Title:
Abdichtung für eine Glühkerze
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Glühkerze für einen Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine. Die Glühkerze umfasst einen als Glühstift ausgebildeten keramischen Heizkörper (12), der von einem Stützrohr (14) umgeben ist. Der keramische Heizkörper (12) ist mittels einer Abdichtung im Stützrohr (14) gegen den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine abgedichtet. Die Abdichtung ist als Dichtelement (40) ausgeführt, welches aus einer FeNi-Legierung mit Invar-Effekt gefertigt ist.




Inventors:
Zach, Reiko (Remseck, 71686, DE)
Kleindl, Michael (Schwieberdingen, 71701, DE)
Schott, Steffen (Schwieberdingen, 71701, DE)
Kern, Christoph (Aspach, 71546, DE)
Landes, Ewgenij (Remseck, 71686, DE)
Doering, Christian (Stuttgart, 70563, DE)
Saltikov, Pavlo (Waiblingen, 71334, DE)
Application Number:
DE102008009429
Publication Date:
09/18/2008
Filing Date:
02/15/2008
Assignee:
Robert Bosch GmbH (Stuttgart, 70469, DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102005017802A1N/A



Claims:
1. Glühkerze mit einem in einem Gehäuse (11) angeordneten und als Glühstift ausgebildeten keramischen Heizkörper (12), der von einem Stützrohr (14) umgeben ist, wobei der keramische Heizkörper (12) im Stützrohr (14) mittels einer Abdichtung gegen einen Brennraum abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung als Dichtelement (40) ausgeführt ist, welches aus einer Legierung mit Invar-Effekt hergestellt ist.

2. Glühkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mit Invar-Effekt eine kubisch-flächenzentrierte FeNi-Legierung ist.

3. Glühkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kubisch-flächenzentrierten FeNi-Legierung Konzentrationsbereiche Ni von 35,0 bis 44,0 Gew.-%, Mn < 1,0 Gew.-%, Si < 0,50 Gew.-% und C < 0,10 Gew.-%, Rest Fe, oder Ni von 31,0 bis 33,0 Gew.-%, Co von 4,0 bis 6,0 Gew.-%, Mn < 0,50 Gew.-% und Si < 0,50 Gew.-%, C < 0,10 Gew.-%, Rest Fe, oder Ni von 28,0 bis 30,0 Gew.-%, Co von 17,0 bis 18,0 Gew.-%, Mn < 0,50 Gew.-%, Si < 0,30 Gew.-% und C < 0,05 Gew.-%, Rest Fe, oder Ni von 41,0 bis 43,0 Gew.-%, Co von 6,0 bis 7,0 Gew.-%, Mn < 1,0 Gew.-%, Si < 0,50 Gew.-% und C < 0,10 Gew.-%, Rest Fe enthält.

4. Glühkerze gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (40) eine Ringform (18) aufweist, welche über einen Schrumpfsitz (38) an einer Mantelfläche des keramischen Heizkörpers (12) fixiert und durch eine stoffschlüssige Verbindung (44) mit einer Stirnseite (16) des Stützrohres (14) verbunden ist.

5. Glühkerze gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (40) ein hülsenförmiges Dichtelement (54) ist, welches an einer Stoßstelle (60) mit dem Stützrohr (14) verbunden und über einen Schrumpfsitz (38) an einer Mantelfläche des keramischen Heizkörpers (12) fixiert ist.

6. Glühkerze gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoßstelle (60) zwischen dem hülsenförmigen Dichtelement (54) und dem Stützrohr (14) als konische oder stufenförmige Stoßstelle (60) ausgebildet ist.

7. Glühkerze gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (40) ein hülsenförmiges Dichtelement (54) ist, und dass das hülsenförmige Dichtelement (54) und das Stützrohr (14) als ein einziges Bauteil ausgeführt sind, welches zwei benachbarte Abschnitte (62) mit reduzierter Wandstärke aufweist, zwischen denen sich ein Ringabschnitt ausbildet, der einen Schrumpfsitz (38) mit dem keramischen Heizkörper (12) als Dichtelement (40) bildet.

8. Glühkerze gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (40) ein hülsenförmiges Dichtelement (54) ist, und dass das hülsenförmige Dichtelement (54) und das Stützrohr (14) als ein einziges Bauteil ausgeführt sind, welches mindestens eine umlaufende Sicke (64) aufweist, die einen Schrumpfsitz (38) mit dem keramischen Heizkörper (12) als Dichtelement (40) bildet.

9. Glühkerze gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (40) ein hülsenförmiges Dichtelement (54) ist, dass das hülsenförmige Dichtelement (54) und das Stützrohr (14) als ein einziges Bauteil ausgeführt sind, und dass das hülsenförmige Dichtelement (54) an einem dem Brennraum abgewandten Abschnitt (12') des Heizelements (12) das Dichtelement (40) bildet.

10. Glühkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) einen Hohlraum aufweist, in dem ein Sensormodul (30) angeordnet ist, welcher gegen den Brennraum über eine im Wesentlichen radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran (46) abgedichtet ist, und dass das Sensormodul (30) einen Drucksensor (13) umfasst.

Description:

Die Erfindung geht aus von einer Glühkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Aus DE 10 2005 017 802 A1 ist eine Glühkerze mit Brennraumdrucksensor bekannt, bei der ein als Glühstift ausgebildeter keramischer Heizkörper in einem Gehäuse angeordnet ist. Der keramische Heizkörper ist von einem Stützrohr umgeben, das mittels einer Abdichtung im Gehäuse fixiert ist. Die Abdichtung ist dabei von einem zwischen Stützrohr und Gehäuse angeordneten Graphitring gebildet.

Die durch die zyklische thermische Beanspruchung im reellen Motorbetrieb hervorgerufenen mechanischen Spannungen führen zur Verschlechterung der Haftung an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Stützrohr und dem keramischen Heizkörper, was als Folge zu einem Versagen der Dichtfunktion durch einen stellenweisen beziehungsweise vollständigen Verlust des mechanischen Kontaktes an der Grenzfläche des Metalls zur Keramik führt.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühkerze mit keramischem Heizkörper bereitzustellen, bei der der Innenraum gegen die Brennraumgase zuverlässig abgedichtet ist.

Erfindungsgemäß wird die Glühkerze mit einem Dichtelement zwischen keramischem Heizkörper und metallischem Stützrohr versehen, wobei das Dichtelement aus einer metallischen Legierung mit sogenanntem Invar-Effekt besteht, wobei derartige Legierungen einen besonders niedrigen Wert hinsichtlich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweisen. Als Invar-Effekt wird eine Erscheinung bezeichnet, wonach eine Gruppe von Legierungen und Verbindungen in bestimmten Temperaturbereichen anormal kleine oder zum Teil negative Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Die Verwendung eines derartigen Dichtelementes führt zu zahlreichen Vorteilen, insbesondere einer Erhöhung der Dichtwirkung des Dichtelementes insbesondere in kritischen Betriebszuständen, sowie einer Vermeidung gravierender Änderungen bei der Serienauslegung des keramischen Heizkörpers. Aufgrund einer besonders guten stoffschlüssigen Verbindbarkeit, insbesondere hervorragenden Schweißeigenschaften, lässt sich eine dichte Verbindung zum metallischen Stützrohr und zum keramischen Heizkörper realisieren. Das eingesetzte metallische Stützrohr hat die Aufgabe, den keramischen Heizkörper zu befestigen. Der keramische Heizkörper wird in das Stützrohr, zum Beispiel im Wege eines Lötverfahrens, stoffschlüssig eingebaut. Eine weitere Funktion des Stützrohres besteht darin, eine hermetische, lange Zeit dauernde Abdichtung eines Sensormoduls gegen die Einflüsse aggressiver Brennraummedien, insbesondere gegen die hohen Verbrennungsdrücke, gegen Versottung und gegen sich anlagernde Rußpartikel sowie gegen Korrosionseinflüsse darzustellen.

Als Legierung mit einem Invar-Effekt wird eine FeNi-Legierung eingesetzt. Die später aufgeführten FeNi-Legierungen mit einem kubisch flächenzentrierten Kristallgitter dehnen sich bei Erwärmung praktisch nicht oder nur gering aus. Besonders geeignet ist eine ferromagnetische kubisch flächenzentrierte FeNi-Legierung.

Bei einer vorgeschlagenen Lösung wird das Versagen der Dichtfunktion, d. h. der stellenweise beziehungsweise vollständige Verlust des mechanischen Kontaktes an der Grenzfläche zwischen dem metallischen Material des Stützrohres und dem Keramikmaterial des Heizkörpers dadurch vermieden, dass ein zusätzliches Dichtelement unmittelbar an einer brennraumseitigen Stirnseite des Stützrohres auf den keramischen Heizkörper aufgepresst und anschließend mittels einer kraftschlüssigen oder einer stoffschlüssigen Fügeverbindung an dem Stützrohr befestigt wird. Bevorzugt ist das Dichtelement in Ringform ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform kann eine Hertzsche Pressung auf der Berührlinie zwischen dem Dichtelement und dem Heizkörper realisiert werden, die zu einer besonders guten Abdichtung gegenüber den aggressiven Medien, insbesondere den Verbrennungsdrücken im Brennraum führt.

