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Die
Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Eine
derartige Glühstiftkerze ist beispielsweise aus
DE 10 157 466 A1 bekannt.
Bei dieser Glühstiftkerze ist in einem mit einem Isolierpulver
gefüllten Glührohr eine elektrische Heizeinrichtung
mit einer Heizwendel und einer dazu in Reihe geschaltete Regelwendel
eingebettet, wobei die Heizwendel aus einer Fe-Cr-Al-Legierung besteht.
Die Regelwendel kann dabei aus einer Nickel- oder einer Kobalt-Eisen-Legierung
bestehen. Die Heizwendel ist an der Spitze des Glührohres
mit diesem verschweißt. Die Verbindung zwischen Heiz- und
Regelwendel ist ebenfalls verschweißt. Das restliche Volumen
innerhalb des Glührohres ist mit dem keramischen Isolierpulver,
beispielsweise Magnesiumoxid gefüllt.
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Weiterhin
sind sogenannte Niederspannungs-Glühstiftkerzen bekannt,
die beispielsweise in MTZ (Motortechnische Zeitschrift)
10/2000, „Das elektronisch gesteuerte Glühsystem
GSS für Dieselmotoren" beschrieben sind.
Derartige Niederspannungsglühstiftkerzen oder Schnellstart-Glühkerzen sind
auf Schnelligkeit und Steuerbarkeit ausgelegt. Sie erreichen Ihre
Nominaltemperatur mit einer Versorgungsspannung, die deutlich unterhalb
der verfügbaren Bordspannung von beispielsweise 7 bis 12 V
während des Vorglühens liegt. Die Nominalspannung
liegt dabei zwischen 4 und 7 V. Die Vorteile dieser Glühstiftkerzen
liegt in der kurzen Aufheizzeit und in der Möglichkeit,
die Temperatur bei verschiedenen Motorzuständen einzustellen
bzw. zu applizieren.
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Selbst
während des Startens des Motors, wenn die Bordspannung
auf 7 V sinkt, steht diesen Glühstiftkerzen noch mindestens
die volle Nominalspannung zur Verfügung. Die Temperatur
der Glühstiftkerze ergibt sich durch die angelegte Effektivspannung,
die durch Pulsweitenmodulation erzeugt wird und die Kühlung
durch den Motor. Diese Glühstiftkerzen werden außerdem
mit speziellen Messglühkerzen, die beispielsweise ein eingebautes
Thermoelement aufweisen, im Fahrzeug appliziert. Die Heizwendeln
derartiger Niederspannungs-Glühstiftkerzen weisen einem
Heizleitermaterial aus einer Fe-Cr-Al-Legierung mit einem entsprechend
hohen spezifischen elektrischen Widerstand und einem sehr niedrigen
elektrischen Temperaturkoeffizienten auf. Die Regelwendel dagegen
hat einen sehr niedrigen spezifischen elektrischen Widerstand bei
Raumtemperatur. Der Temperaturkoeffizient der Regelwendel ist dafür
sehr groß. Ein typisches Material für die Regelwendel
ist Nickel, das bei 1000°C einen etwa 6-mal größeren
spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, als bei Raumtemperatur.
Bei Raumtemperatur stellt die Heizwendel über 80% des elektrischen
Widerstands.
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Wird
an die Glühstiftkerze eine Spannung angelegt, fließt
zunächst ein hoher Strom, der aufgrund der Widerstandsverteilung
vor allem den Bereich der Heizwendel aufheizt. Die Regelwendel steigt
im Widerstand durch Eigenerwärmung und der Wärme,
die von der Heizwendel Richtung Regelwendel fließt. Dadurch
steigt der Widerstand der Regelwendel und damit der Gesamtwiderstand.
Der Strom verringert sich und die Leistung wird verkleinert. Durch
die Regelwendel kann daher der elektrische Widerstand der Glühstiftkerze
bei Raumtemperatur und darunter niedrig gehalten werden. Im Betrieb
ist der elektrische Widerstand dann wesentlich höher. Auf
diese Weise werden Toleranzen ausgeglichen und die Nominalspannung
angehoben. Zum schnellen Aufheizen werden die Niederspannungsglühstiftkerzen
für kurze Zeit mit etwa bis zu 11 V betrieben. Durch diesen
Vorgang, ist es möglich, dass die Niederspannungsglühstiftkerze
in etwa 2 sec auf 1000°C aufheizt. Anschließend
muss die Spannung so appliziert werden, dass die gewünschte
Temperatur gehalten wird und gleichzeitig die Glühstiftkerze
nicht überhitzt. Nachteilig bei diesem schnellen Aufheizbetrieb
ist, dass während dieses Vorgangs im Inneren der Glühstiftkerze
sehr hohe Temperaturen auftreten. Die entstehende Wärme
kann nicht schnell genug nach außen zur Glührohroberfläche
geleitet werden.
