EP0337216B1 - Glühkerze zur Anordnung im Brennraum einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine - Google Patents

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EP0337216B1
EP0337216B1 EP89105742A EP89105742A EP0337216B1 EP 0337216 B1 EP0337216 B1 EP 0337216B1 EP 89105742 A EP89105742 A EP 89105742A EP 89105742 A EP89105742 A EP 89105742A EP 0337216 B1 EP0337216 B1 EP 0337216B1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the invention relates to a glow plug for arrangement in the combustion chamber of an air-compressing internal combustion engine.
  • a glow plug has become known in which the entire resistance element consists of a material with a strongly positive resistance coefficient. Due to the closer winding of the filament in the front, thinner-walled section of the glow plug, more heat is concentrated there, while a lower, further wound part lies in a thick-walled section.
  • the entire resistance element can also be made of strip material, and the heat capacity in the area near the housing should be increased by varying the wall thickness of the glow plug.
  • both the front actual heating element and the rear part consist of PTC material. Both change their resistance behavior with temperature, so that the heating current is reduced overall.
  • GB-A-2 106 181 describes a glow plug which has a sleeve which is open at its end and in which a tapered metal pin is arranged. Its outer surface is enamelled in an insulating manner, and a band of resistance material is wound on it, namely in the cylindrical area in a helical shape and in the front, conical area in the form of a partially pulled-apart spiral in which the individual strips of flat material overlap strongly.
  • a glow plug is known from DE-A-27 46 496.
  • a section of the electrical resistance element facing the bottom of the glow element consists of a spiral made of flat material in the manner of a tightly wound clock spring, which is wound on a bolt and is provided with an intermediate, band-shaped insulation. This creates a self-heating solid cylinder, which has only a small outer surface and in which it is particularly difficult to remove heat from the center.
  • a lead section for the resistance heating element consists of a material with a high positive resistance temperature coefficient (PTC) in order to support rapid heating with subsequent limitation of the heating current.
  • PTC positive resistance temperature coefficient
  • German Patent 28 02 625 The same design with helical heating wires is described in German Patent 28 02 625.
  • the object of the invention is to provide a glow plug of the type mentioned, which enables even shorter heating times.
  • the resistance element turns one of its large surfaces to the outside, which thus conducts the heat directly through the interposed investment to the outer surface of the glow element can give up.
  • the entire length of the resistance heating element is used largely uniformly for heat dissipation and the central regions are not disadvantaged.
  • conical design of the resistance element which thus has a spiral or spiral shape, it can be easily adapted to the circumstances.
  • the part of the resistance element facing the base can be attached to it directly by welding, so that the glow element forms the return conductor. It is also possible to vary the width of the flat material strip over the length of the resistance heating element in order to do so adapt to the conditions due to the different conductor cross sections in the annealing temperature, for example in order to be able to heat areas with higher heat dissipation more. Between the extent of the largest cross-sectional dimension in the axial direction or transversely to this, any intermediate positions are also possible in which the flat material assumes an angle to the axis. In this case, for example, a helix or spiral with conically rising or falling winding flanks would arise.
  • FIG. 1 shows a glow plug 11 with a plug housing 12 which can be screwed into the cylinder head of an internal combustion engine, for example a diesel engine, by means of a thread 13 via hexagon wrench surfaces 14.
  • the candle housing and the connection (not shown) to an electrical feed line can be designed in the usual way.
  • a sleeve-shaped glow element 15 projects into the combustion chamber and is closed at its free end by, for example, a spherical base 16. In it there is an electrical one in an electrically insulating, highly heat-resistant investment compound 17 Resistance element 18 with which the glow element is heated.
  • the resistance element 18 consists of two sections, namely a wire resistance element 19, which consists of a round wire wound in the form of a cylindrical helix and forms the section of the resistance element 18 facing the plug housing 12. With a welded connection 22, a flat material resistance element 20 is connected directly to it, which consists of a band of resistance material which has the shape of a conically pulled-apart spiral. The largest cross-sectional dimensions a lie in the direction of the axis 24 of the resistance element and the glow plug. The part of the flat material resistance element 20 facing the base 16 is welded directly to the base, which forms the return conductor.
