DE102009054587A1 - Electrically heatable glowplug, useful in internal combustion engines, comprises a closed glow tube comprising an electrically conductive heating coil embedded in a filling powder comprising flow improving additives - Google Patents
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
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- F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
- F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die
Zur Kaltstartunterstützung einer Selbstverbrennungskraftmaschine werden üblicherweise die aus Glühstiftkerzen, sowie einem Glühzeitsteuergerät bestehenden Vorglühsystem eingesetzt.For cold start support of a self-combustion engine usually consisting of glow plugs, and a Glühzeitsteuergerät Vorglühsystem be used.
Eine nicht optimale Konfiguration des Glühsystems führt bei einer kalten Verbrennungskraftmaschine zu einer unvollständigen Verbrennung, die wiederum sowohl eine starke Emissionserhöhung als auch eine starke Geräuschentwicklung verursacht. Für eine vollständige Verbrennung in einer Kaltleerlaufphase ist bei den meisten selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eine Glühunterstützung bei einer Temperatur von mindestens 1100°C erforderlich. Dies ist insbesondere für die niedrig verdichtenden selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen moderner Bauart unabdingbar, die in der Regel ein schlechteres Kaltstart- bzw. Kaltleerlaufverhalten aufweisen. Bei diesen selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen wird aktuell eine Dauerglühtemperatur von 1100°C gefordert. Die derzeit bei ausreichender Lebensdauer erreichbaren Beharrungstemperaturen der Glühstiftkerzen mit Metallheizkörper liegen in der Größenordnung von ca. 1000°C, die der keramischen Heizkörper bei ca. 1250°C. Damit kann die oben genannte Anforderung nach einer Dauerglühtemperatur von 1100°C derzeit lediglich durch den Einsatz eines kostspieligen Kerzentyps mit Keramikheizer erfüllt werden, was aus Kostengründen unerwünscht ist.A non-optimal configuration of the glow system results in incomplete combustion in a cold internal combustion engine, which in turn causes both high emissions and high noise. For complete combustion in a cold idle phase, most auto-ignition internal combustion engines require glow support at a temperature of at least 1100 ° C. This is particularly essential for the low-compression self-igniting internal combustion engines of modern design, which generally have a worse cold-start or cold idle behavior. In these self-igniting internal combustion engines currently a continuous annealing temperature of 1100 ° C is required. The steady-state temperatures of the glow plugs with metal radiators which can currently be achieved with a sufficient service life are on the order of about 1000 ° C., that of the ceramic radiator at about 1250 ° C. Thus, the above requirement for a continuous annealing temperature of 1100 ° C can currently be met only by the use of a costly candle type with ceramic heater, which is undesirable for cost reasons.
Die Herstellung der vorstehend beschriebenen Metallglühstiftkerzen beinhaltet in der Praxis eine Vielzahl technischer Herausforderungen. So wird bei der Fertigung der Metallglühstiftkerzen der Glührohrdurchmesser über mehrstufiges Rundkneten reduziert, was teilweise zu erheblichen lokalen Veränderungen der Heizwendel durch die mechanischen Einwirkungen des Isolierpulvers führen kann.The preparation of the above-described metal glow plugs involves a number of technical challenges in practice. Thus, in the production of Metallglühstiftkerzen the Glührohrdurchmesser reduced via multi-stage rotary swaging, which can sometimes lead to significant local changes in the heating coil by the mechanical effects of insulating powder.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es werden daher eine elektrisch beheizbare Glühkerze sowie ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch beheizbaren Glühkerze vorgeschlagen, welche die Probleme bekannter Glühkerzen und Herstellungsverfahren zumindest teilweise lösen. Die Glühkerze ist insbesondere zum Einsatz in einem Verbrennungsmotor geeignet, kann aber grundsätzlich auch für andere Einsatzgebiete verwendet werden.There are therefore proposed an electrically heatable glow plug and a method for producing an electrically heatable glow plug, which at least partially solve the problems of known glow plugs and manufacturing processes. The glow plug is particularly suitable for use in an internal combustion engine, but in principle can also be used for other applications.