DE3822693A1

DE3822693A1 - Resistance element for glow plugs

Info

Publication number: DE3822693A1
Application number: DE19883822693
Authority: DE
Inventors: Gernot Dr Hausch
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1988-07-05
Filing date: 1988-07-05
Publication date: 1990-01-11
Also published as: DE3822693C2

Abstract

In the case of glow plugs, a self-regulating effect can be achieved in a known manner by connecting two resistance elements in series, one resistance element being used as a heating element and the other resistance element, having a high positive temperature coefficient, being used as a regulating element. An improved regulation response is achieved by using as the heating element a resistance element which, within a temperature range which includes the desired operating temperature, has a negative temperature coefficient and a lower resistance than at room temperature.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Widerstandselement für Glühkerzen.The invention relates to an electrical resistance element for glow plugs.

Dieselmotoren, die als selbstzündende Verbrennungsmotoren arbeiten, verdichten die angesaugte Verbrennungsluft auf Temperaturen, die im allgemeinen über der Selbstentzün dungstemperatur des eingespritzten Kraftstoffs liegt. Beim Kaltstart sind jedoch - abhängig von der Motorkonstruktion - häufig zusätzliche Starthilfen notwendig. Als elektri sche Starthilfe dienen die Glühkerzen. Bei den Glühkerzen wird ein elektrisches Widerstandselement durch Anlegen einer Spannung auf die zum Starten notwendige Temperatur von 850°C und mehr aufgeheizt. Das Widerstandselement kann entweder offen im Brennraum liegen, oder es kann gasdicht und elektrisch isoliert in ein Rohr aus einer hitzebestän digen Legierung eingebettet sein.Diesel engines, which operate as self-igniting internal combustion engines, compress the intake combustion air to temperatures which are generally above the self-ignition temperature of the injected fuel. Depending on the engine design - - often additional starting aids necessary during cold start but are. The glow plugs serve as an electrical starting aid. In the glow plugs, an electrical resistance element is heated by applying a voltage to the temperature of 850 ° C. and more necessary for starting. The resistance element can either be open in the combustion chamber, or it can be embedded gas-tight and electrically insulated in a tube made of a heat-resistant alloy.

Die Glühkerzen sollen einerseits möglichst schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden, um ein schnelles Anlassen des Dieselmotors zu ermöglichen. Ande rerseits muß eine Schädigung der Glühkerze durch Überhit zung vermieden werden.On the one hand, the glow plugs should be as quick as possible desired operating temperature can be brought to a to enable quick starting of the diesel engine. Ande on the other hand, damage to the glow plug due to overheating be avoided.

Es sind daher Lösungen vorgeschlagen worden, bei denen sich in der Glühkerze zwei Widerstandselemente befinden, die in Reihe geschaltet sind. Das eine Widerstandselement dient als Heizelement und weist bei Raumtemperatur einen höheren spezifischen Widerstand auf als das zweite Ele ment, das als Regelelement bezeichnet wird. Für das Regelelement werden Materialien mit einem hohen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes verwendet. Als Heizelement werden dagegen nach dem Stand der Technik Materialien mit einem nur schwach positiven Temperatur koeffizienten eingesetzt.Solutions have therefore been proposed in which there are two resistance elements in the glow plug, connected in series. The one resistance element serves as a heating element and has one at room temperature higher specific resistance than the second ele ment, which is called the control element. For the Control elements are materials with a high positive Temperature coefficient of resistance used. As In contrast, heating element according to the prior art Materials with a weakly positive temperature coefficients used.

Entsprechende Anordnungen und Widerstandsmaterialien sind zum Beispiel aus der GB-PS 11 27 454, der DE-OS 21 15 620 und der DE-PS 28 02 625 bekannt.Corresponding arrangements and resistance materials are for example from GB-PS 11 27 454, DE-OS 21 15 620 and DE-PS 28 02 625 known.

In der GB-PS 11 27 454 wird als Heizelement eine Eisen- Chrom-Aluminium-Legierung angegeben. Als Temperatur koeffizient des Widerstandes wird für diese Legierung ein Wert von 45×10^-4/°C genannt.In GB-PS 11 27 454 an iron-chromium-aluminum alloy is specified as the heating element. The temperature coefficient of resistance for this alloy is 45 × 10 ^-4 / ° C.

Aus der DE-OS 21 15 620 ist die Verwendung einer Chrom- Nickel-Legierung (20 Cr 80 Ni) als Heizelement für Glühkerzen bekannt. Als Wert für den Temperaturkoeffi zienten des Widerstandes wird dort 0,05×10^-3/°C angegeben.From DE-OS 21 15 620 the use of a chromium-nickel alloy (20 Cr 80 Ni) as a heating element for glow plugs is known. 0.05 × 10 ^-3 / ° C is given as the value for the temperature coefficient of the resistance.