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Auf
diese Weise kommt es während des Aufheizvorganges zu einer
inneren Temperaturerhöhung, deren Spitzen nur noch 100
bis 200°C unterhalb der Schmelztemperatur des Materials
der Heizwendel liegen. Diese massive Temperaturerhöhung
beim Aufheizvorgang kann aufgrund unsorgfältiger Applikation
oder durch fehlerhafter Steuerungskomponenten dazu führen,
dass der Schmelzpunkt des Glührohres, der unterhalb des
Schmelzpunktes der Materialien der Heiz- oder Regelwendel der Heizeinrichtung
liegt, erreicht bzw. überschritten wird. Dadurch schmilzt
das Glührohr bevor die Glühstiftkerze an der Heizwendel
und/oder Regelwendel durchbrennt. Infolge dessen können
Materialteile des Glührohres der Glühstiftkerze
in den Brennraum gelangen und die Brennkraftmaschine schädigen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sicherungssystem in den Stromkreis
der Glühstiftkerze einzubauen, das ein Schmelzen des Glührohr
der Glühstiftkerze unterbindet, um so einen Motorschaden
zu verhindern, so dass nur die preisgünstige Glühstiftkerze
ausgetauscht werden muss.
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Darlegung der Erfindung
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Die
Aufgabe der Erfindung wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Die Schmelzsicherung mit einer Schmelztemperatur
unterhalb der Schmelztemperatur des Glührohres verhindert,
dass das Glührohr schmilzt. Die Schmelzsicherung ist dabei
an mindestens einer Stelle im Stromkreis an einem eine Heizeinrichtung bildenden
elektrischen Widerstandselement ausgebildet.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Maßnahmen
der Unteransprüche möglich. Besonders vorteilhaft
ist es, an mindestens einer Stelle der Heiz- und/oder Regelwendel
eine Verbindungsstelle zu schaffen, die als Schmelzsicherung wirkt.
Dabei ist es zweckmäßig, die Verbindungsstelle
beispielsweise mittels eines Hartlot-Werkstoffs zu erzeugen und
den Schmelzpunkt der Schmelzsicherung durch die Wahl des Hartlot-Werkstoffes
einzustellen. Überschreitet die Temperatur im Innern des
Glührohres den Schmelzpunkt des Hartlot-Werkstoffs, schmilzt
die Lotverbindung und der Stromkreis wird unterbrochen. Dabei kriecht das
Lot in die Restporösität des keramischen Isolierpulvers.
Der Vorgang ist dann nicht reversibel. Die Lotverbindung kann zwischen
Heiz- und Regelwendel liegen. Es ist aber ebenso möglich,
die Heizwendel und/oder die Regelwendel an einer geeigneten Stelle
zu trennen und mit der Lotverbindung zu versehen, die die Schmelzsicherung
ausbildet. Da die Temperatur im Heizwendelbereich je nach Ort unterschiedlich
ist, kann auch durch die Wahl des Ortes der Lotverbindung eine Temperatureinstellung
erfolgen.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
brennraumseitigen Abschnitt einer Glühstiftkerze und
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2 eine
Verbindungsstelle zwischen einem ersten Wendelabschnitt und einem
zweiten Wendelabschnitt eines elektrischen Widerstandselements.
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Die
in 1 dargestellte Glühstiftkerze ist zur
Anordnung in einem nicht dargestellten Brennraum einer Brennkraftmaschine
vorgesehen. Die Glühstiftkerze besitzt ein rohrförmiges
Gehäuse 10 mit einer Längsbohrung 12,
in die ein Glühstift 13 mit seiner Länge
dichtend festgelegt ist. Der Glühstift 13 weist
ein Glührohr 14 auf, welches an seinem brennraumseitigen
Ende 15 verschlossen ist. Im Innenraum des Glührohres 14 erstreckt
sich in axialer Richtung ein elektrisches Widerstandselement 17 als Heizeinrichtung.
Das Widertandselement 17 ist in ein keramisches Isolierpulver 18 eingebettet,
welches beispielsweise Magnesiumoxidpulver ist. Das Widerstandelement 17 ist
brennraumfern mit einem Anschlussteil 19 zur Kontaktierung
mit einem elektrischen Stromkreis versehen. Am brennraumseitigen Ende
ist das Widerstandselement 17 mit dem Glührohr 14 kontaktiert,
z. B. verschweißt.
