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Vorbrennkammer - Vorheizeinrichtung
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Die Erfindung betrifft eine Glühkerze zum Vorheizen einer Hilfs- bzw.
einer Vorbrennkammer bei Brennkraftmaschinen. Auf diesem Gebiet wird eine Glühkerze
verwendet, die einen nichtmetallischen wärmeerzeugenden Widerstand, wie Siliziumcarbid
oder dergleichen, als Wärmeerzeugungselement verwendet. Ublicherweise ist ein stiftförmiges
Wärme erz eugungselement aus Siliziumcarbid in ein metallisches Mantelrohr eingesetzt.
Andererseits ist auch ein Siliziumcarbid-Wärmeerzeugungselement mit U-Querschnitt
auf einer Metallummantelung befestigt. Im ersteren Fall ist wegen elektrisch isolierender
Pulver, wie Magnesium, die in das Mantelrohr eingefüllt sind, eine Wärmeleitung
verhindert, wodurch der Temperaturanstieg an der Außenfläche des Eantelrohrs verzögert
wird. Die Haltbarkeit nimmt å jedoch mit der kompliziertheit der Verbindung mit
der zugeordneten Elektrode ab.
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Im letzteren Fall ist die Form des Wärmeerzeugungselements kompliziert,
weshalb Schwierigkeiten bei der Verbindung zwischen dem Wärmeerzeugungselement und
der Metallummantelung leicht auftreten.
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Bezüglich der Start- oder Anlaßcharakteristik von Dieselmaschinen
kann bei höherer Oberflächentemperatur einer Glühkerze die Maschine leichter oder
sicherer, selbst bei niedrigen Umgebungstemperaturen im Winter, gestartet werden,
insbesondere wenn die Glühkerze in den Bereich von 13000C aufgeheizt ist.
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Wenn nämlich eine Oberflächentemperatur eines Wärmeerzeugungsabschnittes
der Glühkerze zu niedrig ist, dauert es lange Zelt von der Initialzündung bis zur
vollständigen Zündung, so daß elektrischer Strom verbraucht wird, ohne wirksame
Ergebnisse Z'1 erreichen. Bei hohen Temperaturen kann ein schnelles Starten in ruhiger
Weise erreicht werden.
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Es ist jedoch unmöglich, eine befriedigende Anlaß- oder Startcharakteristik
bei Verwendung einer metallischen Glühkerze zu erreichen, bei der ein metallisches
Wärmeerzeugungselement aus einem Werkstoff wie Nickel-Chrom oder Eisen-Chrom spiral-
oder wendelförmig in dem Metallrohr aufgewickelt ist. Eine metallische Glühkerze
dieses Aufbaus besitzt eine niedrige zulässige Temperatur von höchstens 11000C,
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Aufbau für eine Glühkerze anzugeben, durch den
die Bedingungen für zufriedenstellendes Starten bzw. Anlassen erfüllbar sind.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorbrennkammer-Vorheizeinrichtung
mit einer Glühkerze für eine Diselmaschine erreicht. Diese Vorheizeinrichtung besitzt
eine Metallunimantelung, die über ein Gewinde an der Maschine befestigbar ist, und
eine Mittelelektrode mit stiftförmiger Ausbildung. Ein rohrförmiges Wärmeerzeugungselement
mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende besteht aus einem nichtmetallischen
Widerstandswerkstoff aus derGruppe,dS-liziumcarbid (SiC) oder Molybdänsisilizid
(MoSi2) enthälb,und ist eingesetzt und ist mit der Metallummantelung an seinen of-fenen
Ende verbunden. Eine elektrische Verbindung ist vorgesehen zur elektrischen Verbindung
einer Fläche am Unterende der Mittelelektrode und eines Innenwandabschnittes
des
geschlossenen Endabschnittes des Wårmeerzeugungselements. Eine elektrisch leitende
Schicht ist aw:einem Außenwandabschnitt des Wärmeerzeugungselements gebildet.
