DE3713532A1 - Gluehkerze - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühkerze gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Die Erfindung befaßt sich mit einer Glühkerze, und spezifischer, mit einer Glühstiftkerze, welche mit einem Stromregelmechanismus versehen ist und ein Heizelement innerhalb eines Metallrohres enthält, um die Vorheizzeit der Glühkerze deutlich zu reduzieren, die für eine Brennkraftmaschine, speziell einen Dieselmotor, verwendet wird, um ein rasche Aufheizung zu gewährleisten.

Ein Beispiel für eine Glühkerze, welche den Vorheizstrom steuert, sind in der US-PS 45 56 781 und der entsprechenden DE-PS 28 02 625 beschrieben. Bei der dort beschriebenen Glühkerze ist das eine Ende eines Heizelements mit dem abgeschlossenen Ende eines Metallrohres verbunden, und ein Steuerwiderstandselement, das einen hohen positiven Temperaturwiderstandskoeffizienten aufweist, ist mit dem anderen Ende des Heizelements verbunden, um den hierdurch fließenden Strom zu steuern. Das Heizelement und das Steuerwiderstandselement sind in Reihe zueinander geschaltet und in Isolationspulver innerhalb des Metallrohres gepackt. Eine weitere Besonderheit besteht darin, daß der positive Temperaturkoeffizient (PTC) des Steuerwiderstandselements größer ist als der positive Temperaturkoeffizient (PTC) des Heizelements.

Bezüglich dieser herkömmlichen Glühkerze wird behauptet, daß aufgrund des Umstands, daß das Steuerwiderstandselement einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, und nicht hauptsächlich durch Selbsterhitzung, sondern hauptsächlich durch "Rückkopplungswärmeleitung" von dem durch das Heizelement erhitzten Glühstift erhitzt wird, der durch das Heizelement fließende Strom derart gesteuert werden kann, daß die maximale Temperatur auf einen Wert von nicht über 1200°C geregelt werden kann. Es bestand jedoch ein erhebliches Bedürfnis nach einer weiteren Verringerung der Vorheizzeit für das Heizelement, d.h., die Schnellaufheizcharakteristiken dieser bekannten Glühkerze erwiesen sich als noch nicht befriedigend.

Eine weitere bekannte Glühkerze ist in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 57-1 83 465 beschrieben. Bei dieser Glühkerze ist das Heizelement aus elektronenleitendem Keramik, wie SiC, gefertigt, das einen negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) aufweist, und ein Steuerwiderstandselement aus Keramik mit positivem Temperaturkoeffizienten ist mit dem vorgenannten Heizelement in gleicher Weise in Reihe geschaltet. Bei dieser bekannten Glühkerze bestehen jedoch dahingehend Nachteile, daß es schwierig ist, beide Keramiken in einer vibrationsbeständigen Weise miteinander zu verbinden, und daß darüberhinaus eine relativ komplizierte maschinelle Bearbeitung notwendig ist, welche die Produktivität herabsetzt.

Im Hinblick auf die vorstehend erwähnten Probleme ist es vorrangige Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Glühkerze zu schaffen, welche verbesserte Schnellheizcharakteristiken aufweist und einfach herzustellen ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Glühkerze nach dem Hauptanspruch gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen dieser Glühkerze sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei der vorliegenden Erfindung wird eine Wendel aus Metall mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) für das Heizelement in der Glühstiftkerze verwendet. Da der Vorheizstrom, welcher durch das Heizelement fließt, weiter erhöht werden kann, nachdem das Heizelement den vorstehend erwähnten negativen Temperaturkoeffizienten im Vergleich zu dem herkömmlichen Heizelement mit einem positiven Temperaturkoeffizienten aufweist, gelingt es auf der einen Seite, die Vorheizzeit zu verringern und auf diese Weise die Schnellheizcharakteristiken zu verbesseren, und auf der anderen Seite, die Massenherstellung der Glühkerze zu verbessern.

