EP1188023B1 - Electrically heatable glow plug or glow rod for combustion engines - Google Patents
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- EP1188023B1 EP1188023B1 EP00925294A EP00925294A EP1188023B1 EP 1188023 B1 EP1188023 B1 EP 1188023B1 EP 00925294 A EP00925294 A EP 00925294A EP 00925294 A EP00925294 A EP 00925294A EP 1188023 B1 EP1188023 B1 EP 1188023B1
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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 is based on an electrically heatable glow plug or a glow rod for internal combustion engines according to the preamble of claim 1, as for example from EP 450 185 B1 as known.
- No. 5,791,308 describes a glow plug in which a heating coil around a core of refractory material is wound. This core acts as a heat sink, thus absorbing the heat of the heating coil and increases their life.
- glow plugs are used in the combustion chamber for preheating during a cold start or - as a glow rod in the intake duct - used for intake air preheating.
- the glow plug or The glow rod consist of a corrosion-free metallic Sheath, a heating coil and a control coil and an electric insulating, compressed powder filling.
- the heating and Control coil consists of a ferritic heating system Steel to which a pure nickel wire is welded as a resistance is.
- the material of the heating coil is subject during operation a thermal and chemical influence affecting the life may affect the glow plug. At least put these influences are essential parameters regarding the lifetime the glow plug dar. Due to the high operating temperatures the heating coil and a still existing Oxygen supply in the compressed powder filling occurs to a gradual corrosion of the heating coil. And that is possible On the one hand, intercrystalline corrosion occurs by crystal growth and tendency to coarse grain formation ferritic heating conductors is promoted. On the other hand it can at high temperatures for corrosion on the free surface the heating coil and thus to weaken the Schudrahtqueriteses come.
- magnesium oxide is generally used. Around the atmospheric oxygen contained in the pores of the powder filling minimize the powder is very highly compressed, by placing the filled metal shell from the outside through a concentric acting impact tool compressed and thereby im Diameter is reduced.
- the powder filling is in the range the Schustabspitze particularly compacted by the there Metal shell is conically compressed.
- the object of the invention is based on the generic Glow plug for a longer life of the heating coil to improve.
- glow plugs in the combustion chamber for the Pre-heating during cold start or - as a rod-shaped flame glow plug or flame system in the supply air duct - for air preheating used.
- the embodiment shown in Figure 1 a glow plug has a glow tube 5, the in held a plug body 1 and electrically conductive with him connected is.
- the jacket of the glow tube is usually from a nickel-rich iron alloy or from a corrosion-free one Nickel-based alloy, such as Inconel 601 and is usually electrically connected as a ground, so negatively. This electrical ground connection comes over that Screw thread 7 and / or through the cone 7a at the bottom front end of the candle body 1 state.
- the glow tube In the glow tube is a heating coil 8 with a via a Connection welding 11 control coil 9 welded thereto and an electrically insulating, compacted powder filling 10 arranged.
- This powder filling has, in particular in condensed state, several functions: It provides first that the heating (8) and control coil 9 within, the glow tube stationary housed and fixed and are held electrically isolated.
- the compact Powder By the compact Powder must as possible the heat generated in the heating coil 8 well forwarded to the mantle of the glow tube.
- the compression of the powder Air pockets especially a certain residual oxygen be eliminated as possible. This requires a special make intensive compaction of the powder, especially in the Area of the heating coil 8.
- the heating and control coil 8, 9 is in the heating area (Heating coil 8) made of a ferritic steel, e.g. from one Iron-chromium-aluminum alloy with 17 to 22% chromium and 3 up to 7% aluminum; is a commonly used alloy Kantal AF CrA1225. At such a heating coil is a coiled Wire (control coil 9) welded from pure nickel (Joint weld 11), the function of a variable resistor has.
- the heating coil 8 is in the top of Glow tube via a sealing weld 12 with the glow tube connected.
- the other end of the control coil 9 is one in one Insulating washer 4 embedded connecting bolt 2 connected, the electrically isolated and sealed by a seal 6 is led out of the candle body 1.
- the connecting bolt is via a nut 3, which ensures a cable eye contacted with the connecting bolt, with the plus pole one Power source connected.
