DE102013214558A1

DE102013214558A1 - Sheathed-type glow plug and method for its production

Info

Publication number: DE102013214558A1
Application number: DE201310214558
Authority: DE
Inventors: Albrecht Geissinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-26
Filing date: 2013-07-25
Publication date: 2014-12-31
Also published as: EP3014183A1; EP3014183B1; WO2014206671A1; CN105308391A; CN105308391B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit einem Heizelement (1), das ein geschlossenes Glührohr (11), eine elektrisch leitfähige Heizwendel (12), einen elektrisch leitfähigen Anschlussbolzen (14), der mit der Heizwendel (12) elektrisch verbunden ist, und ein Füllmaterial (15) aufweist, das in dem Glührohr (11) vorgesehen ist und die Heizwendel (12) und zumindest einen Teil des Anschlussbolzens (14) aufnimmt. Die Heizwendel (12) besteht dabei aus einem temperaturfesten Werkstoff mit einem für einen elektrischen Leiter hohen spezifischen elektrischen Widerstand und kleinem Temperaturkoeffizienten, und das Füllmaterial (15) besteht zumindest teilweise aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze, wobei das Glührohr (11) zumindest teilweise mit einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands befüllt wird.The invention relates to an electrically heatable glow plug with a heating element (1) having a closed glow tube (11), an electrically conductive heating coil (12), an electrically conductive connecting bolt (14) which is electrically connected to the heating coil (12), and a filler material (15) provided in the glow tube (11) and receiving the heating coil (12) and at least a portion of the terminal bolt (14). The heating coil (12) consists of a temperature-resistant material with a high electrical resistance and small temperature coefficient for an electrical conductor, and the filler (15) consists at least partially of a material having a negative temperature coefficient of electrical resistance.
The invention further relates to a method for producing such an electrically heatable glow plug, wherein the glow tube (11) is at least partially filled with a material having a negative temperature coefficient of electrical resistance.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze oder Glühstiftkerze, und genauer gesagt eine metallische Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine, so zum Beispiel einer Vor-, Wirbel- oder Brennkammer eines luftverdichtenden, selbstzündenden Dieselmotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Glühstiftkerze.The invention relates to a glow plug or glow plug, and more particularly a metallic glow plug for arrangement in a chamber of an internal combustion engine, such as a pre-vortex or combustion chamber of an air-compressing, self-igniting diesel engine. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a glow plug.

In modernen Kraftfahrzeugen und anderen Anwendungen kommen verbreitet Dieselmotoren zum Einsatz, die im Vergleich zu benzinbetriebenen Brennkraftmaschinen über einen höheren Wirkungsgrad verfügen. Dieselmotoren benötigen jedoch während des Anlassvorgangs vielfach eine Kaltstarthilfe, da bei einem Kaltstart eines Dieselmotors eine problemlose Selbstzündung des eingespritzten Dieselkraftstoffs in der Regel nicht möglich ist. Der Brennraum befindet sich auf niedrigem Temperaturniveau und verfügt zudem über eine hohe spezifische Wärmekapazität, so dass die beim Anlassvorgang des Dieselmotors erzeugte Kompressionswärme schnell in den Motorblock abfließt. Für eine vollständige Verbrennung in einer Kaltleerlaufphase ist jedoch bei den meisten selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen eine Glühunterstützung bei einer Temperatur von ~850°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 ~850° gefordert. Darüber hinaus können unterschiedliche Kraftstoffqualitäten die Zündwilligkeit des komprimierten Luft/Dieselgemisches herabsetzen.In modern motor vehicles and other applications, diesel engines are widely used, which have a higher efficiency compared to gasoline-fueled internal combustion engines. However, diesel engines often require a cold start aid during the starting process, since in a cold start of a diesel engine problem-free self-ignition of the injected diesel fuel is usually not possible. The combustion chamber is at a low temperature level and also has a high specific heat capacity, so that the heat of compression generated during the starting process of the diesel engine flows quickly into the engine block. For complete combustion in a cold idle phase, however, most auto-ignition internal combustion engines require glow support at a temperature of ~ 850 ° 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 ~ 850 ° is required. In addition, different fuel qualities can decrease the ignitability of the compressed air / diesel mixture.