Die, wie vorstehend beschrieben, konstruierte erfindungsgemäße Glühkerze erlaubt eine Verringerung der Vorheizzeit, da eine Wendel aus einem Metall mit einem negativen Temperaturkoeffizienten für den Wärmeerzeuger verwendet ist; dies ermöglicht eine rasche Aufheizung; aus diesem Grunde können auch die Startcharakteristiken des Motors verbessert werden. Des weiteren läßt sich die Wendel, aufgrund der Ausbildung des Heizelements aus Metall, leicht herstellen und mit dem Metallrohr sowie mit der Steuerwiderstandswendel verschweißen, was bezüglich der Herstellung der Glühkerze besonders vorteilhaft ist.

Bei der herkömmlichen Glühkerze, wie sie in der US-PS 45 56 781 beschrieben ist, besteht das Heizelement aus einem Metall, das einen positiven Temperaturwiderstands­ koeffizienten aufweist, obwohl dieser klein ist. Dies reicht jedoch nicht aus, um die raschmöglichste Aufheizung des Heizelements sicherzustellen. Darüberhinaus wurde in Betracht gezogen, daß die Anwendung des positiven Temperaturkoeffizienten (PTC) auch dann, wenn dieser niedrig ist, notwendig sei, um die Temperatur der metallenen Heizwendel zu steuern.

Im Gegensatz zu der vorgenannten US-PS 45 56 781 wäre es bei der in der japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung Nr. 57-1 83 465 beschriebenen Konstruktion möglich, ein Heizelement mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (NTC) zu verwenden, da die SiC-Keramiken einen hohen thermischen Widerstand aufweisen, und auf diese Weise keine Gefahr besteht, daß aufgrund der Überhitzung ein Abschmelzen eintritt.

Es zeigte sich überraschenderweise bei der vorliegenden Erfindung, daß selbst dann, wenn die metallene Heizwendel einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, noch eine wirksame Regelung möglich ist, und daß sich darüberhinaus eine bemerkenswert verbesserte Heizgeschwindigkeit ergibt. Eine weitere Verbesserung der Aufheizgeschwindigkeit gegenüber einer Anordnung, wie sie in der US-PS 45 56 781 beschrieben ist, war aufgrund der oben erwähnten Gründe als äußerst schwierig erachtet worden.

Die vorliegende Erfindung ist primär für Glühstiftkerzen konzipiert, die bei Vorverbrennungskammer- (Vorkammer oder Wirbelkammer) Dieselmotoren zum Einsatz kommt. Die Anordnung eines Glühstifts gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch auch bei einer Flammglühkerze eingesetzt werden, indem man dort den mit einem positiven Temperaturkoeffizienten versehenen Glühstift durch die erfindungsgemäße Glühstiftanordnung ersetzt.

Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den wesentlichen Bereich von einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Glühkerze.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem die Wärmeerzeugungs­ charakteristiken der erfindungsgemäßen Glühkerze mit der Glühkerze nach dem Stand der Technik verglichen sind.

