DE102015221689A1

DE102015221689A1 - Heizeinsatz zum Einsatz in einem Glührohr einer elektrisch beheizbare Glühstiftkerze

Info

Publication number: DE102015221689A1
Application number: DE102015221689.6A
Authority: DE
Inventors: Gebro Gabriyel; Albrecht Geissinger; Andreas Reissner; Bruno Ceron Nicolat
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2017-05-11
Also published as: WO2017076657A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Heizeinsatz, insbesondere für den Einsatz in einem Glührohr einer elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze, der zumindest ein als Wendel ausgebildetes Heizelement (1; 2) und ein damit verpresstes Isolierpulver aufweist, wobei das Heizelement (1; 2) als Einstoffwendel mit einem definierten Widerstands-Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist, und wobei das Heizelement (1; 2) zumindest vier verschiedene Abschnitte (11, 12, 13, 14; 21, 22, 23, 24) mit zueinander unterschiedlichen Außendurchmessern (122, 142; 222, 242) zur Anpassung des jeweiligen elektrischen Widerstands aufweist. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Heizkörper mit einem derartigen Heizeinsatz sowie auf eine Glühstiftkerze mit einem derartigen Heizkörper.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Heizeinsatz, insbesondere für ein Glührohr einer elektrisch beheizbaren Glühkerze oder Glühstiftkerze, und genauer gesagt einen Heizeinsatz für einen Heizkörper, der zumindest ein Glührohr und den darin vorgesehenen Heizeinsatz aufweist, wobei der Heizeinsatz eine als elektrisches Widerstandselement wirkenden Wendel umfasst, die aus einem einzelnen Material besteht.
Bekannte Glühstiftkerzen, auch als Glühkerze oder GLP (von dem englischen Fachbegriff „glow plug“) bezeichnet, kommen derzeit nicht nur als Kaltstarthilfe in einer Kammer einer Brennkraftmaschine, so zum Beispiel einer Vor-, Wirbel- oder Brennkammer eines luftverdichtenden, selbstzündenden Dieselmotors zur Anwendung, sondern auch auf anderen Anwendungsgebieten, wie zum Beispiel als Treibstofferwärmungsmittel in einem Common-Rail-Einspritzsystem eines Flexible-Fuel-Antriebssystems, als Kaltstarthilfe beim Anlassen von mit Kerosin betriebenen Gasturbinen und Ölheizungen, oder dergleichen. Bei der Verwendung derartiger Glühstiftkerzen bei selbstzündenden Dieselmotoren kommen diese zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches zum Einsatz, wobei sie im kalten Zustand vorgeglüht werden, bevor ihre Temperatur ausreichend hoch ist, so dass sie für die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ausreicht. Ferner kann es nach dem Start des Dieselmotors zur Verringerung von Emissionen oder dergleichen erforderlich sein, die Glühstiftkerzen zumindest noch einige Zeit weiter zu betreiben, um eine Anhebung der Temperatur im Inneren des Brennraumes zu erreichen. Die Steuerung übernimmt dabei üblicherweise ein elektrisches Glühzeitsteuerungsgerät, auch als GCU (von dem englischen Fachbegriff, „glow control unit“) bezeichnet, in Verbindung mit einem Motorsteuerungsgerät, wobei eine kurze Aufheizzeit und ein kontrolliertes Nachglühen der Glühstiftkerze angestrebt werden, um eine kontrollierte Glühtemperaturregelung zu erzielen.
Eine Glühstiftkerze weist dazu üblicherweise einen Glühdraht als elektrische Widerstandsheizung auf, der in einem Glührohr der Glühstiftkerze eingesetzt ist und der durch Anlegen einer Spannung das Glührohr über eine kurzen Zeitspanne von 1 bis 2 Sekunden derart erhitzt, dass an der Spitze des Glührohrs eine Temperatur von teilweise über 1000°C erreicht wird. Die als elektrisches Widerstandselement zum Einsatz kommenden Glühdrähte sind dabei vorzugsweise als Wendel ausgebildet, wobei unter dem Begriff „Wendel“ ein schraubenförmig gewundenes Glühdrahtgebilde zu verstehen ist. Der in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragende Abschnitt des Glührohres ist üblicherweise neben der Wendel mit einem elektrisch isolierenden Füllpulver gefüllt, beispielsweise Magnesiumoxid, in das die Wendel eingebettet ist. Der elektrische Anschluss erfolgt im Allgemeinen über einen Anschlussbolzen, der mit der Wendel elektrisch leitend verbunden ist. Ein anderes Ende der Wendel ist mit dem Glührohr elektrisch verbunden. An den Anschlussbolzen kann beispielsweise ein Anschlussstecker oder dergleichen aufgeschraubt werden.