Bevorzugt wird das vorgeschlagene Dichtelement, sei es in Form einer einteiligen oder mehrteiligen Hülse ausgebildet, sei es in Ringform als ein einstückiges Bauteil ausgebildet, aus einem Werkstoff hergestellt, der einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (WAK) aufweist, der im hier in Frage kommenden Betriebstemperaturbereich unter dem WAK-Wert des keramischen Heizkörpers liegt, sich diesem annähert oder diesen unbedeutend übersteigt. Eine derartige Ausbildung des vorgeschlagenen Dichtelementes hat den konstruktiven Vorteil, dass eine zwischen dem Dichtelement und dem keramischen Heizkörper realisierte Presspassung die Presskraft bei steigender Temperatur erhöht, d. h. genau in dem Falle, in dem es auch zu steigenden Drücken kommt, denen die erfindungsgemäß vorgeschlagene Glühkerze im Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt ist. Im Falle eines Versagens der Lotverbindung des keramischen Heizkörpers zum diesen umgebenden Stützrohr kann bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine eine Abdichtung der Glühkerze trotzdem sichergestellt werden, da das ringförmig oder hülsenförmig ausgebildete Dichtelement die Abdichtfunktion gewährleistet.

Als besonders geeignet ist als Werkstoff für das Dichtelement eine Metalllegierung mit Invar-Effekt zu nennen, die unter dem Handelsnamen KOVAR® bekannt ist. Diese Metalllegierung weist einen Nickelgehalt von 29,0 Gew.-%, einen Kobaltgehalt von 17,0 Gew.-%, einen Siliziumgehalt von 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, einen Mangangehalt von 0,3 Gew.-% sowie einen Kohlenstoffgehalt von maximal 0,02 Gew.-%, Rest Eisen, auf.

Es ist auch möglich, das in einer Ausführungsform in Ringform hergestellte Dichtelement hülsenförmig herzustellen, wobei das hülsenförmig ausgebildete Dichtelement am Stützrohr befestigt wird. Die Stoßstelle zwischen dem hülsenförmigen Dichtelement und dem Stützrohr kann mit angeschrägten Flächen oder auch stufenförmig ausgebildet sein.

Des Weiteren ist die axiale Positionierung des Dichtelementes, sei es in Ringform, sei es in Hülsenform ausgebildet, variabel. Die Position an der ringförmigen, dem Brennraum zuweisenden Stirnseite des Stützrohres, welches den keramischen Heizkörper umschließt, ist insbesondere vorteilhaft, da in diesem Falle keine weiteren Modifikationen des keramischen Heizkörpers erforderlich sind. Es ist jedoch auch möglich, den keramischen Heizkörper derart minimal zu modifizieren, so dass das Dichtelement eine beliebige axiale Position annimmt. Denkbar ist ebenfalls, das Dichtelement im Bereich des dem Brennraum abgewandten Endes des keramischen Heizkörpers zu positionieren. Eine Dichtverbindung zwischen dem Stützrohr und dem Dichtelement, sei es ringförmig, sei es hülsenförmig ausgebildet, kann zum Beispiel mittels eines entsprechenden stoffschlüssigen Fügeverfahrens, wie zum Beispiel dem Schweißverfahren oder dem Lotverfahren, hergestellt werden.

Wird das Dichtelement in Hülsenform ausgeführt, kann das komplette Stützrohr vollständig aus einer Legierung mit Invar-Effekt hergestellt werden. Das Dichtelement ist hinsichtlich seiner Anwendung nicht lediglich auf Glühkerzen beschränkt, sondern kann auch an anderen Zylinderkopfkomponenten von Verbrennungskraftmaschinen, so zum Beispiel Glühkerzen mit integrierten Drucksensoren oder dergleichen eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigen:

1 eine Glühkerze mit einer Druckerfassungseinrichtung in Schnittdarstellung,

2 eine vergrößerte Darstellung eines keramischen Heizelements unterhalb eines Sensormoduls,

3 eine Ausführungsform einer Stoßstelle eines zweiteilig ausgebildeten hülsenförmigen Dichtelementes,

4 eine weitere Ausführungsform der Stoßstelle der beiden Teile des hülsenförmig ausgebildeten Dichtelementes,

5 eine weitere Ausführungsform der Abdichtung der Glühkerze durch Ausbildung einer Presspassung und eines Stützrohres mit reduzierter Wandstärke,

6 die Ausbildung der Abdichtung der Glühkerze durch Ausbildung von mindestens einer Sicke im Stützrohr,

7 ein stoffschlüssig mit dem Stützrohr gefügtes, hülsenförmiges Dichtelement und

8 die Abdichtung der Glühkerze durch ein durchgängig ausgebildetes Stützrohr, dessen Spielpassung zur Aufnahme des keramischen Heizkörpers mit Lot zum Beispiel ausgefüllt ist.

Die in 1 dargestellte Glühkerze mit Druckerfassungseinrichtung, die nachfolgend als Druckmessglühkerze 10 bezeichnet wird, umfasst ein Gehäuse 11, in welches ein als Glühstift ausgeführter keramischer Heizkörper 12 und ein Sensor 13 zur Druckerfassung eingesetzt sind. Der Sensor 13 ist in einem Sensormodul 30 angeordnet. Zur Abdichtung des separaten, vormontierten Sensormoduls 30 wird zum Beispiel eine radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46 eingesetzt. Die auf die Metallmembran 46 ausgeübte Druckkraft wird in einem separaten Druckmessmodul umgewandelt. Das Druckmessmodul umfasst im Wesentlichen den im Stützrohr 14 befestigten keramischen Heizkörper 12, ein Kompensationselement 24 sowie ein Wärmedämm- und Kraftübertragungselement 26 sowie das separate Sensormodul 30, ein Fixierelement 28, die bereits erwähnte radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46 und einen Sensorkäfig 32.

