DE19920758C1 - Glühkerze und Verfahren zur Herstellung derselben - Google Patents
Glühkerze und Verfahren zur Herstellung derselbenInfo
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Abstract
Glühkerze mit einem Heizstab, in den ein Innenpol, verbunden mit Heiz- und ggf. Regelelementen, führt, und einem Außenpol, wobei der Außenpol die Wandung des von anliegenden Bauteilen des Kerzenkörpers elektrisch isolierten Heizstabes (2) ist, wobei der Körper (1) aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial besteht.
Description
Die Erfindung betrifft eine Glühkerze nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung
dieser Glühkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Eine Glühkerze der gattungsgemäßen Art ist aus der
DE 37 13 532 C2 bekannt.
Aus der gängigen Praxis ist darüberhinaus bekannt,
Glühkerzen mit einem Heizstab aus Metall mit innenliegendem
Innenpol und mit metallenem Glühkerzenkörper derart auszu
bilden, daß zwischen Heizstabwandung und Glühkerzenkörper
eine hitzebeständige elektrische Isolierung in Form einer
Glaseinschmelzung eingebracht ist. Hierbei werden der Glüh
kerzenkörper aus Metall und der Heizstab aus Metall mit
ihrem jeweiligen Anschluß sowie zwischen Glühkerzenkörper
und Heizstab befindliche Glasröhrchen in eine Graphitform
eingebracht und in einem Ofen erwärmt, bis das Glas
schmilzt. Die Anschlüsse werden durch keramische Röhrchen
gegeneinander elektrisch isoliert. Nach Abkühlung und Er
starrung der Glasschmelze ist der Glühkerzenkörper gegen den
Heizstab und die Anschlüsse isoliert fixiert. Bei diesem
aufwendigen Fertigungsverfahren muß die Behandlung in einem
Ofen erfolgen, wodurch unter anderem auch der Einsatz hitze
beständiger Werkstoffe nötig ist. Baupräzision und Funk
tionsqualität sind bei dieser Verfahrensweise nicht ohne
weiteres zu gewährleisten, da beispielsweise während des
Verfahrens der Verzug der Bauteile möglich ist. Der eben
geschilderte technische Aufwand der Erstellung der Glühker
zen dieser Art entspricht dem wirtschaftlichen Aufwand.
Es wurde ebenfalls vorgeschlagen, zumindest den Heiz
stab aus Keramikmaterial herzustellen; hierbei muß in einem
mehrstufigen Fertigungsprozeß, für den Spezialwerkzeuge und
Vorrichtungen notwendig sind, die Keramik zu dem Heizstab
geformt, zusammengesetzt, gebrannt und geschliffen werden.
Darüberhinaus muß der Keramikheizstab mit einem Stützrohr
verbunden werden und kann erst dann in einer konventionellen
Montage zu einer fertigen Glühkerze verbaut werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Umge
hung der aus dem Stand der Technik bekannten Probleme eine
Glühkerze zur Verfügung zu stellen, die üblicherweise unter
Vermeidung spezieller teurer und aufwendiger Fertigungsver
fahren herstellbar ist, eine relativ große, definierte Elek
trode zur Verfügung stellt, hohe konstruktive Präzision und
funktionelle Qualität besitzt und, insbesondere bei kombi
nierter Verwendung zur Ionenstrommessung zu verbesserten und
zuverlässigeren Meßsignalen führt.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 bzw. 8
angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 bzw. 9 bis
13 angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein teilweiser schematischer Längsschnitt durch
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze;
Fig. 2 der teilweise schematische Längsschnitt einer
anderen erfindungsgemäßen Glühkerze;
Fig. 3 der teilweise schematische Längsschnitt einer
erfindungsgemäßen Glühkerze mit separater Ionenstrommeßhül
se;
Fig. 4 der teilweise Längsschnitt durch eine abgewan
delte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze nach
Fig. 3;
Fig. 5 der teilweise Längsschnitt durch eine weitere
erfindungsgemäße Ausführungsform;
Fig. 6 der Längsschnitt durch den anschlußseitigen
Endbereich des Heizstabes einer Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Glühkerze;
Fig. 7 der teilweise Längsschnitt durch den anschluß
seitigen Endbereich des Heizstabes einer anderen Ausfüh
rungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze;
Fig. 8 eine schematische Darstellung des Anschlußbe
reichs einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 9 der teilweise Querschnitt durch eine weitere
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze;
Fig. 10 der teilweise Querschnitt durch eine weitere
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze;
Fig. 11 der schematische teilweise Längsschnitt durch
eine Anordnung mit erfindungsgemäßer Glühkerze;
Gemäß Fig. 1 besitzt die abgebildete Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Glühkerze einen üblichen Glühkerzen
körper 1, der jedoch aus wärmebeständigen, elektrisch nicht
leitendem Kunststoffmaterial besteht und mit einem üblichen
Heizstab 2 aus Metall, der in üblicher Weise mit einem in
nenliegenden Innenpol (nicht abgebildet) und damit verbunde
nen Heiz- und ggf. Regelelementen versehen ist.
