisch isolierendes Dichtelement 13 gegenüber dem Gehäuse 4 elektrisch isoliert, wobei das Dichtelement 13 den durch die Durchgangsbohrung 5 gegebenen Innenraum 5 des Gehäuses 4 zusätzlich von dem kammerfernen Ende 11 her abdichtet. Die Abdichtung an der kammerseitigen öffnung 7 ist über die Schweißnaht gegeben. Das Glührohr 6 kann auch in das

Gehäuse 4 eingepresst sein. Die Schweißnaht kann dann auch entfallen.

Der Heizkörper 2 der Glühstiftkerze 1 weist ein keramisches Heizelement 15 auf, das innerhalb des mit dem Gehäuse 4 verbundenen Glührohrs 6 angeordnet ist. An einem kammerfernen Ende 16 des keramischen Heizelements 15 des Heizkörpers 2 weist das keramische Heizelement 15 einen verringerten Querschnitt, insbesondere einen verringerten Durchmesser, auf, um das keramische Heizelement 15 zum elektrischen Verbinden mit dem Anschlussbolzen 10 in eine Bohrung des Anschlussbolzens 10 einzubringen. Hierbei kann das keramische Heizelement 15 an seinem kammerfernen Ende 16 auch mit einer geeigneten Beschichtung versehen sein. Die Verbindung zwischen dem Anschlussbolzen 10 und dem keramischen Heizelement 15 kann jedoch auch mittels eines Drahts, einer Feder, durch Anlöten oder mittels einer druckunempfindlichen, etwas verformbaren Kontaktpille, die beispielsweise aus Graphit besteht, erfolgen. Das keramische Heizelement 15 kann an seinem kammerfernen Ende 16 auch in die Bohrung des Anschlussbolzens 10 eingepresst sein.

Der Heizkörper 2 weist an seinem kammerseitigen Ende 17 eine Spitze 18 auf. Zur Spitze 18 hin verengt sich das Glührohr 6 konisch und ist an der Spitze 18 abgerundet ausgestaltet. Im Bereich der Spitze 18 weist das keramische Heizelement 15 einen konischen Abschnitt 19 auf, wobei der konische Abschnitt 19 an einer Stirnfläche 20 des Heizelementes 15 endet. Das Glührohr 6 kann aber auch anders ausgestaltet sein, insbesondere ohne einen konischen Abschnitt. Das Glührohr 6 weist eine Innenfläche 21 auf. Die Stirnfläche 20 des Heizelementes 15 liegt an einem Spitzenbereich 22 der Innenfläche 21 an, wobei der Spitzenbereich 22 an der

Innenseite der Spitze 18 ausgebildet ist. Zur Verbesserung der elektrisch leitenden Verbindung im übergangsbereich von der Stirnfläche 20 auf den Spitzenbereich 22 der Innenfläche 21 kann eine zusätzliche Beschichtung der Stirnfläche 20 und/oder der Innenfläche 21 im Spitzenbereich 22 vorgesehen sein. Die Kontaktierung kann durch eine Tampoprint- Kontaktierung oder eine Aktivlot-Kontaktierung verbessert werden oder zum Beispiel durch einen angeschweißten Draht ausgebildet sein. Durch die elektrische Verbindung wird das keramische Heizelement 15 am kammerseitigen Ende 17 mit der Spitze 18 elektrisch verbunden, so dass ein Abfluss des Stromes über das Glührohr 6 und das Gehäuse 4 der Glühstiftkerze 1 gewährleistet ist. Dabei kann das keramische Heizelement 15 in axialer Richtung auch etwas vorgespannt sein oder mit einer Spannkraft beaufschlagt werden. Hierfür eignet sich insbesondere eine federnde Lagerung des Heizelementes 15 an dem Anschlussbolzen 10, beispielsweise durch eine Kontaktpille oder eine Feder.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen der Innenfläche 21 des Glührohres 6 und dem keramischen Heizelement 15 ein Zwischenraum 25 ausgebildet, der sich von dem Anschlussbolzen 10 bis zur Spitze 18 erstreckt. Der Zwischenraum 25 ist mit einem Wärmeleitmittel 26 gefüllt, wobei das Wärmeleitmittel 26 aus einem Magnesiumoxidpulver besteht. Ferner ist der Zwischenraum 25 zum kammerfernen Ende 11 hin mittels eines Dichtelementes 27 verschlossen, wobei das Dichtelement 27 zwischen dem Anschlussbolzen 10 und der Innenfläche 21 des Glührohres 6 vorgesehen ist.

Das Wärmeleitmittel 26 leitet die beim Betrieb der Glühstiftkerze 1 von dem keramischen Heizelement 15 erzeugte Wärme an das umgebende Glührohr 6. Außerdem gewährleistet das

Wärmeleitmittel 6 eine stoß- und erschütterungsfeste Lagerung für das Heizelement 15. Das Wärmeleitmittel 26 ist dabei elektrisch isolierend, so dass der Stromkreis über die Spitze 18 geschlossen ist. Das Wärmeleitmittel 26 kann allerdings auch elektrisch leitend ausgebildet sein, wenn eine geeignete, beispielsweise aus Glas bestehende Isolierschicht vorgesehen ist, die zum Beispiel an dem Heizelement 15 vorgesehen ist.

