EP0392181A1

EP0392181A1 - Glühstiftkerze

Info

Publication number: EP0392181A1
Application number: EP19900103956
Authority: EP
Inventors: Bernhard Dipl.-Ing. Kaczynski; Werner Dipl.-Ing. Teschner; Andreas Klein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-04-08
Filing date: 1990-03-01
Publication date: 1990-10-17
Anticipated expiration: 2010-03-01
Also published as: DE59001591D1; EP0392181B1; DE3911492A1; JP2793005B2; JPH02293524A

Abstract

Es wird eine Glühstiftkerze zur Anordnung im Verbrennungsraum einer Dieselbrennkraftmaschine vorgeschlagen, die ein verbessertes Regelverhalten und insbesondere eine verkürzte Vorglühzeit gegenüber herkömmlichen Glühstiftkerzen aufweist. Hierfür ist gemäß der Erfindung im brennraumseitigen Bereich des Glühstiftes, und zwar zwischen der dort angeordneten Heizwendel (7) und der Regelwendel (8) eine Übergangszone (10) vorgesehen, die durch ein in diesem Bereich angeordnetes Isolierpulver mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist und die die in der Heizwendel (7) erzeugte Wärme am unerwünschten zu schnellen Erreichen der Regelwendel (8) hindert.

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 (insbesondere Magnesiumoxyd) 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, die einen hohen positiven Widerstands-Temperatur-Koeffizienten (PTC) aufweist und auch in das genannte Isolierpulver mit 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.
Bei bekannten Glühstiftkerzen ist das Glührohr mit einem elektrisch isolierenden, aber Wärme gut leitenden Keramikpulver, z. B. Magnesiumoxyd, gefüllt.
Die gute Wärmeleitfähigkeit des Keramikpulvers ist deshalb sinnvoll und erforderlich, um insbesondere die Wärme von der Heizwendel rasch nach außen zum Glührohr zu transportieren.
Sofern die Heizwendel und die Regelwendel im Glührohr räumlich eng beieinanderliegen, ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die von der Heizwendel abgegebene Wärme durch die gute Wärmeleitfähigkeit sowohl des Isolierpulvers als auch des Glührohrs eine zu rasche Aufheizung der Regelwendel bewirkt. Die Regelwendel erhöht deshalb zu früh ihren temperaturabhängigen Widerstand und regelt die Heizleistung der Heizwendel herunter. Es wäre deshalb von Vorteil, wenn die Temperaturbeeinflussung der Regelwendel seitens der Heizwendel verringert werden könnte. Hierfür ist aus der EP-0 240 650 Al 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 CrNi- Stahl mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit, jedoch einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit. Dieses Verbindungsstück ist ebenfalls von dem im gesamten Glührohr einheitlich vorhandenen Isolierpulver umgeben, bewirkt aber nur eine unzureichende thermische Isolation, ist baulich aufwendig und in der Wirkung unbefriedigend.
Aus der deutschen Patentschrift DE-PS 34 21 950 ist eine Glühstiftkerze bekannt geworden, bei welcher die Heizwendel in einem gesonderten Isolierkörper aus einem gesinterten Keramikmaterial angeordnet ist, während die Regelwendel im üblichen Magnesiumoxyd-Pulver oder in Glas eingebettet ist. Durch diese Anordnung soll eine verbesserte selbstregelnde Funktion der Glühkerze erzielt werden. Dies wird mittels spezieller Heizdraht- sowie Regelwendel-Materialien mit temperaturunabhängigen bzw. temperaturabhängigen Widerstandsverhalten erzielt. Eine gegenseitige Temperaturbeeinflussung zwischen Heizwendel und Regelwendel über das Isolierpulver oder über das Glührohr ist nicht vorgesehen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich noch ein gegenüber diesem Stand der Technik verbessertes Regelverhalten der Glühstiftkerze einstellt. Dabei wird dieses optimale Regelverhalten insbesondere dadurch erreicht, daß verschiedene Sorten von Isolierpulver in das Glührohr eingeführt werden. Dabei wechselt die Sorte des Isolierpulvers innerhalb des Glührohres in axialer Richtung. Erfindungsgemäß wird zwischen der Heizwendel und der Regelwendel durch eine zweite Isolierpulversorte eine Zone mit geringer thermischer Leitfähigkeit geschaffen, die es vermeidet, daß die von der Heizwendel erzeugte Wärme sehr rasch über das sonst übliche Isolierpulver zur Regelwendel transportiert wird. Die Regelwendel wird durch die zusätzliche Isolierpulverschicht zwischen Heizwendel und Regelwendel vielmehr stark verzögert beheizt und die Heizwendel kann demzufolge ihre Leistung besser entfalten.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Glühstiftkerze möglich.
Zweckmäßigerweise wird die Länge der Übergangszone mit der zweiten Isolierpulversorte mit ca. 75 % der Länge der Heizzone gewählt. Diese Strecke reicht im Zusammenhang mit einer geeigneten zweiten Isolierpulversorte aus, um den erfindungsgemäßen Effekt zu erzielen.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Regelwendel in einer Länge gewählt, die ca. dem 5fachen der Heizwendel entspricht. Dabei liegt ca. 50 % der Länge der Regelwendel innerhalb des Kerzengehäuses und wird auch nicht unmittelbar durch die Wärmeleitung beeinflußt.
Die Verbindung zwischen Heizwendel und Regelwendel erfolgt zweckmäßigerweise durch einen Abschnitt der Regelwendel mit großer, insbesondere doppelter Wendelsteigung.