Gemäß einer bekannten Ausführung kann die Wendel aus zwei miteinander verbundenen Wendelteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, das heißt aus einer Heizwendel und einer mit dieser verbundenen Regelwendel. Demnach liegt bei derartigen Glühstiftkerzen eine Kombination von Heiz- und Regelwendel zu einem gemeinsamen Widerstandselement vor, wobei die Heizwendel in dem vorderen Teil des Glührohres eine Heizzone ausbildet ist, und wobei die Regelwendel im hinteren Teil des Glührohrs die Eigenschaft besitzt, dass mit zunehmender Temperatur der Widerstand steigt, was bedeutet, dass die Regelwendel einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten PTC (von dem englischen Fachbegriff „Positive Temperature Coefficient“) besitzt. Bei zunehmendem Widerstandwert kommt es zu einem Abregeln von Strom und es stellt sich eine definierte Endtemperatur ein. Heiz- und Regelwendel sind dabei elektrisch in Reihe geschaltet, wobei beide Wendeln positive aber verschieden hohe Temperatur-Widerstandkoeffizienten haben, und zwar zeigt die Heizwendel bei Raumtemperatur einen hohen elektrischen Widerstand, der nahezu konstant über den Betriebstemperaturbereich bleibt, wohingegen die Regelwendel einen elektrischen Widerstand bei Raumtemperatur hat, der sehr niedrig ist und sehr steil mit ansteigender Temperatur ansteigt. Alternativ kann der Glühdraht aber auch aus einer einzigen Wendel bestehen, einer sogenannten Monowendel oder Einstoffwendel, welche die Eigenschaften einer Regel- und einer Heizwendel in einer einzigen Wendel vereint. Derartige Einstoffwendeln sind bereits unter anderem aus DE 10 2013 211 789 A1 bekannt und bestehen üblicherweise aus einem einzigen Material/Werkstoff mit einem hohem Widerstands-Temperaturkoeffizienten von vorzugsweise ≥ 4 × 10^–3 1/K bei 20°C, wie zum Beispiel Wolfram, Molybdän, deren Legierungen, oder aus anderen geeigneten Heizleiterlegierungen.
Metallglühstiftkerzen oder metallische Glühstiftkerzen mit einer Einstoffwendel, wie oben genannt, weisen jedoch oft entweder eine zu hohe Aufheizzeit oder zu hohe notwendige Anfangsströme auf. Um dieser Problematik zu begegnen wurden bereits Lösungen vorgeschlagen, bei denen die Einstoffwendel in einer speziellen Formausgestaltung ausgebildet ist. Ein Beispiel einer derartigen metallenen Glühstiftkerze mit einer speziell geformten Einstoffwendel ist aus DE 10 2011 077 239 A1 bekannt und in 3A und 3B dargestellt. Die darin gezeigte Glühstiftkerze 9 besteht aus einem Heizelement 91 in form einer Einstoffwendel, die innerhalb eines metallenen Glührohrs 92 angeordnet ist, wobei das Glührohr 92 in einem Gehäuse 93 gehalten ist. Das Heizelement 91 ist innerhalb des Glührohrs 92 in elektrisch isolierendes aber wärmeleitendes Füllpulver 94 eingebettet. Ein Wendelende des Heizelements 91 ist dabei mit der Innenseite einer freiliegenden Spitze des Glührohrs 92 verbunden, wobei das Glührohr 92 auch als Glühstift oder Heizstift bezeichnet werden kann. Das andere Wendelende des Heizelements 91 ist mit einem Anschlussbolzen 95 verbunden, wobei die Verbindung des Anschlussbolzens 95 mit dem Heizelement 91 den Pluskontakt der Glühstiftkerze 9 darstellt. Der Minuskontakt des Heizelements 91, das heißt die Stromrückführung nach Masse, wird über das Glührohr 92 und weiter über das Gehäuse 93 zum Motorblock hin ausgebildet. Der Anschlussbolzen 95 ist gegenüber dem Glührohr 92 durch eine elektrisch isolierende Glührohrdichtung 96 und gegenüber dem