Um den genannten Effekten zu begegnen, befindet sich in den Brennräumen eines Dieselmotors normalerweise jeweils mindestens eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze, auch GLP (von dem englischen Fachbegriff „glow plug“) genannt, mit einer Sättigungstemperatur von 950 bis 1000°C, mittels der der Dieselmotor in der Startphase vorgeglüht wird. Wie es in 2 in einer schematischen Ansicht gezeigt ist, besteht ein Heizelement 9 einer derartigen bekannten metallischen Glühstiftkerze üblicherweise aus einem einseitig geschlossenen Glührohr 91 aus einer temperaturbeständigen Legierung, wie zum Beispiel einer Legierung mit einem Nickel-Basiswerkstoff oder einer Legierung mit temperaturbeständigem Stahl, wobei die brennraumseitige, geschlossene Seite des Glührohrs 91 mit einer Heizwendel 92 verschweißt ist, mit welcher eine Regelwendel 93 in Reihe geschaltet elektrisch verbunden ist. Für die Heizwendel 92 wird üblicherweise ein metallischer Werkstoff mit möglichst hohem spezifischen elektrischem Widerstand verwendet, der bei einer Temperaturänderung nahezu konstant bleibt, wie zum Beispiel FeCrAI oder NiCr. Die Regelwendel 93 hingegen besteht aus einem Metall oder einer Metalllegierung mit einem ausgeprägter PTC (Positive Temperature Coeffizient)-Effekt, wie zum Beispiel Nickel (Ni) oder Eisenkobalt (FeCo). Die Regelwendel 93 ist mit einem Anschlussbolzen 94 des Heizelements 9, beispielsweise einer Zentral-Elektrode der Glühstiftkerze, elektrisch verbunden, auf den beispielweise ein Anschlussstecker aufgeschraubt werden kann. Die Regelwendel 93 und die Heizwendel 92 sind weiterhin in einem Isolierpulver 95 eingebettet, das durch Reduzieren des Außendurchmessers des Glührohrs 91 nach dem Befüllen verdichtet wurde. Dieses Isolierpulver, üblicherweise Magnesiumoxid, weist auch noch bei Temperaturen über 1400°C einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand auf. Das Glührohr 91 dient dem mechanischen Schutz der Heizwendel 92 und schirmt diese gegenüber chemisch aggressiven Medien, wie zum Beispiel Luftsauerstoff und -stickstoff, Kraftstoffrückständen und Verbrennungsrückständen ab. Zudem überträgt das Glührohr 91 die von der Heizwendel 92 freigesetzte Wärmeenergie in den Brennraum. Diese Anordnung sorgt dafür, dass der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur niedrig bleibt, sich im Betrieb dann aber mit zunehmender Temperatur erhöht. Derartige Glühstiftkerzen finden weiterhin in Glühzündermotoren oder als Kaltstarthilfe beim Anlassen von mit Kerosin betriebenen Gasturbinen und Ölheizungen verbreitet Anwendung.To counteract the above effects, located in the combustion chambers of a diesel engine normally each at least one electrically heatable glow plug, also called GLP (English term "glow plug"), with a saturation temperature of 950 to 1000 ° C, by means of the diesel engine preheated in the starting phase. As it is in 2 is shown in a schematic view, there is a heating element 9 Such a known metallic glow plug usually from a one-sided closed glow tube 91 made of a temperature-resistant alloy, such as an alloy with a nickel-based material or an alloy with temperature-resistant steel, wherein the combustion chamber side, closed side of the glow tube 91 with a heating coil 92 is welded, with which a control coil 93 connected in series is electrically connected. For the heating coil 92 Usually, a metallic material with the highest possible specific electrical resistance is used, which remains almost constant with a temperature change, such as FeCrAI or NiCr. The rule coil 93 however, it consists of a metal or a metal alloy with a pronounced PTC (Positive Temperature Coefficient) effect, such as nickel (Ni) or iron cobalt (FeCo). The rule coil 93 is with a connection bolt 94 of the heating element 9 , For example, a central electrode of the glow plug, electrically connected to the example, a connector can be screwed. The rule coil 93 and the heating coil 92 are still in an insulating powder 95 embedded, by reducing the outer diameter of the glow tube 91 was compressed after filling. This insulating powder, usually magnesium oxide, even at temperatures above 1400 ° C has a high electrical resistivity. The glow tube 91 serves the mechanical protection of the heating coil 92 and shields them from chemically aggressive media, such as atmospheric oxygen and nitrogen, fuel residues and combustion residues. In addition, the glow tube transmits 91 that of the heating coil 92 released heat energy into the combustion chamber. This arrangement ensures that the electrical resistance remains low at room temperature, but then increases with increasing temperature during operation. Such glow plugs are still widely used in glow starter engines or as a cold start aid when starting with kerosene gas turbines and oil heaters.

Wie oben beschriebene Glühstiftkerzen sind neben einem Steuergerät als Teil von sogenannten Schnellstartsystemen für Dieselmotoren Stand der Technik. Diese zeichnen sich dadurch aus, dass die Betriebsspannung der verwendeten Glühstiftkerzen, sogenannter Niedervolt-Glühstiftkerzen, 4 bis 7 Volt unter der verfügbaren Bordnetzspannung liegt. Diese Betriebsspannung wird im Folgenden als Nominalspannung bezeichnet. Durch kurzzeitiges Betreiben derartiger Schnellstartsysteme mit einer höheren Spannung als der Nominalspannung, dem sogenannten „Pushen“, können kurze Aufheizzeiten und damit eine schnelle Startbereitschaft des Dieselmotors auch bei tiefen Außentemperaturen realisiert werden, selbst wenn beim Startvorgang die Bordnetzspannung unvorteilhafterweise kurzfristig auf beispielsweise 7 V zurückgehen sollte. Außerdem kann mit einem derartigen Schnellstartsystem ein Auskühlen beziehungsweise ein Überhitzen der Glühstiftkerze je nach Betriebszustand des Fahrzeugs durch eine in einem Kennfeld hinterlegte Spannungsansteuerung abhängig von Motorlast, Kühlwasser, Außentemperatur und dergleichen, ausgeglichen werden kann. Ein derartiges Kennfeld wird gemäß des bekannten Stands der Technik mit Hilfe von sogenannten Temperaturmesskerzen ermittelt, bei denen ein Thermoelement in die Spitze der oben beschriebenen Glühstiftkerze eingeschweißt ist. Die Nachteile dieser Temperaturmesskerzen sind ihre kurze Lebensdauer und der hohe Preis. Ferner können derartige Niedervolt-Glühstiftkerzen durch Falschapplikation, Chiptuning, absichtliches oder unabsichtliches Überbrücken eines mit der Glühstiftkerze verbundenen Steuergeräts oder durch eine Fehlfunktion eines mit der Glühstiftkerze verbundenen Glühzeitsteuergerätes bis hin zum Abschmelzen des Heizkörpers überhitzen und so zu Motorschäden führen.As shown above, glow plugs are in addition to a controller as part of so-called quick start systems for diesel engines state of the art. These are characterized by the fact that the operating voltage of the glow plugs used, so-called low-voltage glow plugs, 4 to 7 volts is below the available vehicle electrical system voltage. This operating voltage is referred to below as the nominal voltage. By briefly operating such rapid start systems with a higher voltage than the nominal voltage, the so-called "Pushen" short heating times and thus a fast starting readiness of the diesel engine can be realized even at low outside temperatures, even if the vehicle electrical system voltage should disadvantageously short-circuit to 7 V, for example, during the starting process , In addition, with such a quick-start system cooling or overheating of the glow plug according to the operating condition of the vehicle by a stored in a map voltage control depending on engine load, cooling water, outside temperature and the like, can be compensated. Such a map is according to the known prior art with the aid of so-called Determined temperature measuring candles in which a thermocouple is welded into the top of the glow plug described above. The disadvantages of these temperature measuring candles are their short life and the high price. Furthermore, such low-voltage glow plugs overheat by incorrect application, chiptuning, intentional or unintentional bridging connected to the glow plug or by a malfunction of connected to the glow plug Glühzeitsteuergerätes to melting the radiator and thus lead to engine damage.