- the connection pin 2 am upper open end of the glow tube with a soft insulating Gasket 6 'sealed, the penetration of Atmospheric oxygen in the compressed powder filling reliable should prevent.
- magnesium oxide is generally used.
- the filled glow tube from the outside through a concentrically acting impact tool radially compressed and thereby reduced in diameter, being also a conical History is achievable.
- the powder filling is compressed very strongly, by the metal sheath compressed particularly strong radially becomes.
- a diffusion treatment such as nitriding recommended, which by nitride formation in the diffusion zone leads to an increase in hardness and as a result of the diffusion processes a gradual transition from the hardened Edge zone to the soft core results.
- This diffusion zone 13 of the coils 8, 9 expediently has a depth t from about 5 to 10 microns.
- the helices Due to the hardening of the helices only in a near-surface boundary layer 13, the helices nevertheless nevertheless remain plastically deformable as a whole. On the other hand, a pronounced graining of the wire surface during the radial compression of the powder filling by the surface hardening is avoided. The helices have a smooth surface 14 even after the powder filling has been compressed. As a result, mechanical pre-damage of the conductor wire can be avoided. The result is a longer life expectancy of the conductor and thus the entire glow plug.
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Description
Die Erfindung geht aus von einer elektrisch beheizbaren Glühkerze
oder einem Glühstab für Verbrennungsmotoren nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der EP
450 185 B1 als bekannt hervorgeht.The invention is based on an electrically heatable glow plug
or a glow rod for internal combustion engines according to the preamble
of
In der US 5791 308 wird eine Glühkerze beschrieben, bei der eine Heizwendel um einen Kern aus einem refraktären Material gewickelt ist. Dieser Kern wirk als Wärmesenke, absorbiert somit die Wärme der Heizwendel und erhöht deren Lebensdauer.No. 5,791,308 describes a glow plug in which a heating coil around a core of refractory material is wound. This core acts as a heat sink, thus absorbing the heat of the heating coil and increases their life.
In Dieselmotoren werden Glühkerzen im Brennraum für die Vorheizung beim Kaltstart oder - als Glühstab im Ansaugkanal - für die Ansaugluftvorwärmung eingesetzt. Die Glühkerze oder der Glühstab bestehen aus einem korrosionsfreien metallischen Mantel, aus einer Heiz- und einer Regelwendel und aus einer elektrisch isolierenden, verdichteten Pulverfüllung. Die Heizund Regelwendel besteht im Heizbereich aus einem ferritischen Stahl, an die ein Reinnickeldraht als Regelwiderstand angeschweißt ist.In diesel engines, glow plugs are used in the combustion chamber for preheating during a cold start or - as a glow rod in the intake duct - used for intake air preheating. The glow plug or The glow rod consist of a corrosion-free metallic Sheath, a heating coil and a control coil and an electric insulating, compressed powder filling. The heating and Control coil consists of a ferritic heating system Steel to which a pure nickel wire is welded as a resistance is.
Der Werkstoff der Heizwendel unterliegt während des Betriebes einer thermischen und chemischen Beeinflussung, die die Lebensdauer der Glühkerze beeinträchtigen kann. Zumindest stellen diese Einflüsse wesentliche Parameter hinsichtlich der Lebensdauer der Glühkerze dar. Aufgrund der hohen Betriebstemperaturen der Heizwendel und eines nach wie vor noch vorhandenen Sauerstoffangebotes in der verdichteten Pulverfüllung kommt es zu einer schleichenden Korrosion der Heizwendel. Und zwar kann es zum einen zu einer interkristallinen Korrosion kommen, die durch Kristallwachstum und Neigung zur Grobkornbildung bei ferritischen Heizleitern gefördert wird. Zum anderen kann es bei hohen Temperaturen zur Korrosion an der freien Oberfläche der Heizwendel und somit zur Schwächung des Heizdrahtquerschnittes kommen.The material of the heating coil is subject during operation a thermal and chemical influence affecting the life may affect the glow plug. At least put These influences are essential parameters regarding the lifetime the glow plug dar. Due to the high operating temperatures the heating coil and a still existing Oxygen supply in the compressed powder filling occurs to a gradual corrosion of the heating coil. And that is possible On the one hand, intercrystalline corrosion occurs by crystal growth and tendency to coarse grain formation ferritic heating conductors is promoted. On the other hand it can at high temperatures for corrosion on the free surface the heating coil and thus to weaken the Heizdrahtquerschnittes come.
