DE4036162A1

DE4036162A1 - Gluehstiftkerze

Info

Publication number: DE4036162A1
Application number: DE19904036162
Authority: DE
Inventors: Wolf Ing Grad Wessel; Gerhard Dipl Ing Hueftle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1990-11-14
Publication date: 1992-05-21

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zur Anordnung im Brennraum einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der deutschen Patentschrift Nr. 28 02 625 ist der prinzipielle Aufbau einer Glühstiftkerze bekannt geworden. Diese werden zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens sowie der Kaltlaufeigenschaften von Dieselmotoren eingesetzt. An der heißen Glühstiftoberfläche verdampft ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes und entzündet sich. Die freiwerdende Wärme trägt zur Einleitung des Verbrennungsprozesses bei.

Eine Glühstiftkerze, im weiteren Glühkerze genannt, besteht aus einem mit einem Kerzengehäuse verbundenen, als Glühstift ausgebildeten Heizkörper, in dessen metallischen, dünnwandigem Glührohr eine, in einem Isolierpulver eingebettete 2-Stoff-Widerstandswendel angeordnet ist. Diese Widerstandswendel besteht zum einen aus einer vorderen, brennraumseitigen Heizwendel mit im wesentlichen temperaturunabhängigem Widerstand und einer hiermit in Reihe geschalteten Regelwendel mit einem hohen positiven Widerstands-Temperatur-Koeffizienten (PTC) zur Temperaturregelung bzw. Temperaturbegrenzung der Heizwendel. Das anschlußseitige Ende der Regelwendel ist mit einem Anschlußbolzen verbunden, der durch das Kerzengehäuse hindurchgeführt ist und zur Stromzuführung dient. Das brennraumseitige Ende der Heizwendel ist mit der Spitze des Glührohrs verschweißt. Die Heizwendel hat die Aufgabe, eine möglichst rasche Aufheizung der Glührohrspitze vorzunehmen, wobei nach üblichen Vorglühzeiten von 5 bis 10 s eine Glühstifttemperatur von ca. 850 bis 900°C erzielt wird. Dadurch, daß sich der variable Widerstand der Regelwendel mit wachsender Temperatur erhöht, tritt eine Strombegrenzung für die Heizwendel ein und demzufolge wird eine Überhitzung und damit eine Zerstörung sowohl der Heizwendel als auch des gesamten Glühstiftes vermieden. Durch geeignete Auslegung und Dimensionierung von Heiz- und Regelwendel wird die Glühstiftkerze schnell auf die für den Start erforderliche Temperatur erwärmt, ohne jedoch die noch zulässige Höchsttemperatur zu überschreiten. Dabei dient das im Glührohr angeordnete Isolierpulver, z. B. Magnesiumoxyd, als guter Wärmeleiter, um die Wärme von der Heizwendel auf das Glührohr zu übertragen. Das Isolierpulver dient aber auch als elektrischer Isolator zwischen den einzelnen Windungen der Widerstandswendeln und zwischen den Widerstandswendeln und dem Glührohr.