In dem Brennraum 3 der Brennkraftmaschine ist außerdem ein Brennstoffeinspritzventil 28 angeordnet, das in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Beim Einspritzen von Brennstoff, insbesondere Dieselbrennstoff, kann der Einspritzbereich durch eine Kegelmantelfläche begrenzt sein, die in der Fig. 1 durch die unterbrochen dargestellte Linie 29 angedeutet ist. Insbesondere bei kleinvolumigen Brennkammern 3 kann der Heizkörper 2 der Glühstiftkerze 1 teilweise in den Einspritzbereich ragen, wie es in der Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Bei einer Einspritzung von Brennstoff kommt es daher zur Benetzung des Glührohres 6 mit unverbranntem Brennstoff, so dass unterstützt durch die nachfolgende Verbrennung chemische und thermische Belastungen auftreten. Das metallische Glührohr 6 hält diesen Belastungen länger Stand. Außerdem wird durch das keramische Heizelement 15 ein Betrieb der Glühstiftkerze 1 auch mit sehr hohen Temperaturen ermöglicht, wobei ein effektiver Schutz für das keramische Material des Heizelementes 15 auf Grund des metallischen Glührohres 6 besteht.

Fig. 2 zeigt den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung. Bereits beschriebene Elemente sind in

allen Figuren mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen, wodurch sich eine wiederholende Beschreibung erübrigt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Stirnfläche 20 etwas von der Innenfläche 21 im Spitzenbereich 22 beabstandet. Dadurch ist auch der Bereich zwischen der Stirnfläche 20 und dem Spitzenbereich 22 mit dem wärmeleitenden Wärmeleitmittel 26 gefüllt. Erschütterungen, die im Bereich der Spitze 18 auftreten, werden daher ebenfalls durch das Wärmeleitmittel 26 gedämpft, so dass die mechanische Belastung des Heizelementes 15 weiter verringert ist. In den konischen Abschnitt 19 des keramischen Heizelementes 15 ist ein Leitelement 35, insbesondere ein Leitdraht 35, teilweise eingebettet. Der Leitdraht 35 ragt dabei aus der Stirnfläche 20 des Heizelementes 15 heraus und ist an den Spitzenbereich 22 des Glührohres 6 geführt und mit der Spitze 18 im Spitzenbereich 22 mittels einer Lötverbindung 36, durch Schweißen oder dergleichen, verbunden. Das keramische Heizelement 15 ist daher am kammerseitigen Ende 17 mittels des Leitelements 35 mit der Spitze 18 elektrisch verbunden. Das metallische Glührohr 6 kann beispielsweise aus einer Legierung bestehen, die Nickel, Chrom und Eisen umfasst. Dadurch wird ein vorteilhafter Schutz bezüglich mechanischer und thermischer Belastungen für das keramische Heizelement 15 gewährleistet. Dabei kann das Glührohr 6 auch einen kleinen Querschnitt, insbesondere kleinen Durchmesser, aufweisen. Der Durchmesser kann beispielsweise 4,0 mm oder kleiner sein.

Fig. 3 zeigt den in Fig. 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel in einer schematischen Schnittdarstellung. Bei dem in Fig. 3 dargestellten dritten

Ausführungsbeispiel ist die Stirnfläche 20 entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ebenfalls von der Innenfläche 21 im Spitzenbereich 22 beabstandet. Allerdings ist der Zwischenraum 25 zum kammerseitigen Ende 17 hin mit einem Leitmittel 37 gefüllt. Das Leitmittel 37 ist dabei um einen Teil des konischen Abschnitts 19 des Heizelements 15 und im Bereich der Stirnfläche 20 angeordnet. Das Leitmittel 37 ist elektrisch leitend und gewährleistet eine elektrische Verbindung zwischen der Spitze 18 und dem keramischen Heizelement 15. Dabei kann das keramische Heizelement 15 beispielsweise im konischen Abschnitt 19 mit einer Beschichtung versehen sein, um den Kontaktwiderstand zwischen dem keramischen Heizelement 15 und dem Leitmittel 37 zu verringern. Entsprechend kann auch die Innenfläche 21, insbesondere im Spitzenbereich 22, mit einer geeigneten Beschichtung versehen sein. Das Leitmittel 37 kann aus einer Vielzahl gegeneinander bewegbarer Partikel gebildet sein, um eine gewisse Bewegbarkeit des Heizelements 15 auch im Bereich des konischen Abschnitts 19 zu ermöglichen. Dadurch können auf das Glührohr 6 einwirkende mechanische Einwirkungen vorteilhaft gedämpft werden. Das Leitmittel 37 kann eine Presspackung aus einem Metall- oder Zermetpulver sowie eine Panatpackung aufweisen.

Das Leitmittel 37 und/oder das Wärmeleitmittel 26 können auch aus einer Flüssigkeit bestehen. Außerdem kann das Wärmeleitmittel 26 aus einem hochtemperaturbeständigen Kunstharz, insbesondere einem Gießharz, das nach der Verarbeitung aushärtet, bestehen. Sofern das Wärmeleitmittel 26 formfest ausgebildet ist, kann das Dichtelement 27 auch entfallen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.