Gehäuse 93 mit einer elektrisch isolierenden Gehäusedichtung 97 gehalten. Ferner ist ein außerhalb des Gehäuses 93 freies Ende des Anschlussbolzens als Anschluss 98 zum elektrischen Kontaktieren des Pluskontakts des Heizelements 91 angeordnet. Das Heizelement 91, das Glührohr 92, das Isolierpulver 94, der Anschlussbolzen 95 und die Glührohrdichtung 96 stellen dabei einen sogenannten Heizkörper der Glühstiftkerze dar. Wie es in 3B zu sehen ist, ist das Heizelement 91 in einen vorderendseitigen Abschnitt 911 und einen hinterendseitigen Abschnitt 912 aufgeteilt. Dabei werden die Windungsabstände der beiden Abschnitte 911, 912 angepasst, das heißt dass die Durchschnittsganghöhe des vorderendseitigen Abschnitts 911 im Vergleich zu einer Durchschnittsganghöhe des hinterendseitigen Abschnitts 912 um ≥ 0,9mm kleiner gewählt wird, so dass der Durchschnittswert des Normaltemperaturwiderstandes des vorderendseitigen Abschnitts 911 im Vergleich zu einem Durchschnittswert des Normaltemperaturwiderstandes der gesamten Wendel des Heizelements 91 ausreichend größer wird. Bei einer derartigen Verteilung des elektrischen Widerstands des Heizelements 91 allein durch einer Anpassung der Ganghöhen der Abschnitte 911, 912 wird jedoch die mögliche Auslegung des verwendbaren Heizelements 91 auf einem Drahtdurchmesser von > 0,2 mm und auf einen Windungsabstand von < 0,9 mm festgelegt, wodurch ein Einsatzbereich der Glühstiftkerze 9 eingeschränkt wird.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Heizeinsatz mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen, insbesondere zum Einsatz in einem Glührohr einer elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze für eine selbstzündende Brennkraftmaschine. Der erfindungsgemäße Heizeinsatz kommt dabei in einem Glührohr zum Einsatz, vorzugsweise aus Metall, wobei der Heizeinsatz in dem Glührohr angeordnet ist. Der erfindungsgemäße Heizeinsatz besteht zumindest aus einem Heizelement, das als Wendel ausgebildet ist, und aus einem Isolierpulver, in das das Heizelement eingebettet und mit diesem verpresst ist, wobei das Heizelement als Einstoffwendel mit einem definierten Widerstands-Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist. Das Isolierpulver ist dabei ein elektrisch isolierender und wärmeleitender Werkstoff, vorzugsweise Magnesiumoxid, Aluminiumoxid oder Siliciumnitrid. Ferner hat das Heizelement zumindest vier verschiedene Abschnitte mit zueinander unterschiedlichen Außendurchmessern zur Anpassung des jeweiligen elektrischen Widerstands. Entsprechend besteht das Heizelement in Wendelform aus vier unterschiedlichen Wendelabschnitten, die jeweils unterschiedliche Außendurchmesser aufweisen. Dadurch wird es ermöglicht, die jeweiligen elektrischen Widerstände der einzelnen Wendelabschnitte zueinander wie gewünscht anzupassen. Damit kann nicht nur der Gesamtwiderstand der Wendel an sich sondern auch das Widerstandsverhalten der einzelnen Wendelabschnitte zueinander wie gewünscht eingestellt werden, wodurch ein Ansteuern der Wendeln mit Strom beziehungsweise ein Abregeln von Strom gezielt beeinflusst und auf das angedachte Einsatzgebiet ausgerichtet werden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Heizeinsatz für eine für jedes Einsatzgebiet verwendbare Glühstiftkerze mit einer benutzungsdefinierten Heizwendel bereitzustellen, wird entsprechend mit dem erfindungsgemäßen Heizeinsatz erfüllt. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche möglich.