Im folgenden soll ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform dieser Glühkerze. In der Zeichnung bedeutet die Bezugsziffer 1 ein hitzebeständiges, korrosionsfestes Metallrohr, das beispielsweise aus Edelstahl gefertigt ist. Mit der Bezugsziffer 2 ist eine Heizwendel bezeichnet, die einen negativen Temperaturwiderstandskoeffizienten (NTC) aufweist, und aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Titan-Legierung (Cr: 25 Gew.-%; Al: 18 Gew.-%; Ti: 0,5 Gew.-%; Fe: Rest) beispielsweise besteht. Das Reduktionsverhältnis des Widerstandswerts von dieser Legierung mit negativem Temperaturkoeffizienten beträgt 6% zwischen 0 und 1000°C, welches vorzugsweise zumindest 3%, und noch bevorzugterweise zumindest 5% betragen sollte. Ein Ende des Drahtes aus dieser Legierung ist an das abgeschlossene Ende des Metallrohres 1 angeschweißt, während das andere Ende desselben elektrisch durch eine mit A bezeichnete Schweißstelle in Reihe mit einer Kontrollwiderstandswendel 3 verbunden ist. Diese Kontrollwiderstandswendel 3 wird von einer Legierung gebildet, die einen hohen positiven Temperaturwiderstands­ koeffizienten (PTC) aufweist. Als Beispiel für das Material dieser Widerstandsspule 3 seien reines Nickel, Nickellegierungen, reines Eisen, Eisenlegierungen usw. genannt, welche ein Zunahmeverhältnis des Widerstandswertes zwischen 0 und 1000°C von vorzugsweise einem Faktor von zumindest 4, noch bevorzugter einem Faktor von mindestens 5 oder darüber aufweist. Mit der Bezugsziffer 4 ist ein Mittelstab bezeichnet, der elektrisch mit dem anderen Ende der Widerstandswendel 3 verbunden ist. Die Heizwendel 2, die Widerstandswendel 3 und der Mittelstab 4 sind im Inneren des Metallrohres 1 über ein elektrisch isolierendes Pulver 5, wie MgO, mit guter Wärmeleitfähigkeit, gepackt oder eingebettet. Mit der Bezugsziffer 6 ist ein Metallgehäuse bezeichnet, das mit einem Halterungsgewindebereich ausgebildet ist, welche der Halterung der Glühkerze an dem Motor dient. Das Metallrohr 1 ist mittels eines Silberlotmaterials 7 an die innere Oberfläche eines hohlen Bereichs 6 a derart befestigt, so daß das Metallrohr von der Endfläche 6 b des zylindrischen Bereichs des Gehäuses 6 absteht. Die Bezugsziffer 8 kennzeichnet einen flexiblen Isolationskörper, der eine luftdichte Abdichtung oder Isolierung des Endes des Metallgehäuses gegenüber dem Mittelstab 4 bewirkt. Mit der Bezugsziffer 9 ist eine Isolierplatte bezeichnet, mit der Bezugsziffer 10 eine Mutter zur Festlegung der Isolierplatte 9, und mit 11 eine Anschlußmutter zur Fixierung eines Kabelgeschirrs. Des weiteren sind die Heizwendel 2 und die Widerstandswendel 3 miteinander direkt verschweißt oder indirekt über ein dazwischen eingebrachtes Metall.

Die Heizcharakteristiken der erfindungsgemäßen Glühkerze werden im folgenden beschrieben.

Fig. 2 zeigt die Heizcharakteristiken der erfindungsgemäßen Glühkerze im Vergleich mit der Glühkerze nach dem Stand der Technik. Die erfindungsgemäße Glühkerze enthält eine Heizwendel aus einer Fe-Cr (28%) - Al (8%) - Ti (0,5%) -Legierung mit einem negativen Temperaturkoeffizienten NTC mit 0,75 Ω bei 20°C und 0,71 Ω bei 1000°C (Drahtdurchmesser: 0,3 mm; Anzahl der wirksamen Windungen: 5; Windungsaußendurchmesser: 2,7 mm) und einer Widerstandswendel aus Fe (Drahtdurchmesser: 0,3 mm; Anzahl der wirksamen Windungen: 21; Windungsaußendurchmesser: 2,7 mm). Die zu Vergleichszwecken verwendete Glühkerze nach dem Stand der Technik enthält eine Heizspule aus einer Fe-Cr (22%) - Al (5,5%)-Legierung mit einem positiven Temperaturkoeffizienten PTC, der einen Wert von 0,65 Ω bei 2°C und 0,68 Ω bei 1000°C aufweist (Zunahmeverhältnis von 0 bis 1000°C: 4,6%) (Drahtdurchmesser: 0,3 mm; Anzahl der wirksamen Windungen: 5; Windungsaußendurchmesser: 2,7 mm) und eine Widerstandswendel, welche die gleiche ist wie bei der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt, daß die erfindungsgemäße Glühkerze eine hervorragende Haltbarkeit aufweist, da der Strom in einem derartigen Maße anwächst, daß er dem negativen Temperaturkoeffizienten der Heizspule entspricht, so daß die Vorheizzeit im Vergleich zu der Glühkerze nach dem Stand der Technik verringert werden kann, und daher die maximale Temperatur auf einen Wert unter 1100°C regelbar ist durch eine entsprechende Schnellaufheizung der Steuerwiderstands­ wendel aufgrund der genannten Stromzunahme während des Anfangszustands, ohne daß es zu einem Schmelzen kommt.

Es ist nämlich so, daß der erhöhte Stromfluß im Anfangszustand, der sich aufgrund des negativen Temperaturkoeffizienten der Heizspule ergibt, zu einer raschen Temperaturerhöhung der Steuerwiderstandswendel dient, so daß eine Überhitzung der Heizwendel wirksam unterdrückt wird. Dieses Ergebnis ist überraschend.