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung, der Optimierung des Füllpulvers für eine elektrisch beheizbare Glühkerze mit einem Zusetzen von Fließverbesserern lassen sich Vorteile bei der Herstellung und der Verwendung der Glühkerze erreichen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung wird die Rieselfähigkeit des Füllpulvers verbessert, was zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit zwischen der elektrisch leitfähigen Heizwendel und der Glührohr-Innenwand durch die Dichteerhöhung des Füllpulvers bewirkt. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung zeichnet sich darüber hinaus durch eine erhöhte Zeitstandfestigkeit, der durch Hochtemperaturen beanspruchten Heizwendel bei üblicherweise erreichten herrschenden Beharrungstemperaturen in der Größenordnung von ca. 980°C aus. Es ist eine höhere Beharrungstemperatur der Glühstiftkerze bei einer annähernd gleich bleibenden Zeitstandfestigkeit der Glühkerze erreichbar.By the inventively proposed solution, the optimization of the filling powder for an electrically heatable glow plug with a clogging of flow improvers can be achieved in the production and use of the glow plug advantages. The inventively proposed solution, the flowability of the filling powder is improved, which causes an improved thermal conductivity between the electrically conductive heating coil and the glow tube inner wall by increasing the density of the filling powder. The proposed solution according to the invention is also characterized by an increased creep rupture strength of the heating coil subjected to high temperatures at usually reached prevailing steady-state temperatures of the order of magnitude of approximately 980 ° C. It is achievable a higher steady-state temperature of the glow plug with an approximately constant creep strength of the glow plug.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lässt sich aufgrund der Anwendung gängiger Fertigungsverfahren sehr einfach realisieren. Es bedarf keiner gravierenden Änderungen einer Serienauslegung sowie des Fertigungsverfahrens der elektrisch beheizbaren Glühkerze, da lediglich die Zusammensetzung des Füllpulvers durch die Zugabe von Fließverbesserern geändert ist und die äußeren Randbedingungen möglichst unangetastet bleiben.The proposed solution according to the invention can be realized very simply due to the use of common production methods. There is no need for any serious changes to a series design and the manufacturing process of the electrically heated glow plug, since only the composition of the filling powder is changed by the addition of flow improvers and the outer boundary conditions remain as untouched.
Geringe Beimengen von Fließverbesserern erhöhen die Rieselfähigkeit des Füllpulvers, wodurch wesentlich höhere Fülldichten nach dem Einfüllen des Füllpulvers in das Glührohr erreicht werden können. Um eine möglichst hohe Fülldichte zu erreichen, wurde üblicherweise bei der Herstellung von Glühkerzen nach dem Befüllen des Glührohrs mit dem Füllpulver der Glührohrdurchmesser über mehrstufiges Rundkneten reduziert. Bei einem sehr hohen Reduzierverhältnis kam es dabei teilweise zu erheblichen lokalen Vorschädigungen der Heizwendel bzw. einer Regelwendel durch die mechanische Einwirkung der Partikel des Füllkörpers. Demzufolge zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung ferner dadurch aus, dass bedingt durch die Möglichkeit höhere Fülldichten zu erreichen das Reduzierverhältnis des Glührohrs verringert wird, was zu geringeren lokalen Vorschädigungen der Heizwendel bzw. einer Regelwendel führt. Durch die wesentlich höheren Fülldichten nach dem Einfüllen des Füllpulvers wird der erforderliche Zielwert für die Fülldichte mit einem wesentlich geringeren Aufwand bei dem Rundkneten erreicht. Ferner lässt sich die Fülldichte um bis zu 50% verbessern.Low admixtures of flow improvers increase the flowability of the filling powder, whereby substantially higher filling densities can be achieved after filling of the filling powder into the glow tube. In order to achieve the highest possible filling density, was usually in the production of Glow plugs reduced after filling the glow tube with the filling powder of Glührohrdurchmesser over multi-stage rotary swaging. In the case of a very high reduction ratio, in some cases considerable local damage to the heating coil or a control coil occurred due to the mechanical action of the particles of the filling body. Consequently, the solution according to the invention is further distinguished by the fact that, due to the possibility of achieving higher filling densities, the reduction ratio of the glow tube is reduced, which leads to lower local pre-damage to the heating coil or to a control coil. Due to the much higher filling densities after filling of the filling powder of the required target value for the filling density is achieved with a much lower cost in the rotary swaging. Furthermore, the filling density can be improved by up to 50%.
