DE2925373C2 - Glühkerze für eine Vorbrennkammer-Vorheizeinrichtung einer Dieselmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze für eine Vorbrennkammer-Vorheizeinrichtung einer Dieselmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Glühkerzen der eingangs genannten Art sind aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE-GM 17 61118 bekannt. Die dort beschriebene Glühkerze weist ein in die Maschine einschraubbares Kerzengehäuse und eine stiftförmige Mittelelektrode auf. Weiter enthält die Glühkerze eine Heizeinrichtung aus einem rohrförmigen, vollständig aus einem nichtmetallischen Werkstoff bestehenden Wärmeerzeugungselement, mit einem offenen und einem geschlossenen Ende, wobei das Wärmeerzeugungselement mit seinem offenen Ende mit dem Kerzengehäuse elektrisch derart verbunden ist, daß das geschlossene Ende nach außen ragt und ein freier Endabschnitt der Mittelelektrode mit einem Innenwandabschnitt des Wärmeerzeugungselementes in elektrischer Verbindung steht.
Ferner ist aus der DE-OS 23 60 571 eine Glühkerze mit einem Kerzengehäuse und einer Mittelelektrode mit einem becherförmigen Brückenteil die jeweils aus Metall bestehen, bekannt, wobei dazwischen ein Heizelement aus einer gesinterten, temperaturbeständigen keramischen Zusammensetzung angeordnet ist. Das Heizelement ist zwischen den Endabschnitten der Elektroden entfernbar befestigt und ist gegenüber dem Verbrennungsgas abgedichtet.

In der DE-OS 26 37 464 wird eine Glühkerze beschrieben, bei der der Raum zwischen dem Kerzengehäuse und der Mittelelektrode mit einer Mischung aus SiC-Pulver und Molybdänpulver ausgefüllt ist, die als Heizelement dient.

Es ist außerdem aus der DE-OS 26 37 435 eine Glühkerze bekannt, bei der ein nicht oxidierendes, elektrisch isolierendes Pulver AlN, BN, SiC und B₄C als aufnehmender Werkstoff zum Tragen einer Heizspule aus Mo und W im Kerzengehäuse verwendet wird.

Glühkerzen, bei denen das Wärmeerzeugungselement, das z. B. aus einem einseitig offenen Rohr bestehen kann, mit der Mittelelektrode am äußersten Ende des Wärmeerzeugungselementes verbunden ist, werden z. B. in der US-PS 21 78 659 und der FR-PS 12 08 074 beschrieben. Aus der FR-PS 12 08 074 ist es außerdem entnehmbar, den Raum zwischen der Mittelelektrode und dem Wärmeerzeugungselement mit einem isolierenden Werkstoff zu füllen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Glühkerze der eingangs genannten Art herzustellen, die hochwirksam und lange haltbar ist und ein über lange Zeit konstantes Widerstandsverhalten aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer Glühkerze der eingangs genannten Art gemäß dem kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Duch die Verwendung von Kohlepulver als elektrische Verbindung zwischen dem freien Endabschnitt der Mittelelektrode und dem Wärmeerzeugungselement

am äußersten geschlossenen Ende des Wärmeerzeugungselementes, wird einerseits eine ausgezeichnete elektrische Verbindung garantiert, andererseits wird aber auch eine unterschiedliche thermische Ausdehnung zwischen dem Wärmeerzeugungselermmt und der Mittelelektrode kompensiert. Dadurch wird eine Beschädigung des Wärmeerzeugungselementes durch thermische Spannungen wirksam vermieden.

Des weiteren reagiert ein die Elektrode nicht oxidierendes, selbst aber oxidierbares Keramikpulver mit der von dem Wärmeerzeugungselement eingeschlossenen Luft und absorbiert so den darin enthaltenen freien Sauerstoff. Das Keramikpulver hat einen Reduktionseffekt und verhindert so eine Oxidation der Mittelelektrode und des Kohlepulvers. Damit wird eine ansonsten auftretende Widerstandsänderung vermieden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 6 insgesamt 6 verschiedene Ausführungsbeispiele einer Glühkerze für Brennkraftmaschinen gemäß der Erfindung,

F i g. 7 ein Schaltbild zum Regeln des Vorheizens der Vorbrennkammer, die eine erfindungsgemäße Glühkerze verwendet.