Soweit dies eine Flammglühkerze betrifft, ist es selbstverständlich, daß das Gehäuse 6 und die Länge des Metallrohres 1 entsprechend den herkömmlichen Konstruktionen modifiziert werden, wobei die für Flammglühkerzen zusätzlichen Bauelemente zugefügt werden. Dies ergäbe sich beispielsweise aus dem DE-GM 19 60 914, dem DE-GM 19 92 291 oder dem DE-GM 19 81 645, oder aus der DE-OS 21 42 925, oder der GB-PS 13 76 817 oder ähnlichen Druckschriften. Ein Bereich der Länge des Metallrohres, in dem die Heizspule und die Steuerwiderstandsspule angeordnet sind, kann vollständig von der Oberseite des Gehäuses vorstehen, wobei die Länge, mit der dieser Bereich vorsteht, von der erwünschten Temperaturanstiegscharakteristik abhängt. Speziell eine teilweise in das Gehäuse zurückgezogene Anordnung der Steuerwiderstandswendel (beispielsweise zumindest ein Viertel oder bis zu einem Drittel ihrer Länge) stellt den schnellsten Temperaturanstieg der Heizwendel sicher, während gleichermaßen eine Überhitzung wirksam vermieden wird. Es zeigte sich, daß im Falle einer gewissen Wärmeableitung während des anfänglichen Aufheizungsvorgangs der Temperaturanstieg der Steuerwiderstandswendel verzögert ist, so daß eine größere Menge Strom fließen kann.

Es ist somit ein überraschendes Ergebnis, daß der Temperaturanstieg und eine Kontrolle bezüglich einer Überhitzung primär durch die Selbsterhitzung der Steuerwiderstandsspule bewirkt wird, ohne daß man eines positiven Temperaturkoeffizienten des Heizelementes bedarf.

Darüberhinaus ist es bemerkenswert, daß die Temperatursteuerung realisierbar ist, ohne daß sie hauptsächlich von der thermischen Rückkopplung des Glühstifts, d.h. des Metallrohrs, abhängt, da die Temperatur der Metallrohroberfläche an dem Bereich, an welchem die Steuerwiderstandsspule angeordnet ist, mit einer bestimmten Verzögerung gegenüber der Kontrollwiderstandsspule ansteigt, und da darüberhinaus die Temperatur des Metallrohres an dem Bereich seiner Anschweißung an dem Gehäuseende niedrig bleibt, weil die Wärme zu dem Gehäuse selbst dann abgeführt wird, wenn das untere abschlossene Ende des Metallrohres einen Zustand erreicht hat, bei dem es glüht. Es wird angenommen, daß dies im Gegensatz zu der Lehre des Stands der Technik steht, wie er beispielsweise aus der US-PS 45 56 781 hervorgeht.

Claims (5)

1. Glühkerze, in der ein Heizelement, welches einen niedrigen Temperaturkoeffizienten aufweist, das mit seinem einem Ende mit dem abgeschlossenen Ende eines Metallrohres verbunden ist, und ein Widerstandselement mit hohem positiven Temperaturkoeffizienten, das mit dem anderen Ende des Heizelements verbunden ist, zwecks Steuerung des durch dieses fließenden Stromes in Reihe geschaltet und im Inneren des Metallrohres in ein isolierendes Pulver gepackt sind, wobei ein wesentlicher Teil des Metallrohres in Richtung auf das abgeschlossene Ende von einem metallenen Gehäuse absteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (2) von einer Wendel eines metallenen Widerstandsmaterials gebildet ist, das einen negativen Temperaturwiderstandskoeffizienten aufweist.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, der durch eine Reduktionsrate von zumindest 5% von 0 bis 1000°C definiert ist.

3. Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß etwa ein Viertel bis etwa ein Drittel der Gesamtlänge des Steuerwiderstandselements (3) in einem Bereich des Metallrohres (1) angeordnet ist, der von dem Gehäuse (6) umgeben ist.

4. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (1) an dem Metallgehäuse (6) durch eine Verschweißung (7) befestigt ist.

5. Glühkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallrohr (1) an den Endbereich (6 b) des Gehäuses (6) angeschweißt ist.