Aus der DE 30 35 542 A1 ist eine Glühstiftkerze für Brennkraftmaschinen bekannt geworden, bei welcher am Anschlußbolzen brennraumseitig ein zusätzlicher Führungszapfen koaxial angeordnet ist, der sich weitgehend über die gesamte Länge der Regelwendel erstreckt. Dieser zusätzliche Führungszapfen dient zum einen der besseren Montage des Glühstifts, wobei zunächst Heizwendel und Regelwendel auf den Führungszapfen aufgewickelt sind und in das Glührohr eingeführt werden. Nach dem Anschweißen des brennraumseitigen Endes der Heizwendel am Glührohr wird der Anschlußbolzen einschließlich Führungszapfen zurückgezogen und Heizwendel und Regelwendel auf die richtige Länge gestreckt. Hierbei kommt der Führungszapfen in eine konzentrische, beabstandete Position zu der Regelwendel zu liegen. Aufgrund der Verbindung des Führungszapfens mit dem Anschlußbolzen kann dieser aufgrund seines Volumens eine bestimmte Wärmemenge vom inneren Bereich der Regelwendel in den Anschlußbolzen ableiten, was zu einem langsameren Erwärmen der Regelwendel führt. Hierdurch fließt über einen längeren Zeitraum ein erhöhter Heizstrom durch die Heizwendel, verbunden mit einer schnelleren Aufheizung der Glühkerze.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch einen gezielten Einsatz von unterschiedlichen Materialien mit hoher bzw. niedriger volumenspezifischer Wärmekapazität innerhalb des von der Heizwendel oder auch der Regelwendel umgebenes Isolierpulvers ein schnelleres Aufheizen der Glühkerze ermöglicht wird. Dabei liegt der Erfindung der Kerngedanke zugrunde, daß die von der Heizwendel und/oder auch der Regelwendel aufgeheizte Masse bezüglich ihrer volumenspezifischen Wärmekapazität derart gewählt wird, daß diese Masse im Bereich der Heizwendel einen möglichst niedrigen Wert und im Bereich der Regelwendel einen möglichst hohen Wert aufweist. Bei üblichen Glühstiftkerzen ist die 2-Stoff-Widerstandswendel, bestehend aus Heizwendel und Regelwendel, insgesamt in einem keramischen Isolierpulver (MgO) eingebettet. Betrachtet man die Wärmebilanz einer Glühstiftkerze im Bereich der Heizwendel, so ist festzustellen, daß zu Beginn des Aufheizvorganges ein kleinerer Teil der durch die Heizwendel aufgebrachten Wärmemenge in das Glührohr und ein größerer Teil der Wärmemenge in das Isolierpulver eingebracht wird. Dies liegt zum einen daran, daß das Glührohr selbst ein geringeres Volumen aufweist als das viel größere Volumen des heizwendelabstützenden bzw. isolierenden Isolierpulvers. Zum anderen ist die volumenspezifische Wärmekapazität beim Isolierpulver größer als die volumenspezifische Wärmekapazität des beispielsweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung (Inconel 601) gefertigten Glührohrmaterials. Daraus ist ersichtlich, daß der Kern bzw. der von der Heizwendel umgebene innere Bereich unnötig viel Wärme verbraucht, während der darumliegende Bereich mit dem Glührohr zur Aufheizung einen geringeren Wärmebedarf benötigt. Erfindungsgemäß wird daher im Bereich des von der Heizwendel umgebenen Bereichs die Anordnung eines Materials vorgeschlagen, welches eine möglichst niedrige volumenspezifische Wärmekapazität hat, d. h. welches sich im Vergleich zum sonst üblichen Isolierpulver bei vergleichbarer Heizleistung stärker aufheizt. Hierdurch kann bei gleicher Wärmezufuhr eine schnellere und eine stärkere Aufheizung der Heizwendel und damit des Glührohrs erfolgen.

Sofern die Widerstandswendel als 2-Stoff-Widerstandswendel ausgebildet ist, d. h. mit einer Heizwendel und einer hiermit in Reihe geschalteten Regelwendel, lassen sich die vorstehenden Gedanken prinzipiell gleichermaßen anwenden. Bei kalter Glühkerze und damit kalter Regelwendel fließt ein hoher Heizstrom, der zu einer starken Wärmeentwicklung in der Heizwendel führt. Durch das Aufheizen des Glührohrs und des Isolierpulvers mittels der Heizwendel wird auch die Regelwendel aufgeheizt. Mit steigender Erwärmung steigt der Widerstand der Regelwendel, so daß der Heizstrom der Heizwendel reduziert wird. Je länger demnach die Regelwendel kaltgehalten werden kann, um so länger fließt ein hoher Heizstrom und um so schneller erreicht die Glühkerze ihre gewünschte hohe Betriebstemperatur. Gemäß der eingangs erwähnten DE 30 35 542 kann eine Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Regelwendel durch einen mit dem Anschlußbolzen verbundenen Führungszapfen erfolgen, der die Wärme nach außen hin ableitet. Gemäß der Erfindung wird dieser Effekt noch dadurch wesentlich erhöht, indem man in dem Innenraum innerhalb des von der Regelwendel umgebenen Bereiches ein Material vorsieht, welches eine möglichst hohe volumenspezifische Wärmekapazität hat, d. h. ein Material, welches viel Wärme benötigt, um sich um ein bestimmtes Maß zu erhitzen. Es sind demnach die genau entgegengesetzten Betrachtungen anzustellen, wie bei der Heizwendel, die ein Material mit einer möglichst niedrigen volumenspezifischen Wärmekapazität benötigt.

Das jeweils gewählte Material wird in dem von der Heizwendel und/oder der Regelwendel umgebenen Bereich konzentrisch und elektrisch isoliert als Füllstift angeordnet.