Bei Beaufschlagung mit einem Druck, so zum Beispiel dem im Zylinder einer Verbrennungskraftmaschine herrschenden Druck, dient der keramische Heizkörper 12 als Übertragungselement der Druckkraft im Brennraum an das Sensormodul 30. Der keramische Heizkörper 12 ist über das Stützrohr 14 mit der Metallmembran 46 bewegungsgekoppelt. Die auf den keramischen Heizkörper 12 einwirkende Kraft wird über den Kraftpfad an das Sensormodul 30 übertragen. Das Kompensationselement 24 wird bevorzugt aus einem Material mit einem speziell angepassten Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) hergestellt und dient hauptsächlich zur thermischen Längenkompensation bei höheren Temperaturen. Das obere Wärmedämm- und Kraftübertragungselement 26 weist einen möglichst kleinen Wert für die Wärmeleitfähigkeit auf und dient der maximalen Temperaturabsenkung am Sensormodul 30. Das Wärmedämm- und Kompensationselement 26 weist eine sehr hohe Oberflächengüte und eine hohe Steifigkeit auf. Hinter dem Sensormodul 30 befindet sich das Fixierelement 28. Das Sensormodul 30 ist zwischen der radialsymmetrisch ausgebildeten Metallmembran 46 und dem Fixierelement 28 mittels des in 1 dargestellten, hülsenförmig ausgebildeten Sensorkäfigs 32 unter Erzeugung einer definierten Vorspannkraft zusammengehalten.

Zu einer effektiven Wärmeableitung vom Sensormodul 30 wird der Sensorkäfig 32 mittels einer Schweißnaht zum Beispiel möglichst nah im Bereich eines Dichtkonus 34 befestigt. Der Glühstrom zum keramischen Heizkörper 12 wird diesem über eine Glühstromleitung 20 zugeführt. Eine Kontaktierung der Glühstromleitung 20 an einer Stirnseite des keramischen Heizkörpers 12 erfolgt an einer Kontaktierung 22. Die Symmetrieachse des keramischen Heizkörpers 12 ist durch Bezugszeichen 36 kenntlich gemacht.

Aus der Darstellung gemäß 1 und 2 geht hervor, dass am hier einteilig ausgebildeten Stützrohr 14 an einer brennraumseitigen Stirnseite 16 ein in Ringform 18 ausgebildetes Dichtelement 40 angeordnet ist. Das hier in Ringform 18 ausgebildete Dichtelement 40 wird mittels eines Schrumpfsitzes 38 an der Umfangsfläche des keramischen Heizkörpers 12 befestigt. Anschließend wird eine kraftschlüssige oder eine stoffschlüssige Fügeverbindung 44 an der brennraumseitigen Stirnseite 16 des ein- oder mehrteilig ausgebildeten Stützrohres 14 erzeugt. Bei dieser Ausführungsform kann eine Hertzsche Pressung auf der Berührlinie zwischen dem in Ringform 18 ausgebildeten Dichtelement 40 und der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 am Schrumpfsitz 38 realisiert werden, wodurch eine besonders gute Abdichtung gegenüber dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine erreicht wird.

Das in der Regel aus metallischem Material hergestellte Stützrohr 14 hat die Aufgabe, den keramischen Heizkörper 12 zu befestigen. Im Regelfall ist der keramische Heizkörper 12 im Stützrohr 14 in einer stoffschlüssigen Verbindung, zum Beispiel in einer Lotverbindung aufgenommen. Die Lotverbindung dient einerseits zur Befestigung und zur Abdichtung des keramischen Heizkörpers 12 innerhalb des Stützrohres 14, andererseits zur elektrischen Kontaktierung des keramischen Heizkörpers 12 im Stützrohr 14. Eine weitere Funktion des Stützrohres 14 liegt darin, eine hermetische, lange Zeit andauernde Abdichtung des Sensormoduls 30 gegen die Einflüsse aggressiver Brennraummedien, insbesondere gegen hohe Verbrennungsdrücke, gegen Versottung und sich anlagernde Rußpartikel sowie Korrosionseinflüsse darzustellen. In der Praxis wird der keramische Heizkörper 12 aus einer Keramik mit einem relativ niedrigen Wert des thermischen Ausdehnungskoeffizienten (WAK) hergestellt, während das Material des Stützrohres 14 selbst wiederum einen im Vergleich dazu höheren WAK-Wert (Stahl) aufweist. Das Dichtelement 40, sei es in Ringform 18, sei es in Hülsenform ausgebildet, wird bevorzugt aus einem Werkstoff hergestellt, der einen WAK-Wert aufweist, der im relevanten Betriebstemperaturbereich unterhalb des WAK-Wertes des keramischen Heizkörpers 12 liegt, sich diesem annähert oder diesen nur unbedeutend übersteigt. Eine solche Eigenschaftskombination des Werkstoffes hat den konstruktiven Vorteil, dass die Presspassung 38 zwischen dem Dichtelement 40 in Ringform 18 und dem keramischen Heizkörper 12 mit steigender Temperatur zunimmt. Bricht das Lot zwischen der Mantelfläche des keramischen Heizkörper 12 und dem Innenmantel des Stützrohres 14, so wird die Abdichtung der Druckmessglühkerze 10 nach wie vor durch das Dichtelement 40 in Ringform 18 gewährleistet.

