DE3927242A1 - Gluehstiftkerze - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zur Anordnung im Verbrennungsraum einer Dieselbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der prinzipielle Aufbau einer Glühstiftkerze ist in der deutschen Patentschrift Nr. 28 02 625 wiedergegeben. Danach werden zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Dieselmotoren sogenannte Glühstiftkerzen verwendet, an deren heißer Stiftoberfläche ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes verdampft und sich - vermischt mit komprimierter Luft - entzündet. Die dabei freiwerdende Wärme trägt zur Einleitung des Verbrennungsprozesses bei. Eine Glühstiftkerze hat einen aus dem Kerzengehäuse herausragenden rohrförmigen Glühstift, in dessen Glührohr eine, in Isolierpulver hoher thermischer Leitfähigkeit (z. B. Magnesiumoxid) eingebettete Heizwendel mit im wesentlichen temperaturunabhängigem Widerstand angeordnet ist. Um eine Überhitzung und damit eine Zerstörung des Heizkörpers zu vermeiden, ist diese Heizwendel mit einer zusätzlichen Regelwendel elektrisch in Reihe geschaltet, wobei die Regelwendel einen hohen positiven Widerstands- Temperatur-Koeffizienten (PTC) aufweist und auch in das genannte Isolierpulver eingebettet ist.

Durch geeignete Auslegung und Dimensionierung von Heiz- und Regelwendel wird die Glühstiftkerze schnell auf die für den Start erforderliche Temperatur erwärmt, ohne jedoch die zulässige Höchsttemperatur zu überschreiten.

Der Glühstift erzielt an seiner brennraumseitigen Spitze üblicherweise seine Arbeitstemperatur von ca. 850 bis 900°C nach ca. 5 bis 10 s.

Eine gute Wärmgleitfähigkeit des Keramikpulvers ist erforderlich, um die Wärme der Heizwendel rasch nach außen zum Glührohr zu transportieren und dadurch die brennraumseitige Glühstiftspitze auf Arbeitstemperatur zu bringen. Sofern die Heizwendel und die Regelwendel im Glührohr räumlich eng aneinanderliegen, ergibt sich der Nachteil, daß die von der Heizwendel abgegebene Wärme durch die gute Wärmeleitfähigkeit des Isolierpulvers eine zu rasche Aufheizung der Regelwendel bewirkt. Hierdurch erhöht die Regelwendel zu früh ihren temperaturabhängigen Widerstand und regelt die Heizleistung der Heizwendel herunter. Eine zu frühe Temperaturbeeinflussung der Regelwendel durch die Heizwendel ist aber unerwünscht, weil demzufolge die Dauer bis zum Erreichen der Arbeitstemperatur verlängert wird.

Um diesen Nachteil zu beheben, ist aus der EP 02 40 650 A1 eine Glühstiftkerze der gattungsgemäßen Art bekannt­ geworden, die zwischen der brennraumseitigen Heizwendel und der anschlußseitigen Regelwendel ein Verbindungsstück mit niedriger thermischer Leitfähigkeit vorsieht. Dieses Verbindungsstück besteht aus einem Chrom-Nickel-Stahl mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit. Dieses Verbindungsstück nimmt etwa die Hälfte des Glührohrquerschnittes ein, während der übrige Querschnitt mit Isolierpulver ausgefüllt ist. Die Lösung ist konstruktiv aufwendig und befriedigt im Ergebnis nur unzureichend.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit dem kennzeichnenden Merkmal des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Regelverhalten der Glühstiftkerze einstellt, wobei wesentlich einfachere Mittel zur Herstellung dieses verbesserten Regelverhaltens eingesetzt werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß eine geringere Beeinflussung der Regelwendel durch die Heizwendel dadurch erzielt werden kann, indem der Wärmetransport zwischen diesen beiden Wendeln reduziert wird. Physikalisch gesehen hängt der Wärmetransport mit der Übertragungsfläche oder den Übertragungsquerschnitten zusammen. Gemäß der Erfindung wird deshalb dieser für die Wärmeübertragung wirksame Querschnitt reduziert, was durch eine Einschnürung des Glührohres und damit einer Reduzierung des wirksamen Querschnitts für den Wärmeübergang innerhalb des Isolierpulvers bewirkt wird. Die Einschnürung erfolgt in Form einer umlaufenden Rille im Glührohr, wodurch sich der Übergangsquerschnitt in diesem Bereich stark verringert. Ist der Übergangsquerschnitt jedoch geringer, so kann auch nur ein verminderter Wärmetransport über diesen Querschnittsbereich erfolgen.

