DE8103317U1

DE8103317U1 - Gluehkerze fuer brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE8103317U1
Application number: DE19818103317
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-02-07
Filing date: 1981-02-07
Publication date: 1982-04-29

Description

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3.2.1981 Zr/Kn

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Glühkerze für Brennkraftmaschinen
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Glühkerze nach der Gattung des Hauptanspruchs und eine solche Glühkerze, die schon aus der DE-PS kO6 932 bekannt ist, erfordert aber aufgrund der hohen Wärmekapazität ihrer Bauteile und ihres Aufbaus eine relativ lange Zeitspanne, um ihre zur Zündung von Kraftstoff dampf-Luft-Gemischen erforderliche Temperaturen zu erreichen; darüber hinaus besitzt eine solche Glühkerze aufgrund ihres Aufbaus keine befriedigende Lebensdauer und ist zudem noch verhältnismäßig teuer.

Weiterhin ist es aus der DE-OS 29 00 98U schon bekannt, bei Glühkerzen auf dem Mantel eines rohrförmigen' keramischen Trägers ein schichtförmiges Heizelement anzuordnen; eine solche Glühkerze benötigt für die heutigen Brennkraftmaschinen jedoch auch noch eine ziemlich lange Zeitspanne zum Vorglühen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Glühkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie die erforderliche Vorglühtemperatur in weniger als zwei Sekunden erreicht, eine hervorragende Lebensdauer auf-

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weist und die kostengünstige Herstellung mittels moderner Fertigungsverfahren erlaubt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Glühkerze möglich. Besonders kurze Vorglühzeiten erzielt man bei einer Glühkerze, wenn das auf ihrem Keramikrohr-Boden angeordnete schichtförmige Heizelement als Einschnürung zwischen Anschlußleiterbahnen ausgebildet ist; um das Keramikrohr dieser besonders vorteilhaften, erfindungsgemäßen Ausführungsform der Glühkerze thermisch zu entlasten, ist zwischen Heizelement und Keramikrohr die Anordnung einer porösen Keramik-Zwischenschicht und zumeist auch noch einer zusätzlichen Wärmeleitschicht erforderlich.

Ein zusätzlicher hervorzuhebender Vorteil der erfindungsgemäßen Glühkerze ist darin zu sehen, daß sie auf einfache Weise mit einem optoelektrischen Brennraumsensor ausgerüstet werden kann; ein solcher Brennraumsensor, der prinzipiell bekannt ist und zum Erfassen des Zündbeginns bzw. des Verlaufs der Verbrennung der Kraftstoffdampf-Luft-Gemische in Brennkraftmaschinen dient, kann als Lichtleiter durch den Anschlußbolzen der Glühkerze geführt werden und ist mittels des Glühkörpers der Glühkerze funktionssicher angeordnet.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine vergrößert dargestellte Glühkerze nach der Erfindung, Fig. 2 die Draufsicht auf die Außenseite des Keramikrohr-Bodens (ohne Heizelement-Schutzschicht) der Glühkerze nach Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Glühkerzen-Glühkörpers in vergrößerter Darstellung und Fig. k

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die Draufsicht auf die Außenseite des Keramikrohr-Bodens (ohne Heizelement-Schutzschicht) der Glühkerze nach Fig. 3.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Glühkerze 10 hat ein rohrförmiges Metallgehäuse 11, dessen Längsführung mit 12 "bezeichnet ist und das an seiner Außenseite für den Einbau in einen nicht dargestellten Motor ein Einschraubgewinde 13j ein Schlüsselsechskant 1U und einen am brennraumseitigen Endabschnit angeordneten Dichtsitz 15 besitzt. Die Gehäuse-Längsbohrung 12 ist an ihrem brennraumseitigen Endabschnitt mit einer Schulter 16 versehen, auf der ein Glühkörper 17 mit einem nach außen weisenden Flansch 18 aufliegt; zwischen den Glühkörper-Flansch 18 und die Längsbohrungs-Schulter 16 des Metallgehäuses 11 ist ein kupferner Kontaktring 19 eingelegt, der auch gleichzeitig als Dichtung zwischen dem Glühkörper 17 und dem Gehäuse 11 dient.