Zeichnung

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

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Glühstiftkerze mit Zonen verschiedener Pulversorten,
Fig. 2 ein Diagramm des Temperatur- und Stromverlaufs der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von der Vorglühzeit bei 11 V Betriebsspannung und
Fig. 3 ein Diagramm des Temperatur- und Stromverlaufs von Glühstiftkerzen in Abhängigkeit von der Vorglühzeit bei verschiedenen Betriebsspannungen.

Die in 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 Isolierpulver 6, insbesondere Magnesiumoxyd, 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 Widerstands-Temperatur-Koeffizienten; die Heiz- und die Regelwendeln sind in Reihe hintereinandergeschaltet. Die Regelwendel 8 ist anschlußseitig mit einem Anschlußbolzen 9 verbunden, der als Stromzuführung zur Heizwendel 7 dient. Die Heizwendel 7 ist an ihrem brennraumseitigen Ende mit dem Glührohr 4 verschweißt. Das die Heizwendel 7 und die Regelwendel 8 umschließende Isolierpulver aus Magnesiumoxyd weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute elektrische Isolierfähigkeit auf.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist die Heizwendel 7 eine axiale Länge l₁ mit beispielsweise ca. 6 Windungen auf. Die Regelwendel 8 weist eine Länge l₃ und ca. 30 Windungen auf. Das Verhältnis l₃ : l₁ = 5 : 1. Dieses entspricht auch etwa dem Verhältnis der zugehörigen Windungsanzahl. Die Regelwendel 8 befindet sich mit einer Länge l₄ innerhalb des Kerzengehäuses, wobei
l₄ < 0,5 l₃ ist.
Um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Heizwendel 7 und der Regelwendel 8 herabzusetzen, ist eine Übergangszone 10 mit der Länge l₂ vorgesehen, welche mit einem anderen Isolierpulver 11 ausgefüllt ist. Dieses Isolierpulver 11 muß zwar ebenfalls elektrisch isolieren, weist jedoch im Gegensatz zum Isolierpulver 6 eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß die Wärme von der Heizwendel 7 zur Regelwendel 8 nur sehr schlecht über diesen Bereich geleitet wird. Ein solches Pulver ist beispielsweise unter der Bezeichnung Stettalit (KER 221) der Firma Stettner & Co., 8560 Lauf b. Nürnberg, erhältlich.
In der Übergangszone 10 weist der Endabschnitt 12 der Regelwendel 8 eine sehr große Windungssteigung auf, so daß hier nur wenige Windungen zu liegen kommen. Die Länge l₂ der Übergangszone 10 beträgt etwa 75 % der Länge l₁ der Heizwendel 7.
Die Übergangszone 10 mit der in diesem Bereich schichtweise eingebrachten zweiten Isolierpulversorte mit geringer Wärmeleitfähigkeit verbessert das thermische Verhalten der Glühstiftkerze dahin gehend, daß die in der Heizwendel 7 erzeugte Wärme nicht ohne weiteres über das die Wärme schlecht leitende Isolierpulver 11 abtransportiert werden kann, so daß es zu einem Wärmestau in der Spitze der Heizwendel und damit zu einer schnelleren Aufheizung der brennraumseitigen Spitze des Glührohrs 4 kommt. Das in der Übergangszone 10 befindliche Isolierpulver 11 schlechter Wärmeleitfähigkeit bewirkt aber auch ein verzögertes Abregeln der Leistung der Heizwendel 7 durch die Regelwendel 8, da der Wärmefluß von der Heizwendel 7 nur verzögert zur Regelwendel 8 gelangt. Es erfolgt demnach ein späteres Ansprechen der Regelwendel 8 und damit ein verzögertes Abregeln des Stromes in der Heizwendel 7. Hierdurch kommt es zu einer schnelleren Aufheizung der Heizwendel 7 auf die notwendige Glühtemperatur und damit zu einer Verkürzung der für Dieselmotoren wichtigen Vorglühzeit.
