DE19756988C1 - Elektrisch beheizbare Glühkerze oder Glühstab für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer elektrisch beheizbaren Glüh­ kerze oder einem Glühstab für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der EP 0 450 185 B1 und der EP 0 648 978 A2 als bekannt hervorgeht.

In Dieselmotoren werden Glühkerzen im Brennraum für die Vorhei­ zung beim Kaltstart oder - als Glühstab im Ansaugkanal - für die Ansaugluftvorwärmung eingesetzt. Die Glühkerze oder der Glühstab bestehen aus einem korrosionsfreien metallischen Man­ tel, aus einer Heiz- und einer Regelwendel und aus einer elek­ trisch isolierenden, verdichteten Pulverfüllung. Die Heiz- und Regelwendel besteht im Heizbereich aus einem ferritischen Stahl, an die ein Reinnickeldraht als Regelwiderstand ange­ schweißt ist.

Der Werkstoff der Heizwendel unterliegt einer thermischen und chemischen Beeinflussung, die die Lebensdauer der Glühkerze be­ einträchtigen kann. Zumindest stellen diese Einflüsse wesentli­ che Parameter hinsichtlich der Lebensdauer der Glühkerze dar. Und zwar kann es zum einen zu einer interkristallinen Korrosion kommen, die durch Kristallwachstum und Neigung zur Grobkornbil­ dung bei ferritischen Heizleitern gefördert wird. Zum anderen kann es bei hohen Temperaturen zur Korrosion an der freien Oberfläche der Heizwendel und somit zur Schwächung des Heiz­ drahtquerschnittes kommen. Dieser Vorgang wird durch Anwesen­ heit von Sauerstoff in der Umgebung des Heizdrahtes ermöglicht, der an der Partikeloberfläche der Pulverfüllung aus der Luft während der Herstellung der Glühkerze adsorbiert wurde.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundegelegte Glühkerze bezüglich einer höheren Lebensdauer der Heizwendel zu verbessern.

Diese Aufgabe wird - ausgehend von der gattungsgemäß zugrunde­ gelegten Glühkerze - erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Durch den integrierten Sauer­ stoff-Getter wird während des Betriebes der Glühkerze der Rest­ sauerstoff gebunden und eine inerte Atmosphäre in den Poren und an der freien Porenoberfläche der Pulverfüllung aufrechterhal­ ten. Etwaige Korrosionsvorgänge der oben angesprochenen Art sind daher unterbunden oder laufen allenfalls extrem langsam ab. Erfindungsgemäß ausgestattete Glühkerzen werden demgemäß eine erheblich größere Lebensdauer als bisher haben.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Glühkerze,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II aus Fig. 1 und

Fig. 3 bis 5 unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Be­ schichtungen der Heizwendel oder der Innenoberfläche des Metallmantels mit Gettermaterial.

In Dieselmotoren werden Glühkerzen im Brennraum für die Vorhei­ zung beim Kaltstart oder - als stabförmige Flammglühkerze oder Flammanlage im Zuluftkanal - für die Luftvorwärmung eingesetzt. Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Glühkerze 1 weist einen Glühstift 5 auf, der in einem Sockel 2 gehaltert ist. Der Glühstift seinerseits besteht aus einem korrosions­ freien metallischen Mantel 7, aus einer Heizwendel 8 mit einer daran angeschweißten Regelwendel 9 und aus einer elektrisch isolierenden, verdichteten Pulverfüllung 10, die dafür sorgt, daß die Heiz- und Regelwendel 8, 9 innerhalb des Metallmantels 7 ortsfest untergebracht und fixiert werden kann.

Der Metallmantel 7 besteht meist aus einer nickelreichen Eisen­ legierung oder aus einer Nickelbasislegierung wie z. B. Inconel 601 und ist elektrisch in der Regel als Massepol, also negativ geschaltet.

Die Heiz- und Regelwendel 8, 9 ist mit ihrem einen Ende elek­ trisch leitend mit der Spitze des Metallmantels 7 verschweißt. Ihr anderes Ende ist mit einer in einen Isolator 3 eingebette­ ten Anschlußschraube 4, auch Innenpol genannt, verbunden, die elektrisch isoliert und abgedichtet (Dichtung 6) aus dem Sockel der Glühkerze bzw. des Glühstabes herausgeführt und mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden wird. Außerdem ist der Bolzen des Innenpoles 4 am oberen offenen Ende des Metallmantels 7 mit einer weichen isolierenden Dichtung 6' abgedichtet, die zuver­ lässig abdichten muß. Die Heiz- und Regelwendel 8, 9 besteht im Heizbereich (Heizwendel 8) aus einem ferritischen Stahl, z. B. aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-legierung mit 17 bis 22% Chrom und 3 bis 7% Aluminium; eine häufig verwendete Legierung ist Kantal AF CrAl225. An eine solche Heizwendel ist ein gewendel­ ter Draht (Regelwendel 9) aus reinem Nickel angeschweißt, der die Funktion eines Regelwiderstandes besitzt.