Um den oben genannten Problemen zu begegnen gibt es Ansätze, eine Glühstiftkerze zu bauen, bei der der elektrische Widerstand als Temperatursignal zur Kontrolle verwendet wird. Dazu wird die Glühstiftkerze als sogenannte Einwendelkerze ausgeführt. Diese ebenfalls bereits bekannte Einwendelkerze besteht aus einem in 3 gezeigten Heizelement 9‘ aus einem einseitig geschlossenen Glührohr 91‘, wobei die brennraumseitige, geschlossene Seite des Glührohrs 91‘ mit einer PTC-Heizwendel 92‘ verschweißt ist, ohne eine Regelwendel vorzusehen. Als Wendelmaterial der Heizwendel 92‘ wird dabei entsprechend ein Metall mit positivem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes verwendet, um den PTC-Effekt zu erzielen. Die Heizwendel 92‘ ist ähnlich zu der Heizwendel 92 aus 2 in einem Isolierpulver 95' eingebettet, wobei hier die Heizwendel 92‘ direkt mit einem Anschlussbolzen 94‘ des Heizelements 9‘ elektrisch verbunden ist. Die oben genannten Schäden durch Falschapplikation und Chiptuning können durch derartige Einwendelkerzen, deren Heizwendelwiderstand eine PTC-Charakteristik aufweist und als Temperatursignal für das Glühzeitsteuergerät verwendet wird, in Verbindung mit diesem Steuergerät vermieden werden. Motorschäden durch Überbrücken des Steuergeräts, beabsichtigt oder unbeabsichtigt, wie beispielsweise durch einen Unfall, oder durch eine Fehlfunktion des Steuergeräts können damit jedoch nicht verhindert werden. Außerdem haben derartige Einwendelkerzen den Nachteil, dass die Leistung beim Aufheizen durch den Widerstandsanstieg schnell abnimmt, so dass sie bei üblichen Kaltwiderständen von 300 bis 700 mΩ mit einem 12V-Bordspannungsnetz nicht in 1 bis 2s auf 1000 °C aufgeheizt werden können. Deshalb muss der Kaltwiderstand sehr niedrig gehalten werden, mit der Folge, dass die Anfangsströme sehr hoch sind. Dies erfordert teurere Halbleiter im Glühzeitsteuergerät, größere Kabelquerschnitte und in Grenzfällen höhere Batteriekapazitäten wie bei den oben beschriebenen Glühstiftkerzen mit einer Kombination aus Heizwendel und Regelwendel.To address the above problems, there are approaches to build a glow plug, in which the electrical resistance is used as a temperature signal to control. For this purpose, the glow plug is designed as a so-called Einwendelkerze. This also known Einwendelkerze consists of a in 3 shown heating element 9 ' from a single-sided closed glow tube 91 ' , wherein the combustion chamber side, closed side of the glow tube 91 ' with a PTC heating coil 92 ' is welded, without providing a control coil. As spiral material of the heating coil 92 ' Accordingly, a metal with a positive temperature coefficient of electrical resistance is used to achieve the PTC effect. The heating coil 92 ' is similar to the heating coil 92 out 2 in an insulating powder 95 ' embedded, here is the heating coil 92 ' directly with a connecting bolt 94 ' of the heating element 9 ' electrically connected. The above-mentioned damage by incorrect application and chip tuning can be avoided by such Einwendelkerzen whose Heizwendelwiderstand has a PTC characteristic and is used as a temperature signal for the Glühzeitsteuergerät, in conjunction with this control unit. Engine damage caused by overriding the control unit, intentionally or unintentionally, such as by an accident, or by a malfunction of the control unit can not be prevented. In addition, such Einwendelkerzen have the disadvantage that the power during heating by the resistance increase decreases rapidly, so that they can not be heated in 1 to 2s to 1000 ° C with conventional cold resistors of 300 to 700 mΩ with a 12V on-board voltage. Therefore, the cold resistance must be kept very low, with the result that the initial currents are very high. This requires more expensive semiconductors in Glühzeitsteuergerät, larger cable cross-sections and in borderline cases higher battery capacity as in the glow plugs described above with a combination of heating coil and control coil.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen, vorzugsweise zur Kaltstarthilfe einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel eines Dieselmotors. Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Glühstiftkerze vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.According to the present invention, an electrically heatable glow plug with the features of claim 1 is proposed, preferably for the cold start aid of a self-igniting internal combustion engine, such as a diesel engine. Furthermore, according to the present invention, a method for producing such a glow plug is proposed. Advantageous developments of the invention are characterized by the features of the dependent claims.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße elektrisch beheizbare Glühstiftkerze ein Heizelement als einen Hauptbestandteil. Das Heizelement weist wiederum ein geschlossenes Glührohr, eine elektrisch leitfähige Heizwendel, einen elektrisch leitfähigen Anschlussbolzen, der mit der Heizwendel elektrisch verbunden ist, und ein Füllmaterial auf. Die Heizwendel und zumindest ein Teil des Anschlussbolzens sind dabei in dem Glührohr angeordnet, und das Füllmaterial ist so in das Glührohr eingebracht, dass dieses die Heizwendel und zumindest einen Teil des Anschlussbolzens aufnimmt beziehungsweise vollständig umgibt. Das Glührohr kann dabei aus einer temperaturbeständigen Metalllegierung bestehen, beispielsweise aus einem Nickel-Basiswerkstoff oder einer temperaturbeständigen Stahllegierung. Ferner besteht die Heizwendel aus zumindest einem temperaturfesten Werkstoff, vorzugsweise einem hochtemperaturfesten Werkstoff, mit einem für vergleichbare elektrische Leiter hohem spezifischen elektrischen Widerstand, der aber nur wenig temperaturabhängig ist, also mit kleinem Temperaturkoeffizienten, und das Füllmaterial besteht zumindest teilweise aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands. Ein Aufbau der Heizwendel aus einer Kombination aus verschiedenen hochtemperaturfesten Werkstoffen mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand ist hier ebenso denkbar, was aber wiederum zu erhöhten Herstellungskosten führen kann. Im Prinzip handelt es sich bei einer so aufgebauten Glühstiftkerze um eine Parallelschaltung des Heizwendel-Widerstandes, der sich mit der Temperatur nur wenig verändert, mit einem NTC-Widerstand in Form des Füllmaterials. Mit einer derartigen Kombination aus Werkstoffen im Inneren des Glührohrs wird es möglich, ein schnelles Aufheizen der Glühstiftkerze trotz vergleichsweise hohem Kaltwiderstand zu erreichen. According to a first aspect of the invention, an electrically heatable glow plug according to the invention comprises a heating element as a main component. The heating element in turn has a closed glow tube, an electrically conductive heating coil, an electrically conductive connection bolt, which is electrically connected to the heating coil, and a filling material. The heating coil and at least a portion of the connecting bolt are arranged in the glow tube, and the filler material is introduced into the glow tube, that this receives the heating coil and at least a portion of the connecting bolt or completely surrounds. The glow tube may consist of a temperature-resistant metal alloy, for example, a nickel-based material or a temperature-resistant steel alloy. Furthermore, the heating coil consists of at least one temperature-resistant material, preferably a high-temperature resistant material, with a high electrical resistance for comparable electrical conductors, but which is only slightly dependent on temperature, ie with a small temperature coefficient, and the filler consists at least partially of a material with a negative temperature coefficient of electrical resistance. A structure of the heating coil of a combination of different high temperature resistant materials with high electrical resistivity is also conceivable here, which in turn can lead to increased production costs. In principle, a glow plug designed in this way is a parallel connection of the heating coil resistance, which changes only slightly with temperature, with an NTC resistor in the form of the filling material. With such a combination of materials inside the glow tube, it is possible to achieve a rapid heating of the glow plug despite comparatively high cold resistance.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze ist der Werkstoff der Heizwendel ein hitzebeständiges Metall, das seinen Widerstandswert in Abhängigkeit von der Temperatur wenig oder gar nicht ändert, also einen annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand über einen breiten Temperaturbereich, beispielsweise bis zu 1400°C beibehält. Ein derartiges Material kann eine FeCrAI-Legierung, so zum Beispiel Kanthal, oder eine NiCr-Legierung sein. Weiter vorzugsweise kann das Füllmaterial im Inneren des Glührohrs zumindest teilweise oder vollständig als Pulver vorliegen. Dies erleichtert ein Einfüllen des Füllmaterials in das Glührohr. Es ist dabei insbesondere vorzuziehen, dass das Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands, aus dem das Füllmaterial zumindest teilweise besteht, als NTC-Pulver vorliegt. Die Abkürzung „NTC“ bedeutet hier „Negative Temperature Coefficient“, und der Begriff NTC-Pulver bezeichnet demnach ein NTC-Widerstandspulver oder Heißleiterpulver mit einem negativen Temperaturkoeffizienten.In a preferred embodiment of the glow plug according to the invention, the material of the heating coil is a heat-resistant metal, which changes its resistance as a function of the temperature little or not, thus maintaining an approximately constant electrical resistivity over a wide temperature range, for example up to 1400 ° C. Such a material may be an FeCrAl alloy, such as Kanthal, or a NiCr alloy. Further preferably, the filling material in the interior of the glow tube at least partially or completely present as a powder. This facilitates filling of the filling material in the glow tube. In this case, it is particularly preferable that the material having a negative temperature coefficient of the electrical resistance from which the filling material at least partially exists is present as NTC powder. The abbreviation "NTC" here means "negative temperature coefficient", and the term NTC powder therefore refers to an NTC resistor powder or thermistor powder having a negative temperature coefficient.