Als Pulverfüllung wird im allgemeinen Magnesiumoxid verwendet. Um den in den Poren der Pulverfüllung enthaltenen Luftsauerstoff zu minimieren, wird das Pulver sehr stark verdichtet, indem der gefüllte Metallmantel von außen durch ein konzentrisch wirkendes Schlagwerkzeug gestaucht und dadurch im Durchmesser reduziert wird. Die Pulverfüllung wird im Bereich der Heizstabspitze besonders stark verdichtet, indem dort der Metallmantel konisch gestaucht wird.As powder filling, magnesium oxide is generally used. Around the atmospheric oxygen contained in the pores of the powder filling minimize the powder is very highly compressed, by placing the filled metal shell from the outside through a concentric acting impact tool compressed and thereby im Diameter is reduced. The powder filling is in the range the Heizstabspitze particularly compacted by the there Metal shell is conically compressed.
Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundegelegte Glühkerze bezüglich einer höheren Lebensdauer der Heizwendel zu verbessern.The object of the invention is based on the generic Glow plug for a longer life of the heating coil to improve.
Diese Aufgabe wird - ausgehend von der gattungsgemäß zugrundegelegten
Glühkerze - erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Es hat sich nämlich herausgestellt,
daß bei dem Verdichten der Pulverfüllung durch das radiale
Stauchen des Mantelrohres auch der Draht der Heizwendel
und der der Regelwendel mechanisch stark beansprucht und dabei
unbeabsichtigt z.B. durch Kerben, Vertiefungen o.dgl. vorgeschädigt,
d.h. lokal im Querschnitt verengt wird. Aufgrund der
Härtezunahme der Wendel an ihrer Oberfläche, insbesondere
durch Nitrieren, ist die Wendel in der Lage, die mechanische
Beanspruchung beim Verdichten der Pulverfüllung ohne nennenswerte
Vorschädigung zu überstehen.This task is - based on the generic underlying
Glow plug - according to the invention by the characterizing
Characteristics of
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch eine Glühkerze,
- Fig. 2
- eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II aus
Figur 1 und - Fig. 3
- einen Querschnitt durch eine herkömmliche Glühkerze im Bereich der Einzelheit II mit oberflächlichen Vorschädigungen der Wendel durch die mechanische Beanspruchung beim Verdichten der Pulverfüllung.
- Fig. 1
- a longitudinal section through a glow plug,
- Fig. 2
- an enlarged view of the detail II of Figure 1 and
- Fig. 3
- a cross section through a conventional glow plug in the range of detail II with superficial Vorschädigungen the helix by the mechanical stress during compression of the powder filling.
In Dieselmotoren werden Glühkerzen im Brennraum für die
Vorheizung beim Kaltstart oder - als stabförmige Flammglühkerze
oder Flammanlage im Zuluftkanal - für die Luftvorwärmung
eingesetzt. Das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel
einer Glühkerze weist ein Glührohr 5 auf, das in
einem Kerzenkörper 1 gehaltert und mit ihm elektrisch leitend
verbunden ist. Der Mantel des Glührohres besteht meist
aus einer nickelreichen Eisenlegierung oder aus einer korrosionsfreien
Nickelbasislegierung wie z.B. Inconel 601 und
ist elektrisch in der Regel als Massepol, also negativ geschaltet.