In Fig. 2 ist ein Diagramm mit dem Temperatur- und Stromverlauf der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze in Abhängigkeit der Vorglühzeit gezeigt. Dabei ist der Temperaturverlauf mit 1 und der Stromverlauf mit 2 gekennzeichnet. Die Stromaufnahme ist mit I in Ampere und der Temperaturverlauf mit T in °C, die Vorglühzeit mit t in Sekunden wiedergegeben. Obwohl die Bordnetzspannung zumeist 12 V beträgt, ist sie in dieser Darstellung mit U = 11 V angegeben, und zwar deshalb, weil derartige Glühstiftkerzen einen sehr hohen Strom ziehen, und demzufolge einen Spannungsabfall von ca. 1 V bewirken. Eine herkömmliche Glühstiftkerze ist mit K₁, die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit K₂ gekennzeichnet.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat die Temperaturkurve 1 der neuen Glühstiftkerze K₂ einen steileren Anstieg, so daß es beispielsweise nach einer Zeit von t₁∼ 6,5 s zu einer Aufheiztemperatur T ∼ 850° kommt (Punkt 13). Dies wird durch das in der Übergangszone 10 befindliche Isolierpulver 11 geringer Wärmeleitfähigkeit hervorgerufen. Die herkömmliche Glühstiftkerze K₁ benötigt hierfür eine Vorglühzeit von t₂ ∼ 8 s (Punkt 14). Bei der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze K₂ wird die Temperatur von 950° (Punkt 15) bereits nach einer Vorglühzeit von ca. t₃∼ 9 s erreicht, wozu eine herkömmliche Glühstiftkerze K₁ nahezu t₄∼ 13 s benötigt (Punkt 16).
Durch die zusätzlich eingefügte Pulverschicht 11 mit geringer Wärmeleitfähigkeit wird demnach der Wärmefluß zur Regelwendel verzögert, so daß es zum Wärmestau an der Spitze des Glühstiftes und zu einem verzögerten Abregeln durch geringere Temperaturen an der Regelwendel 8 kommt. Die in Fig. 2 mit Bezugszeichen 2 gekennzeichneten Stromverlaufkurven zeigen, daß der Strom I in der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze K₂ und der Strom in einer herkömmlichen Glühstiftkerze K₁ annähernd gleich sind.
Die Fig. 3 zeigt ein der Figur 2 entsprechendes Diagramm, jedoch mit dem Unterschied, daß die erfindungsgemäße Glühstiftkerze K₂ mit einer Betriebsspannung von nur U = 10,2 V betrieben wurde. Aus dem Diagramm läßt sich ersehen, daß sich die erfindungsgemäße Glühstiftkerze K₂ demnach auch bei der niedrigeren Bordspannung von 10,2 V auf den vorbestimmten Wert von z. B. 850°C in der kurzen Zeit von 8 s aufheizen läßt (s. Bezugszeichen 17), was mit einer herkömmlichen Glühstiftkerze K₁ nur mit einer erhöhten Betriebsspannung U = 11 V erzielt werden kann. Spannungsverluste im Bordnetz wirken sich demnach bei den Glühstiftkerzen gemäß vorliegender Erfindung nicht drastisch auf den Vorglühvorgang aus.
Auch der Stromverlauf (Kurve 2) in Fig. 3 zeigt, daß der Strom der erfindungsgemäßen Glühkerze K₂ unter dem einer herkömmlichen Glühkerze K₁ liegt, d. h., daß auch deren Leistungsaufnahme geringer ist.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Ausgestaltungen ohne eigenen erfinderischen Gehalt.

Claims

1. Glühstiftkerze zur Anordnung im Verbrennungsraum einer Dieselbrennkraftmaschine, mit einem Kerzengehäuse und einem in dessen Längsbohrung festgelegten, in den Brennraum hineinragenden, mit Isolierpulver hoher thermischer Leitfähigkeit gefüllten, als Glühstift ausgebildeten Heizkörper, der in seinem Glührohr brennraumseitig eine Heizwendel mit im wesentlichen konstantem 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 innerhalb des Glührohres (4) zwischen der Heizwendel (7) und der Regelwendel (8) eine Übergangszone (10) aus einem Isolierpulver (11) mit geringer thermischer Leitfähigkeit angeordnet ist.

2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangszone (10) eine Länge l₂ von ca. 75 % der Länge l₁ der Heizzone (7) aufweist (l₂∼ 0,75 x l₁).

3. Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge l₃ der Regelwendel (8) ca. das 5fache der Länge l₁ der Heizwendel (7) aufweist, wobei sich die Windungszahlen in etwa entsprechend verhalten.

4. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Übergangszone (10) die Regelwendel (8) einen Abschnitt (12) mit im Vergleich zur sonstigen Regelwendel (8) großer, insbesondere doppelter Wendelsteigung hat.