Zwar ist aus der DE 33 01 559 C2 eine Stabglühkerze bekanntgeworden, die ebenfalls an ihrem Umfang mehrere axial hintereinanderliegende Ringnuten aufweist. Diese Ringnuten dienen jedoch zur Beeinflussung des auf die Glühstiftkerze auftreffenden Kraftstoffstrahls, der durch die ringförmigen Ringnuten einer Art Zerstäubung unterzogen werden soll. Abgesehen von der völlig anderen Aufgabenstellung als bei der vorliegenden Erfindung, sind in dieser Druckschrift keinerlei Angaben über die Art und Anordnung der Ringnuten im Zusammenhang mit der Heiz- und Regelwendel gemacht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Glühstiftkerze möglich.

Zur weiteren Verbesserung des Regelverhaltens kann die Wandstärke des Glührohrs im Bereich der Übergangszone zwischen Heizwendel und Regelwendel zusätzlich auf einen niedrigeren Wert reduziert werden. Hierdurch wird auch die Wärmeleitung innerhalb der Glührohrwandung wirksam reduziert.

Aufgrund der Einschnürung bzw. der Reduzierung der Dicke der Glührohrwandung im Übergangsbereich zwischen Heizwendel und Regelwendel ergibt sich eine Änderung der inneren Formgebung des Glührohrs. Es erscheint deshalb zweckmäßig, daß die Formgebung der Heizwendel an diese geänderte Formgebung des Glührohrs angepaßt wird. Insbesondere ist vorgesehen, daß die Heizwendel als ein sich zur Regelwendel hin verjüngender Kegel ausgebildet ist. Neben dieser geometrischen Anpassung an die äußere Formgebung des Glührohrs wird hierdurch weiterhin erreicht, daß der wirksame Querschnitt und damit auch die Heizleistung der Heizwendel verringert wird. Hierdurch bildet sich eine Wärmesenke zwischen Heizwendel und Regelwendel mit einem verminderten Wärmetransport zwischen diesen beiden Wendeln. Dies hat aber eine verzögerte und damit verbesserte Regelung durch die Regelwendel zur Folge.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Heizwendel als doppelkonischer Kegel ausgebildet ist. Hierdurch verjüngt sich die Heizwendel sowohl - wie beschrieben - in Richtung zur Regelwendel, als auch in Richtung zur Glühstiftspitze, was der geometrischen Anpassung an die etwas spitz zulaufende Form der Glühstiftspitze entspricht. Im Bereich der Kegelbasis, d. h. im Bereich des Kegels mit größtem Durchmesser, wird demnach eine Zone mit erhöhter Temperaturleistung der Heizwendel erzeugt, was sich positiv auf das Startverhalten einer Dieselbrennkraftmaschine auswirkt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Glühtemperatur der Glühstiftkerze an ganz bestimmten Stellen im Brennraum angeordnet werden muß. Diese Stelle wird durch die Glühstiftspitze mit erhöhter Heizleistung erreicht.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß die Heizwendel und eventuell auch die Regelwendel einen sogenannten Zentrieransatz oder Zentrierwindungen aufweist, die in ihrem Durchmesser deutlich geringer sind als der übrige Bereich von Heiz- oder Regelwendel. Hierdurch wird ein definierter Bereich für den Zusammenschluß der beiden Wendeln erzeugt, wobei der für die Heizleistung wirksame Wendelwiderstand gering gehalten ist. Diese Zentrierwindungen werden deshalb sowohl in ihrem Durchmesser als auch in ihrer Länge variabel ausgestaltet.