Als Pulverfüllung 10 wird im allgemeinen Magnesiomoxid verwen­ det. Um den in den Poren der Pulverfüllung enthaltenen Luftsau­ erstoff zu minimieren, wird das Pulver sehr stark verdichtet, indem der gefüllte Metallmantel von außen durch ein konzen­ trisch wirkendes Schlagwerkzeug gestaucht und dadurch im Durch­ messer reduziert wird. Die Pulverfüllung wird im Bereich der Heizstabspitze besonders stark verdichtet, indem dort der Me­ tallmantel konisch gestaucht wird. Aufgrund der hohen Betrieb­ stemperaturen der Heizwendel und eines ausreichenden Sauer­ stoffangebotes in der verdichteten Pulverfüllung kommt es zu einer schleichenden Korrosion der Heizwendel. Der Restsauer­ stoff ist nicht nur in dem freien, mit Luft gefüllten Porenvo­ lumen der Pulverfüllung enthalten, sondern er ist vor allem an der sehr großen Porenoberfläche der Füllung aus Magnesiumoxid- Pulver adsorbiert.

Zur Erhöhung der Lebensdauer der durch thermische und chemische Einflüsse stark beanspruchten Heizwendel 8 ist erfindungsgemäß im Innern des Metallmantels 7 ein bei Erwärmung auf betriebs­ temperatur reduzierend wirkendes Gettermaterial enthalten. Durch dieses Gettermaterial wird der in der verdichteten Pul­ verfüllung 10 enthaltene Sauerstoff chemisch gebunden und so eine sauerstoffreie, also inerte Atmosphäre darin geschaffen.

Bei der Auswahl der Getterstoffe ist darauf zu achten, daß bei deren chemischer Umsetzung mit Sauerstoff keine Gase gebildet werden dürfen, weil sonst der Innendruck in den Heizstäben steigt und der Metallmantel u. U. bersten kann. Damit scheiden Ruß und organische Stoffe oder Kohlenwasserstoffe als reduzie­ rend wirkende Gettermaterialien aus. Aus dem gleichen Grunde - Vermeidung der Berstgefahr - muß auch sorgfältig getrocknetes Pulver eingefüllt und verdichtet werden, weil sonst im Betrieb ein hoher wasserdampfdruck im Innern des Heizstabes entsteht.

Als reduzierend wirkende Getterstoffe werden folgende Materia­ lien favorisiert:

• - Silizium, das über SiO zu SiO₂ oxidieren kann;
• - zweiwertiges Eisenoxid (FeO), das zu dreiwertigem Eisenoxid (Fe₂O₃) oxidieren kann;
• - Bor, das zu B₂O₃ oxidieren kann;
• - Titan, das zu drei- und zu vierwertigem Oxid (Ti₂O₃ bzw. TiO₂) oxidieren kann;
• - Aluminium, das zu dreiwertigem Al₂O₃ oxidieren kann.

Das Gettermaterial kann in Form feiner, in der verdichteten Pulverfüllung 10 verteilter Partikel 11 enthalten sein, wie es beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 vorgesehen ist. Nachdem die Pulverfüllung elektrisch isolierend wirken soll, sollten vor allem bei starker Zumischung von Gettermate­ rial in die Pulverfüllung auch die Gettermaterial-Partikel 11 elektrisch nichtleitend sein, wenngleich ein geringer Anteil der zugemischten Getterpartikel auch metallischer Art sein kann; es dürfen sich keine metallischen Brücken aus den Parti­ keln bilden. Aus diesem Grund bestehen die in die Pulverfüllung eingemischten Gettermaterial-Partikel 11 zumindest überwiegend aus Silizium oder aus Metalloxiden. Und zwar werden hier Oxide solcher Metalle verwendet, die in mehreren Oxidationsstufen oxidieren und die eine höhere Affinität zu Sauerstoff haben als der Wendelwerkstoff. Im Ausgangszustand liegt das Gettermateri­ al bei Verwendung von Metalloxiden in der ersten Oxidations­ stufe vor. Als Basismetalle können Eisen, Bor, Titan, Alumini­ um, Vanadium, Mangan, Chrom, Molybdän, Iridium und/oder Wolfram einzeln oder in Gemischen verschiedener Zusammensetzung einge­ setzt werden. Auch Kupfer, Zinn und/oder Cer können gegebenen­ falls verwendet werden.