Im Preßsitzbereich des Körpers 1 auf dem Heizstab 2
können Nuten, Einkerbungen u. ä. in dem Heizstab 2 ausgebil
det sein, in die korrespondierende Grate u. ä. des Körpers 1
eingreifen.
Die Herstellung dieser erfindungsgemäßen Glühkerze kann
beispielsweise durch Einpressen des üblichen Heizstabes 2 in
den Kunststoffkörper 1 oder durch Umspritzen des Heizstabes
2 mit der Kunststoffmasse für den Körper 1 erfolgen.
Die Anschlüsse 3, 4 mit Innenpol bzw. Heizstabwandung
werden als Kabelanschlüsse aus dem anschlußseitigen Endbe
reich der Glühkerze herausgeführt.
Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 weist einen Körper 1
aus Metall und einen üblichen Heizstab 2 auf; zwischen der
Außenwandung des Heizstabes 2 und der Bohrung für den Heiz
stab 2 in Körper 1 ist eine Kunststoffisolierung 5, bei
spielsweise aus thermoplastischem oder duroplastischem iso
lierenden und hitzebeständigem Material eingebracht, wobei
in der Innenwand der Heizstabbohrung im Körper 1 und/oder
auf der Außenwand des Heizstabes 2 bevorzugt Nuten oder
Rillen vorgesehen sind, in das das Kunststoffmaterial ins
besondere dann eindringt, wenn die Härtung des Materials in
dem Ringspalt zwischen Körper 1 und Heizstab 2 bei vormon
tierter Einheit aus Heizstab 2 und Körper 1 erfolgt. Ebenso
kann bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glüh
kerze der Kunststoff im Kontaktbereich zum Körper 1 auf
Heizstab 2 oder auf die Innenwandung der Heizstabbohrung im
Körper 1 aufgebracht werden, worauf dann Heizstab 2 und
Körper 1 durch Reduzieren, Einpressen oder Einziehen mitein
ander fest verbunden werden. Es kann ebenfalls vorteilhaft
sein, den Dichtsitz 1a mit der Isolierung 5 zu überdecken,
so daß die Isolierung 5 nach Einbau der Kerze zusätzlich
zwischen Kerzenkörper 1 und Zylinderkopf fixiert ist. Die
Isolierung 5 besteht vorzugsweise aus temperaturbeständigen
Kunststoff mit guten Dichteigenschaften wie Teflon oder Ves
pel.
Die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühkerze
gemäß Fig. 3 besitzt eine separate Ionenstrommeßhülse 6,
die bis in den Verbrennungsbereich vorragt und sowohl gegen
den Körper 1 durch Isolierung 5 als auch gegen den Heizstab
2 durch Isolierung 7 elektrisch isoliert ist. Der Anschluß
der Wandung des Heizstabes 2 erfolgt über Anschluß 4 in
Rohrform, wobei ein O-Ring 8 gegen den Innenpol 3 isoliert.