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Die elektrische Verbindung kann unter Verwendung von Sohlepulvern
gebildet sein, wobei ein Raum, der durch die Mittelelektrode und die Pulver innerhalb
des rohrförmigen Wärmeerzeugungselements gebildet ist, mit nicht oxydierendem elektrisch
isolierendem Werkstoff gefüllt ist, der aus der Gruppe gewählt ist, die Siliziumnitrid
(Si3N4), Bornitrid (BN) oder Aluminiumnitrid (AlN) enthält. Zusätzlich kann ein
keramisches Hülsenglied an der Bodenwand des geschlossenen Ende des Wärmeerzeugungselements
angeordnet sein.
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Durch die Erfindung kann also eine Glühkerze angegeben werden, bei
der die Oberflächentemperatur des Wärmeerzeugungselements über 11000C ansteigt,
um so die Anlaßcharakteristik von Dieselmaschinen bei niedriger Umgebungstemperatur
zu verbessern.
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Weiter wird eine Glühkerze angegeben, bei der der Anstieg der Oberflächentemperatur
in kurzer Zeit erreicht wird, wobei die Verbindung mit der Metallummantelung leicht
und einfach erreicht ist.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen Figur 1 bis 6 insgesamt 6 verschiedene Ausführungsbeispiele
einer Glühkerze für Brennkraftmaschinen gemäß der Erfindung, Figur 7 ein Schaltbild
zum Regeln des Vorheizens der Vorbrennkammer, die eine erfindungsgemäße Glühkerze
verwendet.
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Figur 1 zeigt ein erstes Aùsführungsbeispiel der Erfindung.
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Eine Glühkerze enthält eine Netallummantelung 1 * Ein Wärmeerzeugungsrohr
2, das aus einem nichtmetallischen Widerstandswerkstoff wie Siliziumcarbid (SiC)
und Molybdändisilizid (MoSi2) besteht, besitzt ein offenes Ende 21, ein geschlossenes
Ende 22 und im Inneren einen Hohlraum. Das offene Ende 21 ist
in
die Netallummantelung 1 eingesetzt, wie das in Figur 1 dargestellt ist. Eine Elektrodenschicht
aus Silber, Kupfer oder dergleichen, die an der Außenwand des offenen Endes 21 durch
Schmelzinåektion anhaftet, ist mit der Innenwand 11 der Metall ummantelung 1 mittels
eines Lötwerkstoffs 10, wie Silber, Kupfer oder dergleichen, verbunden. Eine stiftförmige
Mittelelektrode 3 aus einem Metall wie Wolfram,Nolybdä.i oder dergleichen ist koaxial
in die Metallumhüllung 1 und das Wärmeerzeugungsrohr 2 eingeführt bzw. eingesetzt.
Ein Endabschnitt 31 der Mittelelektrode 3 liegt direkt an der inneren Endfläche
des geschlossenen Endes 22 des Wärmeerzeugungsrohrs 2 an.
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Elektrisch isolierende keramische Pulver 4, wie Magnesiumoxid und
Aluminiumoxid, füllen einen Hohlraum, der durch die Netallummantelung 1 das Wärmeerzeugungsrohr
2 und die Mittelelektrode 3 definiert ist. Die keramischen Pulver 4 sind darin beständig
gehalten durch Abdichten bzw. Verstemmen eincr Ifetallpackung 1 und eines elektrisch
isolierenden Ringstöpsels 13 aus beipielsweise Silikongummi am Oberendabschnitt
12 der Metallunhüllung 1.