Der erfindungsgemäße Heizeinsatz insbesondere zum Einsatz in einem Glührohr einer elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze basiert auf der Erfassung des elektrischen Widerstands der Glühstiftkerze, welcher vorzugsweise in einem Betriebstemperaturbereich von 20°C bis 1200°C eine definierte Temperaturabhängigkeit zeigt. Das als Einstoffwendel ausgebildete Heizelement vereint dabei die Eigenschaften einer Heizwendel und einer Regelwendel in einer einzigen Wendel. Die Einstoffwendel ist entsprechend aus einem uniformen Material am Stück gefertigt. Eine für die Einstoffwendel wichtige Materialeigenschaft ist der spezifische elektrische Widerstand und dessen Abhängigkeit von der Temperatur, auch als Widerstands-Temperaturkoeffizient bezeichnet. Geeignete Materialien, welche hinsichtlich des spezifischen elektrischen Widerstands geeignete Temperaturabhängigkeiten zeigen, sind vorzugsweise aus der Materialgruppe ausgewählt, die aus Wolfram, Molybdän und deren Legierungen besteht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes umfassen dessen verschiedene Abschnitte zumindest einen Heizabschnitt und einen Vorabschnitt, die unterschiedliche Außendurchmesser und entsprechend unterschiedliche elektrische Widerstände aufweisen. Das Verhältnis des Außendurchmessers des Heizabschnitts zu dem Außendurchmesser des Vorabschnitts kann dabei vorzugsweise zwischen 1,1 und 2,5 liegen, wobei ein Verhältnis des elektrischen Widerstands des Heizabschnitts zu dem Gesamtwiderstand des Heizelements vorzugsweise zwischen 0,4 und 0,8 liegt. Gemäß einer dazu alternativen bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes kann das Verhältnis des Außendurchmessers des Heizabschnitts zu dem Außendurchmesser des Vorabschnitts zwischen 0,5 und 0,9 liegen, wobei ein Verhältnis des elektrischen Widerstands des Heizabschnitts zu dem Gesamtwiderstand des Heizelements vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,4 liegt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes umfassen die verschiedene Abschnitte des Heizelements neben dem bereits genannten Heizabschnitt und Vorabschnitt ferner einen Anschlussabschnitt und einen Übergangsabschnitt, wobei der Anschlussabschnitt, der Heizabschnitt, der Übergangsabschnitt und der Vorabschnitt in dieser Reihenfolge von der Spitze des Glührohrs ausgehend hin zu dem Anschlussbolzen angeordnet sind. Der Anschlussabschnitt stellt dabei die elektrische Verbindung mit dem Minuspol der Glühstiftkerze sicher, wie zum Beispiel mit dem Motorblock, über eine Glührohr-Gehäuse-Verbindung. Der Heizabschnitt erfüllt die eigentliche Funktion der Heizwendel und der Regelwendel, und zwar das Aufheizen des Glührohrs während des Leitens eines elektrischen Stroms. Der Übergangsabschnitt hat die Aufgabe, den Heizabschnitt vom Vorabschnitt räumlich zu trennen und dient sowohl der Anpassung der unterschiedlichen Außendurchmesser dieser Abschnitte als auch dem Einstellen des Wendelgesamtwiderstands. Schließlich hat der Vorabschnitt die Aufgabe, die Wendel und damit die GLP-Außentemperatur durch die zum Heizabschnitt zeitverzögerte Zunahme des elektrischen Wiederstandes zu stabilisieren, was wiederum zur Anpassung des Gesamtwiderstandes der Wendel dient.
Unter dem Außendurchmesser der Wendel ist der Durchmesser der Außenumhüllenden der schraubenförmig gewundenen Gestalt des Glühdrahts zu verstehen, wobei unter dem Außendurchmesser der jeweiligen Wendelabschnitte entsprechend der Durchmesser der jeweiligen Außenumhüllenden der entsprechenden Abschnitte der schraubenförmig gewundenen Glühdrahtgestalt zu verstehen ist. Die Außenumhüllende kann dabei über die Länge des jeweiligen Abschnitts einen konstanten Wert annehmen, was bei Abschnitten mit gleich bleibendem Außendurchmesser der Fall ist, wie zum Beispiel bei dem Heizabschnitt oder dem Vorabschnitt üblich. Die Außenumhüllende kann aber auch über die Länge des jeweiligen Abschnitts einen sich verändernden Wert annehmen, was bei Abschnitten mit einem sich verändernden Außendurchmesser der Fall ist, beispielsweise bei Abschnitten mit sich verjüngendem beziehungsweise sich verkleinerndem Außendurchmesser, bei denen der Außendurchmesser über die Länge des Abschnitts abnimmt, oder bei Abschnitten mit sich ausweitendem beziehungsweise sich vergrößerndem Außendurchmesser, bei denen der Außendurchmesser über die Länge des Abschnitts zunimmt, wie es beispielsweise bei dem Übergangsabschnitt der Fall sein kann. Hierbei ist es vorzuziehen, dass sich der Außendurchmesser des Übergangsabschnitts ausgehend von dem Außendurchmesser des Heizabschnitts zu dem Außendurchmesser des Vorabschnitts hin verjüngt oder ausweitet, in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Außendurchmessers des Heizabschnitts zu dem Außendurchmesser des Vorabschnitts. Das bedeutet, dass sich der Außendurchmesser des Übergangsabschnitts, der sich zwischen dem Heizabschnitt und dem Vorabschnitt befindet, ausgehend von dem Außendurchmesser des Heizabschnitts zu dem Außendurchmesser des Vorabschnitts hin vorzugsweise gleichmäßig verjüngt, wenn der Außendurchmesser des Heizabschnitts größer als der Außendurchmesser des Vorabschnitts ist, oder aber dass sich der Außendurchmesser des Übergangsabschnitts, der sich zwischen dem Heizabschnitt und dem Vorabschnitt befindet, ausgehend von dem Außendurchmesser des Heizabschnitts zu dem Außendurchmesser des Vorabschnitts hin vorzugsweise gleichmäßig ausweitet, wenn der Außendurchmesser des Heizabschnitts kleiner als der Außendurchmesser des Vorabschnitts ist. Ferner kann der Außendurchmesser des Anschlussabschnitts kleiner als oder gleich dem Außendurchmesser des Heizabschnitts sein, beispielsweise zwischen 0,4 und 1× dem Außendurchmesser des Heizabschnitts.