Weiter vorzugsweise kann das gesamte Füllmaterial entweder vollständig aus einem derartigen Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands oder alternativ dazu aus einer Mischung aus mindestens einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands und einem Isoliermaterial bestehen, wobei das Isoliermaterial ein isolierendes Sintermaterial sein kann, wie zum Beispiel Magnesiumoxid. Durch die Art des Pulvers und bei Mischungen aus Isolierpulver und NTC-Pulver auch durch das Mischungsverhältnis und das Verhältnis der Korngrößenverteilungen von Isolierpulver und NTC-Pulver kann die Widerstandscharakteristik der Glühstiftkerze abhängig von der Temperatur in weiten Bereichen eingestellt werden. Eine derartige Mischung beziehungsweise ein Mischverhältnis aus einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands und einem Isoliermaterial kann dabei so angepasst sein, dass das Füllmaterial einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der zwischen 100°C und 400 °C niederohmig ist, was bei Niedertemperaturanwendungen wie zum Beispiel bei Kraftstoffheizern vorzuziehen ist.Further preferably, the entire filler material may be made entirely of such a material having a negative temperature coefficient of electrical resistance or, alternatively, a mixture of at least one material having a negative temperature coefficient of electrical resistance and an insulating material, which insulating material may be an insulating sintered material, such as Example magnesium oxide. Due to the nature of the powder and mixtures of insulating powder and NTC powder also by the mixing ratio and the ratio of the particle size distributions of insulating powder and NTC powder, the resistance characteristic of the glow plug can be adjusted depending on the temperature in a wide range. Such a mixture or a mixing ratio of a material with a negative temperature coefficient of electrical resistance and an insulating material may be adapted so that the filler has a specific electrical resistance which is low between 100 ° C and 400 ° C, which in low-temperature applications such Example in fuel heaters is preferable.