Als Material für das Dichtelement 40, sei es in Hülsenform, sei es in Ringform 18 ausgebildet, kommen Metalllegierungen in Frage, die einen sogenannten Invar-Effekt aufweisen. Diese Legierungen zeichnen sich vor allem durch eine nahezu konstante, invariante thermische Expansion als Funktion der Temperatur in einem großen Temperaturbereich aus.

Wie aus 2 hervorgeht, umfasst die Druckmessglühkerze 10 oberhalb des ein- oder mehrteilig ausgebildeten Stützrohrs 14 die Metallmembran 46. Die Metallmembran 46 ist im Wesentlichen radialsymmetrisch ausgebildet und bilde eine erste Stoßstelle 48 zum ein- oder mehrteilig ausgebildeten Stützrohr 14 und eine weitere, zweite Stoßstelle 50zum in dieser Ausführungsform hülsenförmig ausgebildeten Sensorkäfig 32. Der Sensorkäfig 32 umschließt seinerseits das Fixierelement 28, das Wärmedämm- und Kraftübertragungselement 26 sowie das Kompensationselement 24. Aus 2 geht hervor, dass die obere Stirnseite des keramischen Heizelements 12 an der Kontaktierung 22 durch die Glühstromleitung 20 elektrisch kontaktiert wird. Die Glühstromleitung 20 kann – wie in 2 dargestellt – im Wesentlichen gerade verlaufen, sie kann auch eine oder mehrere wendelförmige Windungen umfassen, je nach Einsatzzweck.

Der Sensorkäfig 32 umschließt das Sensormodul 30, welches in der in 2 dargestellten Ausführungsform mit dem Kompensationselement 24 und dem Wärmedämm- und Kraftübertragungselement 26 zusammenwirkt. Das Sensormodul 30 kann zum Beispiel als piezoelektrisches oder als piezoresistives Sensormodul zur Druckmessung ausgebildet sein.

Aus 2 geht weiter hervor, dass der Körper der Druckmessglühkerze 10 eine Öffnung 52 umfasst, durch welche sich das Stützrohr 14 erstreckt. Im Inneren des Stützrohres 14 befindet sich der keramische Heizkörper 12. Der in 2 teilweise dargestellte keramische Heizkörper 12 ist entlang seiner Axialerstreckung im Stützrohr 14 von einer Lotverbindung umschlossen. In 2 ist die brennraumseitige Stirnseite 16 des ein- oder mehrteilig ausgebildeten Stützrohres 14 angedeutet, an welchem das Dichtelement 40 in Ringform 18 anliegt. Das Dichtelement 40 liegt einerseits am Schrumpfsitz 38 an der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 an und ist andererseits über die bereits im Zusammenhang mit 1 erwähnte stoffschlüssige Verbindung 44 mit der brennraumseitigen Stirnseite 16 des Stützrohres 14 verbunden. Die Abdichtung des keramischen Heizkörpers 12 erfolgt durch das an der brennraumseitigen Stirnseite 16 des ein- oder mehrteilig ausgebildeten Stützrohres 14 angeordnete Dichtelement 40. Dieses ist über eine kraftschlüssige oder stoffschlüssig ausgebildete Fügeverbindung 44 an der brennraumseitigen Stirnseite 16 des ein- oder mehrteilig ausgebildeten Stützrohrs 14 befestigt.

Das Dichtelement 40 wird der vorgeschlagenen Erfindung folgend, aus einem Werkstoff hergestellt, der einen WAK-Wert aufweist, der im relevanten Betriebstemperaturbereich unter dem WAK-Wert des keramischen Heizkörpers 12 liegt oder sich diesem annähert oder diesen nur unbedeutend übersteigt. Eine derartige Eigenschaftskombination hat den konstruktiven Vorteil, dass die Presspassung am Schrumpfsitz 38 zwischen dem Dichtelement 40 und dem keramischen Heizkörper 12 mit steigender Temperatur zunimmt. Es kann somit im Falle eines Versagens, zum Beispiel beim Bruch der Lotverbindung zwischen der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 und der Innenseite des Stützrohres 14, die Abdichtung der Druckerfassungseinrichtung durch das Dichtelement 40 gewährleistet werden, die sowohl bei niedrigen als auch bei höheren Betriebstemperaturen zuverlässig funktioniert. Als Material für das Dichtelement 40 wird eine Metalllegierung mit Invar-Effekt verwendet. Die Basislegierung mit dieser Eigenschaft ist eine ferromagnetische, kubisch-flächenzentrierte FeNi-Legierung mit einer Stöchiometrie von ungefähr Fe65Ni35. Diese Legierung zeichnet sich durch eine nahezu konstante, invariante thermische Expansion als Funktion der Temperatur über einen großen Temperaturbereich aus.