Der Durchmesser des Glühdrahts selbst, also die Dicke des Glühdrahts kann bei dem erfindungsgemäßen Heizeinsatz über die gesamte Länge der Wendel gleich bleiben, kann aber auch alternativ dazu je nach Bedarf unterschiedlich sein. Beispielsweise kann der Durchmesser des Glühdrahts im Heizbereich dünner als im Regelbereich sein, um ein schnelleres Aufheizen des Heizbereichs zu erzielen, wobei jedoch die mechanische Festigkeit des Drahts in dem jeweiligen Bereich mit in Betracht gezogen werden muss, da ein dünner Draht eine geringere Beständigkeit gegenüber einer Beanspruchung in Kriechermüdung als ein dicker Draht aufweist. Ferner können die jeweiligen Abschnitte unterschiedliche Windungsabstände beziehungsweise Durchschnittsganghöhen der Schraubenform des Glühdrahts aufweisen, wobei der Begriff „Durchschnittsganghöhe” in einem Querschnitt der Schraubenform des Glühdrahts, der die Mittelachse beziehungsweise die Wendelachse des Glühdrahts beinhaltet, einen Durchschnitt eines Abstandes zwischen den Mitten von Querschnitten benachbarter Glühdrahtabschnitte entlang der Mittelachse. Dabei gilt, dass der Temperaturwiderstand des Glühdrahts mit kleiner werdender Durchschnittsganghöhe größer wird. Entsprechend kann neben dem Außendurchmesser des jeweiligen Wendelabschnitts ferner mit der Dicke des Glühdrahtes sowie der Durchschnittsganghöhe des jeweiligen Wendelabschnitts der elektrische Widerstand weiter beeinflusst werden. Hierbei gilt, dass der Heizabschnitt üblicherweise eine geringere Durchschnittsganghöhe als der Vorabschnitt aufweist, um eine größere Heizwirkung in dem Heizabschnitt also in dem Vorabschnitt zu erzielen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes zeigt das Material beziehungsweise der Werkstoff des Heizelements ein derartiges Verhalten, dass dessen spezifischer elektrischer Widerstand ρ vorzugsweise mit der Temperatur mit einer Steigung m ≥ 2 × 10^–4 µΩ m/K zwischen 800 und 1000°C linear ansteigt, wobei ρ(T) = ρ₀ + m·T den lineare Zusammenhang zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand ρ und der Temperatur T im Bereich von 800°C bis 1000°C beschreibt. Das Material des Heizelements ist dabei vorzugsweise aus einer Materialgruppe ausgewählt, die Wolfram, Molybdän, oder eine deren Legierungen umfasst, wie zum Beispiel Molybdän-Titan-Zirkon-Legierungen. Ein weiteres Beispiel umfasst Molybdän oder Wolfram mit Anteilen von Kupfer, Lanthanoxid, Thoriumdioxid, Cerdioxid, Yttriumoxid und Rhenium.
Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein Heizkörper für eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze bereitgestellt, der ein Glührohr sowie einen wie vorhergehend beschriebenen Heizeinsatz aufweist, wobei der Heizeinsatz in dem Glührohr angeordnet ist. Darüber hinaus wird eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze bereitgestellt, die einen derartigen Heizkörper hat, wobei die Glühstiftkerze ferner zumindest ein Gehäuse zur Aufnahme des Heizkörpers und zumindest eine elektrisch isolierende Gehäusedichtung zum Isolieren zwischen einem Anschlussbolzen und dem Gehäuse aufweist. Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze zeigt in einem Betriebstemperaturbereich von 800°C bis 1200°C vorzugsweise ein lineares Verhalten des definierten Widerstands-Temperaturkoeffizienten. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Glühstiftkerze steigt der gemessene elektrische Widerstand mit der Temperatur der Einstoffwendel an, wobei eine Regelung mittels der Ansteuerspannung in Abhängigkeit des ansteigenden gemessenen Widerstands erfolgt. Demnach ergänzt sich das PTC-Verhalten der Einstoffwendel mit einer dynamisch veränderten Ansteuerspannung zur Regelung oder Steuerung der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze. Die konstante Überwachung des elektrischen Widerstands der Einstoffwendel ermöglicht eine Regelung der Glühtemperatur des Heizkörpers, welche durch Anpassung der Ansteuerspannung an unterschiedliche Motorzustände der Brennkraftmaschine angepasst werden. Demnach ist es zur exakten Bestimmung der Temperatur im Motorraum nicht notwendig, permanent Werte der Brennkraftmaschine zu berücksichtigen, wie zum Beispiel die Drehzahl der Brennkraftmaschine, die Menge des in die Brennkraftmaschine injizierten Kraftstoffs, die Abgasrückführung, die Zuluft-Temperatur, die Abgastemperatur, der Regenerationsstatus des Partikelfilters oder dergleichen.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Lösung stellt einen Heizeinsatz für einen Heizkörper zur Regelung oder Steuerung der Temperatur in einer Brennkraftmaschine bereit, welche das Heizelement, also die Heizwendel, vor einer Überhitzung zuverlässig schützt. Dabei kann auf eine „separate“ Regelwendel verzichtet werden, wodurch die Herstellung des Heizelements – als Einstoffwendel – deutlich vereinfacht wird. Ferner können hohe Aufheizzeiten oder zu hohe notwendige Anfangsströme damit vermieden werden.
Durch das gezielte Einstellen der Widerstände der einzelnen Wendelabschnitte und damit des Wendelgesamtwiderstands kann die Robustheit der Glühstiftkerze erhöht werden, ohne auf einen minimalem Drahtdurchmesser oder eine maximale Durchschnittsganghöhe festgelegt zu sein. Dadurch kann eine maximale Flexibilität bei der Ausgestaltung des Heizeinsatzes für den Heizkörper der Glühstiftkerze ermöglicht werden. Ein geregeltes und frei einstellbares Glühverhalten der Glühstiftkerze bietet allgemein einen erhöhten Schutz der Glühstiftkerze, wobei die Lebensdauer erhöht und die Effizienz der Verbrennung im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine gefördert werden kann. Darüber hinaus kann durch eine konstant einstellbare Temperatur mittels der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze eine stabilere Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine erreicht werden, wobei verbesserte Abgaswerte und ein geringerer Bedarf einer Abgasnachbehandlung erzielt werden können.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Heizelements eines erfindungsgemäßen Heizeinsatzes in einer perspektivischen Seitenansicht;
2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Heizelements eines erfindungsgemäßen Heizeinsatzes in einer perspektivischen Seitenansicht;
3A zeigt eine Glühstiftkerze gemäß dem Stand der Technik in einer schematischen Teilquerschnittsdarstellung; und
3B zeigt den Heizkörper der in 3A dargestellten Glühstiftkerze in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Heizelements 1 eines erfindungsgemäßen Heizeinsatzes in einer perspektivischen Seitenansicht. Das Heizelement 1 ist als eine Einstoffwendel mit vier Abschnitten ausgebildet, die in der Figur von links nach rechts dargestellt ineinander übergehen. Der erste Abschnitt auf der linken Seite der Darstellung ist ein Anschlussabschnitt 11, der in einen Heizabschnitt 12 übergeht, welcher wiederum über einen Übergangsabschnitt 13 in einen Vorabschnitt 14 übergeht. Der Anschlussabschnitt 11 dient dabei zum Anschluss an ein (nicht gezeigtes) Glührohr einer Glühstiftkerze, wie sie aus 3A bekannt ist, wobei sich die Länge des Anschlussabschnitts 11 und dessen Außendurchmesser je nach Ausbildung des (nicht gezeigten) Glührohrs anpassen lassen. Der Heizabschnitt 12, der auf den Anschlussabschnitt 11 folgt, weist eine bestimmte Länge 121 und einen bestimmten Außendurchmesser 122 auf, die je nach Bedarf bei der Fertigung des Heizelements 1 eingestellt werden. Der als nächstes folgende Übergangsabschnitt 13 weist eine Länge 131 auf und zeigt einen sich verjüngenden