Die Erfindung betrifft eine Glühkerze, wie sie im
Oberbegriff des Hauptanspruchs beschrieben ist.
Bei kaltem, unterhalb der Selbststarttemperatur
liegendem Motor müssen luftverdichtende Brennkraftmaschinen
mit Hilfe von Glühkerzen angelassen werden.
Die genannten Glühkerzen benötigen eine gewisse Zeit, um
sich auf ihre Arbeitstemperatur zu erhitzen. Erst dann kann
die Brennkraftmaschine angelassen werden. Diese Zeitdauer,
auch Vorglühzeit genannt, ist bei der genannten Kerze schon
recht kurz. Dennoch ist sie gegenüber dem Benzinmotor noch
relativ lang, der sofort anlaßbereit ist.
Man ist deshalb bemüht, die Vorglühzeit möglichst noch
weiter zu verkürzen.
Bei den bekannten Glühstiftkerzen ist die Regelwendel
üblicher Weise aus reinem Nickel gefertigt, wobei sich ein
Widerstandsverhältnis von etwa 7, bezogen auf ein Temperatur
verhältnis 20°/1000°C ergibt, d. h., daß der Widerstand bei
1000°C etwa 7 mal so groß wie bei 20°C ist. Auf diese Weise
lassen sich Glühstiftkerzen herstellen, deren Aufheizzeit im
Bereich von etwa 5 bis 6 Sekunden liegt; an der Glührohr
spitze beträgt die Temperatur dann etwa 850°C, während sich
nach etwa 10 Sekunden eine Beharrungstemperatur von etwa
1140°C bei Nennspannung einstellt.
Wie die Praxis gezeigt hat, ist bei dieser Temperatur
die Belastbarkeit der Wendeln erreicht, so daß bei weiterer
theoretisch möglicher Verkürzung der Aufheizzeit durch
Veränderungen beispielsweise der Wendelgeometrie oder durch
konstruktive Gestaltung des Glührohres die Lebensdauer der
Glühkerze erheblich beeinträchtigt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der aus
dem Stand der Technik bekannten Nachteile Glühstiftkerzen zur
Verfügung zu stellen, deren Aufheizzeit gegenüber der der
vorbekannten Glühstiftkerzen deutlich verringert ist, wobei
gleichzeitig eine ausreichende Lebensdauer der Glühkerzen
gewährleistet ist. Gleichzeitig sollen solche Glühstiftkerzen
einfach herstellbar sein und den Einsatz von Steuergeräten
zur Lösung der gestellten Aufgabe entbehrlich machen. Die
Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung
solcher Glühstiftkerzen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch die kennzeich
nenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Weitere wesentli
che und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den nachfolgenden Ansprüchen 2 bis 14.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher
erläutert:
Fig. 1 ist die graphische Wiedergabe des Widerstandsver
hältnisses verschiedener Wendeldrahtmaterialien in
Abhängigkeit von der Temperatur.
Fig. 2 ist die graphische Darstellung der Temperatur der
Heizstab-Oberfläche in Abhängigkeit von der Zeit.
Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfin
dungsgemäßen Glühstiftkerze.
Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsge
mäßen Glühstiftkerze.
Es wurde gefunden, daß theoretisch durch Veränderung der
Wendelgeometrie des Wendeldrahtes sowie der Ausbildung des
Glühstiftes Aufheizzeiten unter 5 Sekunden erhältlich sind,
wobei deren Lebensdauer jedoch für den gewünschten Zweck
völlig unzureichend ist. Es wurde gefunden, daß dieses vor
allem daran liegt, daß die schnelle Aufheizperiode nicht zu
"bremsen" ist, so daß sich der Heizstab auf eine Behar
rungstemperatur von mehr als 1130° bei üblicher Batteriespan
nung nach etwa 10 Sekunden einstellt, wobei nach diesseitiger
Erkenntnis diese Temperatur die Lebensdauer solcher Glüh
stiftkerzen entscheidend beeinträchtigt.
Verwendet man demgegenüber als Regelwendel eine
Widerstandswendel mit höherem Widerstand ist es nicht
möglich, die gewünschte Verkürzung der Aufheizzeit zu
erzielen, wenn man auf eine Beharrungstemperatur von etwa
1000°C abzielt.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß sowohl die
Aufheizzeit verringert wie auch die funktionsgemäße Lebens
dauer erzielbar ist, wenn man für die Regelwendel ein
Material verwendet, das ein Widerstandsverhältnis von größer
als etwa 7,5, vorzugsweise größer als 12 und insbesondere von
etwa 14 aufweist.
Geeignete Materialien sind nicht, wie aus dem Stand der
Technik bekannt, Reinnickel sondern beispielsweise Legierun
gen aus Nickel/Eisen und Kobalt/Eisen, insbesondere Kobalt/
Eisen, vorzugsweise Legierungen gemäß Ansprüchen 7 und 8.