Der Glühkörper 17 hat als Träger ein Keramikrohr 20, welches an seinem brennraumseitigen Endabschnitt mit einen Boden 2 1 verschlossen ist und aus dem brennraumseitigen Endabschnitt des Metallgehäuses 11 herausragt. Das Keramikrohr 20 besteht aus elektrisch isolierendem Keramikmaterial oder Glaskeramik, vorzugsweise jedoch aus Aluminiumoxid und hat an seinem aus dem Gehäuse 11 herausragenden Endabschnitt einen Außendurchmesser von etwa 5 mm; der Bereich des Bodens 21 hat eine Wanddicke von 0,5 mm, kann jedoch entsprechend der Anwendung einer solchen Glühkerze 10 auch zwischen 0,3 und 0,8 mm dick sein. Um dem Glühkörper 17 eine möglichst geringe Wärmekapazität zu geben, bleibt die Wanddicke des Keramikrohres 20 bevorzugterweise bis zum Flansch 18 hinauf im wesentlichen gleich und der Keramikrohr-Innenraum 22 wird im wesentlichen unausgefüllt gelassen. Der Boden 21 ist als Kuppe ausgebildet, kann aber auch von anderer Konfiguration sein.

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Der Boden 21 des Keramikrohres 20 ist auf seiner Außenseite mit einer dünnen porösen, elektrisch isolierenden Zwischenschicht 23 "bedeckt, die vorzugsweise aus Aluminiumoxid "besteht, Wärmedehnungen auffängt und einen zu schnellen Wärmeübergang vom Heizelement 2k auf das Keramikrohr 20 verhindert; die Zwischenschicht 23 kann auf dem Keramikrohr 20 aber auch weiter in Richtung Keramikrohr-Flansch 18 verlängert sein.

Das Heizelement 2k ist im wesentlichen auf den Bereich des Keramikrohr-Bodens 21 beschränkt, ist schichtförmig ausgebildet und besteht aus einer Platin-Rhodium-Legierung, welche mit keramischem Material wie z.B. Aluminiumoxid versetzt ist. Anstelle der Platin-Rhodium-Legierung können auch andere Platinmetalle, Legierungen von Platinmetallen oder auch andere geeignete elektrisch leitende Stoffe (z. B. Ag-Perowskit) für das Heizelement 2k Verwendung finden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, hat das Heizelement 2k im vorliegenden Beispiel wellenförmige Konfiguration, was eine hohe Ernergiedichte ermöglicht. Das Heizelement 2k nimmt auf dem Keramikrohr-Boden 21 eine kleinere Fläche ein als die Zwischenschicht 23. Dieses Heizelement 2k ist mit einer elektrisch isolierenden, dichten Schutzschicht 25 aus keramischem Material (z. B. Aluminiumoxid) bedeckt, welche es vor Abrasion, Korrosion und Kurzschluß schützt.

Das Heizelement 2k ist an seinen beiden Enden mit einer ersten Leiterbahn 26 bzw. einer zweiten Leiterbahn 27 verbunden, welche aus einer Mischung von Platin und Aluminiumoxid bestehen, aber auch aus anderen Platinmetallen bzw. Legierungen von Platinmetallen oder auch aus anderen geeigneten elektrisch leitenden Stoffen (z. B. Ag-Perowskit) und einem Keramikmaterial bestehen können; die Leiterbahnen 26 und 27 sind 2 mm breit. Während die erste Leiterbahn 26 "bis hinauf auf die Stirnseite 28 des Keramikrohr-Flansches führt, endet die zweite Leiterbahn 27 bereits hinter der Flansch-Brennraumseite 29- Die Schutzschicht 25 bedeckt die

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erste Leiterhahn 26, und zwar ausschließlich des die Keramikrohr-Stirnseite 28 bedeckenden Kontaktbereiches, und auch die zveite Leiterbahn'27» diese jedoch nur bis vor die Flansch-Brennraumseite 29, damit sie hier über den Kontaktring 19 mit dem elektrisch an Masse liegendem Metallgehäuse 11 in Kontakt stehen kann. Die Zwischenschicht' 23 und auch die Schutzschicht 25 sind zwischen 10 und 50 i*m dick, vorzugsweise jedoch etwa 20yum.

Der aus dem Gehäuse 11 herausragende Abschnitt des Glühkörpers 17 ist mit Abstand von einer Schutzhülse 30 umgeben, die Öffnungen 31 für den Zutritt von Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen enthält, aus warmfestem Blech besteht und am brennraumseitigen Endabschnitt des Metallgehäuses 11 mit bekannten Mitteln befestigt ist; anstelle einer aus Metall bestehenden Schutzhülse 30 kann auch der brennraumseitige Endabschnitt des Gehäuses 11 eine rohrförmige Verlängerung aufweisen, es kann aber auch eine keramische Schutzhülse Verwendung finden.