Außendurchmesser. Schließlich folgt der Vorabschnitt 14 mit einer Länge 141 und einem Außendurchmesser 142, wobei der Außendurchmesser 142 des Vorabschnitts 14 kleiner als der Außendurchmesser 122 des Heizabschnitts 12 ist, wodurch sich wiederum der sich verjüngende Außendurchmesser des Übergangsabschnitts 13 ergibt. Das Verhältnis des Außendurchmessers 122 des Heizabschnitts 12 zu dem Außendurchmesser 142 des Vorabschnitts 14 entspricht bei der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes einem Verhältnis in einem Bereich von 1,1 bis 2,5, was bedeutet, dass der Außendurchmesser 122 des Heizabschnitts 12 mindestens 1,1× und maximal 2,5× so groß wie der Außendurchmesser 142 des Vorabschnitts 14 ist. Ferner beträgt bei der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes ein Verhältnis des elektrischen Widerstands des Heizabschnitts 12 zu dem Gesamtwiderstand des Heizelements 1 zwischen 0,4 und 0,8 liegt, wobei sich der Gesamtwiderstand des Heizelements 1 unter anderem aus dem Verhältnis des Außendurchmessers 122 des Heizabschnitts 12 zu dem Außendurchmesser 142 des Vorabschnitts 14, aus der gewählten Ganghöhe jeweils des Heizabschnitts 12 sowie des Vorabschnitts 14, sowie aus der Dicke des gewählten Drahtdurchmessers ergibt, wobei die Ganghöhe des Heizabschnitts 12 sehr klein beziehungsweise eng im Vergleich zu der Ganghöhe des Vorabschnitts 14 gewählt ist und der Drahtdurchmesser bei der ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes gleichmäßig dick ist.
2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Heizelements 2 eines erfindungsgemäßen Heizeinsatzes in einer perspektivischen Seitenansicht. Das Heizelement 2 ist ähnlich zu dem in 1 gezeigten Heizelement 1 eine Einstoffwendel mit vier Abschnitten, die in der Figur von links nach rechts dargestellt ineinander übergehen. Der erste Abschnitt auf der linken Seite der Darstellung ist ein Anschlussabschnitt 21, der in einen Heizabschnitt 22 übergeht, welcher wiederum über einen Übergangsabschnitt 23 in einen Vorabschnitt 24 übergeht. Der Anschlussabschnitt 21 dient zum Anschluss an ein (nicht gezeigtes) Glührohr einer Glühstiftkerze, wie sie aus 3A bekannt ist, wobei sich die Länge des Anschlussabschnitts 21 und dessen Außendurchmesser je nach Ausbildung des (nicht gezeigten) Glührohrs anpassen lassen. Der Heizabschnitt 22, der auf den Anschlussabschnitt 21 folgt, weist eine bestimmte Länge 221 und einen bestimmten Außendurchmesser 222 auf, die je nach Bedarf bei der Fertigung des Heizelements 2 eingestellt werden. Der als nächstes folgende Übergangsabschnitt 23 weist eine Länge 231 auf, die größer als die Länge des Heizabschnitts 221 ist, und zeigt einen sich ausweitenden Außendurchmesser. Schließlich folgt der Vorabschnitt 24 mit einer Länge 241 und einem Außendurchmesser 242, wobei der Außendurchmesser 242 des Vorabschnitts 24 bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform größer als der Außendurchmesser 222 des Heizabschnitts 22 ist, wodurch sich wiederum der sich vergrößernde Außendurchmesser des Übergangsabschnitts 23 ergibt. Das Verhältnis des Außendurchmessers 222 des Heizabschnitts 22 zu dem Außendurchmesser 242 des Vorabschnitts 24 liegt bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes in einem Bereich von 0,5 bis 0,9, was bedeutet, dass der Außendurchmesser 222 des Heizabschnitts 22 minimal 0,5× und maximal 0,9× so groß wie der Außendurchmesser 242 des Vorabschnitts 24 ist, der Außendurchmesser 222 des Heizabschnitts 22 also kleiner als der Außendurchmesser 242 des Vorabschnitts 24 ist. Ferner liegt bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes ein Verhältnis des elektrischen Widerstands des Heizabschnitts 22 zu dem Gesamtwiderstand des Heizelements 2 in einem Bereich von 0,2 bis 0,4, wobei sich der Gesamtwiderstand des Heizelements 2 unter anderem aus dem Verhältnis des Außendurchmessers 222 des Heizabschnitts 22 zu dem Außendurchmesser 242 des Vorabschnitts 24, aus der gewählten Ganghöhe jeweils des Heizabschnitts 22 sowie des Vorabschnitts 24, sowie aus der Dicke des gewählten Drahtdurchmessers ergibt, wobei die Ganghöhe des Heizabschnitts 22 sehr klein beziehungsweise eng im Vergleich zu der Ganghöhe des Vorabschnitts 24 gewählt ist und der Drahtdurchmesser bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizeinsatzes gleichmäßig dick ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013211789 A1 [0004]
DE 102011077239 A1 [0005]

Claims

Heizeinsatz, insbesondere zum Einsatz in einem Glührohr einer elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze, der zumindest ein als Wendel ausgebildetes Heizelement (1; 2) und ein damit verpresstes Isolierpulver aufweist, wobei das Heizelement (1; 2) als Einstoffwendel mit einem definierten Widerstands-Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist, und wobei das Heizelement (1; 2) zumindest vier verschiedene Abschnitte (11, 12, 13, 14; 21, 22, 23, 24) mit zueinander unterschiedlichen Außendurchmessern (122, 142; 222, 242) zur Anpassung des jeweiligen elektrischen Widerstands aufweist.