  • the individual turns of the conical spiral are so far apart in the embodiment that they hardly overlap. If they are so far apart that there is a longitudinal distance between adjacent turns to create an insulating distance, the flat material resistance element could also be formed in the form of a cylindrical coil. In the example, the flat material resistance element 20 tapers from the helical diameter of the wire resistance element to a very small diameter in the area of the bottom connection 23 and thus adapts well to the likewise tapering shape of the glow element.
  • the resistance element section facing the candle housing consists of a material with a high positive temperature coefficient of resistance (PTC).
  • Fig. 2 shows an embodiment in which the flat material resistance heating element is also made from a band, but which has its larger cross-sectional dimensions a transverse to the axis 24.
  • This is also wound in the form of a conical or arcuately rounded spiral / helical body, which can also be easily adapted to the final shape of the glow element.
  • the arrangement of the strips with a surface extension extending transversely to the axis is advantageous because this results in a preferred heat emission at the end of the glow element.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Glühkerze zur Anordnung im Brennraum einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine.
  • Aus der DE-A-27 44 624 ist eine Glühkerze bekannt geworden, bei der das gesamte Widerstandselement aus einem Material mit stark positivem Widerstandskoeffizienten besteht. Durch engere Wicklung der Wendel im vorderen, dünnwandigerem Abschnitt der Glühkerze wird dort mehr Wärme konzentriert, während ein unterer, weiter gewickelter Teil in einem dickwandigerem Abschnitt liegt. Das gesamte Widerstandselement kann auch aus Bandmaterial bestehen.Durch unterschiedliche Wandungsdicke des Glühstiftes soll im gehäusenahen Bereich die Wärmekapazität dort erhöht werden.
  • Bei dem auch aus Bandmaterial hergestellbaren Widerstandselement besteht sowohl das vordere eigentliche Heizelement, als auch der hintere Teil aus PTC-Material. Beide ändern ihr Widerstandsverhalten mit der Temperatur, so daß eine Gesamtminderung des Heizstromes vorgenommen wird.
  • Die GB-A-2 106 181 beschreibt eine Glühkerze, die eine an ihrem Ende offene Hülse besitzt, in der ein kegelig zulaufender Metallstift angeordnet ist. Seine Außenfläche ist isolierend emailliert, und darauf ist ein Band aus Widerstandsmaterial gewickelt, und zwar im zylindrischen Bereich wendelförmig und im vorderen, konischen Bereich, in Form einer teilweise auseinander gezogenen Spirale, bei der sich die einzelnen Flachmaterialstreifen stark überlappen.
  • Eine weitere Glühkerze ist aus der DE-A-27 46 496 bekannt geworden. Ein dem Boden des Glühelementes zugewandter Abschnitt des elektrischen Widerstandselementes besteht aus einer nach Art einer dicht gewickelten Uhrfeder ausgebildeten Spirale aus Flachmaterial, das auf einen Bolzen gewickelt ist und mit einer zwischengewickelten, bandförmigen Isolierung versehen ist. Dadurch entsteht ein sich selbst aufheizender massiver Zylinder, der nur eine geringe Außenoberfläche hat und bei dem insbesondere die Wärmeabfuhr von der Mitte her sehr schwierig ist.
  • Wie es bereits in der britischen Patentschrift 1 376 817 beschrieben ist, besteht ein Zuleitungsabschnitt für das Widerstandsheizelement aus einem Material mit hohem positiven Widerstands-Temperaturkoeffizienten (PTC), um eine Schnellaufheizung mit nachfolgender Begrenzung des Heizstromes zu unterstützen.
  • Eine gleiche Ausbildung mit wendelförmigen Heizdrähten ist in der deutschen Patentschrift 28 02 625 beschrieben.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Glühkerze der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die noch kürzere Aufheizzeiten ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Abspruch 1 gelöst.
