EP0523062B1 - Glühstiftkerze für brennkraftmaschinen - Google Patents

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EP0523062B1
EP0523062B1 EP91904691A EP91904691A EP0523062B1 EP 0523062 B1 EP0523062 B1 EP 0523062B1 EP 91904691 A EP91904691 A EP 91904691A EP 91904691 A EP91904691 A EP 91904691A EP 0523062 B1 EP0523062 B1 EP 0523062B1
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EP
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resistance
glow plug
combustion chamber
coil
sheathed
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Johannes Locher
Friedrich MÜHLEDER
Bernhard Kaczynski
Werner Teschner
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Robert Bosch GmbH
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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

Definitions

  • the invention relates to a glow plug for arrangement in the combustion chamber of air-compressing internal combustion engines according to the preamble of claim 1.
  • a glow plug which in principle has the same structure and the same function as the glow plug according to the above-mentioned DE-C-28 02 625, but for the control element a cobalt-iron alloy or Nickel-iron alloy used, the iron content of which is 20 to 35 percent by weight.
  • These two alloys mentioned above have a body-centered cubic structure at room temperature, while they heat up to a face-centered cubic structure when heated in the range between room temperature and 1000 ° C. It has been shown that these latter glow plugs have only a relatively short service life due to the disruption of the control element material, lead to undesired operational malfunctions and also cause costs for the elimination of the malfunction.
  • the glow plug according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that the control element of the resistance element is not disrupted after a relatively short period of operation and the resulting malfunctions and costs are avoided.
  • control element of the resistance element consists of a cobalt-iron alloy, the iron content of which is 12 to 14 percent by weight.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through the region of a glow plug on the combustion chamber side in an enlarged view according to the invention
  • FIG. 2 shows a cobalt-iron diagram which shows the material structures as a function of temperature and alloy ratio.
  • the glow plug 10 shown in Figure 1 is provided for arrangement in a combustion chamber, not shown, of air-compressing internal combustion engines.
  • This glow plug 10 has a tubular metal housing 11, in the longitudinal bore 12 of which a glow plug 13 is fixed with a part of its length.
  • This glow plug 13 has a corrosion-resistant, thin-walled glow tube 14 which is closed at its end on the combustion chamber side by a base 15.
  • an electrical resistance element 17 extends, which extends in the axial direction, is embedded in insulating material 18 (e.g.
  • connection part 19 for the electric current away from the combustion chamber is electrically conductive and firmly connected to the combustion chamber
  • Bottom 15 of the glow tube 14 is connected and is composed of two resistance coils 20, 21 connected in series.
  • the resistance coil 20 on the combustion chamber side serves as a heating element and the resistance coil 21 remote from the combustion chamber acts, as is known, as a regulating element due to its high positive temperature-resistance coefficient: while the resistance coil 20 serving as a heating element in a known manner consists of a wire material with essentially temperature-independent resistance behavior (e.g. from a chrome-aluminum-iron alloy), the resistance coil 21 acting as a control element is selected from a cobalt-iron alloy.
  • this resistance coil 21 serving as a control element is composed of such an alloy of cobalt and iron, so that it maintains a face-centered cubic structure ( ⁇ ) during all operating states of the glow plug 10.
  • This face-centered cubic structure ( ⁇ ) of the cobalt-iron alloy of such a resistance element 21 serving as a regulating element is given when the alloy has approximately between 6 and 18 percent by weight iron.
  • this resistance coil 21 With less than 6 percent by weight of iron in the cobalt-iron alloy, this resistance coil 21 would initially have a hexagonal material structure ( ⁇ ) at room temperature, which - depending on the iron content - only has a face-centered cubic material structure ( ⁇ ) would take. With more than 18 percent by weight of iron in a cobalt-iron alloy, this material would have a cubic, body-centered structure ( ⁇ ), namely up to at least 400 ° C, but mostly in the range between 800 and 900 ° C before it was converted into a face-centered cubic structure ( ⁇ ).
