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.
Selbstregelnde Glühkerzen der gattungsgemäßen Art sind aus
zahlreichen Vorveröffentlichungen bekannt. So wird beispielsweise
in DE 28 02 625 eine Glühkerze beschrieben, die
zwei in Reihe verbundene Widerstandswendeln aufweist, von
denen die hintere Widerstandswendel einen höheren positiven
Temperatur-Widerstandskoeffizienten als die vordere, als
Heizelement dienende Widerstandswendel aufweist, wobei beide
Widerstandswendeln in dem Glühstift angeordnet sind.
In DE 34 21 950 wird eine selbstregelnde Glühkerze
beschrieben, die ebenfalls eine in Reihe geschaltete Heizwendel
und eine Regelwendel aufweist, wobei die Heizwendel
aus einer Wolframlegierung besteht, die bei 1000° einen
Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist, der gleich
oder kleiner als das vierfache des Widerstands bei Raumtemperatur
ist, und wobei die Regelwendel aus einem Draht besteht,
der bei 1000° einen positiven Temperaturkoeffizienten
des Widerstands aufweist, der gleich oder größer als das
fünffache des Widerstands bei Raumtemperatur ist.
Aus JP 60-26 223 ist eine Glühkerze bekannt, die ein
elektrisches Widerstandselement aufweist, dessen elektrischer
Widerstand bei 1000° mehr als drei mal so groß wie bei
Normaltemperatur ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der aus
dem Stand der Technik bekannten Nachteile Glühstiftkerzen zur
Verfügung zu stellen, deren Aufheizzeit gegenüber 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 12.
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 erfindungs
gemäßen 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 Lebensdauer
erzielbar ist, wenn man für die Regelwendel zwei- oder mehrstückig
ausbildet, wobei ein Abschnitt aus an sich bekanntem
Regelwendelmaterial und ein anderer Abschnitt aus einem
Material besteht, das ein Widerstandsverhältnis von größer
als etwa 7,5, vorzugsweise größer als 12 und insbesondere
von etwa 14 und im Bereich von etwa 400 bis 900°C
eine sprunghafte Widerstandsänderung 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.
In diesem Schutzrohr ist eine Wendelkombination 6, 3, 2
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 negativen Tempera
turkoeffizienten, vorzugsweise aus einem Chrom/Aluminium
/Eisendraht. Der Durchmesser des Drahtes beträgt üblicherweise
0,3 bis 0,5 mm.
Die Heizwendel 2 ist mit dem Regelwendelabschnitt 3
üblicherweise durch Verschweißen verbunden.
Der Abschnitt 3 besteht aus einem Material mit dem
genannten steilen Widerstandsanstieg im genannten Temperaturbereich.
Im vorliegenden Fall besteht dieser Abschnitt
aus einer Legierung Kobalt/Eisen, wobei der Kobaltanteil an
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. Dieser Regelwendelabschnitt 3 weist erfin
dungsgemäß zunächst einen niedrigeren Anstieg des Widerstands
auf, während der Widerstand im Bereich der Wendeldrahttemperatur
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:
Demgegenüber besteht der Abschnitt 6 aus einer an sich bekannten
Wendel, beispielsweise aus reinem Nickel. Durch
diese Wendelkombination kann die Widerstandskennlinie bezüglich
der Anwendung der Glühkerze erfindungsgemäß angepaßt
werden.