  • Bei der Verwendung von Flachmaterial in Form einer in Längsrichtung auseinandergezogenen Spirale oder Wendel treten verbesserte Wärmeübertragungsverhältnisse auf. Die Oberfläche ist bei gleichem Querschnitt vergrößert. Bei der erfindungsgemäßen Glühkerze treten jedoch die üblicherweise bei Flachmaterialheizungen zu erwartenden Nachteile, beispielsweise eine höhere Neigung zum Durchbrennen, nicht auf. Dies liegt an der sehr festen Einbettung der Widerstandselemente, die für eine gute und gleichmäßige Wärmeabfuhr von allen Flächen des Widerstandselementes sorgt. Es kommt noch der Vorteil hinzu, daß infolge der gleichmäßigen Isolationsabstände zwischen nebeneinanderliegenden Widerstandselementflächen auf kleinerem Raum eine größere Heizleistung untergebracht werden kann. Diese Vorteile führen dazu, daß die Glühkerze nach der Erfindung eine um bis zu 50 % verkürzte Anheizzeit bei im übrigen gleichen Voraussetzungen für Standzeit und gleicher Stromaufnahme ermöglicht. Da diese Zeiten die Vorglühzeiten für Dieselmotoren bestimmen, ist dies ein sehr wesentlicher Vorteil, der zu hohen Zeiteinsparungen und einem verbesserten Startverhalten führt.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der das Flachmaterial oder band seine größte Querschnittsabmessung in Richtung der Wendel- oder Spiralachse hat, wendet das Widerstandselement eine seiner großen Flächen der Außenseite zu, die somit die Wärme durch Leitung über die zwischengeschaltete Einbettmasse direkt an die Außenfläche des Glühelementes abgeben kann. Durch die Auseinanderziehung dieser Wendel oder Spirale wird die gesamte Länge des Widerstandsheizelementes weitgehend gleichmäßig zur Wärmeableitung herangezogen und die Mittelbereiche sind nicht benachteiligt. Durch konische Ausbildung des Widerstandselementes, das somit eine Wendel- bzw. Spiralform hat, läßt es sich gut an die Gegebenheiten anpassen.
  • Bei einer Ausführung, bei der die größten Querabmessungen quer zur Spiral- bzw. Wendelachse liegen, läßt sich eine sehr dicht Wicklung vornehmen und der tote Innenraum der Wendel bzw. Spirale, der nur den Durchmesser vergrößert und weitgehend nutzlos mit aufgeheitz werden muß, läßt sich gering halten.
  • In diesem Falle kann der dem Boden zugewandte Teil des Widerstandselementes an diesem direkt durch Schweißung befestigt sein, so daß das Glühelement den Rückleiter bildet. Es ist auch möglich, die Breite des Flachmaterialbandes über die Länge des Widerstandsheizelementes zu variieren, um es aufgrund der unterschiedlichen Leiterquerschnitte in der Glühtemperatur an die Gegebenheiten anzupassen, beispielsweise um Bereiche mit höherer Wärmeableitung stärker beheizen zu können. Zwischen der Erstreckung der größten Querschnittsabmessung in Achsrichtung oder quer zu dieser sind auch beliebige Zwischenstellungen möglich, in denen das Flachmaterial einen Winkel zur Achse einnimmt. In diesem Falle würde beispielsweise eine Wendel oder Spirale mit konisch ansteigenden oder abfallenden Windungsflanken entstehen.
  • Diese und weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung beschrieben und erläutert, wobei die einzelnen Merkmale für sich allein oder in Unterkombinationen zu mehreren verwirklicht sein können. In den Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    eine teilgeschnittenen Detailansicht einer Glühkerze in teil-perspektivischer Darstellung,
    Fig. 2
    eine Variante eines Widerstandselementes.
  • Fig. 1 zeigt eine Glühkerze 11 mit einem Kerzengehäuse 12, das mittels eines Gewindes 13 über Sechskant-Schlüsselflächen 14 in den Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, zum Beispiel eines Dieselmotors, eingeschraubt werden kann. Das Kerzengehäuse und der nicht dargestellte Anschluß an eine elektrische Zuleitung kann in üblicher Weise ausgebildet sein. In den Brennraum hinein ragt ein hülsenförmiges Glühelement 15, das an seinem freien Ende durch einen beispielsweise kugeligen Boden 16 abgeschlossen ist. In ihm liegt in einer elektrischisolierenden, hochwärmefesten Einbettmasse 17 ein elektrisches Widerstandselement 18, mit dem das Glühelement beheizt wird.
  • Das Widerstandselement 18 besteht aus zwei Abschnitten, und zwar einem Draht-Widerstandselement 19, das aus einem in Form einer zylindrischen Wendel gewickelten Runddraht besteht und den zum Kerzengehäuse 12 hin gewandten Abschnitt des Widerstandselementes 18 bildet. Mit einem geschweißten Anschluß 22 ist direkt mit ihm ein Flachmaterial-Widerstandselement 20 verbunden, das aus einem Band aus Widerstandsmaterial besteht, das die Form einer konisch auseinandergezogenen Spirale hat. Die größten Querschnittsabmessungen a liegen dabei in Richtung der Achse 24 des Widerstandselementes und der Glühkerze. Der dem Boden 16 zugewandte Teil des Flachmaterial-Widerstandselementes 20 ist direkt mit dem Boden verschweißt, der den Rückleiter bildet.