  • the preferred range for a cobalt-iron alloy, which is suitable for a resistance coil 21 serving as a control element, contains 12 to 14 percent by weight of iron. In the diagram for cobalt-iron alloys shown in FIG.
  • the functional lines 22 and 23 shown in this diagram separate the areas of different material structures from one another.
  • the function line 21 separates the area between the hexagonal material structure ( ⁇ ) from the area of the cubic face-centered material structure ( ⁇ ), while the function line 23 separates the areas of the cubic body-centered material structure ( ⁇ ) from the area of the cubic face-centered material structure ( ⁇ ).
  • the preferred cobalt-iron alloy for this purpose which contains 12 to 14 percent by weight iron, is identified in the diagram in FIG. 2 as a hatched area 24.
  • the desired behavior of the resistance element 17 with respect to temperature and time can be adapted to the desired course even more precisely by means of other known measures.
  • measures include B. the arrangement of an annular gap 25 between the metal housing 11 and part of the length of the glow plug 13 (see Figure 1); Such an annular gap 25 is usually used when the free length of the glow plug 13 protruding from the metal housing 11 on the combustion chamber side is to be as short as possible and therefore part of the resistance coil 21 serving as a control element projects into the area of the glow plug 13 surrounded by the metal housing 11.
  • the axial length of the resistance filament 21 can usually be made relatively short, so that the regulating filament (and of course the heating filament on the combustion chamber side) are completely outside the area of the glow plug 13 surrounded by the metal housing 11 can be accommodated; this latter embodiment of a glow plug is to be regarded as the preferred embodiment.
  • the following can also be used as further measures for adapting the temperature / time profile of the glow plug 10: adjusting the wire diameter of the resistance filaments 20 and 21, changing the slopes of the resistance filaments 20 and 21, varying the distance between the resistance filament 20 and the resistance filament 21, using Insulating materials 18 of different thermal conductivity (in particular in the area between the two resistance coils 20 and 21), arrangement of electrically conductive, heat but poorly conductive intermediate pieces (not shown) between the resistance coil 20 and the resistance coil 21, etc.

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Abstract

Es wird eine Glühstiftkerze (10) zur Anordnung im Brennraum luftverdichtender Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, die in bekannter Weise in ihrem Glühstift (13) ein Widerstandselement (17) enthält, wobei sich dieses Widerstandselement (17) aus zwei in Reihe verbundenen Widerstandswendeln (20, 21) zusammensetzt. Während die brennraumseitige Widerstandswendel (20) eine Heizwendel mit bei allen Betriebstemperaturen im wesentlichen gleichmäßigen Widerstandsverhalten ist, hat die Brennraumferne drahtwendelförmige Widerstandswendel (21), die als Regelelement wirkt, einen hohen Temperatur-Widerstandskoeffizienten. Gemäß der Erfindung besteht diese als Regelelement funktionierende Widerstandswendel (21) aus einer Kobalt-Eisen-Legierung, welche bei den in einer Brennkraftmaschine auftretenden Temperaturbeanspruchungen keiner Materialzerrüttung unterliegt; die Kobalt-Eisen-Legierung ist gemäß der Erfindung so gewählt, so daß sie bei allen Betriebszuständen der Glühstiftkerze (10) eine kubisch flächenzentrierte Materialstruktur beibehält; der Eisen-Gehalt dieser Kobalt-Eisen-Legierung liegt zwischen 6 und 18 Gewichtsprozent, bevorzugt bei 12 bis 14 Gewichtsprozent. Das als Drahtwendel ausgebildete Widerstandselement (17) ist bekannterweise in ein elektrisch isolierendes, Wärme gut leitendes Isoliermaterial (18) eingebettet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zur Anordnung im Brennraum luftverdichtender Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Der prinzipielle Aufbau und die Funktion einer derartigen Glühstiftkerze ist in der DE-C-28 02 625 wiedergegeben. Bei dieser Glühstiftkerze enthält ihr Glühstift ein in ein Isoliermaterial eingebettetes, elektrisches Widerstandselement, das sich aus zwei in Reihe verbundenen Widerstandswendeln zusammensetzt. Die brennraumseitige Widerstandswendel dieses Widerstandselementes dient als Heizelement und besitzt einen im wesentlichen temperaturunabhängigen Widerstand, während die brennraumferne Widerstandswendel einen hohen positiven Temperatur-Widerstandskoeffizienten aufweist und als Regelelement wirkt; letztere besteht dabei aus Nickel.