Der Körper 1 wird beispielsweise zusammen mit der Io
nenstrommeßhülse 6 und dem rohrförmigen Außenpol 4 in einem
Spritzgießwerkzeug fixiert, in dann das isolierende Kunst
stoffmaterial, beispielsweise ein geeignetes Harz oder Ther
moplast, eingebracht wird, so daß dieses dann neben der
mechanischen Fixierung die Isolierung 5 der Ionenstrommeß
hülse 6 gegen den Körper 1 auch die Isolierung 5 der Ionen
strommeßhülse 6 gegen den rohrförmigen Außenpol 4 darstellt.
Zu diesem Zweck ist die Ionenstrommeßhülse 6 perforiert,
damit die Kunststoffmasse in alle Bereiche vordringen bzw.
die eingeschlossene Luft entweichen kann. Zusätzlich ist der
Heizstab 2 im Bereich der Kontaktfläche zur Ionenstrommeß
hülse 6 beispielsweise keramisch beschichtet 7. Der Heizstab
2 kann dann über Einziehen, Reduzieren oder Rollen mit der
Ionenstrommeßhülse 6 fest verbunden werden. Die Isolierung
der Ionenstrommeßhülse 6 gegenüber dem Heizstab 2 ist durch
die beispielsweise keramische Beschichtung 7 gewährleistet.
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform wird in
Fig. 4 wiedergegeben, die der gemäß Fig. 3 entspricht,
wobei jedoch das rohrförmige Kontaktrohr 4 als Außenpol
entfällt, und wobei die rohrförmige Heizstabwandung als
Außenpol-Anschlußelement 9 aus dem Körper herausgeführt ist.
Fig. 5 gibt eine andere erfindungsgemäße Ausführungs
form wieder, wobei eine teilweise, elektrisch isolierende
keramische Beschichtung 7 auf dem aus dem Körper 1 austre
tende Bereich des Heizstabes 2 bis beispielsweise etwa 5 mm
unterhalb von dessem Kopfende aufgebracht ist; dieser Kopf
bereich, der den eigentlichen Zündbereich darstellt, kann
durch Abdeckung während des Beschichtens von Beschichtung
freigehalten werden. Hierdurch wird eine definierte Ionen
stromelektrode im Kopfbereich des Heizstabes 2 ausgebildet,
die zusammen mit der Gegenelektrode, die in der Regel die
Masse des angeschlossenen Zylinderkopfes ist, ein definier
tes elektrisches Feld ausbildet in dessen Einflußbereich der
Ionenstrom erfaßt werden kann. Diese "Formung" des elektri
schen Feldes kann durch die Anbringung zum Beispiel eines
als Ring ausgebildeten Formkörpers 10, der am Kopf des Heiz
stabes 2 angebracht ist, unterstützt werden. Alternativ
hierzu kann eine solche Aufformung auch als integrale Aus
formung des vorderen Bereichs des Heizstabes 2 ausgebildet
sein.
In Fig. 6 wird eine neuartige Anschlußvariation, ins
besondere für Glühkerzen gemäß Erfindung, wiedergegeben, bei
der der Anschluß des Heizstabes 2 über ein Kontaktrohr 4
erfolgt, wobei dieses Kontaktrohr 4 in eine Aufbohrung des
Endbereichs des Heizstabes 2 eingebracht ist; zum Abschluß
des Innenraumes des Heizstabes 2 ist ein O-Ring 8 vorgese
hen, der zusammen mit dem Kontaktrohr 4 im anschlußseitigen
Endbereich des Heizstabes 2 eingesetzt bzw. einreduziert
wird.
Bei einer anderen erfindungsgemäßen Gestaltung des
Heizstabanschlusses gemäß Fig. 7 ist ein Kontaktrohr 4,
beispielsweise durch Impulsschweißen, konzentrisch auf der
Stirnfläche des anschlußseitigen Endbereichs des Heizstabes
2 fixiert; zwischen Kontaktrohr 4 und Innenpol 3 ist die
Isolierung 11 in Form eines Isolierrohrs oder einer Isolier
masse, beispielsweise MgO vorgesehen; der O-Ring 8 wiederum
isoliert und fixiert den Innenpol 3 gegenüber dem Heizstab 2
und dichtet gleichzeitig den Innenraum des Heizstabes 2 ab.