Erfindungsgemäß wird die Rieselfähigkeit des Füllpulvers, beispielsweise auf Basis des Magnesiumoxids, durch Zugabe eines oder mehrerer Fließverbesserer erhöht. Bei dem mindestens einen Fließverbesserer, der dem Füllpulver für eine elektrisch beheizbare Glühkerze beigegeben wird, handelt es sich um organische und/oder anorganische Stoffe, die das Anhaften zwischen den Partikeln des Füllpulvers oder das Anhaften der Partikel des Füllpulvers an den Bauteilen der elektrisch beheizbaren Glühkerze verringern.According to the invention, the flowability of the filling powder, for example based on the magnesium oxide, is increased by adding one or more flow improvers. The at least one flow improver which is added to the filling powder for an electrically heatable glow plug is organic and / or inorganic substances which adhere between the particles of the filling powder or adhere the particles of the filling powder to the components of the electrically heatable glow plug reduce.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Fließverbesserer ausgewählt aus der Gruppe MgO, SiO2 und ZrO2 oder eine Mischung der vorstehend genannten und weisen eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 7 nm bis 40 nm auf. Diese zugesetzten Partikel zeichnen sich durch eine sehr hohe Adsorptionsfläche aus und können sich auf sehr großen und insbesondere auf sehr unregulären Kornoberflächen homogen verteilen. Die nanometergroßen Partikel fungieren dabei als mikroskopische Gleitlager, die für das Vorhandensein eines minimalen Raums zwischen den angrenzenden Kornoberflächen sorgen und somit das Aneinandergleiten zusätzlich begünstigen. Da diese Partikel zudem chemisch inert sind und mit dem Füllpulver nicht reagieren, ist die Verwendung dieser als Fließverbesserer im Hinblick auf die sehr hohen Betriebstemperaturen im Innern der elektrisch beheizbaren Glühkerze unbedenklich. Obwohl die Sintertemperatur beispielsweise eines kolloidalen Siliziumdioxids bei ca. 800°C und somit deutlich unter der Betriebstemperatur der Heizwendel liegt, ist der Einfluss eines sehr niedrigen Gewichtsanteils auf die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Füllpulvers unkritisch. Der Gehalt der vorstehend genannten Zusätze liegt allgemein im Bereich von 0,1 Gew.-% bis 3,0 Gew.-% des Füllpulvers.According to one embodiment of the invention, the flow improvers are selected from the group of MgO, SiO 2 and ZrO 2 or a mixture of the above and have an average particle size in the range of 7 nm to 40 nm. These added particles are characterized by a very high adsorption area and can be distributed homogeneously on very large and in particular on very irregular grain surfaces. The nanometer-sized particles act as microscopic plain bearings, which provide for the presence of a minimal space between the adjacent grain surfaces and thus additionally favor the sliding together. Since these particles are also chemically inert and do not react with the filling powder, the use of these as flow improvers is harmless in view of the very high operating temperatures inside the electrically heatable glow plug. Although the sintering temperature of, for example, a colloidal silica at about 800 ° C and thus significantly below the operating temperature of the heating coil, the influence of a very low weight fraction on the chemical and physical properties of the filling powder is not critical. The content of the above-mentioned additives is generally in the range of 0.1% by weight to 3.0% by weight of the filling powder.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Fließverbesserer um kolloidales oder pyrogenes Siliziumdioxid. Das kolloidale Siliziumdioxid ist beispielsweise unter dem Handelsnamen Cabosil®, Aerosil®, Insusil®, Ludox®, Levasil®, kommerziell erhältlich. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Zusatz um Magnesiumoxid (MgO in Form von Nanopulver). Besonders bevorzugt wird MgO als Fließverbesserer verwendet wenn das Füllpulver aus MgO besteht. In diesem Falle bleibt die chemische Zusammensetzung des Füllpulvers unverändert. Das MgO-Nanopulver ist beispielsweise von Strem Chemical, Inc. (USA; Magnesium Oxide nanopowder) und Inframat Advanced Materials LLC (USA, Nano MgO Powder), kommerziell erhältlich.According to a preferred embodiment of the invention, the flow improver is colloidal or pyrogenic silica. The colloidal silica is, for example, under the trade name Cabosil ®, Aerosil ®, ® Insusil, Ludox ®, Levasil ®, commercially available. According to a further preferred embodiment, the additive is magnesium oxide (MgO in the form of nanopowder). Particularly preferably, MgO is used as a flow improver when the filler powder consists of MgO. In this case, the chemical composition of the filling powder remains unchanged. The MgO nanopowder is commercially available, for example, from Strem Chemical, Inc. (USA, Magnesium Oxide Nanopowder) and Inframat Advanced Materials LLC (USA, Nano MgO Powder).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Zusätze ausgewählt aus der Gruppe der Fettsäuren gemäß der allgemeinen Formel R1-COOH in der R1 für einen verzweigten oder unverzweigten Alkyl- oder Alkylenrest mit 7 bis 25 C-Atomen steht, oder ein Salz der Fettsäuren gemäß der allgemeinen Formel, Talk, Polyethylenglykol und hydrierten pflanzlichen Ölen. Allgemein geeignet sind sowohl verzweigte und unverzweigte als auch gesättigte oder einfach bzw. mehrfach ungesättigte Fettsäuren. Typische Beispiele hierfür sind Capronsäure, Caprylsäure, 2-Ethylhexansäure, Caprinsäure, Laurinsäure, Isotridekansäure, Myristinsäure, Palmitinsäure, Palmoleinsäure, Stearinsäure, Isostearinsäure, Ölsäure, Elaidinsäure, Linolsäure, Linolensäure, und Arachidonsäure sowie deren technische Mischungen bzw. Salze, die beispielsweise bei der Druckspaltung von natürlichen Fetten und Ölen, bei der Reduktion von Aldehyden aus der Roelen'chen Oxosynthese oder der Dimerisierung von ungesättigten Fettsäuren anfallen. Bevorzugt sind Stearinsäure und Palmitinsäure oder deren Salze.According to a further embodiment of the invention, the additives are selected from the group of fatty acids according to the general formula R 1 -COOH in which R 1 is a branched or unbranched alkyl or alkylene radical having 7 to 25 carbon atoms, or a salt of the fatty acids according to the general formula, talc, polyethylene glycol and hydrogenated vegetable oils. Branched and unbranched as well as saturated or mono- or polyunsaturated fatty acids are generally suitable. Typical examples thereof are caproic acid, caprylic acid, 2-ethylhexanoic acid, capric acid, lauric acid, isotridecanoic acid, myristic acid, palmitic acid, palmitoleic acid, stearic acid, isostearic acid, oleic acid, elaidic acid, linoleic acid, linolenic acid, and arachidonic acid, and their technical mixtures or salts, which are described, for example, in US Pat Pressure splitting of natural fats and oils, in the reduction of aldehydes from the Roelen'chen oxosynthesis or the dimerization of unsaturated fatty acids incurred. Preference is given to stearic acid and palmitic acid or salts thereof.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawing, the invention will be described below in more detail.
Es zeigt:It shows:
Eine elektrisch beheizbare Glühkerze
Zwischen dem Rundstecker
Beim Anlegen des Glühstromes an die elektrisch beheizbare Glühkerze
Durch die Zugabe der vorstehend beschriebenen Fließverbesserer wird die Lebensdauer der Heizwendel
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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