Diese elektrische Masse-Verbindung kommt über das
Einschraubgewinde 7 und/oder durch den Konus 7a am unteren
strirnseitigen Ende des Kerzenkörpers 1 zustande.In diesel engines, glow plugs in the combustion chamber for the
Pre-heating during cold start or - as a rod-shaped flame glow plug
or flame system in the supply air duct - for air preheating
used. The embodiment shown in Figure 1
a glow plug has a
In dem Glührohr ist eine Heizwendel 8 mit einer über eine
Verbindungsschweißüng 11 daran angeschweißten Regelwendel 9
und eine elektrisch isolierende, verdichtete Pulverfüllung
10 angeordnet. Diese Pulverfüllung hat, insbesondere in
verdichtetem Zustand, mehrere Funktionen: Sie sorgt zunächst
dafür, daß die Heiz- (8) und Regelwendel 9 innerhalb,
des Glührohres ortsfest untergebracht und fixiert sowie
elektrisch isoliert gehaltert sind. Durch das verdichte
Pulver muß die in der Heizwendel 8 erzeugte Wärme möglichst
gut an den Mantel des Glührohres weitergeleitet werde. Außerdem
sollen durch die Komprimierung des Pulvers etwaige
Lufteinschlüsse, insbesondere ein gewisser Restsauerstoff
möglichst beseitigt werden. Dies erfordert macht eine besonders
intensive Verdichtung des Pulvers, insbesondere im
Bereich der Heizwendel 8.In the glow tube is a
Die Heiz- und Regelwendel 8, 9 besteht im Heizbereich
(Heizwendel 8) aus einem ferritischen Stahl, z.B. aus einer
Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung mit 17 bis 22 % Chrom und 3
bis 7 % Aluminium; eine häufig verwendete Legierung ist
Kantal AF CrA1225. An eine solche Heizwendel ist ein gewendelter
Draht (Regelwendel 9) aus reinem Nickel angeschweißt
(Verbindungsschweißung 11), der die Funktion eines Regelwiderstandes
besitzt. Die Heizwendel 8 ist in der Spitze des
Glührohres über eine Dichtschweißung 12 mit dem Glührohr
verbunden.The heating and
Das andere Ende der Regelwendel 9 ist mit einem in einer
Isolierscheibe 4 eingebetteten Anschlußbolzen 2 verbunden,
der elektrisch isoliert und über eine Dichtung 6 abgedichtet
aus dem Kerzenkörper 1 herausgeführt ist. Der Anschlußbolzen
wird über eine Mutter 3, die eine Kabelöse sicher
mit dem Anschlußbolzen kontaktiert, mit dem Pluspol einer
Stromquelle verbunden. Außerdem ist der Anschlußbolzen 2 am
oberen offenen Ende des Glührohres mit einer weichen isolierenden
Dichtung 6' abgedichtet, die ein Eindringen von
Luftsauerstoff in die komprimierte Pulverfüllung zuverlässig
verhindern soll.The other end of the
Als Pulverfüllung 10 wird im allgemeinen Magnesiumoxid verwendet. Um die Pulverfüllung - wie beschrieben - zu verdichten, wird das gefüllte Glührohr von außen durch ein konzentrisch wirkendes Schlagwerkzeug radial gestaucht und dadurch im Durchmesser reduziert, wobei auch ein konischer Verlauf erreichbar ist. Vor allem im Bereich der Glührohrspitze wird die Pulverfüllung besonders stark verdichtet, indem dort der Metallmantel besonders stark radial gestaucht wird. As powder filling 10 magnesium oxide is generally used. To compact the powder filling - as described - is the filled glow tube from the outside through a concentrically acting impact tool radially compressed and thereby reduced in diameter, being also a conical History is achievable. Especially in the area of the glow tube tip the powder filling is compressed very strongly, by the metal sheath compressed particularly strong radially becomes.