Den Darstellungen gemäß der 3 und 4 sind weitere Ausführungsformen Dichtelementes 40 zu entnehmen. Wie den Darstellungen gemäß der 3 und 4 entnommen werden kann, kann das Dichtelement 40 im Gegensatz zu den Darstellungen gemäß der 1 und 2 – wie obenstehend beschrieben – auch als Hülse 54 ausgebildet sein. Das Stützrohr 14 und die Hülse 54 sind an einer Stoßstelle 60 miteinander fixiert. Aus der Darstellung gemäß 3 geht hervor, dass die Stoßstelle 60 zwischen der Hülse 54 und dem Stützrohr 14 mindestens eine oder auch mehrere Schrägen umfassen kann, so dass sich die in 3 dargestellte Konfiguration einer schräg verlaufenden Stoßstelle 60 ergibt. Bei mit Schrägen ausgebildeter Stoßstelle 60 ergibt sich eine Verbesserung der stoffschlüssigen Fügbarkeit, insbesondere der Verschweißbarkeit bei der Herstellung. Wird, wie in 3 dargestellt, eine Hülse 54 mit Innenprofilierung 55 eingesetzt, kann eine erhöhte Hertzsche Pressung auf der Berührlinie am Umfang des keramischen Heizkörpers 12 realisiert werden. Dies verbessert die Abdichtwirkung. Durch die an der Stoßstelle 60 ausgeführte stoffschlüssige Verbindung kann des Weiteren eine Zusatzabdichtung erzielt werden.

Demgegenüber kann die Stoßstelle 60 zwischen dem Dichtelement 54 und dem Stützrohr 14 auch stufenförmig ausgebildet sein, wie dies in 4 dargestellt ist. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform der Stoßstelle 60 liegt die in axiale Richtung gesehen verlängerte Stufe am Stützrohr 14 vor, welche in eine entsprechend konfigurierte innere Ausnehmung der Hülse 54 eingreift. Bei einer Hülse 54, die eine Innenprofilierung 55 aufweist, lässt sich eine verbesserte Hertzsche Pressung an der Berührlinie am Umfang des keramischen Heizkörpers 12 erreichen.

Die metallische Legierung mit Invar-Effekt kann eine der nachfolgend aufgeführten Basislegierungen sein. Zu nennen ist Fe-36Ni, allgemein bekannt als Invar, sowie des Weiteren Fe-32Ni-5Co, was allgemein als Superinvar bekannt ist. Des Weiteren kann Fe-29Ni-17Co, das allgemein als Kovar® bekannt ist, eingesetzt werden, ebenso wie Fe-42Ni-Cr-Ti, was allgemein bekannt ist als Ni-Span-C. Die einzelnen Komponenten dieser Legierungen variieren in breiten Grenzen, und zwar (nachfolgende Angaben in Gew.-%): Für die vorstehend genannten Legierungen Fe-36Ni, Fe-Ni42 und Fe-Ni43, allgemein bekannt als Invar, ergeben sich für die einzelnen Legierungselemente folgende Konzentrationsbereiche: Ni von 35,0 bis 44,0 Gew.-%, Mn < 1,0 Gew.-%, Si < 0,50 Gew.-% und C < 0,10 Gew.-%, Rest Fe.

Für die obenstehend ebenfalls aufgeführte Basislegierung Fe-32Ni-5Co, welche allgemein als Superinvar bekannt ist, ergeben sich folgende Konzentrationsbereiche: Ni von 31,0 bis 33,0 Gew.-%, Co von 4,0 bis 6,0 Gew.-%, Mn < 0,50 Gew.-% und Si < 0,50 Gew.-%, C < 0,10 Gew.-%, Rest Fe.

Für Fe-29Ni-17Co, allgemein bekannt als Kovar, ergeben sich folgende Konzentrationsbereiche: Ni von 28,0 bis 30,0 Gew.-%, Co von 17,0 bis 18,0 Gew.-%, Mn < 0,50 Gew.-%, Si < 0,30 Gew.-% und C < 0,05 Gew.-%, Rest Fe.

Schließlich ergibt sich für die Basislegierung Fe-42Ni-Cr-Ti, allgemein bekannt als Ni-Span-C folgende Zusammensetzung: Ni von 41,0 bis 43,0 Gew.-%, Co von 6,0 bis 7,0 Gew.-%, Mn < 1,0 Gew.-%, Si < 0,50 Gew.-% und C < 0,10 Gew.-%, Rest Fe.