  • Aus der DE-C-38 25 012 ist eine Glühkerze bekannt, die prinzipiell den gleichen Aufbau und die gleiche Funktion wie die Glühstiftkerze nach der obengenannten DE-C-28 02 625 hat, jedoch für das Regelelement eine Kobalt-Eisen-Legierung oder eine Nickel-Eisen-Legierung verwendet, wobei deren Eisen-Anteil 20 bis 35 Gewichtsprozent beträgt. Diese beiden vorgenannten Legierungen weisen bei Raumtemperatur eine kubisch raumzentrierte Struktur auf, während sie bei Erwärmung im Bereich zwischen Raumtemperatur und 1000°C in eine kubisch flächenzentrierte Struktur übergehen. Es hat sich gezeigt, daß diese letztgenannten Glühstiftkerzen infolge der Zerrüttung des Regelelement-Materials nur eine relativ kurze Lebensdauer haben, zu unerwünschten Betriebsstörungen führen und darüber hinaus für die Störungsbeseitigung Kosten verursachen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß eine Zerrüttung des Regelelementes des Widerstandselementes nach relativ kurzer Betriebsdauer nicht erfolgt und sich daraus ergebende Betriebsstörungen und Kosten vermieden werden.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Glühstiftkerzen möglich; besonders vorteilhaft ist es, wenn das Regelelement des Widerstandselementes aus einer Kobalt-Eisen-Legierung besteht, deren Eisen-Anteil 12 bis 14 Gewichtsprozent beträgt.
    • Zeichnung
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch den brennraumseitigen Bereich einer Glühstiftkerze in vergrößerter Darstellung gemäß der Erfindung und Figur 2 ein Kobalt-Eisen-Diagramm, welches die Material-Strukturen in Abhängigkeit von Temperatur und Legierungsverhältnis zeigt.
    • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Die in Figur 1 dargestellte Glühstiftkerze 10 ist zur Anordnung in einem nicht dargestellten Brennraum luftverdichtender Brennkraftmaschinen vorgesehen. Diese Glühstiftkerze 10 besitzt ein rohrförmiges Metallgehäuse 11, in dessen Längsbohrung 12 ein Glühstift 13 mit einem Teil seiner Länge abdichtend festgelegt ist. Dieser Glühstift 13 hat ein korrosionsbeständiges, dünnwandiges Glührohr 14, welches an seinem brennraumseitigen Ende mit einem Boden 15 verschlossen ist. In dem Innenraum 16 des Glührohres 14 erstreckt sich ein elektrisches Widerstandselement 17, das sich in axialer Richtung erstreckt, in Isoliermaterial 18 (z.B. Magnesiumoxidpulver) eingebettet ist, brennraumfern mit einem Anschlußteil 19 für den elektrischen Strom versehen ist, brennraumseits elektrisch leitend und fest mit dem Boden 15 des Glührohres 14 verbunden ist und sich aus zwei in Reihe verbundenen Widerstandswendeln 20, 21 zusammensetzt. Die brennraumseitige Widerstandswendel 20 dient dabei als Heizelement und die brennraumferne Widerstandswendel 21 wirkt infolge ihres hohen positiven Temperatur-Widerstandskoeffizienten bekannterweise als Regelement: während die als Heizelement dienende Widerstandswendel 20 in bekannter Weise aus einem Drahtmaterial mit im wesentlichen temperaturunabhängigen Widerstandsverhalten besteht (z. B. aus einer Chrom-Aluminium-Eisen-Legierung), wird die als