Der auf der Keramikrohr-Stirnseite 28 befindliche Abschnitt der ersten Leiterbahn 2β steht mit einem Anschlußbolzen in elektrischem Kontakt, und zwar über einen Kontaktflansch 33. Der Anschlußbolzen 32 ragt mit einem Anschlußgewinde 3^ aus dem anschlußseitigen Endabschnitt des Metallgehäuses heraus und ist im Metallgehäuse 11 mittels zwei Isolierbuchsen 35 und 36 elektrisch isoliert geführt; die Isolierbuchse 35 ist mit ihrer Längsbohrung 37 auf den Anschlußbolzen 32 geschoben, und zwar bis hinab zum Kontaktflansch 33. Anschlußseits auf dieser unteren Isolierbuchse 35 ist ein Federring 38 auf den Anschlußbolzen 32 aufgeschoben, der die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der verschiedenen Bauteile der Glühkerze 10 ausgleicht. Als nächstes ist auf den Anschlußbolzen 32 die obere Isolierbuchse 36 mit ihrer Längsbohrung 36' aufgeschoben, deren anschlußseitiger Bereich mit einer koaxialen Schräge 39 versehen ist. Auf

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der Schräge 39 liegt ein metallischer Druckring ko auf, der Abstand vom Anschlußbolzen 32 hält und auf dessen Oberseite ein an das Metallgehäuse 11 angeformter Bördelrand h'\ drückt; mittels des Bördelrandes 1+1 werden die in der Gehäuse-Längsbohrung 12 befindlichen Bauteile der Glühkerze 10 fest zusammengehalten .

Derartige Glühkerzen finden bevorzugt bei Brennkraftmaschinen ohne Fremdzündung (z.B. bei Dieselmotoren) Anwendung. Anstelle der elektrischen Verbindung der zweiten Leiterbahn 27 mit dem Metallgehäuse 11 als elektrische Rückführung kann die Leiterbahn 27 auch innerhalb der Gehäuse-Längsbohrung 12 entlanggeführt werden, wie es prinzipiell auch von herkömmlichen Glühkerzen bekannt ist.

In den Figuren 3 und U ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Glühkörpers 17' dargestellt: Dieser Glühkörper 17' besitzt ein Keramikrohr 20' mit einem Flansch 18' und einem Boden 21' wie die Glühkerze 10 in den Figuren 1 und 2. Auf der Außenseite des Bodens 21' des Keramikrohres 20' ist eine Wärmeleitschicht k2 nach einem bekannten Verfahren aufgebracht, die aus einer Platin/Aluminiumoxid-Schicht besteht und die Aufgabe hat, zu große Temperaturgradienten im dichtgesinterten Keramikrohr 20' zu verhindern; sie erfüllt diese Aufgabe dadurch, daß sie die schockartig, nahezu nur an einem Punkt auftretende Wärme des Heizelementes 2k* über den ganzen Keramikrohr-Boden 21' verteilt und ableitet. Diese Wärmeleitschicht k2 kann auch aus anderen Metall/Keramik-Verbindungen bestehen, enthält als Metall vorzugsweise jedoch ein Platinmetall oder Legierungen von Platinmetallen.

Diese Wärmeleitschicht U2 ist etwa 30 jum dick und von einer Zwischenschicht H3 bedeckt, die aus poröser Keramik besteht (beispielsweise aus Aluminiumoxid), 20 Xijn dick ist und mithilft, einen zu schnellen Wärmeübergang vom Heizelement 2h' auf das Keramikrohr 20' zu verhindern; diese Zwischenschicht ^3 fängt auch Wärmedehnungen auf und erstreckt sich vorzugsweise bis zum Keramikrohr-Flansch 18' hin. Die Wärmeleitschicht U2 nimmt eine größere Fläche ein als das Heizelement 2U' und ist von der elektrisch isolierenden Zwischenschicht ^3 bedeckt. ·,.'-;:: ,' ,' ",

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Auf dieser Zwischenschicht 1+3 ist eine erste Leiterbahn 26' angeordnet, die auf der Stirnseite 28' des Keramikrohres 20' "beginnt, wie die Leiterbahnen 26 und 27 des Glühkörpers IT in den Figuren 1 und 2 aus einer Platinmetall-Keramik-Schicht "besteht und "bis zum Keramikrohr-Boden 21' führt. Die zweite Leiterbahn 27' dieses Glühkörpers 17' führt von der Brennraumseite 29' des Keramikrohr-Flansches 18' ebenfalls bis auf den Keramikrohr-Boden 21' und besteht aus dem gleichen Material wie die erste Leiterbahn 26'. Das Heizelement 2k' ist als Einschnürung zwischen den beiden Leiterbahnen 26' und 27' ausgebildet; dieses Heizelement 2k ist etwa nur 1 mm lang und 0,5 mm breit, kann - je nach Anwendungsart - jedoch auch bis zu 6 mm lang oder sogar punktförmig sein.