Alternativ dazu können das Mischverhältnis und das Material so angepasst sein, dass der spezifische elektrische Widerstand des Füllpulvers zwischen 800 und 1300°C stark abfällt, was bei Hochtemperaturanwendungen vorzuziehen ist.Alternatively, the mixing ratio and material may be adjusted so that the electrical resistivity of the filler powder falls sharply between 800 and 1300 ° C, which is preferable in high temperature applications.

In einer weiter bevorzugten Ausführung ist das Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands eines von einem modifizierten Kohlenstoffmaterial, Siliziumkarbid (SiC), dotiertem Silizium (Si), elementarem Silizium (Si), Oxid von Titan (Ti), Oxid von Magnesium (Mg), Oxid von Eisen (Fe), Oxid von Kobalt (Co), Oxid von Nickel (Ni), Oxid von Kupfer (Cu), und stabilisiertem oder teilstabilisiertem Oxid von Zirkonium (Zr). Des Weiteren kann das Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aus einer Kombination aus mehreren der Gruppe aus Materialen bestehend aus modifiziertem Kohlenstoffmaterial, Siliziumkarbid (SiC), dotiertem Silizium (Si), elementarem Silizium (Si), Oxid von Titan (Ti), Oxid von Magnesium (Mg), Oxid von Eisen (Fe), Oxid von Kobalt (Co), Oxid von Nickel (Ni), Oxid von Kupfer (Cu), und stabilisiertem oder teilstabilisiertem Oxid von Zirkonium (Zr) bestehen. Das Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands muss dabei so gewählt werden, dass es bei der entsprechenden Einsatztemperatur nicht mit anderen Heizelementkomponenten reagiert, da sich dadurch die Widerstandscharakteristik des Heizelements über der Temperatur im Laufe des Betriebs unerwünschterweise ändern kann.In a further preferred embodiment, the material having a negative temperature coefficient of electrical resistance is one of a modified carbon material, silicon carbide (SiC), doped silicon (Si), elemental silicon (Si), oxide of titanium (Ti), oxide of magnesium (Mg) , Oxide of iron (Fe), oxide of cobalt (Co), oxide of nickel (Ni), oxide of copper (Cu), and stabilized or partially stabilized oxide of zirconium (Zr). Further, the negative temperature coefficient of electrical resistance material may be composed of a combination of a plurality of the group of materials consisting of modified carbon material, silicon carbide (SiC), doped silicon (Si), elemental silicon (Si), oxide of titanium (Ti), oxide of magnesium (Mg), oxide of iron (Fe), oxide of cobalt (Co), oxide of nickel (Ni), oxide of copper (Cu), and stabilized or partially stabilized oxide of zirconium (Zr). The material with negative temperature coefficient of electrical resistance must be chosen so that it does not react with other heating element components at the appropriate operating temperature, as this may undesirably change the resistance characteristic of the heating element over the temperature in the course of operation.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer vorhergehend beschriebenen elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze das Befüllen des Glührohrs des Heizelements der Glühstiftkerze zumindest teilweise mit einem Material mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands. Die Schritte des Fertigens der einzelnen Komponenten, des Anbringens der Heizwendel in thermischen und elektrischen Kontakt mit dem Glührohr, des elektrischen Verbindens des Anschlussbolzens mit der Heizwendel, und des Anordnens der Heizwendel und zumindest eines Teils des Anschlussbolzens in dem Glührohr sind bereits bekannt und demnach vorausgesetzt. According to a further aspect of the invention, a method for producing a previously described electrically heatable glow plug comprises filling the glow tube of the heating element of the glow plug at least partially with a material having a negative temperature coefficient of electrical resistance. The steps of manufacturing the individual components, attaching the heating coil in thermal and electrical contact with the glow tube, electrically connecting the connection bolt with the heating coil, and arranging the heating coil and at least a portion of the connecting bolt in the glow tube are already known and therefore assumed ,