Anstelle einer Zumischung in die Pulverfüllung oder auch zu­ sätzlich dazu kann das Gettermaterial gemäß den Darstellungen der Fig. 3 bis 5 auch in Form einer Beschichtung auf der Wendel 8 oder auf der Innenoberfläche des Metallmantels 7 vor­ gesehen sein. Hierbei kann die aufgebrachte Gettermaterial- Beschichtung aus einem Metall bestehen, und zwar aus einem sol­ chen Metall oder aus einem Gemisch oder einer Legierung solcher Metalle bestehen, welche eine höhere Affinität zu Sauerstoff haben als der Wendel- oder der Mantelwerkstoff und welche sich ferner nicht oder nur zu einem geringen Gehalt mit dem Wendel­ werkstoff oder dem Mantelwerkstoff legieren lassen. Dazu gehö­ ren Aluminium, Zinn oder Blei. Aluminium läßt sich etwa nur zu 5% in Stahl lösen.

Bei Einsatz von Metallen als sauerstoffbindenden Getterstoff ist die Getterfähigkeit besonders groß. Der Vollständigkeit halber sei jedoch erwähnt, daß eine Beschichtung der Wendel 8 oder der Innenoberfläche des Metallmantels 7 mit Gettermaterial auch Metalloxide niedriger Oxidationsstufe enthalten oder ganz aus solchen Metalloxiden besteht darf.

Das - metallische - Gettermaterial kann im Falle einer Be­ schichtung der Wendel 8 oder der Innenoberfläche des Metall­ mantels 7 galvanisch aufgebracht werden, wie es Fig. 4 mit der Galvanikschicht 13 zeigt. Auch andere Beschichtungsarten sind möglich. Beispielsweise kann die Wendel oder der Metallmantel - durch Tauchen oder Besprühen - mit einer Kleberschicht 12 ver­ sehen und in diese Kleberschicht dann Metallpartikel 11' einge­ lagert (Fig. 3) werden, was durch Eintauchen in loses Pulver oder durch Besprühen mit Pulver erfolgen kann. Bei der Kleber­ schicht kann es sich um organische Binder wie z. B. höherwertige Alkohole, Knochenleim oder Tapetenkleister handeln. Die mit Gettermaterial zu beschichtenden Gegenstände (Wendel 8, Metall­ mantel 7) können auch durch Tauchen, Schwallbeschichtung oder Sprühen mit einer organischen Haftschicht 14 überzogen werden, in die Getterpartikel 11" eingelagert sind (vgl. Fig. 5). Der organische Binder muß allerdings vor der Montage des Heizstif­ tes durch eine thermische Behandlung der beschichteten Teile bei Temperaturen im Bereich zwischen 400 und 600°C beseitigt werden. Eine weitere Beschichtungsmethode besteht in einem elektrostatischen Beschichten, bei dem die elektrisch aufgela­ denen Getterpartikel an den zu beschichtenden Gegenständen, die elektrisch auf Gegenpotential geschaltet werden, niedergeschla­ gen werden. Als weitere Beschichtungsmethoden kommen auch Plas­ ma- oder Impuls-Plasma-Beschichtungen sowie PVD- und CVD-Ver­ fahren in Betracht.

Durch die erfindungsgemäße Zugabe von reduzierend wirkenden Gettermaterialien ins Innere des Glühstabes wird der noch vor­ handene Restsauerstoff daraus chemisch gebunden. Dieses Ziel kann selbstverständlich dann besonders vollkommen erreicht wer­ den, wenn von vornherein eine inerte Atmosphäre in der Pulver­ füllung durch Zufuhr eines Inertgases, beispielsweise Stick­ stoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas, z. B. Argon geschaffen und etwaiger Restsauerstoff von vornherein minimiert wird. Das in der Pulverfüllung enthaltene Inertgas wird zweckmäßigerweise bereits in die beim Herstellungsprozeß der Glühkerzen erforder­ lichen Speicher für das Füllpulver zugegeben und das Pulver un­ ter Inertgas gelagert, damit die Partikel an ihrer Oberfläche dieses Gas adsorbieren und oberflächlich möglichst wenig Sauer­ stoff anlagern. Desweiteren sollte man beim pneumatischen Be­ füllen des Metallmantels mit Pulver ebenfalls das Inertgas als Trägergas einsetzen und während des Einrüttelns des Pulvers die Inertgaszufuhr aufrechterhalten. Dadurch kann auch ein gewisser Feinstoff-Verlust im Bereich der noch unverschweißten Spitze durch Nachfördern von Feinstoff aus dem hinteren Bereich ausge­ glichen werden. Wichtig ist, daß das Inertgas und die Pulver­ füllung absolut trocken sind, was z. B. durch ein vorübergehen­ des Erwärmen des befüllten Metallmantels unter Inertgasatmo­ sphäre und unter Feuchtigkeitsentzug erreicht werden kann.