  • Die einzelnen Windungen der konischen Spirale sind beim Ausführungsbeispiel so weit auseinandergezogen, daß sie sich kaum noch überlappen. Wenn sie so weit auseinandergezogen sind, daß zwischen benachbarten Windungen ein Längsabstand zur Schaffung einer Isolierstrecke entsteht, könnte das Flachmaterial-Widerstandselement auch in Form einer zylindrischen Wendel ausgeboldet sein. Im Beispiel verjüngt sich das Flachmaterial-Widerstandselement 20 vom Wendeldurchmesser des Draht-Widerstandselementes bis auf einen sehr kleinen Durchmesser im Bereich des Bodenanschlusses 23 und paßt sich somit gut der sich ebenfalls verjüngenden Form des Glühelementes an.
  • Der dem Kerzengehäuse zugewandte Widerstandselement-Abschnitt besteht aus einem Material mit hohem positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstandes (PTC).
  • Es ist zu erkennen, daß damit ein insbesondere im besonders wesentlichen Endbereich des Glühelementes sehr größflächiges und wirksames Widerstandselement geschaffen wird. Es ist den Gegebenheiten, insbesondere der hohen Wärmeabgabe im Endbereich, gut anzupassen.
  • Fig. 2 zeigt eine Ausführung, bei der das FlachmaterialWiderstandsheizelement ebenfalls aus einem Band hergestellt ist, das jedoch seine größeren Querschnittsabmessungen a quer zur Achse 24 hat. Auch dies ist in Form eines konischen bzw. bogenförmig gerundeten spiralig/wendelförmigen Körpers gewickelt, der sich ebenfalls gut an die Endform des Glühelementes anpassen läßt. Insbesondere bei dieser verjüngten Ausbildung ist die Anordnung der Bänder mit quer zur Achse verlaufender Flächenerstreckung vorteilhaft, weil dadurch eine bevorzugte Wärmeabgabe an das Ende des Glühelementes erfolgt. Auch für die Einbettung ergeben sich Vorteile.

Claims (6)

  1. Glühkerze zur Anordnung im Brennraum einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine mit einem Kerzengehäuse (12) und einem hülsenförmigen Glühelement (15) mit im wesentlichen gleicher Wandstärke, das an seinem freien Ende einen Boden (16) aufweist, und in dem in elektrisch isolierender Einbettmasse (17) angeordnet sind:
    - ein dem Boden (16) zugewandtes Heizelement (20) aus Flachband-Widerstandsmaterial in Form einer in Längsrichtung des Glühelementes (15) auseinandergezogenen Flachmaterial-Spirale bzw. Wendel und
    - ein dem Kerzengehäuse (12) zugewandtes, dem Heizelement (20) elektrisch vorgeschaltetes und damit leitend verbundenes Widerstandselement (19) aus Runddraht, das aus einem Material mit hohem positiven Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes (PTC) besteht.
  2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Heizelementes (20) sich über einen Teil seiner Länge zum Boden (16) des Glühelementes (15) hin verringert.
  3. Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) mit einem seiner Anschlüsse (23) mit dem Boden (16) verbunden ist, vorzugsweise im Bereich seines geringsten Durchmessers direkt mit dem Boden (16) verschweißt ist, wobei insbesondere ein dem Boden (16) benachbarter Abschnitt konisch ausgebildet ist.
  4. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (20) größere Querschnittsabmessungen (a) quer seiner Achse (24) aufweist.
  5. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachmaterial einen Querschnitt mit in Längsrichtung des Glühelementes (15) größeren, vorzugsweise mehr als dreimal größeren Längsabmessungen aufweist als die zugehörigen Dicken-Abmessungen.
  6. Glühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Flachmaterialstreifens, aus dem das Heizelement (20) besteht, über die Länge des Widerstandselementes unterschiedlich ist.
EP89105742A 1988-04-12 1989-04-01 Glühkerze zur Anordnung im Brennraum einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0337216B1 (de)

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EP0337216A2 EP0337216A2 (de) 1989-10-18
EP0337216A3 EP0337216A3 (en) 1990-02-28
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