Aufgrund der örtlich stark definierten und bestimmten Heizzone, hervorgerufen durch eine deutliche Wärmesenke zwischen Heizwendel und Regelwendel, stellt sich im Bereich der Regelwendel eine Zone erhöhter Wärmeabstrahlung und damit eine örtlich definierte zweite Heizzone ein. Diese zweite Heizzone oder Glühzone liegt dann in der Nähe der Kammerwandung, was zu einer Entzündung des Kraftstoffnebels führt, der sich speziell in der Nähe der Kammerwandung befindet. Es hat sich gezeigt, daß mit zunehmender Drehzahl der Dieselbrennkraftmaschine eine gewisse Verlagerung des Kraftstoffnebels in die Nähe der Kammerwandung führt. Es erscheint deshalb sinnvoll und zweckmäßig, daß auch dieser Bereich durch die Glühstiftkerze erfaßt wird, indem in diesem Bereich eine zweite definierte Glühzone vorhanden ist. Dies wird jedoch mit der Einschnürung zwischen vorderer Heizwendel und hinterer Regelwendel durchaus erreicht.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch den brennraumseitigen Abschnitt einer Glühstiftkerze mit Einschnürung im Übergangsbereich zwischen Heizwendel und Regelwendel,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Glühstift im vorderen Bereich mit einer Heizwendel in Form eines doppelkonischen Kegels,

Fig. 3 die Heiz- und Regelwendel nach Fig. 2 in Alleindarstellung und

Fig. 4 den vorderen Bereich eines Glühstiftes mit zusätzlichen Zentrierwindungen zwischen Heizwendel und Regelwendel.

Die in der Fig. 1 dargestellte Glühstiftkerze 1 besteht aus einem Kerzengehäuse 2 und einem in dessen Längsbohrung fest und gasdicht angeordneten, als Glühstift bezeichneten Heizkörper 3, bestehend aus einem korrosionsfesten Glührohr 4, in welchem eine sogenannte 2-Stoff-Wendel 5 in einem keramischen Isolierpulver 6, insbesondere Magnesiumoxid, eingebettet ist. Die 2-Stoff-Wendel 5 besteht aus einer brennraumseitigen Heizwendel 7 aus einem im wesentlichen temperaturunabhängigen Widerstandsmaterial und einer anschlußseitigen Regelwendel 8 aus einem Widerstandsmaterial mit einem hohen positiven Widerstands- Temperatur-Koeffizienten. Die Heiz- und Regelwendeln sind in Reihe hintereinandergeschaltet. Die Regelwendel 8 ist anschlußseitig mit einem Anschlußbolzen 9 verbunden, der als Stromzuführung zur 2-Stoff-Wendel 5 dient. Die Heizwendel 7 ist an ihrem brennraumseitigen Ende mit dem Glührohr 4 verschweißt (Schweißstelle 10). Das die Heizwendel 7 und die Regelwendel 8 umschließende Isolierpulver 6 aus Magnesiumoxid weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute elektrische Isolierfähigkeit auf.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist die Heizwendel 7 eine axiale Länge l₁, die Regelwendel 8 eine axiale Länge l₃ und der Übergangsbereich 11 zwischen Heizwendel 7 und Regelwendel 8 eine axiale Länge l₂ auf. Die Regelwendel 8 befindet sich mit einer Länge l₄ innerhalb des Kerzengehäuses, wobei l₄ < 0,5 l₃ ist. Das Verhältnis von l₃ : l₁ beträgt ca. 5 : 1.

Um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Heizwendel 7 und der Regelwendel 8 herabzusetzen, d. h. um im Übergangsbereich 11 eine Zone mit niedrigem Wärmeübergang zu schaffen (Wärmesenke), ist gemäß Darstellung nach Fig. 1, 2 und 4 das Glührohr 4 in diesem Bereich mit einer Einschnürung oder Rille 12, 12′, 12′′ versehen. Der normale Außendurchmesser D des Glührohrs 4 wird demnach auf einen Durchmesser D₁ reduziert, so daß sich der Innendurchmesser d₁ gegenüber dem üblichen Innendurchmesser d stark verkleinert. Diese Durchmesserangaben sind in Fig. 1 und Fig. 2 näher angegeben.