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Eine gemäß der Erfindung ausgeführte Glühstiftkerze hat gegenüber dem vorhergehend diskutierten Stand der Technik den Vorteil, dass die Heizwendel der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze aus zumindest einem Heizleiterwerkstoff oder einer Kombination aus mehreren Heizleiterwerkstoffen mit nahezu konstantem Temperaturkoeffizient ausgeführt wird. Dadurch wird ein schnelles Aufheizen der Glühstiftkerze trotz vergleichsweise hohem Kaltwiderstand möglich. Gegenüber der bekannten Glühstiftkerze mit einer Kombination aus Heizwendel und Regelwendel hat die erfindungsgemäße Glühstiftkerze den Vorteil, dass die gesamte eingebrachte elektrische Leistung dort in Wärme umgewandelt wird, wo sie gebraucht wird. Zudem ist die erfindungsgemäße Glühstiftkerze in der Lage, ab einer bestimmten Grenztemperatur ein Temperatursignal zu liefern, dass durch Erfassen und Auswerten der Veränderung des elektrischen Widerstands der Glühstiftkerze erhalten wird. Das bedeutet, dass im Gegensatz zu den Vorschlägen des Stands der Technik, die auf dem PTC-Effekt der Heizwendel beruhen, die erfindungsgemäß ausgeführte Glühstiftkerze einen negativen Temperaturkoeffizient aufweist, wobei die daraus resultierende Widerstandsänderung ab einer gewissen Mindesttemperatur der Glühstiftkerze als Temperatursignal für ein mit dem Heizelement der Glühstiftkerze verbundenes Glühzeitsteuergerät verwendet werden kann. Durch die Überwachung dieses Temperatursignals, das einen zusätzlichen Temperatursensor an dem Heizelement der Glühstiftkerze überflüssig macht, kann eine Beschädigung des Heizelements der Glühstiftkerze, wie zum Beispiel ein Schmelzen von diesem, verhindert werden, und somit Motorschäden sicher verhindert werden. An inventive glow plug has over the previously discussed prior art has the advantage that the heating coil of the glow plug according to the invention from at least one Heizleiterwerkstoff or a combination of several Heizleiterwerkstoffen is performed with a nearly constant temperature coefficient. As a result, a rapid heating of the glow plug despite relatively high cold resistance is possible. Compared to the known glow plug with a combination of heating coil and control coil, the glow plug according to the invention has the advantage that the entire introduced electrical power is converted into heat where it is needed. In addition, the glow plug according to the invention is able to provide a temperature signal above a certain limit temperature that is obtained by detecting and evaluating the change in the electrical resistance of the glow plug. This means that in contrast to the proposals of the prior art, which are based on the PTC effect of the heating coil, the glow plug according to the invention has a negative temperature coefficient, the resulting resistance change from a certain minimum temperature of the glow plug as a temperature signal for a with the Heating element of the glow plug connected Glühzeitsteuergerät can be used. By monitoring this temperature signal, which eliminates the need for an additional temperature sensor on the heating element of the glow plug, damage to the Heating element of the glow plug, such as a melting of this, can be prevented, and thus engine damage can be reliably prevented.

Diesen Effekt kann man sich auch bei Kraftstoffheizern zunutze machen, bei denen das Durchschmelzen des beheizten Kraftstoffreservoirs auf Grund von Überhitzung des Kraftstoffheizers sicher und unabhängig vom Steuergerät verhindert werden muss. Dazu ist bei einem derart ausgeführten Kraftstoffheizer beispielsweise eine (Schmelz-)Sicherung in Reihe zu schalten.This effect can also be used in fuel heaters in which the melting of the heated fuel reservoir due to overheating of the fuel heater must be prevented safely and independently of the control unit. For this purpose, with a fuel heater designed in this way, for example, a (fuse) fuse must be connected in series.

Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich.Further advantages and preferred embodiments of the invention will become apparent from the following description of the figures.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigenShow it

1 eine schematische Blockschaltbildansicht einer Glühstiftkerze gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; 1 a schematic block diagram view of a glow plug according to a preferred embodiment of the invention;

2 eine schematische Blockschaltbildansicht eines Heizelements einer Glühstiftkerze gemäß dem Stand der Technik; und 2 a schematic block diagram view of a heating element of a glow plug according to the prior art; and

3 eine schematische Blockschaltbildansicht eines Heizelements einer weiteren Glühstiftkerze gemäß dem Stand der Technik. 3 a schematic block diagram view of a heating element of another glow plug according to the prior art.

Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungPreferred embodiment of the invention

1 zeigt eine schematische Blockschaltbildansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Glühstiftkerze der vorliegenden Erfindung. Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze besteht aus einem Heizelement 1, einer optionalen Sicherung 2 und einem Glühzeitsteuergerät 3 zur Steuerung einer auf die Glühstiftkerze aufzubringenden Spannung. Ein Zuschalten der optionale Sicherung 2 ist in 1 durch eine gestrichelt dargestellte Leitung 4 gezeigt, wobei die Sicherung 2 dabei in Reihe zwischen das Heizelement 1 und das Glühzeitsteuergerät 3 geschaltet ist. Das Glühzeitsteuergerät 3 ist mit einer Leitung g direkt mit einem Glührohr 11 des Heizelements 1 elektrisch verbunden. Für den Fall, dass die Sicherung 2 nicht zugeschaltet ist, steht das Heizelement 1 direkt über eine Leitung 6 mit dem Glühzeitsteuergerät 3 in elektrischer Verbindung. Die Sicherung 2 kann als zusätzliche Maßnahme dienen, ein unerwünschtes Schmelzen des Heizelements 1 unabhängig vom Glühzeitsteuergerät 3 zu unterbinden und somit Motorschäden sicher zu verhindern, da mit steigender Temperatur auch der benötigte Strom steigt. Das Glühzeitsteuergerät 3 dient dazu, die Glühstiftkerze beispielweise durch Pulsweitenmodulation aus der Bordspannung eines Kraftfahrzeugs mit einer Spannung oberhalb ihrer Betriebsspannung anzusteuern, um eine kürzere Aufheizzeit bei Niederspannungs-Glühstiftkerzen zu erreichen, beispielsweise innerhalb von 3s Aufheizzeit auf 1000 °C Aufheiztemperatur, und abhängig vom GLP-Widerstand die Temperatur zu regeln. 1 FIG. 12 is a schematic block diagram view of a preferred embodiment of a glow plug of the present invention. FIG. The glow plug according to the invention consists of a heating element 1 , an optional backup 2 and a glow time controller 3 for controlling a voltage to be applied to the glow plug. A connection of the optional fuse 2 is in 1 by a dashed line 4 shown, with the fuse 2 doing in series between the heating element 1 and the glow time controller 3 is switched. The glow time control unit 3 is with a line g directly with a glow tube 11 of the heating element 1 electrically connected. In the event that the fuse 2 is not switched on, is the heating element 1 directly via a line 6 with the glow time control unit 3 in electrical connection. The fuse 2 may serve as an additional measure, an undesirable melting of the heating element 1 independent of the glow time control unit 3 to prevent and thus safely prevent engine damage, since with increasing temperature and the required power increases. The glow time control unit 3 serves to control the glow plug, for example, by pulse width modulation from the on-board voltage of a motor vehicle with a voltage above their operating voltage to achieve a shorter heating time at low-voltage glow plugs, for example, within 3s heating time to 1000 ° C heating temperature, and depending on the GLP resistance the Temperature to regulate.

Neben dem Glührohr 11 besteht das Heizelement 1 weiterhin aus einer Heizwendel 12, die an einer Innenseite eines geschlossenen Endes 111 des Glührohrs 11 mit diesem in elektrischer Verbindung steht. Ferner ist ein Anschlussbolzen 14 mit der Heizwendel 12 in Reihe geschaltet und ist teilweise innerhalb des Glührohrs 11 angeordnet. Der Anschlussbolzen 14 ist weiterhin, je nach optionaler Zuschaltung der Sicherung 2, über die Sicherung 2 oder direkt mit dem Glühzeitsteuergerät 3 elektrisch verbunden. Die Heizwendel 12 besteht bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform aus einer FeCrAI-Legierung. Das Innere des Glührohrs 11 ist mit einem Füllmaterial 15 gefüllt, das die Heizwendel 12 und den im Inneren des Glührohrs 11 angeordneten Teil des Anschlussbolzens 14 umgibt. Das Füllmaterial 15 besteht bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform vollständig aus einem NTC-Pulver aus Siliziumkarbid, kann aber auch in einer Pulvermischung vorliegen. Durch die Wahl an Materialien der Heizwendel 12 und des Füllmaterials 15, also der Kombination aus einem Heizwendel-Werkstoff mit einem hohen spezifischen elektrischen Widerstand und einem Füllmaterial mit negativem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands wird eine Parallelschaltung des Heizwendel-Widerstandes, der sich mit der Temperatur nur wenig verändert, mit dem NTC-Widerstand des Füllmaterials erreicht. Diese Parallelschaltung ist in 1 schematisch durch das Schaltsymbol 151 für einen temperaturabhängigen Widerstand, hier einen Heißleiter oder NTC-Leiter, dargestellt. Bei einem Einsatz der Glühstiftkerze gemäß der hier beschriebenen Ausführungsform wird bei Aufbringung einer Spannung durch das Glühzeitsteuergerät 3 auf das Heizelement 1 die Heizwendel 12 zum Glühen angeregt. Durch die daraus resultierende Erhitzung des Heizelements 1 wird wiederum der elektrische Widerstand, das heißt die Stromleitfähigkeit des NTC-Füllmaterials 15 und damit des gesamten Heizelements 1 erhöht. Diese Änderung des elektrischen Widerstands, also die erhöhte Stromleitung zu der Heizwendel 12 kann durch das Glühzeitsteuergerät 3 erfasst und als Temperatursignal ausgewertet werden, wobei das Glühzeitsteuergerät 3 anhand dieses Temperatursignals die Temperatur des Heizelements regeln oder bei einer für das Heizelement kritischen Temperatur auch ganz unterbrechen kann, um eine Beschädigung des Heizelements 1, beispielsweise durch Schmelzen, zu verhindern. Als weitere Sicherheitsvorkehrung kann zusätzlich die Sicherung 2 zugeschaltet sein. Next to the glow tube 11 is the heating element 1 still from a heating coil 12 placed on an inside of a closed end 111 of the glow tube 11 is in electrical communication with this. Furthermore, a connection bolt 14 with the heating coil 12 connected in series and is partially within the glow tube 11 arranged. The connecting bolt 14 is still, depending on the optional connection of the fuse 2 , about the fuse 2 or directly with the glow time control unit 3 electrically connected. The heating coil 12 In the preferred embodiment described here, there is an FeCrAl alloy. The interior of the glow tube 11 is with a filler 15 filled, which is the heating coil 12 and inside the glow tube 11 arranged part of the connecting bolt 14 surrounds. The filling material 15 In the preferred embodiment described here, it consists entirely of an NTC powder of silicon carbide, but may also be present in a powder mixture. By choosing materials of the heating coil 12 and the filling material 15 , That is, the combination of a Heizwendel material with a high electrical resistivity and a filler material with a negative temperature coefficient of electrical resistance, a parallel connection of the Heizwendel resistance, which varies only slightly with the temperature achieved with the NTC resistance of the filler. This parallel connection is in 1 schematically by the switching symbol 151 for a temperature-dependent resistor, here a thermistor or NTC conductor, shown. When using the glow plug according to the embodiment described here, when a voltage is applied by the Glühzeitsteuergerät 3 on the heating element 1 the heating coil 12 excited to glow. Due to the resulting heating of the heating element 1 in turn, the electrical resistance, that is, the current conductivity of the NTC filling material 15 and thus the entire heating element 1 elevated. This change in electrical resistance, so the increased power line to the heating coil 12 can through the glow time control unit 3 recorded and evaluated as a temperature signal, wherein the Glühzeitsteuergerät 3 based on this temperature signal, the temperature of the heating element regulate or at a critical temperature for the heating element can also break completely, to damage the heating element 1 , For example, by melting, to prevent. As a further safety precaution, the fuse can also be used 2 be switched on.