In der nachfolgenden Tabelle sind die WAK-Anhaltswerte für die KOVAR®-Legierung sowie für üblicherweise verwendete Stähle, so zum Beispiel ferritische Stähle, und Heizerkeramiken (zum Beispiel auf Siliziumnitrid-Basis) aufgelistet. Aus der Tabelle geht hervor, dass eine deutliche Verringerung der WAK-Differenz an der Grenzfläche durch den Einsatz dieser Legierung anstelle eines Stahles erzielt werden kann. Für bestimmte Materialkombinationen kann eine gute Abdichtung insbesondere bei höheren Temperaturen, wie sie bei Betrieb der Verbrennungskraftmaschine auftreten, erreicht werden. Tabelle: WAK-Werte (×10–6K–1) für Metalllegierungen und Keramiken

T (°C)αKOVAR®αStahlαSi3N4αKOVAR® – αStahlαStahlSi3N43005,110,55,00,15,54004,910,55,4–0,55,14505,311,05,6–0,35,45006,211,05,80,45,2

Aus Spalte 4 der obenstehenden Tabelle (αkovar® – αSi3N4) ergibt sich, dass zum Beispiel bei Temperaturen von 400°C eine negative Differenz von –0,5 × 10–6 K–1 zwischen den beiden WAK-Werten auftritt, und bei einer Temperatur von 450°C eine Differenz der WAK-Werte zwischen Fe-29Ni-17Co (KOVAR® und Keramik von –0,3 × 10–6 K–1 auftritt. Da die Differenzen zwischen den beiden in Spalte 4 angegebenen WAK-Werten äußerst gering ist und in Bezug auf die Temperatur von 400°C und 450°C sogar negative Werte annehmen, lässt sich durch Verwendung dieser Materialien zur Abdichtung eine besonders gute, auch bei höheren Temperaturen stabile Abdichtung erreichen. In Spalte 5 ergeben sich für die Temperaturen von 400°C beziehungsweise 450°C Differenzen zwischen αstahl und αsi3N4 von 5,1 bis 5,4 × 10–6 K–1, weil bei Verwendung konventioneller Stähle als Abdichtelemente in keramischen Heizkörpern 12 wesentlich höhere Differenzen zwischen den WAK-Werten auftreten, was auf eine wesentlich schlechtere – im Vergleich zu den in Spalte 4 angegebenen Werten – Abdichtung schließen lässt.

Wie der Darstellung gemäß 5 zu entnehmen ist, lässt sich die Abdichtung der Druckmessglühkerze 10 auch nur über das Stützrohr 14 realisieren. Das Stützrohr 14, gefertigt zum Beispiel aus Fe-29Ni-17Co weist an einem dem Brennraum abgewandten Bereich 12' zwei benachbarte Abschnitte 62 mit reduzierter Wandstärke auf. Zwischen diesen Abschnitten 62 liegt ein weiterer Abschnitt, der einen Schrumpfsitz 38 mit dem keramischen Heizkörper 12 ausbildet, wobei der Schrumpfsitz 38 an dieser Stelle das Dichtelement 40 bildet. Das Stützrohr 14 liegt an der bevorzugt radialsymmetrisch ausgebildeten Metallmembran 46 an, die ihrerseits die Glühstromleitung 20 und deren Kontaktierung 22 am keramischen Heizkörper 12 umschließt. Das Stützrohr 14 und der keramische Heizkörper 12 sind im kerzenkörpernahen Bereich 12' zum Beispiel über eine Lotverbindung 56 miteinander verbunden. Die Lotverbindung 56 stellt die elektrische Kontaktierung des keramischen Heizelements 12 und dessen Befestigung im Stützrohr 14 dar. Im kerzenkörperfernen Bereich des Stützrohres 14 ist eine Spielpassung 58 zwischen der Innenumfangsfläche des Stützrohres 14 und der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 ausgebildet, die in diesem Bereich 12' oberhalb des Schrumpfsitzes 38 mit Lot 56 befüllt ist.