Als ganz besonders geeignet haben sich solche Mate
rialien herausgestellt, die nicht nur das genannte Wider
standsverhältnis aufweisen, sondern bei denen sich die Wider
standsänderung in einem bestimmten Temperaturbereich
"sprunghaft" ändert, d. h., daß er sich nicht etwa linear wie
bei rein Nickel sondern wie den genannten Legierungen im
Bereich von 600 bis 900° sehr schnell, bezogen auf den
übrigen Kurvenverlauf, verändert. Dieses wird durch die
Kurven gemäß Fig. 1 aufgezeigt, in der der Verlauf des
Widerstandsverhältnisses in Abhängigkeit von der Temperatur
für die genannten Materialien schematisch wiedergegeben wird.
Entsprechend erfindungsgemäß ausgebildete Glühstiftker
zen zeigen bezüglich ihrer Oberflächentemperatur als Funktion
der Zeit ein Verhalten gemäß Fig. 2. Während bei diesem
gezeigten Beispiel die Glühstiftkerze aus dem Stand der
Technik die Glühstiftspitzentemperatur von 850° nach etwa 8
Sekunden erreicht hat, erreicht die erfindungsgemäße
Glühstiftkerze diese Temperatur nach etwa 3 bis 4 Sekunden.
Darüber hinaus ergibt sich aus der Darstellung, daß die
erfindungsgemäße Glühstiftkerze bezüglich der Oberflächen
temperatur sehr stark "gebremst" wird und sich auf eine
Beharrungstemperatur gemäß Fig. 2 von etwa 1000° einstellt,
während die Glühstiftkerze aus dem Stand der Technik sich auf
eine Beharrungstemperatur von etwa über 1150° einstellt.
Die niedrige Beharrungstemperatur der erfindungsgemäßen
Glühkerze verbessert jedoch nicht nur die Lebensdauer der
Glühstiftkerze entscheidend; sie ermöglicht vor allem auch,
daß mit dieser Kerze in den laufenden Motor mit höherer
Generatorspannung (bis zu 13 Volt an der Kerze) nachgeglüht
werden kann, ohne Heiz- und Regelwendel zu zerstören; dieser
Möglichkeit des Nachglühens kommt wesentliche Bedeutung zur
Verminderung der Schadstoffe im Abgas von Dieselmotoren zu.
Auf diese Weise entfallen beim Nachglühen die sonst vor
zusehenden aufwendigen elektrischen oder elektronischen
Steuerungen.
Eine typische Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Glühstiftkerze ist in Fig. 3 wiedergegeben.
Der Glühstift 1, als verschlossenes Glührohr ausgebil
det, besteht üblicherweise aus korrosionsbeständigem
Werkstoff, vorzugsweise Inconel 600 oder 601.
In diesem Schutzrohr ist eine Wendelkombination 2/3 in
einem gut wärmeleitenden Isolierstoff 4 (beispielsweise
Magnesiumoxid) eingebettet.
Der vordere Abschnitt 2 der hintereinander angeordneten
Wendeln wird als Heizwendel bezeichnet und besteht aus einem
Drahtmaterial mit geringem positiven oder negativem Tempera
turkoeffizienten, vorzugsweise aus einem Chrom/Aluminium
/Eisendraht. Der Durchmesser des Drahtes beträgt üblicher
weise 0,3 bis 0,5 mm.
Die Heizwendel 2 ist mit der Regelwendel 3 üblicherweise
durch Verschweißen verbunden. Die Regelwendel besteht in
diesem Fall aus einer Legierung Kobalt/Eisen, wobei der
Kobaltanteil in der Legierung etwa 75% beträgt und der Rest
Eisen ist; auf diese Weise wird erfindungsgemäß ein Material
verwendet, dessen Widerstandskennlinie der Anwendung einer
Glühkerze angepaßt ist. Diese Regelwendel 3 weist erfin
dungsgemäß zunächst einen niedrigeren Anstieg des Widerstands
auf, während der Widerstand im Bereich der Wendeldrahttem
peratur von etwa 400 bis etwa 900° steil ansteigt.
Ebenfalls erfindungsgemäß stellt sich die gewünschte
Beharrungstemperatur nach etwa 8 Sekunden ein. Die Glüh
temperatur von etwa 850°C wird bereits nach zwei bis fünf
Sekunden erreicht. Der Durchmesser der Regelwendel beträgt
bei diesem Ausführungsbeispiel etwa 0,3 bis 0,4 mm.
Beispiele für erfindungsgemäß verwendbare Legierungen
ergeben sich aus der folgenden Tabelle:
Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform wird in
Fig. 4 wiedergegeben. Bei dieser Ausführungsform ist die
Regelwendel in die beiden Abschnitte 3 und 6 unterteilt,
wobei der Abschnitt 3 aus einem Material mit dem genannten
steilen Widerstandsanstieg im genannten Temperaturbereich
besteht, während Abschnitt 6 aus einer an sich bekannten
Wendel aus z. B. reinem Nickel besteht. Auf diese Weise kann
die Widerstandskennlinie bezüglich der Anwendung der
Glühkerze erfindungsgemäß angepaßt werden.