In der DE-PS 28 02 625 werden für die beanspruchte Glühkerze keine Materialien für das Heizelement explizit genannt, jedoch werden auch dort Glühkerzen mit einem Heizdraht aus einem Material mit einem positiven Tempera turkoefizienten des Widerstandes beansprucht.In DE-PS 28 02 625 are claimed for the Glow plug no materials for the heating element explicitly called, but there are also glow plugs with a Heating wire made of a material with a positive tempera claimed the coefficient of resistance.

Bei den bekannten Glühkerzen wird das Regelverhalten durch eine geeignete Wahl der Legierung für das Regelelement bestimmt. Die als Heizelement verwendeten bekannten Wider standselemente unterstützen das Regelverhalten dagegen nicht.In the known glow plugs, the control behavior is determined by a suitable choice of alloy for the control element certainly. The known cons used as a heating element Stand elements, on the other hand, support the control behavior Not.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein elektrisches Widerstandselement für Glühkerzen anzugeben, das eine ver besserte Regelcharakteristik der Glühkerze und somit eine verkürzte Aufheizzeit und einen besseren Schutz gegen Überhitzung bewirkt.The object of the invention is therefore an electrical Resistance element for glow plugs to specify a ver better control characteristics of the glow plug and thus one shorter heating-up time and better protection against Causes overheating.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Widerstandselement innerhalb eines Temperaturbereichs, der die gewünschte Betriebstemperatur einschließt, einen negativen Temperaturkoeffizienten sowie einen geringeren Widerstand als bei Raumtemperatur aufweist.The object is achieved in that the Resistance element within a temperature range that the desired operating temperature includes one negative temperature coefficient and a lower one Resistance than at room temperature.

Um die Glühkerze schnell auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen, fließt nach dem Einschalten zunächst ein hoher Strom durch das Heizelement. Um ein Überhitzen des Heizelementes zu verhindern, muß die Stromstärke dann auf einen niedrigeren Wert abgesenkt werden. Diese Aufgabe übernimmt im wesentlichen das in Reihe mit dem Heizelement geschaltete Regelelement, das aus einem Material mit einem hohen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes besteht. Mit zunehmender Erwärmung nimmt somit der Wider stand des Regelelementes zu. Der fließende Strom nimmt ab und die im Heizelement in Wärme umgesetzte Leistung sinkt somit ebenfalls. Dieser Selbstregelungsmechanismus wird unterstützt, wenn das Heizelement aus einer Legierung besteht, die innerhalb eines Temperaturbereichs, der die gewünschte Betriebstemperatur einschließt, einen negativen Temperaturkoeffizienten sowie einen geringeren Widerstand als bei Raumtemperatur aufweist. Aufgrund des mit zuneh mender Temperatur abnehmenden Widerstandes des erfindungs gemäßen Heizelementes wird die im Heizelement in Wärme umgesetzte Leistung weiter reduziert. Der Selbstregelungs mechanismus der Glühkerze wird somit durch die erfindungs gemäßen Widerstandselemente positiv beeinflußt. Besonders vorteilhaft können solche Widerstandselemente eingesetzt werden, die bei Anstieg der Temperatur zunächst einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen, weil hier durch die gewünschte Betriebstemperatur schneller erreicht wird. Da zur Zündung des Kraftstoffgemischs in Dieselmoto ren in der Regel eine Temperatur von 850°C oder mehr erreicht werden muß, können besonders vorteilhaft solche Widerstandselemente eingesetzt werden, die im Temperatur bereich von 500 bis 1000°C einen negativen Temperatur koeffizienten und bei der gewünschten Betriebstemperatur einen geringeren Widerstand als bei Raumtemperatur aufweisen.To quickly get the glow plug to the desired temperature heat up flows in after switching on high current through the heating element. To overheat the To prevent heating element, the current must then be on be lowered to a lower value. This task essentially takes care of that in series with the heating element switched control element made of a material with a high positive temperature coefficient of resistance consists. With increasing warming the contradiction increases status of the control element. The flowing current decreases and the power converted into heat in the heating element drops thus also. This self-regulation mechanism will if the heating element is made of an alloy exists within a temperature range that the desired operating temperature includes a negative one Temperature coefficient as well as a lower resistance than at room temperature. Because of the increasing mender temperature decreasing resistance of the Invention according to the heating element in the heating element in heat implemented performance further reduced. The self-regulation Mechanism of the glow plug is thus by the invention according to the resistance elements positively influenced. Especially Such resistance elements can advantageously be used be the first when the temperature rises have positive temperature coefficients because here achieved faster by the desired operating temperature becomes. Because to ignite the fuel mixture in diesel engine usually a temperature of 850 ° C or more must be achieved, such can be particularly advantageous Resistance elements are used that are in temperature range from 500 to 1000 ° C a negative temperature coefficient and at the desired operating temperature a lower resistance than at room temperature exhibit.