F i g. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Glühkerze enthält ein Kerzengehäuse 1. Ein Wärmeerzeugungselement 2, das aus einem nichtmetallischen Widerstandswerkstoff wie Siliziumcarbid (SiC) und Molybdändisilizid (MoSij) besteht, besitzt ein offenes Ende 21, ein geschlossenes Ende 22 und im Inneren einen Hohlraum. Das offene Ende 21 ist in das Kerzengehäuse 1 eingesetzt, wie das in F i g. 1 dargestellt ist. Eine Elektrodenschicht aus Silber, Kupfer oder dergleichen, die an der Außenwad des offenen Endes 21 durch Schmelzinjektion anhaftet, ist mit einer Innenwand 11 des Kerzengehäuses 1 mittels eines Lötwerkstoffs 10, wie Silber, Kupfer oder dergleichen, verbunden. Eine stiftförmige Mitlelelektrode 3 aus einem Metall wie Wolfram, Molybdän oder dergleichen ist koaxial in das Kerzengehäuse 1 und das Wärmeerzeugungselement 2 eingeführt bzw. eingesetzt. Ein Endabschnitt 31 der Mittelelektrode 3 liegt direkt an der inneren Endfläche eines geschlossenen Endes 22 des Wärmeerzeugungselements 2 an.

Elektrisch isolierende keramische Pulver 4, wie Magnesiumoxid und Aluminiumoxid, füllen einen Hohlraum, der durch das Kerzengehäuse 1 das Wärmeerzeugungselement 2 und die Mittelelektrode 3 definiert ist. Die keramischen Pulver 4 sind darin beständig gehalten durch Adichten bzw. Verstemmen einer Metallpackung 14 und eines elektrisch isolierenden Ringstöpsels 13 aus beispielsweise Silikongummi am Oberendabschnitt 12 des Kerzengehäuses 1.

Die so ausgebildete Glühkerze wird in einer Hilfs- oder Vorbrennkammer einer Brennkraftmaschine so befestigt, daß elektrischer Strom über das Kerzengehäuse 1, die die Außenelektrode bildet, zufließt. Da das Wärmeerzeugungselement 2 direkt offen liegt, kann die Außenwand des Wärmeerzeugungselements 2 schnell durch die Wärmeerzeugung im Wärmeerzeugungselement 2 aufgeheizt werden, wodurch der Wirkungsgrad beim Aufheizen der Vorbrennkammer verbessert wird. Darüber hinaus ist es, da das Wärmeerzeugungselement 2 rohrförmig mit geschlossenem Ende ausgebildet ist, der Aufbau vergleichsweise einfach, wobei die Verbindung mit der Metallummantelung durch Löten oder dergleichen erleichtert ist.

Fig.2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Glühkerze gemäß der Erfindung. Bei diesem und den weiteren Ausführungsbeispielen sind gleiche Glieder oder Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 versehen. F i g. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Glühkerze, bei der die Mittelelektrode 3 in ein Wärmeerzeugungselement 2 eingesetzt ist wobei der Endabschnitt 31 der Mittelelektrode 3 von der Innenfläche des geschlossenen Endes 22 des Wärmeerzeugungsrohrs 2 getrennt ist. Der innere geschlossene Abschnitt 22 des Wärmeerzeugungsrohrs 2 ist mit Kohlepulver 5 gefüllt Nicht oxidierende elektrisch isolierende Pulver 6, wie Siliziumnitrid (Si₃N₄), Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN) oder dergleichen sind den Kohlepulvern 5 benachbart vorgesehen. Das offene Ende 21 des Wärmeerzeugungsrohrs 2 ist mittels eines Abdichtungsglieds 7 aus Glas oder dergleichen abgedichtet