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Die so ausgebildete Glühkerze wird in einer Hilfs- oder Vorbrennkammer
einer Brennkraftmaschine so befestigt, daß elektrischer Strom über die Metallumhüllung
1, die die Außenelektrode bildet, zufließt. Da das Wärmeerzeugungsrohr 2 direkt
offen liegt, kann die Außenwand des Wärmeerzeugungsrohrs 2 schnell durch die Wårmeerzeugung
im Wärmeerzeugungsrohr 2 aufgeheizt werden, wodurch der Wirkungsgrad beim Aufheizen
der Vorbrennkammer verbessert wird. Darüber hinaus ist es, da das Wärmeerzeugungsrohr
2 rohrförmig mit geschlossenem Ende ausgebildet ist, der Aufbau vergleichsweise
einfach, wobei die Verbindung mit der Metallummantelung durch Löten oder dergleichen
erleichtert ist.
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Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Glühkerze gemaß
der Erfindung. Bei diesem und den weiteren Ausführungsbeispielen sind gleiche Glieder
oder Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 versehen. Figur 2 zeigt
ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel einer Glühkerze'bei der die
P"iittelelektrode 3 in ein Wärmeerzeugùngsrohr 2 eingesetzt ist, wobei die Endfläche
31 der Mittelelektrode 3-von der Innenfläche des geschlossenen Endes 22 des WärmeerBugungsrohrs
2 getrennt ist.
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Der innere geschlossene Abschnitt 22 des Wärmeerzeugungsrohrs 2 ist
mit Kohlepulver 5 gefüllt. Nicht oxydierende elektrisch isolierende Pulver 6, wie
Siliziunitrid (Si3N4), Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (als) oder dergleichen sind
den Kohlepulvern 5 benachbart vorgesehen. Das offene Ende 21 des Wirmeerzeugungsrohrs
2 ist mittels eines Abdichtungsglieds 7 aus Glas oder dergleichen abgedichtet.
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Eine derart ausgebildete Glühkerze wird verwendet, wenn elektrischer
Strom zwischen der Mittelelektrode 3 und der Netallummantelung 1 fließt. Die Kohlepulver
5 dienen dazu, eine elektrische Verbindung zwischen dem Wärmeerzeugungsrohr 2 und
der Mittelelektrode 3 sicherzustellen und um die Wärmedehnungsdifferenz zwischen
ihnen aufzunehmen aufgrund deren-geeigneter Fluidität, um so eine Beschädigung des
Wärmeerzeugungsrohrs 2 zu verhindern.
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Die elektrisch isolierenden Pulver wie Si3N4, BN oder AlN reagieren
mit dem in der im Wärmeerzeugungsrohr eingeschlossenen Luft enthaltenen Sauerstoff
zur Bildung von Siliziumdioxid. Die so lierenden Pulver 6 dienen daher zum Verbrauch
freien Sauerstoffs in dem Wärmeerzeugungsrohr und haben Reduktionswirkung,um eine
Oxydation der Mittelelektrode 3 und des Kohlepulvers 5 zu verhindern, um damit auch
eine Erhöhung des Widerstandes der Glühkerze zu vermeiden.
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Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem wie zuvor
die Mittelelektrode 3 in den geschlossenen Endabschnitt 22 des Wärmeerzeugungsrohrs
2 eingesetzt, jedoch von dem geschlossenen Ende 22 des Wärmeerzeugungsrohrs 2 getrennt
ist.
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Gemäß Figur 3 ist eine Hülse 8 aus Siliziumnitrid so vorgesehen, daß
es den Endabschnitt 31 der Mittelelektrode 3 teilweise umgibt. Das äußere Ende der
Hülse 8 liegt am-geschlossenen inneren Endabschnitt 22 des-Wärmeerzeugungsrohrs
2 an. Weiter ist der
innere Hohlraum der Hülse 8 mit Kohlepulver
5 gefüllt. Bei diesem Ausführungsbeispiel fließt elektrischer Strom durch den Endabschnitt
23 des Wärmeerzeugungsrohrs 2 in der durch Pfeile K dargestellten Ridtung. Folglich
kann der Endabschnitt 23 zum wirksameren Aufheizen beitragen. Im Gegensatz dazu
fließt beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 elektrischer Strom in der durch Pfeile
R dargestellten Weise. Folglich tritt die Wärmeerzeugung am Endabschnitt 23 gemäß
Figur 2 etwas langsamer auf als beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3.