Aufgrund dieser Einschnürung oder Rille 12, 12′, 12′′ wird der wirksame Querschnitt des Isolierpulvers 6 in diesem jeweiligen Übergangsbereich 11 demnach vom Innendurchmesser d auf den Innendurchmesser d₁ reduziert, wodurch der Wärmetransport durch diesen Querschnitt verringert wird. Hierdurch kommt es zu einer verminderten Beeinflussung der Regelwendel 8 durch die Heizwendel 7. In einem praktischen Ausführungsbeispiel beträgt der Glührohr -Außendurchmesser D∼6 mm, der Einschnürungsdurchmesser D₁∼4 bis 5,5 mm. Demzufolge wird der wirksame Querschnitt für den Wärmeübergang d₁ gegenüber dem normalen Innendurchmesser d um ca. 2 mm im Durchmesser eingeschnürt, was einer ausreichenden Querschnittsverengung entspricht. Die Länge l₁ von der Spitze 13 des Glühstifts bis zu Beginn der Einschnürung 12 beträgt l₁∼3 bis 10 mm. Die Länge des Übergangsbereichs 11 beträgt l₂∼2 bis 5 mm.

Wie in Fig. 1 dargestellt, kann zusätzlich zur Querschnittsverengung im Übergangsbereich 11 die Wandstärke s des Glührohrs 4 auf einen kleineren Wert s₁ reduziert werden, um den Wärmeübergang auch im Glührohr selbst zu reduzieren. Dabei kann s₁ bis zu 50% von s betragen.

In Fig. 2 ist weiterhin die Ausbildung der Heizwendel 7 als doppelkonischer Kegel dargestellt. Dieser in seinen Abmaßen in Fig. 3 näher dargestellte doppelkonische Kegel als Heizwendel 7′ weist einen Außendurchmesser d₂ von ca. 4,4 mm auf, bei einem Kegelöffnungswinkel zur Glühstiftspitze hin von α₁∼43°. Der doppelkonische Kegel 7′ ist bezüglich der dargestellten horizontalen Symmetrieebene 14 symmetrisch ausgebildet, so daß auch der zur Regelwendel 8 hin sich öffnende Kegelwinkel α₂ ebenfalls α₂∼43° ist. An seinen beiden Enden läuft der doppelkonische Kegel in jeweils einem Bereich aus, der mit Zentrierwindungen 15, 16 mit einem Durchmesser d₃∼ 1,8 mm ausgebildet ist. Diese eng gewickelten Zentrierwindungen ermöglichen einen besonders vorteilhaften Anschluß der brennraumseitigen Verschweißung 10 mit dem Glührohr 4 und der Schweißverbindung 17, die als Laserschweißung ausgebildet ist, mit der Regelwendel 8. Der Außendurchmesser der doppelkonischen Heizwendel 7′ beträgt d₂∼4,4 mm. Der Außendurchmesser der Regelwendel 8 beträgt auch d₄∼4,4 mm.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 mit entsprechender detaillierter Darstellung der 2-Stoff-Wendel 7, 8 in Fig. 3 wird im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 dahingehend ergänzt, daß auch die Regelwendel 8 einen zusätzlichen Bereich mit Zentrierwindungen 18 aufweist, der als Gegenstück zu den Zentrierwindungen 16 an der Heizwendel 7′ in Fig. 2, 3 dient. Der zugehörige Durchmesser d₅ entspricht dem Durchmesser d₃ der Zentrierwindungen 15, 16. Hierdurch wird ein besserer Zusammenschluß und insbesondere eine bessere Zentrierung für die Schweißverbindung 19 erzielt, da die beiden Zentrierwindungen 16, 18 unmittelbar aneinanderliegen.

Weiterhin kann durch diese Zentrierwindungen der Abstand l₂′ in Fig. 4 weiter vergrößert werden, so daß hier dieser Abstand l₂′ ca. 2 bis 10 mm betragen kann. Die in diesem Übergangsbereich 11 befindliche Wärmesenke wird deshalb auf einen längeren Bereich ausgedehnt, wodurch sich die Heizwendel 7 und die Regelwendel 8 weniger beeinflussen können.