Bei Glühkerzen nach der beschriebenen Art sind das Regel element mit dem Widerstand R 1 und das Heizelement mit dem Widerstand R 2 in Reihe geschaltet und werden von einer Spannungsquelle mit der Spannung U versorgt. Die Strom stärke I ergibt sich nach dem Ohmschen Gesetz zu I=U/(R1+R2). Die im Heizelement in Wärme umgesetzte elektrische Leistung wird berechnet aus P=R2×I²= R2×U²/(R1+R2)².In glow plugs of the type described, the control element with the resistor R 1 and the heating element with the resistor R 2 are connected in series and are supplied with the voltage U by a voltage source. The current strength I results from Ohm's law for I = U / (R1 + R2). The electrical power converted into heat in the heating element is calculated from P = R2 × I ² = R2 × U ² / (R1 + R2) ² .

Bei hohen Temperaturen der Glühkerze wird der Widerstand R 1 des Regelelementes aufgrund seines hohen positiven Temperaturkoeffizienten größer als der Widerstand R 2 des Heizelementes. In diesem Fall ist die im Heizelement umgesetzte elektrische Leistung P umso geringer, je niedriger der Wert des Widerstandes R 2 des Heizelementes ist. Dies bedeutet, daß das Regelverhalten durch ein Heizelement, das bei hohen Temperaturen einen negativen Temperaturkoeffizienten und einen Widerstandswert auf weist, der kleiner ist als bei Raumtemperatur, positiv beeinflußt wird.At high temperatures of the glow plug, the resistance R 1 of the control element becomes larger than the resistance R 2 of the heating element due to its high positive temperature coefficient. In this case, the electrical power P converted in the heating element is lower, the lower the value of the resistance R 2 of the heating element. This means that the control behavior is positively influenced by a heating element which has a negative temperature coefficient and a resistance value which is smaller than at room temperature at high temperatures.

In der Tabelle sind Legierungen für erfindungsgemäße Widerstandselemente als auch für Widerstandselemente nach dem Stand der Technik aufgelistet.The table shows alloys for the invention Resistance elements as well as for resistance elements the state of the art listed.

In der Fig. 1 ist der spezifische Widerstand von zwei erfindungsgemäßen Widerstandselementen gegen die Temperatur aufgetragen. The specific resistance of two resistance elements according to the invention against the temperature is plotted in FIG. 1.

Examples a) Resistance elements based on nickel-molybdenum

Die in der Tabelle unter Nr. 1 aufgeführte Legierung weist einen Molybdängehalt von 28 Gew.-% auf. Der Eisen- und der Kobalt-Anteil liegen unter 5 Gew.-%, der Rest ist Nickel. In Fig. 1 ist die Widerstandskurve 1 einer solchen Legierung dargestellt. Der spezifische Widerstand beträgt bei Raumtemperatur 144 µΩ cm; er steigt dann an bis zu einer Temperatur von etwa 500°C und fällt ab bis zu einer Temperatur von 1000°C. Der spezifische Widerstand dieser Legierung ist bei einer Temperatur oberhalb 650°C kleiner als bei Raumtemperatur und beträgt bei 1000°C nur noch 128 µΩ cm. Der Widerstandsfaktor WF, der das Verhältnis des Widerstandes bei 1000°C und bei Raum temperatur angibt, beträgt für diese Legierung WF = 0,89. Eine Legierung der obengenannten Zusammensetzung ist unter der Bezeichnung HASTELLOY® B bekannt. Der Molybdän gehalt von HASTELLOY® B liegt nach Herstellerangaben zwischen 26 und 30 Gew.-%.The alloy listed in the table under No. 1 has a molybdenum content of 28% by weight. The iron and cobalt content is less than 5% by weight, the rest is nickel. In Fig. 1, the resistance curve 1 of such an alloy is shown. The specific resistance is 144 µΩ cm at room temperature; it then rises to a temperature of about 500 ° C and drops to a temperature of 1000 ° C. The specific resistance of this alloy is lower at a temperature above 650 ° C than at room temperature and is only 128 µΩ cm at 1000 ° C. The resistance factor WF, which indicates the ratio of the resistance at 1000 ° C and at room temperature, is WF = 0.89 for this alloy. An alloy of the above composition is known under the name HASTELLOY® B. According to the manufacturer, the molybdenum content of HASTELLOY® B is between 26 and 30% by weight.