Eine derart ausgebildete Glühkerze wird verwendet, wenn elektrischer Strom zwischen der Mittelelektrode 3 und des Kerzengehäuses 1 in Richtung der Pfeile R fließt. Die Kohlepulver 5 dienen dazu, eine elektrische Verbindung zwischen dem Wärmeerzeugungselement 2 und der Mittelelektrode 3 sicherzustellen und um die Wärmedehnungsdifferenz zwischen ihnen aufzunehmen, um so eine Beschädigung des Wärmeerzeugungselements 2 zu verhindern. Die elektrisch isolierenden Pulver wie S13N4, BN oder AIN reagieren mit dem in der im Wärmeerzeugungsrohr eingeschlossenen Luft enthaltenen Sauerstoff zur Bildung von Siliziumdioxid. Die isolierenden Pulver 6 dienen daher zum Verbrauch freien Sauerstoffs in dem Wärmeerzeugungsrohr und haben Reduktionswirkung, um eine Oxidation der Mittelelektrode 3 und des Kohlepulves 5 zu verhindern, um damit auch eine Erhöhung des Widerstandes der Glühkerze zu vermeiden.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem wie zuvor die Mittelelektrode 3 in den geschlossenen Endabschnitt 22 des Wärmeerzeugungselements 2 eingesetzt, jedoch von dem geschlossenen Ende 22 des Wärmeerzeugungselements 2 getrennt ist. Gemäß F i g. 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 Richtung. Folglich kann der Endabschnitt 23 zum wirksameren Aufheizen beitragen. Im Gegensatz dazu fließt beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 elektrischer Strom in der durch Pfeile R dargestellten Weise. Folglich tritt die Wärmeerzeugung am Endabschnitt 23 gemäß F i g. 2 etwas langsamer auf als beim Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 3.

Ein Aufheizversuch mit sich wiederholendem elektrischen Strom während 10 000 Zyklen wurde durchgeführt bei Verwendung der Glühkerze gemäß F i g. 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.

In F ι g. 4 ist wieder ein Wärmeerzeugungselement 2 vorgesehen, das einen Seitenabschnitt 2a an dessen offenen Ende besitzt. Eine elektrisch leitende Schicht 25 aus einer Legierung oder einem reinen Metall, wie Silber,

Kupfer oder dergleichen, ist am Endabschnitt eines Bereichs 2Zj großen Durchmessers des Wärmeerzeugungselements 2 mittels Schmelzens oder Brennens befestigt. Eine elektrisch leitende Schicht 25 ist mit der Innenwand des Kerzengehäuses 1 mittels eines Lötwerkstoffs wie Silber, Kupfer oder dergleichen verbunden, damit elektrischer Strom durch das Wärmeerzeugungselement 2 und das Kerzengehäuse 1 fließen kann. Ein hitzefestes Haft- oder Klebemittel 71 ist in einen Ringraum gefüllt, der durch den Seitenabschnitt 2a des offenen Endabschnittes des Wärmeerzeugungselements 2 gebildet ist. Das Kerzengehäuse 1 ist mit einem Werkstoff hoher Hitzefestigkeit, wie einer keramischen Bindung oder dergleichen, am Wärmeerzeugungselement 2 gesichert, wobei gleichzeitig eine Abdichtung erreicht ist. is Bei diesem Ausführungsbeispie! ist die Gesamtoberfläche der elektrisch leitenden Schicht 25 wegen des besonderen Aufbaus deutlich verringert

Fig.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 Wärmeerzeugungselements 2 und des Kerzengehäuses 1 definiert ist

F i g. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der ein erweiterter Abschnitt 2c an dem von dem Kerzengehäuse 1 überdeckten Bereich des Wärmeerzeugungselements 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 des Kerzengehäuses 1 und dem Wärmeerzeugungselement 2 vorgesehen.

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist ein Thermopaar aus dem Süiziumcarbid (SiC) des Wärmeerzeugungselements 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 Wärmeerzeugungselements 2 von 100O⁰C. Eine derartige Ausgangsspannung ist etwa doppelt so groß wie die eines Chromel-Alumel-Thermopaars, die in der Größenordnung von 4131 mV/1000° C liegt Aus diesem Grund kann auf einen Betrieb verzichtet werden, bei dem ein weiteres dünnes Thermopaar in die Kerze eingefügt ist. Gleichzeitig tritt keine Abtrennung des Thermopaars auf, da die Mittelelektrode und das Wärmeerzeugungsrohr ausreichend dick sind.