Der Bereich des Heizelementes 2k' und die Leiterbahnen 26' und 27' ist mit einer Schutzschicht 25' abgedeckt, die in Anordnung, Material und ihrer Aufgabe der Schutzschicht 25 auf dem Glühkörper 17 nach Fig. 1 entspricht.

Alle auf dem Keramikrohr 20' aufgebrachten schichtförmigen Elemente k2, 1+3, 26', 27', 2k' und 25' können mit dem Keramikrohr 20' gemeinsam in einem einzigen Brand miteinander versintert werden.

Es sei erwähnt, daß die beschriebenen Heizelemente 2k und 21+' mit ihren Leiterbahnen 26, 27 bzw. 26', 27' nicht auf der Außenseite des Keramikrohres 20 bzw. 20' angeordnet sein müssen, sondern auch im Innenraum 22 bzw. 22' des Keramikrohres 20 bzw. 20' aufgebracht sein können; es ist auch möglich, daß Heizelemente 2k , 2k' sowohl auf der Außenseite als auch im Innenraum 22 bzw. 22' des Keramikrohres 20 bzw. 20' angeordnet sind.

Eine Glühkerze mit einem Glühkörper 17' gemäß den Figuren 3 und k können die zum Zünden von Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen erforderliche Temperatur in weniger als einer Sekunde erreichen; mit einem solchen Glühkörper 17' lassen

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sich die genannten Zündtemperaturen selbst bei einer angelegten Spannung in der Größenordnung von 9 Volt in weniger als 1,5 Sekunden erreichen, wobei der Stromverbrauch nur etwa halb so groß ist wie bei üblichen Glühstiftkerzen, welche in einer dünnwandigen metallischen Glühhülse einen in keramisches Material gebetteten Widerstandsdraht enthalten .

Die in Fig. 1 dargestellte Glühkerze 10 mit ihrem Glühkörper 17 oder mit einem Glühkörper 17' nach den Figuren 3 und k kann vorzüglich mit einem optoelektrischen Brennraumsensor kk ausgerüstet werden. Dieser Brennraumsensor kh ist ein Lichtleiter, der aus einem Quarzglasstab und/oder einem Glasfaserkabel besteht und in einer Längsbohrung U5 des Anschlußbolzens 32 entlanggeführt ist; der brennraumseitige Endabschnitt des Brennraumsensors hk ragt in bevorzugter Weise etwas in den Keramikrohr-Innenraum 22 hinein, jedoch zwecks Vermeidung von Wärmeableitung ohne Berührung der Keramikrohres 20. Das dünnwandige Keramikrohr 20 übernimmt für den Sensor hk eine Schutzfunktion gegen Verunreinigungen (ζ-. B. Ruß), erlaubt aber dennoch aufgrund seiner Transparenz einen gut ausreichenden Durchtritt des bei der Verbrennung auftretenden Lichtes. Der anschlußseits aus dem Anschlußbolzen 32 herausgeführte, zumeist lichtdicht ummantelte Abschnitt des Brennraumsensors Ui| steht in bekannter Weise mit einem nicht dargestellten optoelektrischen Wandler in Verbindung wie es beispielsweise aus der DE-OS 29 05 506 bekannt ist. - Optoelektrische Sensoren sind bereits aus der vorstehend genannten DE-OS 29 05 5O6 und auch aus den DE-OS 30 01 711, 30 11 569, 30 11 570, 30 k2 399 und 30 k2 k^h bekannt.