Eine unter dem Namen HASTELLOY® N bekannte Legierung mit einem Molybdängehalt von 15 bis 18 Gew.-% und einem Chromgehalt von 6 bis 8 Gew.-%, einem Eisengehalt von 5 Gew.-% sowie geringen Mengen an Kohlenstoff, Aluminium und Bor, Rest Nickel, weist eine ähnliche Widerstands charakteristik auf und ist ebenfalls geeignet. Das Molybdän kann auch zumindest teilweise durch Wolfram ersetzt sein.An alloy known as HASTELLOY® N with a molybdenum content of 15 to 18 wt .-% and Chromium content of 6 to 8 wt .-%, an iron content of 5 wt .-% and small amounts of carbon, aluminum and boron, balance nickel, has a similar resistance characteristic and is also suitable. The Molybdenum can also be at least partially caused by tungsten to be replaced.

b) resistance elements based on nickel-chromium-aluminum

In der Tabelle sind unter Nr. 2 bis 4 erfindungsgemäße Widerstandselemente aus Legierungen auf Nickel-Chrom- Aluminium-Basis mit einem Chromgehalt von mehr als 15 Gew.-% und einem Aluminiumgehalt von weniger als 5 Gew.-% aufgeführt. Die Legierungen enthalten zusätzlich die in der Tabelle genannten Elemente mit den Obergrenzen Eisen, Kobalt < 5 Gew.-%, Kupfer < 3 Gew.-%, Silizium < 2 Gew.- %. Die Widerstandsfaktoren WF liegen für diese Legierungen zwischen 0,93 und 0,95.Nos. 2 to 4 are according to the invention in the table Resistance elements made of alloys on nickel-chrome Aluminum base with a chrome content of more than 15 % By weight and an aluminum content of less than 5% by weight listed. The alloys also contain the in elements in the table with the upper limits Iron, cobalt <5% by weight, copper <3% by weight, Silicon <2% by weight. The resistance factors WF are for these alloys between 0.93 and 0.95.

Die Widerstandskurve 4 in Fig. 1 zeigt das Verhalten des spezifischen Widerstandes in Abhängigkeit von der Tempera tur für die in der Tabelle unter Nr. 4 aufgelistete Legierung. Diese weist bereits bei Temperaturen oberhalb 400°C einen negativen Temperaturkoeffizienten des Wider standes auf. Der Widerstand ist bei Temperaturen oberhalb 650°C kleiner als bei Raumtemperatur. The resistance curve 4 in FIG. 1 shows the behavior of the specific resistance as a function of the temperature for the alloy listed in the table under No. 4. This already has a negative temperature coefficient of resistance at temperatures above 400 ° C. The resistance is lower at temperatures above 650 ° C than at room temperature.

Tabelle 1 - Ausführungsbeispiele Table 1 - working examples

Claims

1. Electrical resistance element for glow plugs, characterized in that the resistance element within a temperature range, which includes the desired operating temperature, has a negative temperature coefficient and a lower resistance than at room temperature.

2. Electrical resistance element for glow plugs after Claim 1, characterized in that the Resistance element within a temperature range that towards higher temperatures towards room temperature connects a positive temperature coefficient having.

3. Electrical resistance element for glow plugs according to the Claims 1 or 2, characterized in that the Resistance element in the temperature range from 500 ° C to 1000 ° C a negative temperature coefficient as well a lower operating temperature Resistance than at room temperature.

4. Electrical resistance element for glow plugs after Claim 3, characterized in that it is used as a heating element in series with a control element with high positive temperature coefficient is used.

5. Electrical resistance element for glow plugs after Claim 4, characterized in that it is an alloy tion composition based on nickel-chrome-aluminum having.

6. Electrical resistance element for glow plugs after Claim 5, characterized in that the alloy of Resistive element has a chromium content of more than 15 % By weight and an aluminum content of less than 5% by weight having.

7. Electrical resistance element for glow plugs after Claim 4, characterized in that it is an alloy tion composition based on nickel-molybdenum.

8. Electrical resistance element for glow plugs after Claim 7, characterized in that the alloy of Resistance element has a molybdenum content between 15 and 18% by weight or between 26 and 30% by weight.

9. Electrical resistance element for glow plugs after Claim 7, characterized in that the molybdenum is at least partially replaced by tungsten.