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Ein Aufheizversuch mit sich wiederholendem elektrischen Strom während
10 000 Zyklen wurde durchgeführt bei Verwendung der Glühkerze gemäß Figur 2, wobei
die Oberflächentemperatur des Wärmeerzeugungsrohrs auf etwa 10000C,ausgehend von
Raumtemperatur, aufgewärmt worden ist. Es wurde festgestellt, daß sich keine Erhöhung
des Widerstandswerts ergab und daß keine Beschädigung des Wärmeerzeugungsrohrs auftrat.
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In Figur 4 ist wieder ein Wärmeerzeugungsrohr 2 vorgesehen, das einen
Seitenabschnitt 2a am offenen Ende des Wärmeerzeugungsrohrs 2 besitzt. Eine elektrisch.leitende
Schicht 25aus einer Legierung oder einem reinenNetall,wie Silber, tupfer oder dergleichen,
ist am Endabschnitt eines Bereichs 2b großen Durchmessers des Wärmeerzeugungsrohrs
2 mittels Schmelzens oder Brennens befestigt. Eine elektrisch leitende Schicht 25
ist mit der Innenwand der Netallumhüllung 1 mittels eines Lö twerkstoffs wie Silber,
Kupfer oder dergleichen verbunden, damit elektrischer Strom durch das Wärmeerzeugungsrohr
2 und die Metallumhüllung 1 fließen kann. Ein hitzefestes Haft- oder Klebemittel
71 ist in einen Ringraum gefüllt, der durch den Seitenabschnitt 2a des offenen Endabschnittes
des Wärmeerzeugungsrohrs 2 gebildet ist. Die Metallumhüllung 1 ist mit einem Werkstoff
hoher Hitzefestigkeit, wie einer kerauischen Bindung oder dergleichen, am Wärmeerzeugungsrohr
2 gesichert, wobei gleichzeitig eine Abdichtung erreicht ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Gesamtoberfläche der elektrisch leitenden Schicht 25 wegen des
besonderen
beschriebenen Aufbaus deutlich verringert.
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Wenn elektrischer Strom zwischen der Mittelelektrode 3 und der Metallumhüllung
1 bei diesem Ausführungsbeispiel fließt, wird eine Wärmeleitung vom Wärmeerzeugungsrohr
2 von dem mit dem Klebemittel 71 gefüllten Teil zur hetallumhüllung 1 verhindert.
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Die Wärmeverlustrate an den Maschinenkörper ist dadurch verringert.
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Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der eine
wärmeisolierende Schicht 71' durch Auflagen von Keramik im Ringraum gebildet ist,
der durch den oberen Abschnitt des Wärmeerzeugungsrohrs 2 und der Metallumhüllung
1 definiert ist.
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Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei
der ein erweiterter Abschnitt 2c an dem von der Metallumhüllung 1 überdeckten Bereich
des Wärmeerzeugungsrohrs 2 gebildet ist, wobei eine elektrisch leitende Schicht
25 an deren unteren Abschnitt vorgesehen ist. Ein Packungsglied 9, wie Kupfer, Silber
oder dergleichen, ist zwischen dem unteren Endabschnitt 15'der Metallumhüllung 1
und dem Wärmeerzeugungsrohr 2 vorgesehen.
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Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist ein Thermopaar aus
dem Siliziumcarbid (SiC) des Wärmeerzeugungsrohrs 2 der Glühkerze und dem Nickel,
Wolfram oder dem Molybdän der Mittelelektrode 3 aufgrund deren thermischen elektromotorischen
Kraft (Thermokraft) gebildet. Die Ausgangsspannung liegt bei 90 bis 110 mV bei einer
Temperatur am geschlossenen Endabschnitt 23 des Wärmeerzeugungsrohrs 2 von 1900
0C. Eine derartige Ausgangsspannung ist etwa doppelt so groß wie die eines Chromel-Alumel-Thermopaars,
die in der Größenordnung von 41,31 mV/10000C liegt.