Der Darstellung gemäß 6 ist eine weitere Ausführungsform der Gestaltung der Abdichtung der Druckmessglühkerze 10 zu entnehmen. 6 zeigt, dass die Druckmessglühkerze 10 einen Dichtkonus 34 umfasst. Innerhalb des Dichtkonus 34 ist das Stützrohr 14 aufgenommen, welches bevorzugt aus einer metallischen Legierung, wie zum Beispiel Fe-29Ni-17Co gefertigt ist. Das Stützrohr 14 grenzt an die Metallmembran 46, die bevorzugt radialsymmetrisch ausgebildet ist und die Kontaktierung 22 sowie die Glühstromleitung 20 umschließt. Das Stützrohr 14 bildet im oberen Bereich des keramischen Heizkörpers 12 zu dessen Mantelfläche eine Spielpassung, die mit Lot 56 ausgefüllt ist. Aus der Ausführungsform gemäß 6 geht hervor, dass sich in axiale Richtung des Stützrohrs 14 gesehen mindestens eine umlaufende Sicke 64 erstreckt. Die Füllung aus Lot 56, das zur elektrischen Kontaktierung des keramischen Heizkörpers 12 dient, erstreckt sich bis oberhalb der umlaufenden Sicke 64. Durch die mindestens eine umlaufende Sicke 64 wird der Schrumpfsitz 38 zwischen der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 und der Innenmantelfläche des Stützrohrs 14 gebildet. Durch die mindestens eine umlaufende Sicke 64 am Umfang des Stützrohres 14 kann eine lokale Presspassung mit sanftem Verlauf der Fugenpressung in Richtung des Randes der Presspassung 38 mit dem keramischen Heizkörper 12 erreicht werden. Durch die mindestens eine Sicke 64 im Stützrohr 14 wird das Dichtelement 40 zwischen dem Stützrohr 14 und dem keramischen Heizkörper 12 ausgebildet.

Der Darstellung gemäß 7 ist eine weitere Ausführungsform der Druckmessglühkerze 10 zu entnehmen. Aus der Konfiguration gemäß 7 geht hervor, dass die Druckmessglühkerze 10 die Hülse 54 umfasst, welche im Bereich des Dichtkonus 34 im Kerzenkörper der Druckmessglühkerze 10 befestigt ist. Die Hülse 54, welche zum Beispiel aus Fe-29Ni-17Co gefertigt ist, ist an dem dem Brennraum abgewandten Bereich 12' angeordnet. Die Hülse 54 grenzt an die bevorzugt radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46 an, die ihrerseits die Kontaktierung 22 und die Glühstromleitung 20 umschließt. Das aus konventionellem Stahl gefertigte Stützrohr 14 ist an einer Verbindungsstelle 68 mit der Hülse 54, die aus einem Material mit Invar-Effekt, so zum Beispiel Fe-29Ni-17Co, stoffschlüssig verbunden. Während zwischen der Hülse 54 und der Umfangsfläche des keramischen Heizkörpers 12 über die Axialerstreckung der Hülse 54 der Schrumpfsitz 38 als Dichtelement 40 in Form einer Presspassung zur Gewährleistung der Dichtheit ausgebildet ist, befindet sich zwischen dem Stützrohr 14 und der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 eine Spielpassung 66, die mit Lot ausgefüllt ist.

Der Darstellung gemäß 8 ist schließlich eine Gestaltung der Abdichtung der Druckmessglühkerze 10 zu entnehmen, wobei der keramische Heizkörper 12 vom Stützrohr 14 umgeben ist, und wobei zwischen der Mantelfläche des keramischen Heizkörpers 12 und der Innenumfangsfläche des Stützrohres 14 die mit Lot befüllte Spielpassung 66 vorliegt. Wie aus der Darstellung gemäß 8 weiter entnehmbar ist, ist das Stützrohr 14 in der Öffnung 52 des Dichtkonus 34 des Kerzenkörpers der Druckmessglühkerze 10 befestigt und grenzt an eine bevorzugt radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46. Die bevorzugt radialsymmetrisch ausgebildete Metallmembran 46 umschließt ihrerseits die Kontaktierung 22, in welcher die Glühstromleitung 20 mit der oberen Stirnseite des keramischen Heizkörpers 12 verbunden ist. Bevorzugt ist das Stützrohr 14 gemäß der in 8 dargestellten Ausführungsform der Druckmessglühkerze 10 aus Fe-29Ni-17Co oder den weiter oben erwähnten Basislegierungen beschaffen und weist einen niedrigeren thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) im hinteren Bereich 12' auf. In dem Bereich 12' an dem der Spitze des keramischen Heizkörpers 12 abgewandten Ende des keramischen Heizkörpers 12 treten geringste thermisch induzierte Längendifferenzen zwischen dem metallischen Material und dem keramischen Heizkörper 12 auf, so dass sich dort aufgrund der Temperaturverteilung die Hülse 54 als Dichtelement 40 ausbildet. Während an dem dem Brennraum abgewandten Ende 12' des keramischen Heizkörpers 12 Temperaturen von etwa 200°C bis 300°C erreicht werden, beträgt die Temperatur an dem dem Brennraum zugewandten Ende 12' des Stützrohres 10 zwischen 600°C bis 700°C. Durch die in 8 dargestellte Ausführungsform kann somit erreicht werden, dass in dem Bereich des Stützrohres 14, welches den höheren Temperaturen im Brennraum ausgesetzt ist, bei dort abnehmender Dichtwirkung die Abdichtwirkung zwischen dem hier als Abdichtelement 54 dienenden Stützrohr 14 im hinteren, d. h. dem dem Brennraum abgewandten Bereich 12', dort, wo geringere Temperaturen zwischen 200°C bis 300°C herrschen, aufrechterhalten bleibt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • - DE 102005017802 A1 [0002]