Durch geeignete Auswahl der genannten Materialien im Inneren der Heizwendel und/oder der Regelwendel kann demnach eine wesentlich schnellere Aufheizung des Glühstiftes erfolgen, da die aufgebrachte Wärme nicht unnötig in das sonst in diesem Bereich übliche Isolierpulver gesteckt wird. Im Bereich der Regelwendel soll jedoch ein Material verwandt werden, welches eine höhere volumenspezifische Wärmekapazität benötigt, als das sonst übliche keramische Isolierpulver. Hierdurch wird ein rasches Aufheizen der Glühkerze erzielt.

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

Besonders vorteilhaft wird der Innenraum innerhalb der Heizwendel durch einen Füllstift ausgefüllt, der die geschilderten Materialeigenschaften aufweist und glühraumseits mit dem Glührohr verbunden ist. Das keramische Isolierpulver im inneren Bereich der Heizwendel kann demnach durch einen koaxial angeordneten Füllstift ersetzt werden, der vorzugsweise aus Kanthal A, einer FeCrAl-Legierung besteht; hierdurch ergibt sich eine ca. 30%ig kleinere volumenspezifische Wärmekapazität als bei sonst üblichem Isolierpulver.

Der Innenbereich der Regelwendel wird hingegen durch einen Füllstift ersetzt, der mit dem Anschlußbolzen verbunden ist und vorzugsweise aus einem Hartmetall (K20) besteht, dessen volumenspezifische Wärmekapazität deutlich größer ist als diejenige von sonst üblichem Isolierpulver.

Zeichnung

Ein vorteilhaftes und zweckmäßiges Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt einen Schnitt durch eine Glühstiftkerze mit unterem Heizwendelbereich und oberem Regelwendelbereich in schematischer Darstellung.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Die in der Figur dargestellte Glühstiftkerze 1 (Glühkerze 1) besteht aus einem schematisch angedeuteten rohrförmigen Kerzengehäuse 2 und einem darin fest- und gasdicht befestigten Glühstift 3. Der Glühstift 3 besteht seinerseits aus einem korrosionsfesten Glührohr 4, in welchem eine Widerstandswendel 5 koaxial verlaufend angeordnet ist. Der die Widerstandswendel 5 umgebende Raum 6 ist mit einem keramischen Isolierpulver 7, insbesondere Magnesiumoxyd (MgO) gefüllt, in welchem die Widerstandswendel 5 eingebettet ist. Das Isolierpulver 7 weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute elektrische Isolierfähigkeit auf. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung sieht die Ausbildung der Widerstandswendel 5 als 2-Stoff-Widerstandswendel vor. Wie unter den Vorteilen der Erfindung erläutert, kann selbstverständlich auch eine 1-Stoff-Widerstandswendel verwendet werden, d. h. eine Widerstandswendel, die lediglich eine einzige Wendel aufweist.

Nachfolgend wird die Erfindung mit einer 2-Stoff- Widerstandswendel 5 beschrieben.

Die 2-Stoff-Widerstandswendel 5 besteht aus einer brennraumseitigen Heizwendel 8 mit im wesentlichen temperaturunabhängigem Widerstand und einer hiermit in Reihe geschalteten, anschlußseitigen Regelwendel 9. Zur Temperaturregelung bzw. Temperaturbegrenzung weist die Regelwendel 9 in bekannter Weise einen hohen positiven Widerstands-Temperatur-Koeffizienten (PTC) auf. Die Regelwendel 9 ist anschlußseitig auf einen Zentrierzapfen 10 eines Anschlußbolzens 11 zur Stromzuführung aufgesteckt. Der Anschlußbolzen 11 ist über eine ringförmige Dichtung 14 im Glührohr 4 verankert und führt bis ans obere Ende der Glühstiftkerze 1. Die Heizwendel 8 ist brennraumseitig mit dem Glührohr 4 über eine nicht näher dargestellte Schweißverbindung verbunden.

Das Glührohr 4 besteht üblicherweise aus einer Nickel- Chrom-Legierung (Inconel 601). Das keramische Isolierpulver besteht üblicherweise aus Magnesiumoxyd (MgO). Diese Stoffe haben folgende volumenspezifische Wärmekapazitäten W (Joule/cm³×K):