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Aus diesem Grund kann auf einen Betrieb verzichtet werden, bei dem
ein weiteres dünnes Thermopaar in die Kerze eingefügt ist.
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Gleichzeitig tritt keine Abtrennung des Thermopaars auf, da die Mittelelektrode
und das Wärmeerzeugungsrohr ausreichend dick sind
Figur 7 zeigt
eine Vorheiz-Schaltung zur Verwendung bei der Vorheizeinrichtung gemaß derErfindung,
mit eIner Batterie oder einer anderen Stromquelle V, einem Motor M, einem Schalter
S, einer Signallampe G und einer Stromregelschaltung 50,. die zusammen mit der Glühkerze.A
die Erfindung.bildet. Die.Regelschaltung besteht aus einem Relaiskreis und Relaiselementen,
wobei ein Schaltbetrieb so durchgeführt ist, daß ein führender Schalter durch das
Ausgangssignal des Thermopaars geöffnet oder geschlossen wird, das durch die Mittelelektrode
3 und das Wärmeerzeugungsrohr 2 gebildet ist. Die Mittelelektrode 3 ist mit der
Stromregelschaltung 50 über eine Leitung L1 verbunden. Das Wärmeerzeugungsrohr 2
ist mit der Stromregelschaltung 5G über eine Leitung .L2 verbunden. Der Schalter
S ist über die Signallampe G mit der Glühkerze A über eine--Leitung L3 verbunden
Weiter ist der Schalter S über die Stromregelschaltung 50 mit der Glühkerze A über
eine Leitung L4 verbunden. Schließlich ist der Schalter S direkt mit der Glühkerze
A über eine Leitung L5 ohne die Signallampe G verbunden, wenn der Startermotor N
angesteuert ist.
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Beim Starten des Dieselmotors bzw. der Dieselmaschine ist die Starterleitung
L3 mit der Batterie V während einer Zeitdauer von 10 bis 30 s gekoppelt, um so die
Vorbrennkammer aufzuheizen.
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Anschließend sind der Starter- oder Anlaßmotor M und die Leitung mit
der Batterie V verbunden, damit elektrischer Strom durch die Glühkerze fließen kann
und gleichzeitig die Maschine durch den Motor M angelassen wird. Nachdem die Maschine
angelassen ist, werden die erläuterten durchgeschalteten Verbindungen gelöst und
wird die Leitung L4 mit der Batterie V gekoppelt, wobei während des Laufs der Maschine
dieser Zustand aufrecht erhalten bleibt. Wenn bei dieser Bedingung eine unpassende
Verbrennung auftritt und die Temperatur der Brennkammer verringert ist, beispielsweise
wenn die Maschine im Leerlaufbetrieb. unmittelbar nach dem Anlassen betrieben-wird
oder wenn in einer kalten Umgebung ein Niederlast-Maschinenbetrieb während langer
Zeit aufrecht erhalten wird, ist die Ausgangsspannung des durch die
Mittelelektrode
3 und das Wärmeerzeugungsrohr 2 gebildeten Thermopaarsniedrig. Die Regelschaltung
50 schließt die Leitung L4 bzw. schaltet diese durch, damit elektrischer Strom durch
die Glühkerze A fließen kann und dadurch die Vorheizkammer ohne ungenügende Verbrennung
erwärmt werden kann. Andererseits ist, wenn die Brennkammertemperatur hoch ist während
Mittel- oder Hochgeschwindigkeitslaufs der Maschine, d.h. über 5000C ist, die Ausgangsspannung
des Thermopaars hoch, weshalb die Regelschaltung 50 die Leitung L4 öffnet bzw. abtrennt,
um so einen unnötigen Verbrauch der Batterie V zu verhindern.
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Selbstverständlich sind noch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung
möglich.
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