Gemäß Fig. 8 kann ein zwei- oder mehrpoliger Stecker
12 über den mit einer Mutter 13 befestigten - bereits se
rienmäßig verbauter - Schraubanschluß 14 mit einer Glühkerze
verbunden werden, bei der der Anschluß des Innenpols 3 wie
ein konventioneller Innenpol mit Gewindeabschluß und der
Anschluß des Heizstabes 2 als über den Körper 1 hinausragen
des Metallrohr mit Bund ausgebildet ist.
Gemäß Fig. 9 besitzt eine weitere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Glühkerze eine isolierende, hitzebeständi
ge Schicht 7, beispielsweise aus Keramik, im Bereich des in
den Brennraum ragenden Teils des Heizstabes 2 und schließt
bevorzugt an die Isolation 5 zwischen Heizstab 2 und Körper
1 an. Diese Schicht überdeckt jedoch die Heizstabspitze,
beispielsweise über einen Bereich von etwa 5 bis 10 mm,
soweit sie den eigentlichen Zündbereich bildet, nicht. Hier
durch wird erreicht, daß die Nebenschlußgefahr durch Ver
minderung oder Verhinderung von Rußbildung auf der tempe
raturbeständigen isolierenden Schicht 24 verhindert wird.
Meßsignale, z. B. bezüglich des Ionenstroms können von dem
nicht isolierten Spitzenbereich des Heizstabes 2, der den
eigentlichen Zündbereich bildet, über den Zylinderkopf ge
nommen werden; in diesem Bereich wird der Ruß infolge der
Umgebungstemperatur oder der Heizstabtemperatur beim Glühbe
trieb abgebrannt.
In entsprechender Weise wie bei der Ausführungsform
gemäß Fig. 9 ist bei einer anderen Ausführungsform gemäß
Fig. 10 anstelle der Keramikschicht eine katalytische
Schicht 20 aufgebracht, die das Abbrennen der Rußschicht in
diesem Heizstabbereich geringerer Temperatur katalysiert;
geeignete Bestandteile einer solchen katalytischen Schicht
20 können Platin oder Palladium oder deren hitzebeständige
Verbindungen oder Legierungen sein.
Eine erfindungsgemäße Anordnung gemäß Fig. 11 weist
eine erfindungsgemäße Glühkerze auf, wobei die Kerze in
einem Zylinderkopf 22 aus Keramik oder einem anderen isolie
renden temperaturbeständigen Material angeordnet ist und
wobei der Ionenstrom beispielsweise zwischen Heizstab 2 und
Injektor 23 gemessen werden kann.
Die erfindungsgemäßen Vorteile bestehen in den einfa
chen Fertigungsverfahren, die zur Massenproduktion geeignet
und in die bisher übliche Fertigung integrierbar sind; die
erfindungsgemäßen Glühkerzen zeichnen sich durch geringe
Form- und Lagerabweichungen der Bauteile, insbesondere des
Innenpols aus, wobei die verschiedenen Bauteile und Baustof
fe wie abdichtende Bauteile und Isoliermassen den unter
schiedlichen Betriebstemperaturen des jeweiligen Glühkerzen
bereichs angepaßt werden können; gleichzeitig stellen die
erfindungsgemäßen Glühkerzen in ihrem brennraumseitigen
Bereich eine unempfindliche, großflächige Elektrode zur
Verfügung, wobei genauere und zuverlässigere Ionenstrommeß
signale erzielbar sind. Gleichzeitig erlauben die rohrförmig
ausgebildeten Coaxialverbindungen einfache Anschlüsse, ins
besondere des Innenpols.
Claims (13)
1. Glühkerze, die einen Heizstab mit einem Innenpol
mit Glüh- und Regelelement aufweist, wobei der Heizstab
gegenüber dem metallischen Glühkerzenkörper elektrisch iso
liert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühkerzenkörper
aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial besteht.