Als Einsatzgebiet für ein derartig aufgebautes Heizelement sind neben einer Glühstiftkerze noch weitere Anwendungsgebiete denkbar, wie zum Beispiel für einen Kraftstoffheizer wie beispielsweise einen Ethanolheizer in einem Flex-Startsystem, oder jede Form von elektrischem Rohrheizkörper, in dem ein nicht isolierter Heizwiderstand in eine Pulverpackung eingebettet ist.As a field of application for a heating element constructed in this way, in addition to a glow plug other applications are conceivable, such as a fuel heater such as an ethanol heater in a Flex-start system, or any form of electric tubular heater in which an uninsulated heating resistor is embedded in a powder pack ,

Claims

Electrically heated glow plug with a heating element ( 1 ), comprising: a closed glow tube ( 11 ), an electrically conductive heating coil ( 12 ), an electrically conductive connecting bolt ( 14 ), with the heating coil ( 12 ) is electrically connected, and a filling material ( 15 ), which in the glow tube ( 11 ) is provided and the heating coil ( 12 ) and at least part of the connecting bolt ( 14 ), wherein the heating coil ( 12 ) consists of at least one temperature-resistant material with a high electrical conductivity, little temperature-dependent specific electrical resistance, and the filling material ( 15 ) consists at least partially of at least one material having a negative temperature coefficient of electrical resistance.

Glow plug according to claim 1, wherein the material of the heating coil ( 12 ) is a refractory metal which changes its resistance as a function of temperature little or not at all, preferably a FeCrAI alloy or a NiCr alloy.

Glow plug according to one of the preceding claims, wherein the filling material ( 15 ) is present at least partially as a powder.

The glow plug of claim 4 wherein the negative temperature coefficient of electrical resistance material is NTC powder.

Glow plug according to one of the preceding claims, wherein the filling material ( 15 ) consists entirely of a material with a negative temperature coefficient of electrical resistance.

Glow plug according to one of claims 1 to 4, wherein the filling material ( 15 ) consists of a mixture of at least one material with a negative temperature coefficient of electrical resistance and an insulating material, preferably magnesium oxide.

The glow plug of claim 6, wherein the mixture is adapted to to have a resistivity low between 100 ° C and 400 ° C, or have a specific electrical resistance which drops sharply between 800 and 1300 ° C.

A glow plug according to any one of the preceding claims, wherein the negative temperature coefficient material of the electrical resistance is one of the following materials or a combination of a plurality of the following materials: a modified carbon material; silicon carbide; doped silicon; elemental silicon; titanium oxide; magnesium oxide; iron oxide; cobalt oxide; nickel oxide; Copper oxide, and stabilized or partially stabilized zirconium oxide.

Glow plug according to one of the preceding claims, wherein the glow tube ( 1 ) consists of a temperature-resistant metal alloy, preferably of a nickel-based material or a temperature-resistant steel alloy.

Method for producing an electrically heatable glow plug, in particular according to one of the preceding claims, wherein the glow tube ( 11 ) is at least partially filled with a material having a negative temperature coefficient of electrical resistance.