Claims (12)

1. Elektrisch beheizbare Glühkerze oder Glühstab für Verbren­ nungsmotoren, mit einem Glühstift, der aus einem korrosionsbe­ ständigen geschlossenen Metallmantel, aus einer darin enthalte­ nen Füllung aus einem elektrisch nichtleitenden, verdichteten Pulver und aus einer in die Füllung eingebetteten elektrisch leitenden Wendel besteht, wobei der Metallmantel und die in ihn eingeführten elektrischen Anschlüsse für die Wendel an dem Ende der Einführung gasdicht abgedichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Metallmantels (7) ein Gettermaterial (11, 11', 11", 13) zum Binden des in der verdichteten Pulverfüllung (10) enthaltenen Sauerstoffs vorgesehen ist.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial als feine, in der verdichteten Pulver­ füllung (10) verteilte Partikel (11) enthalten ist.

3. Glühkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der verdichteten Pulverfüllung (10) verteilten Get­ termaterial-Partikel (11) elektrisch nichtleitend sind.

4. Glühkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gettermaterial-Partikel (11) aus Silizium oder aus Oxi­ den solcher Metalle bestehen, die in mehreren Oxidationsstufen oxidieren und eine höhere Affinität zu Sauerstoff haben als der Wendelwerkstoff, wobei das Gettermaterial im Ausgangszustand aus Metalloxiden der ersten Oxidationsstufe besteht.

5. Glühkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial (11) Oxide der Metalle Eisen, Bor, Ti­ tan, Vanadium, Mangan, Chrom, Molybdän, Iridium und/oder Wolf­ ram der ersten Oxidationsstufe enthält.

6. Glühkerze nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial (11) auch noch Oxide von Kupfer, Zinn und/oder Cer der ersten Oxidationsstufe enthält.

7. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial (11', 11", 13) als Beschichtung auf der Wendel (8) oder auf der Innenoberfläche des Metallmantels (7) vorgesehen ist.

8. Glühkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Wendel (8) oder auf der Innenoberfläche des Me­ tallmantels (7) aufgebrachte Gettermaterial-Beschichtung (11', 11", 13) aus einem Metall, und zwar aus einem solchen Metall oder aus einem Gemisch oder einer Legierung solcher Metalle be­ steht, welche eine höhere Affinität zu Sauerstoff haben als der Wendelwerkstoff oder der Mantelwerkstoff und welche sich ferner nicht oder nur zu einem geringen Gehalt mit dem Wendelwerkstoff oder dem Mantelwerkstoff legieren lassen.

9. Glühkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Wendel (8) oder auf der Innenoberfläche des Me­ tallmantels (7) aufgebrachte Gettermaterial-Beschichtung ein Metalloxid niedriger Oxidationsstufe oder ein Gemisch solcher Metalloxide verschiedener Metalle enthält oder ganz aus solchen Metalloxiden besteht, wobei die Basismetalle dieser Oxide und die Metalloxide selber eine höhere Affinität zu Sauerstoff ha­ ben als der Wendelwerkstoff oder der Mantelwerkstoff.

10. Glühkerze nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial in Form eine galvanisch aufgebrachten Beschichtung (13) auf der Wendel (8) oder auf der Innen­ oberfläche des Metallmantels (7) enthalten ist.

11. Glühkerze nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gettermaterial in feinen auf der Wendel (8) oder auf der Innenoberfläche des Metallmantels (7) angeklebten oder elektostatisch angelagerten oder in oberflächennahe Werkstoff­ lagen implantierten oder in einer Haftschicht (14) eingebette­ ten Partikeln (11', 11") enthalten ist.

12. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Metallmantels (7) ein Inertgas, beispielswei­ se Stickstoff, Kohlendioxid oder ein Edelgas, z. B. Argon oder ein Gemisch derartiger Gase zu einem möglichst hohen Gehalt enthalten und dadurch etwaiger Restsauerstoff von vornherein minimiert ist.