Regelelement wirkende Widerstandswendel 21 aus einer Kobalt-Eisen-Legierung gewählt. Diese als Regelelement dienende Widerstandswendel 21 setzt sich gemäß der Erfindung aus einer derartigen Legierung von Kobalt und Eisen zusammen, so daß sie während aller Betriebszustände der Glühstiftkerze 10 eine kubisch flächenzentrierte Struktur (γ) beibehält. Diese kubisch flächenzentrierte Struktur (γ) der Kobalt-Eisen-Legierung eines solchen als Regelelement dienenden Widerstandselementes 21 ist dann gegeben, wenn die Legierung etwa zwischen 6 und 18 Gewichtsprozent Eisen aufweist. Kobalt-Eisen-Legierungen, welche weniger als 6 oder mehr als 18 Gewichtsprozent an Eisen haben, durchlaufen bei ihrem Einsatz als Widerstandswendeln 21 in Glühstiftkerzen 10 außer der kubisch flächenzentrierten Materialstruktur (γ) auch andere Materialstrukturen (siehe Figur 2). Bei weniger als 6 Gewichtsprozenten an Eisen in der Kobalt-Eisen-Legierung würde diese Widerstandswendel 21 bei Raumtemperatur zunächst eine hexagonale Materialstruktur (ε) haben, welche - in Abhängigkeit vom Eisen-Anteil - erst bei ansteigenden Temperaturen eine kubisch flächenzentrierte Material-Struktur (γ) einnehmen würde. Bei mehr als 18 Gewichtsprozenten an Eisen in einer Kobalt-Eisen-Legierung besäße dieses Material eine kubisch raumzentrierte Struktur (α), und zwar bis zumindest 400°C, zumeist aber bis in den Bereich zwischen 800 und 900°C hinein, ehe es sich in eine kubisch flächenzentrierte Struktur (γ) umwandelt. Der bevorzugte Bereich für eine Kobalt-Eisen-Legierung, der für eine als Regelelement dienende Widerstandswendel 21 geeignet ist, enthält 12 bis 14 Gewichtsprozent Eisen. In dem in Figur 2 dargestellten Diagramm für Kobalt-Eisen-Legierungen sind in der Senkrechten die Temperaturen von 0 bis 1200°C aufgetragen und in der Waagerechten mögliche Anteile von Eisen bzw. Kobalt für eine Kobalt-Eisen-Legierung; die Anteile sind in Gewichtsprozenten bemessen. Verunreinigungen bzw. Verarbeitungszuschläge, die üblicherweise 1 Gewichtsprozent der Legierung kaum überschreiten, sind bei vorstehenden Angaben vernachlässigt worden. Die in dieses Diagramm eingezeichneten Funktionslinien 22 und 23 trennen die Bereiche unterschiedlicher Materialstrukturen voneinander. Die Funktionslinie 21 trennt den Bereich zwischen hexagonaler Materialstruktur (ε) von dem Bereich kubisch flächenzentrierter Materialstruktur (γ), während die Funktionslinie 23 die Bereiche kubisch raumzentrierter Materialstruktur (α) von dem Bereich kubisch flächenzentrierter Materialstruktur (γ) trennt. Die für diesen Zweck bevorzugte Kobalt-Eisen-Legierung, welche 12 bis 14 Gewichtsprozent Eisen enthält, ist in dem Diagramm in Figur 2 als schraffierter Bereich 24 gekennzeichnet. Eine als Regelelement dienende Widerstandswendel 21 aus einer Legierung, die in dem Legierungsbereich mit γ-Materialstruktur bei allen Betriebstemperaturen bleibt, insbesondere in den Bereich 24 fällt, unterliegt keinen Materialzerrüttungen und verursacht demzufolge auch keine Betriebsstörungen und sich daraus ergebende Folgekosten.