F i g. 7 zeigt eine Vorheiz-Schaltung zur Verwendung bei der Vorheizeinrichtung gemäß der Erfindung, mit einer Batterie oder einer anderen Stromquelle V, einem Motor M, einem Schalter 5, 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 Wärmeerzeugungselement 2 gebildet ist Die Mittelelektrode 3 ist mit der Stromregelschaltung 50 über eine Leitung Li verbunden. Das Wärmeerzeugungselement 2 ist mit der Stromregelschaltung 50 über eine Leitung Li verbunden. Der Schalter 5 ist über die Signallampe G mit der Glühkerze A über eine Leitung L3 verbunden. Weiter ist der Schalter 5 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 Lt ohne die Signallampe G verbunden, wenn der Startermotor Mangesteuert ist

Beim Starten des Dieselmotors bzw. der Dieselmaschine ist die Starterleitung Li mit der Batterie V während einer Zeitdauer von 10 bis 30 s gekoppelt, um so die Vorbrennkammer aufzuheizen. Anschließend sind der Starter- oder Anlaßmotor M und die Leitung L·, 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, werder die erläuterten durchgeschalteten Verbindungen gelöst und wird die Leitung La mit der Batterie Vgekoppelt, 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 Wärmeerzeugungselement 2 gebildeten Thermopaars niedrig. Die Regelschaltung 50 schließt die Leitung La 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 500°C ist, die Ausgangsspannung des Thermopaars hoch, weshalb die Regelschaltung 50 die Leitung La, öffnet bzw. abtrennt, um so einen unnötigen Verbrauch der Batterie Vzu verhindern.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Glühkerze für eine Vorbrennkammer-Vorheizeinrichtung einer Dieselmaschine

mit einem in die Maschine einschraubbaren Kerzengehäuse,

mit einer stiftförmigen Mittelelektrode, und mit einer Heizeinrichtung aus einem rohrförmigen, vollständig aus einem nichtmetallischen Widerstandswerkstoff bestehenden Wärmeerzeugungselement mit einem offenen und einem geschlossenen Ende, wobei das Wärmeerzeugungselement mit seinem offenen Ende mit dem Kerzengehäuse elektrisch derart verbunden ist, daß das geschlossene Ende nach außen ragt und einer freier Endabschnitt der Mittelelektrode mit einem Innenwandabschnitt des Wärmeerzeugungselementes in elektrischer Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Endabschnitt (31) der Mittelelektrode (3) von der Innenwandfläche des geschlossenen Endes (22) des Wärmeerzeugungselementes (2) einen Abstand aufweist, der als elektrische Verbindung zwischen der Mittelelektrode (3) und dem Wärmeerzeugungselement (2) Kohlepulver (5) enthält und daß der an die elektrische Verbindung angrenzende, duch die Mittelelektrode (3) und das Wärmeerzeugungselement (2) gebildete Raum mit einem nicht oxidierenden, selbst aber oxidierbaren elektrisch isolierenden Werkstoff (6) gefüllt ist, aus einer Siliziumnitrid (S13N4), Bornitrid (BN) oder Aluminiumnitrid (AlN) enthaltenden Gruppe.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtmetallische Widerstandswerkstoff aus einer Siliziumcarbid und Molybdänisilizid enthaltenden Gruppe gewählt ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindungseinrichtung weiter eine keramische Hülse (8) aufweist, die an der Bodenwand des geschlossenen Endes (22) des Wärmeerzeugungselements (2) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeerzeugungselement (2) einen Abschnitt (2b) großen Durchmessers in einem Zwischenabschnitt enthält, wobei der Abschnitt (2b) großen Durchmessers teilweise in das Kerzengehäuse (1) eingesetzt ist, und daß ein Ringraum zwischen dem offenen Endabschnitt (21) des Wärmeerzeugungselements (2) und des Kerzengehäuses (1) mit einem wärmeisolierenden, dichtenden Klebemittel (71) gefüllt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Wärmeerzeugungselement (2) einen Abschnitt (2b) großen Durchmessers in einem Zwischenabschnitt besitzt, wobei der Abschnitt (2b) teilweise in das Kerzengehäuse (1) eingesetzt ist, und daß ein zwischen dem offenen Endabschnitt (21) des Wärmeerzeugungselements (2) und dem Kerzengehäuse (1) gebilucter RiugraüiTi mü einer keramischen, uiuiiiciiucii Auftrags-Schicht (71') gefüllt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Wärmeerzeugungselement (2) einen Abschnitt (2c) großen Durchmessers in einem Zwischenabschnitt besitzt, der in das Kerzengehäuse (1) vollständig eingesetzt ist, und daß ein zwischen dem offenen Endabschnitt (21) des Wärmeerzeugungselements (2) und das Kerzengehäuse (1) gebildeter oberer Ringraum mit einem wärmeisolierenden Klebemittel (71) gefüllt ist und ein Packungsglied {9) aus einem dichtenden, elektrisch leitenden Werkstoff in einem unteren Ringraum dazwischen befestigt ist.