Wie aus Fig. 1, 2 und 4 ersichtlich, kann auch die Formgebung des Übergangsbereichs 11 insgesamt variieren. In Fig. 1 und 4 ist dieser Bereich zur Bildung der Einschnürung 12, 12′′ eher rechteckförmig ausgebildet, während dies in Fig. 2 in Form eines Halbkreises geschieht (Einschnürung 12′). Die Einschnürung 12, 12′, 12′′ kann durch Einprägen des Glühstiftes 3 von außen durch Verringerung des Außendurchmessers eingearbeitet werden, um so die gewünschte Wärmesenke zu bilden. Durch die unterschiedlichen Formgebungen der Einschnürungen 12, 12′, 12′′ im Übergangsbereich 11 kann ebenso wie durch die unterschiedliche Ausbildung der Regelwendel bzw. Heizwendel in Form eines doppelkonischen Kegels 7′ mit entsprechenden Zentrierwindungen jeweils ein unterschiedliches Maß an Beeinflussung zwischen Regelwendel und Heizwendel erzielt werden. Hierdurch kann eine gewisse Variation dieser Beeinflussung eingestellt werden.

Die Bildung eines Übergangsbereichs 11 und damit einer Wärmesenke mittels einer Einschnürung 12, 12′, 12′′ zwischen Heizwendel 7 und Regelwendel 8 hat weiterhin zur Folge, daß neben der durch die Heizwendel im vorderen, brennraumseitigen Bereich gebildeten ersten Glühzone eine weitere Glühzone im hinteren, anschlußseitigen Bereich geschaffen wird, wobei dieser Bereich im Bereich der Wandung des Verbrennungsraums liegt. Diese weitere Glühzone wird durch die Regelwendel selbst beheizt, wobei ein Aufheizen der Regelwendel zeitlich etwas verzögert eintritt. Dieses Aufheizen der Regelwendel vollzieht sich aber synchron mit dem Vorgang, daß mit steigender Motordrehzahl der Kraftstoffnebel mit dem Kammerwirbel in die Nähe der Kammerwandung geführt wird. Eine erhöhte Temperatur in diesem wandnahen Bereich ist deshalb von Vorteil, um die Kaltlaufeigenschaften des Motors zu verbessern. Es ist deshalb vorteilhaft, daß die Glühkerze zwei definierte Glühzonen aufweist, nämlich zum einen die Glühzone an der Glühstiftspitze, gebildet und bewirkt durch die Heizwendel 7, und die Glühzone im wandnahen Abschnitt der Kerze, hervorgerufen durch die etwas verzögerte Aufheizung der Regelwendel 8.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Ausgestaltungen ohne eigenen erfinderischen Gehalt.

Claims (8)

1. Glühstiftkerze zur Anordnung im Verbrennungsraum einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Kerzengehäuse und einem in dessen Längsbohrung festgelegten, in den Brennraum hineinragenden, mit Isolierpulver gefüllten, als Glühstift ausgebildeten Heizkörper, der in seinem Glührohr brennraumseitig eine Heizwendel mit im wesentlichen konstanten Widerstand und anschlußseitig eine hiermit in Reihe geschaltete Regelwendel mit einem positiven Temperatur-Widerstands-Koeffizienten (PTC) zur Temperaturregelung bzw. Temperaturbegrenzung der Heizwendel enthält, wobei zwischen Heizwendel und Regelwendel eine Übergangszone niedriger thermischer Leitfähigkeit vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Glührohr (4) im Bereich der Übergangszone (11) zwischen Heizwendel (7) und Regelwendel (8) eine den Querschnitt verjüngende Einschnürung oder Rille (12, 12′, 12′′) aufweist.

2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (s₁) des Glührohres (4) im Bereich der Übergangszone (11) gegenüber dem Normalwert (s) verringert ist.

3. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (7, 7′) als zur Regelwendel (8) hin sich verjüngender Kegel mit einem Öffnungswinkel (α) ausgebildet ist.

4. Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (7, 7′) als doppelkonischer Kegel (7′) ausgebildet ist.

5. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (7, 7′) und/oder die Regelwendel (8) in ihrem gegenseitigen Anschlußbereich Zentrierwindungen (16, 18) aufweist.

6. Glühstiftkerze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrierwindungen (16, 18) in ihrem Durchmesser (d₃, d₅) sowie ihrer Länge (l₅, l₆) variabel sind.

7. Glühstiftkerze nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelwendel (8) aufgrund der Einschnürung (12, 12′, 12′′) im Übergangsbereich (11) zwischen Heizwendel (7) und Regelwendel (8) eine definierte zweite Glühzone bildet.

8. Glühstiftkerze nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone (11) mit Einschnürung (12, 12′, 12′′) eine definierte Länge (l₂, l₂′) aufweist.