Erwähnt sei noch, daß bei Verwendung einer die Glühkörper 17, I7¹ umgebenden Schutzhülse 30 insbesondere eine Öffnung 31 an der brennraumseitigen Stirnfläche der Schutzhülse 30 angeordnet ist, um eine gute Wirkung des Brennraumsensors hk zu erzielen; in vielen Anwendungsfällen genügen jedoch auch Öffnungen 31, welche sich irgendwo in der Schutzhülse 30 befinden. ..,....,

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Glühkerze für Brennkraftmaschinen
Zusammenfassung

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Brennkraftmaschinen ohne Fremdzündung. Die Glühkerze umfaßt in der Längsbohrung ihres Metallgehäuses ein dünnwandiges Keramikrohr, das brennraumseits mit einem Boden verschlossen ist; auf der Außen- und/oder Innenseite des Keramikrohr-Bodens ist ein schichtförmiges Heizelement aufgebracht, das über Leiterbahnen mit dem anschlußseitigen Endabschnitt des Keramikrohres in elektrischer Verbindung steht. Das Heizelement ist wellenförmig oder als Einschnürung der Anschlußleiterbahnen ausgebildet und vorzugsweise mit einer gasdichten Schutzschicht bedeckt. Zwischen Heizelement und Keramikrohr-Boden kann eine poröse keramische Zwischenschicht angeordnet sein; im Falle von sehr kleinflächigen Heizelementen ist außerdem eine Wärmeleitschicht zwischen der Zwischenschicht und dem Keramikrohr-Boden erforderlich. - Glühkerzen gemäß der Erfindung erreichen in weniger als zwei Sekunden die zur Zündung von Kraftstoffdampf-Luft-Gemischen erforderlichen Temperaturen und können in einfacher Weise mit einem optoelektrischen Brennraumsensor ausgerüstet werden.

Claims

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Ansprüche

1. Glühkerze für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Brennkraftmaschinen ohne Fremdzündung, mit einem Keramikrohr, das in der Längsbohrung eines Metallgehäuses befestigt ist, brennraumseits einen Boden hat und auf seiner Oberfläche mit einem elektrischen Heizelement versehen ist, von dem zumindest eine der elektrischen Anschluß-Verbindungen durch die Gehäuse-Längsbohrung führt, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (2k, 2U *) im wesentlichen auf den Bereich des brennraumseitigen Bodens (21, 21') des im wesentlichen einen leeren Innenraum (22, 22') habenden Keramikrohres (20, 20') begrenzt, schichtförmig ausgebildet, und vorzugsweise von einer elektrisch isolierenden, dichten Schutzschicht (25, 25') bedeckt ist.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

der Keramikrohr-Boden (21, 21') maximal 0,8 mm, vorzugs-

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3. Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schichtförmige Heizelement (2k, 2k¹) über auf dem Keramikrohr (20, 20') aufgebrachte Leiterbahnen(26, 27; 26', 27') mit dem Anschlußbereich des Kerainikrohres (20, 20') verbunden ist, wobei diese Leiterbahnen (26, 27; 26', 27') vorzugsweise mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht (25₅ 25') bedeckt sind.

k. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Heizelement (2U') und dem Keramikrohr (20') eine poröse, elektrisch isolierende Zwischenschicht (k3) angeordnet ist, welche vorzugsweise eine größere Fläche des Keramikrohr-Bodens (21') bedeckt als das Heizelement (2U').

5. Glühkerze nach Anspruch H, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zwischenschicht (k3) und dem Keramikrohr (20') eine Wärmeleitschicht (k2) angeordnet ist, welche eine größere Fläche des Keramikrohr-Bodens (21') bedeckt als das Heizelement (2^¹).

6. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (2k) auf dem Keramikrohr-Boden (21) eine im wesentlichen wellenförmige Konfiguration hat (Fig. 2).

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7. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 "bis 5-, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (2k') als Einschnürung zwischen den beiden Anschlußleiterbahnen {26', 27') ausgebildet ist (Fig. k).

8. Glühkerze nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß

das zwischen den Leiterbahnen (26') und (27') als Einschnürung ausgebildete Heizelement (2H¹) maximal 6 mm lang ist.

9. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (2k, 2k') auf der Außenseite und/oder auf der Innenseite (22, 22') des Keramikrohres (20, 20') angeordnet ist.

10. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der brennraumseits aus dem Metallgehäuse (11) herausragende Abschnitt des Keramikrohres (20, 20') mit Abstand von einer Schutzhülse (30) umgeben ist, die mindestens eine Öffnung (31) hat.

11. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein optoelektrischer Brennraumsensor (1+1+) mit dem Innenraum (22, 22') des Glühkörpers (17, 17') in Verbindung steht.

12. Glühkerze nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennraumsensor (1+1+) durch eine Längsbohrung (1+5) des Anschlußbolzens (32) führt.