2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektrische Isolierung (5) im Preßsitzbereich zwi
schen Körper (1) und Heizstab (2) in Form einer Beschichtung
aus elektrisch isolierendem Kunststoff auf dem Heizstab (2)
oder auf der am Heizstab (2) anliegenden Bohrungswandung des
Körpers (1) ausgebildet ist.
3. Glühkerze nach Anspruche 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß im anschlußseitigen Bereich der elektrische
Anschluß an die Wandung des Heizstabes (2) durch einen Rohr
abschnitt (4) als Kontaktrohr erfolgt, dessen eines Ende in
einer angepaßten Ausbohrung im Endbereich der Heizstabwan
dung angeordnet ist, wobei ein O-Ring (8) den Innenraum des
Heizstab (2) abdichtet und gleichzeitig das Kontaktrohr (4)
gegen den Innenpol (3) elektrisch isoliert.
4. Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß im anschlußseitigen Endbereich des Heizstabes
(2) ein Kontaktrohr (4) beispielsweise durch Punktschweißung
fixiert ist, das gegenüber den sich durch das Kontaktrohr
erstreckenden Innenpol durch eingebrachtes elektrisch iso
lierendes Material (11) elektrisch isoliert ist, wobei ggf.
ein O-Ring (8) zur Abdichtung des Innenraumes des Heizstabes
(2) und zur elektrisch isolierenden Positionierung des In
nenpols (3) vorgesehen ist.
5. Glühkerze nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine separate Ionenstrom
meßhülse (6) konzentrisch um den in den Brennraum ragenden
Bereich des Heizstabes (2) vorgesehen ist, die sowohl gegen
den Körper (1) als auch gegen den Heizstab (2) isoliert ist,
wobei bevorzugt die Isolierung gegen den Heizstab (2) auf
dem Anlagebereich der Ionenstrommeßhülse (6) am Heizstab (2)
als Beschichtung aus hitzebeständigem, elektrisch isolieren
dem Kunststoffmaterial oder Keramik ausgebildet ist.
6. Glühkerze nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Brennraum
ragende Bereich des Heizstabes (2), ausschließlich der Heiz
stabspitze als Zündbereich, mit einem hitzbeständigen elek
trisch isolierenden Kunststoff- oder Keramikmaterial (7),
beschichtet ist.
7. Glühkerze nach mindestens einem der Ansprüche 1
bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in den Brennraum
ragende Bereich des Heizstabes (2) ausschließlich der Heiz
stabspitze als Zündbereich, mit einer Schicht (20) versehen
ist, die katalytisches Material zur Verhinderung der Bildung
einer Rußschicht enthält oder daraus besteht.
8. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit
isoliertem Heizstab, dadurch gekennzeichnet, daß der Heiz
stab (2) mit einem Körper (1) durch Umspritzen mit
elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial verbunden wird.
9. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit
isoliertem Heizstab, dadurch gekennzeichnet, daß der Heiz
stab (2) in einem vorgefertigten Kunststoffkörper (1) einge
preßt wird.
10. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit
isoliertem Heizstab, dadurch gekennzeichnet, daß man in den
Ringspalt zwischen Heizstab (2) und Körper (1) aus Metall
elektrisch isolierenden Kunststoff einbringt.
11. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit
isoliertem Heizstab nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß man den Kunststoff flüssig oder pulverförmig ein
bringt und aushärtet.
12. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit
isoliertem Heizstab nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß man den Anschluß zum Glühkerzen
körper durch ein Kontaktrohr (4) herstellt, das mit einem
zwischenliegenden O-Ring (8) am Innenpol (3) anliegt.
13. Verfahren zur Herstellung einer Glühkerze mit
isoliertem Heizstab nach Anspruche 12, dadurch gekennzeich
net, daß die Isolierung zwischen Innenpol (3) und Körper (1)
im anschlußseitigen Bereich durch O-Ring (8) erfolgt, wäh
rend man das Kontaktrohr (4) am anschlußseitigen Endbereich
des Körpers (1) durch beispielsweise Impulsschweißen fixiert
und zwischen Kontaktrohr (4) und Innenpol (3) eine Isolie
rung (11) in Form eines O-Rings oder einer Isoliermasse, wie
MgO, einbringt.
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