  • Das erwünschte Verhalten des Widerstandselementes 17 hinsichtlich Temperatur und Zeit kann mittels anderer bekannter Maßnahmen dem gewünschten Verlauf noch genauer angepaßt werden. Zu diesen Maßnahmen zählt z. B. die Anordnung eines Ringspaltes 25 zwischen dem Metallgehäuse 11 und einem Teil der Länge des Glühstiftes 13 (siehe Figur 1); ein solcher Ringspalt 25 findet zumeist dann Anwendung, wenn die brennraumseits aus dem Metallgehäuse 11 herausragende freie Länge des Glühstiftes 13 möglichst kurz sein soll und deshalb ein Teil der als Regelelement dienenden Widerstandswendel 21 in den vom Metallgehäuse 11 umgebenen Bereich des Glühstiftes 13 hineinragt. Infolge des besonders hohen Temperatur-Widerstandskoeffizienten der erfindungsgemäßen Kobalt-Eisen-Legierung kann die axiale Länge der Widerstandswendel 21 zumeist relativ kurz ausgebildet werden, so daß die Regelwendel (und natürlich auch die brennraumseitige Heizwendel) vollständig außerhalb des vom Metallgehäuse 11 umgebenen Bereich des Glühstiftes 13 untergebracht werden kann; diese letztere Ausführungsform einer Glühstiftkerze ist als bevorzugte Äusführungsform anzusehen.
  • Als weitere Maßnahmen zum Anpassen des Temperatur/Zeit-Verlaufs der Glühstiftkerze 10 können auch Verwendung finden: Anpassung der Drahtdurchmesser der Widerstandswendeln 20 und 21, Veränderung der Steigungen der Widerstandswendeln 20 und 21, Variation des Abstandes zwischen der Widerstandswendel 20 und Widerstandswendel 21, Verwendung von Isoliermaterialien 18 unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit (insbesondere im Bereich zwischen den beiden Widerstandswendeln 20 und 21), Anordnung von elektrisch leitenden, Wärme aber schlecht leitenden Zwischenstücken (nicht dargestellt) zwischen der Widerstandswendel 20 und Widerstandswendel 21 usw.

Claims (4)

  1. Glühstiftkerze (10) zur Anordnung im Brennraum luftverdichtender Brennkraftmaschinen, mit einem rohrförmigen Metallgehäuse (11), in dessen Längsbohrung (12) ein Glühstift (13) mit einem Teil seiner Länge abdichtend festgelegt ist, wobei der Glühstift (13) ein dünnwandiges, an seinem brennraumseitigen Ende mit einem Boden (15) verschlossenes Glührohr (14) hat, in dessen Innenraum (16) ein sich in axialer Richtung erstreckendes, in ein Isoliermaterial (18) eingebettetes, elektrisches Widerstandselement (17) angeordnet ist, welches brennraumfern mit einem Anschlußteil (19) für den elektrischen Strom versehen ist, brennraumseits elektrisch leitend und fest mit dem Boden (15) des Glührohrs (14) verbunden ist und sich aus zwei in Reihe verbundenen Widerstandswendeln (20, 21) zusammensetzt, von denen die brennraumseitige Widerstandswendel (20) als Heizelement dient und die brennraumferne Widerstandswendel (21) infolge ihres hohen positiven Temperatur-Widerstandskoeffizienten als Regelelement wirkt und aus einer Kobalt-Eisen-Legierung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einer Kobalt-Eisen-Legierung bestehende, als Regelelement dienende Widerstandswendel (21) während aller Betriebszustände der Glühstiftkerze (10) eine kubisch flächenzentrierte Materialstruktur (γ) beibehält.
  2. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kobalt-Eisen-Legierung der als Regelelement dienenden Widerstandswendel (21) zwischen 6 und 18 Gewichtsprozent Eisen aufweist.
  3. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kobalt-Eisen-Legierung der als Regelelement dienenden Widerstandswendel (21) 12 bis 14 Gewichtsprozent Eisen enthält.
  4. Glühstiftkerze (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die als Heizelement dienende Widerstandswendel (20) als auch die als Regelelement dienende Widerstandswendel (21) des Widerstandselements (17) im wesentlichen innerhalb desjenigen Längsabschnitts des Glühstifts (13) angeordnet ist, der radial nicht mit dem Metallgehäuse (11) in direkter Berührung ist.
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