W_{spez, Inconel} ∼ 3,8 J/cm³ × K

W_{spez, MgO} ∼ 4,3 J/cm³ × K

Um die hohe volumenspezifische Wärmekapazität des sonst üblichen Isolierpulvers innerhalb des von der Heizwendel 8 umgebenen Bereiches zu senken, ist in diesem Bereich ein koaxial angeordneter erster Füllstift 12 angeordnet, der aus einem Material mit möglichst niedriger volumenspezifischer Wärmekapazität besteht. Hierfür wird der Füllstift 12 beispielsweise aus einer FeCrAl-Legierung (Kanthal A) hergestellt, die eine volumenspezifische Wärmekapazität von W_{spez, FeCrAl} 3,12 aufweist. Dieser Wert liegt rund 30% niedriger als die volumenspezifische Wärmekapazität des sonst üblichen Isolierpulvers, infolgedessen ein schnelleres Aufheizen der Glühstiftkerze im Bereich der Heizwendel bewirkt wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel weist auch der von der Regelwendel 9 umgebene Bereich einen Füllstift 13 auf, der allerdings aus einem Material bestehen muß, welches eine möglichst hohe volumenspezifische Wärmekapazität hat; als Material kann hierfür beispielsweise Hartmetall (K20) verwendet werden, welches eine volumenspezifische Wärmekapazität von ca.

W_{spez (K20)} ∼ 11,5 J/cm³ × K

besitzt. Dieses bedeutet, daß der von der Regelwendel 8 umgebene Bereich gegenüber einem vergleichbaren Volumen an Isolierpulver eine hohe Aufnahmefähigkeit für Wärme hat, d. h., daß sich dieses Material bei gleicher Wärmezufuhr geringer aufheizt; hierdurch wird die Regelwendel länger auf niedrigerer Temperatur gehalten, d. h., der Widerstandswert der Regelwendel bleibt länger auf einem niedrigeren Wert und demzufolge die Heizwendel stärker erhitzt.

Die Kombination der beiden Füllstifte 12, 13 ergänzen sich demnach dahingehend, daß die Heizwendel über einen längeren Zeitraum einen höheren Strom erhält, bei gleichzeitig geringerer Wärmeabfuhr zum Isolierpulver, was zu einem schnelleren Aufheizen der Glühstiftkerze führt. Gemäß der Erfindung wird demnach durch den Ersatz eines Teils der von der Heizwendel aufgeheizten Glühkerzenmasse durch ein Material mit niederer volumenspezifischer Wärmekapazität bei der Heizwendel bzw. mit hoher volumenspezifischer Wärmekapazität des Materials bei der Regelwendel, sofern eine solche vorhanden ist, ein rasches Aufheizen der Glühstiftkerze im Bereich der Heizwendel erreicht. Die Maßnahmen an der Heizwendel oder an der Regelwendel sind je nach Bedarf einzeln oder in Kombination anwendbar.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Weiterbildungen im Rahmen der Offenbarung.

Claims

1. Glühstiftkerze (1) zur Anordnung im Brennraum einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine, mit einem rohrartigen Kerzengehäuse (2) und einem hiermit verbundenen Glühstift (3), der aus einem Glührohr (4) mit darin in einem Isolierpulver (7) eingebetteter 1-Stoff- oder 2-Stoff-Widerstandswendel (5) mit gehäuseseitigem Anschlußbolzen (11) besteht, wobei die Widerstandswendel (5) als brennraumseitig mit dem Glührohr verbundene Heizwendel (8) mit im wesentlichen temperaturunabhängigen Widerstand ausgebildet ist und - bei Ausbildung als 2- Stoff-Widerstandswendel - eine mit der Heizwendel (8) in Reihe geschaltete Regelwendel (9) einen hohen positiven Temperatur-Widerstands-Koeffizienten (PTC) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des von der Heizwendel (8) umgebenen Isolierpulvers (7) und/oder - soweit eine Regelwendel (9) vorhanden - ein Teil des von der Regelwendel (9) umgebenen Isolierpulvers (7) durch einen Füllstift (12, 13) aus einem Material mit niedrigerer volumenspezifischer Wärmekapazität bei der Heizwendel (8) und/oder mit höherer volumenspezifischer Wärmekapazität bei der Regelwendel (9) ersetzt wird.

2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Inneren der Heizwendel (8) befindliche und elektrisch gegenüber der Heizwendel (8) isolierte Füllstift (12) im wesentlichen zylindrisch und glühraumseits mit dem Glührohr (4) verbunden ist.

3. Glühstiftkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstift (12) aus einer FeCrAl- Legierung und das Isolierpulver (7) aus Magnesiumoxyd besteht.

4. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Innenraum der Regelwendel (9) befindliche und elektrisch gegenüber der Regelwendel (9) isolierte Füllstift (13) im wesentlichen zylindrisch und anschlußseits mit dem Anschlußbolzen (11) verbunden ist.

5. Glühstiftkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstift (13) aus Hartmetall (K20) und das Isolierpulver (7) aus Magnesiumoxyd besteht.