Heizeinsatz nach Anspruch 1, wobei die verschiedenen Abschnitte (11, 12, 13, 14) des Heizelements (1) zumindest einen Heizabschnitt (12) und einen Vorabschnitt (14) umfassen, und wobei das Verhältnis des Außendurchmessers (122) des Heizabschnitts (12) zu dem Außendurchmesser (142) des Vorabschnitts (14) zwischen 1,1 und 2,5 liegt.
Heizeinsatz nach Anspruch 2, wobei ein Verhältnis des elektrischen Widerstands des Heizabschnitts (12) zu dem Gesamtwiderstand des Heizelements (1) zwischen 0,4 und 0,8 liegt.
Heizeinsatz nach Anspruch 1, wobei die verschiedenen Abschnitte des Heizelements (2) zumindest einen Heizabschnitt (22) und einen Vorabschnitt (24) umfassen, und wobei das Verhältnis des Außendurchmessers (222) des Heizabschnitts (22) zu dem Außendurchmesser (242) des Vorabschnitts (24) zwischen 0,5 und 0,9 liegt.
Heizeinsatz nach Anspruch 4, wobei ein Verhältnis des elektrischen Widerstands des Heizabschnitts (22) zu dem Gesamtwiderstand des Heizelements (1) zwischen 0,2 und 0,4 liegt.
Heizeinsatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Material des Heizelements (1; 2) einen spezifischen elektrischen Widerstand ρ aufweist, der mit der Temperatur mit einer Steigung m ≥ 2 × 10^–4 µΩ m/K zwischen 800 und 1000°C linear ansteigt, wobei ρ(T) = ρ₀ + m·T den lineare Zusammenhang zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand ρ und der Temperatur T angibt.
Heizeinsatz nach Anspruch 6, wobei das Material des Heizelements (1; 2) aus einer Materialgruppe ausgewählt ist, die Wolfram, Molybdän, oder eine deren Legierungen umfasst.
Heizeinsatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die verschiedenen Abschnitte (11, 12, 13, 14; 21, 22, 23, 24) des Heizelements (1; 2) zumindest einen Anschlussabschnitt (11; 21), einen Heizabschnitt (12; 22), einen Übergangsabschnitt (13; 23) und einen Vorabschnitt (14; 24) in dieser Reihenfolge aufweisen.
Heizeinsatz nach Anspruch 8, wobei sich der Außendurchmesser des Übergangsabschnitts (13; 23) ausgehend von dem Außendurchmesser (122; 222) des Heizabschnitts (12; 22) zu dem Außendurchmesser (142; 242) des Vorabschnitts (14; 24) hin verjüngt oder ausweitet, in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Außendurchmessers (122; 222) des Heizabschnitts (12; 22) zu dem Außendurchmesser (142; 242) des Vorabschnitts (14; 24).
Heizkörper für eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze, mit einem Glührohr, und einem Heizeinsatz nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Heizeinsatz in dem Glührohr angeordnet ist.
Elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit einem Heizkörper nach Anspruch 10, wobei die Glühstiftkerze ferner zumindest ein Gehäuse zur Aufnahme des Heizkörpers und zumindest eine elektrisch isolierende Gehäusedichtung zum Isolieren zwischen einem Anschlussbolzen und dem Gehäuse aufweist.