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Das
dargestellte Widerstandselement 17 besteht aus zwei in
Reihe geschalteten Widerstandswendeln, wobei die brennraumseitige
Widerstandswendel eine Heizwendel 21 und die brennraumferne Widerstandswendel
eine Regelwendel 22 bildet. Die Wirkung der Heizwendel 21 und
der Regelwendel 22 wurde bereits eingangs im Zusammenhang
mit der Würdigung des Standes der Technik erläutert.
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Das
Glührohr 14 besteht beispielsweise aus einer Nickellegierung
mit einer chemischen Zusammensetzung NiCr23Fe oder NiCr25FeAlY,
die auch unter der Werkstoffnummer 2.4851 oder 2.4633 bekannt sind.
Die Schmelztemperatur dieser Materialien liegt beispielsweise bei
etwa 1400°C.
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2 zeigt
eine Verbindungsstelle 30 mit einem ersten Widerstandswendelabschnitt 31 und
einem zweiten Widerstandswendelabschnitt 32. An der Verbindungsstelle 30 ist
sind die Widerstandswendelabschnitte 31 und 22 mittels
eines schmelzfähigen Materials 33 elektrisch leitfähig
verbunden. Das schmelzfähige Material bildet eine Schmelzsicherung für
den Stromkreis des Widerstandselements 17. Das schmelzfähige,
elektrisch leitfähige Material 33 ist beispielsweise
ein Hartlot mit einem Schmelzpunkt, der unterhalb der Schmelztemperatur
des Materials des Glührohrs 14 liegt. Die Schmelztemperatur
kann dabei durch Auswahl des Werkstoffs des Hartlots eingestellt
werden. Silberhaltige Hartlote überdecken einen Temperaturbereich
von 620 bis 1200°C, Kupferbasislote einen Temperaturbereich von
650 bis 1100°C und Nickelbasislote einen Temperaturbereich
von 880°C bis 1150°C.
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Wichtig
für die Ausbildung der Verbindungsstelle 30 ist,
dass ein Abstand zwischen den Widerstandswendelabschnitten 31 und 32 vorliegt,
so dass eine Lotzone zwischen den beiden Drahtenden entsteht. Der
Abstand zwischen den Widerstandswendelabschnitten 31 und 32 ist
zweckmäßigerweise mit 0,1 bis 1 mm gewählt.
Wenn bei einer Überhitzung das Lot schmilzt, diffundiert
der Lotwerkstoff in die Poren der Füllung mit dem keramischen
Isolierpulver 18. Nach dem Schmelzen muss ein Abstand zwischen
den Heizwendelabschnitten 31, 32 verbleiben, damit
der Stromkreis unterbrochen bleibt. Der Abstand ist außerdem
nicht zu groß zu wählen, damit der Lotwerkstoff
vom umgebenden Isolierpulver 18 aufgenommen werden kann.
Aus dem gleichen Grund sollte die Lotzone mit möglichst
wenig Lotwerkstoff ausgeführt werden.
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Ein
zweckmäßiger Ort zur Ausbildung der Verbindungsstelle 30 ist
die Verbindung zwischen Heizwendel 21 und Regelwendel 22 gemäß 1, wobei
der erste Widerstandswendelabschnitt 31 die Heizwendel 21 und
der zweite Widerstandswendelabschnitt 32 die Regelwendel 22 bildet.
Eine schnell reagierende Schmelzsicherung liegt jedoch vor, wenn
die Verbindungsstelle 30 im Bereich der Heizwendel 21 liegt,
da die Heizwendel 21 schneller hohe Temperaturen erreicht.
Wenn allerdings eine Verzögerung erwünscht sein
sollte, kann die Verbindungsstelle 30 auch im Bereich der
Regelwendel 22 ausgebildet sein. Es ist aber genauso denkbar,
an mehreren Stellen der Heizeinrichtung 17 eine Verbindungsstelle 30 mit
der Funktion einer Schmelzsicherung auszuführen. Dazu wird
die Heizwendel 21 und/oder die Regelwendel an der Stelle,
an der sich die Verbindungsstelle 30 ausbilden soll, getrennt
und wieder mit dem beschriebenen schmelzfähigem Material 33 stoffschlüssig
verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - MTZ (Motortechnische
Zeitschrift) 10/2000, „Das elektronisch gesteuerte Glühsystem
GSS für Dieselmotoren” [0003]