Aufgrund der starken Verdichtung der Pulverfüllung wird die
gesamte Wendel 8, 9, insbesondere aber die Heizwendel 8 mechanisch
stark beansprucht. Bei der radialen Stauchung des
Glührohres 5 wird nicht nur dessen Mantel plastisch verformt,
sonder auch die eingelagerten Wendeln 8 und 9. Die
verdichtende und verdichtete Pulverfüllung 10 überträgt
Kraftwirkungen von den außen angreifenden Schlagwerkzeugen
isostatisch auch auf die Windungen der Heiz- und Regelwendeln
8 bzw. 9 und reduzieren deren Durchmesser bei diesem
Vorgang in entsprechendem Maße. Nachdem aber die Pulverfüllung
nicht völlig homogen ist, sondern gewissen Ungleichmäßigkeiten
unterliegt, sind die über die Pulverfüllung auf
die Wendeln ausgeübten Kräfte entsprechend der Streuung der
Pulverdichte lokal unterschiedlich groß.Due to the strong compression of the powder filling is the
Bei unbehandelten Wendeln führt dies zu einer lokal unterschiedlichen
plastischen Stauchung der Wendeln. Die unterschiedliche
Stauchung ihrerseits ruft eine stochastisch genarbte
Oberfläche der Wendeln 8' hervor, wie diese in Figur
3 am Beispiel einer herkömmlichen Ausführung einer Glühkerze
mit unbehandelter Wendel 8' gezeigt ist. Diese Wendel
weist bereits im Neuzustand nach der Pulververdichtung eine
genarbte Oberfläche 15 auf. In dieser Oberflächennarbung
ist nach den Erkenntnissen der Erfindung eine gewisse Vorschädigung
zu erblicken. Es kann nämlich aufgrund einer
solchen stochastischen Narbung zu lokalen Querschnittsverengungen
des Leitungsquerschnittes der Wendel kommen.
Diese lokale Querschnittsverengung wiederum führt zu einer
lokalen Erhöhung des elektrischen Widerstandes und somit im
Betrieb zu einer lokal stärkeren Erwärmung der Wendel. Das
bedeutet, daß die thermischen und chemischen Alterungsprozesse
an dieser Stelle aufgrund des höheren Temperaturniveaus
schneller ablaufen als an anderen Stellen. Eine solche,
anfänglich nur kleine, narbungsbedingte Verengung des
Leitungsquerschnitts der Wendel kann somit lebensdauerbestimmend,
also lebensdauerverkürzend sein. In untreated coils, this leads to a locally different
plastic compression of the helices. The different ones
Upset in turn gets a stochastically grained
Surface of the coils 8 ', as shown in FIG
3 using the example of a conventional embodiment of a glow plug
with untreated coil 8 'is shown. This helix
already has a new state after the powder compaction one
Erfindungsgemäß soll die Lebensdauer der Wendeln, insbesondere
die beim Verdichten besonders stark mechanisch beanspruchte
Heizwendel 8, die im Betrieb auch thermisch besonders
stark beansprucht ist, erhöht werden. Zur Lebensdauererhöhung
werden erfindungsgemäß die elektrisch leitenden
Wendeln 8, 9, zumindest aber die besonders gefährdete Heizwendel
8, an der Oberfläche gehärtet. Und zwar wird vorteilhafter
Weise eine Diffusionsbehandlung wie Nitrieren
empfohlen, welche durch Nitridbildung in der Diffusionszone
zu einer Steigerung der Härte führt und infolge der Diffusionsvorgänge
einen allmählichen Übergang von der gehärteten
Randzone zum weichen Kern ergibt. Diese Diffusionszone
13 der Wendeln 8, 9 weist zweckmäßiger Weise eine Tiefe t
von etwa 5 bis 10 µm auf.According to the invention, the life of the coils, in particular
the particularly mechanically stressed during
Aufgrund der Härtung der Wendeln lediglich in einer oberflächennahen
Randschicht 13 bleiben die Wendeln gleichwohl
als ganzes plastisch verformbar. Andererseits wird eine
ausgeprägte Narbung der Drahtoberfläche beim radialen Verdichten
der Pulverfüllung durch die Randschichthärtung vermieden.
Die Wendeln weisen auch nach dem Verdichten der
Pulverfüllung eine glatte Oberfläche 14 auf. Dadurch werden
mechanische Vorschädigungen des Leiterdrahtes vermieden.
Die folge ist eine höhere Lebensdauererwartung des Leiters
und somit der gesamten Glühkerze.Due to the hardening of the helices only in a near-
The result is a longer life expectancy of the conductor and thus the entire glow plug.
Claims (4)
- Electrically heated glow plug or glow rod for internal combustion engines, with a corrosion-resistant heat pipe closed at the end which undertakes filling from an electrically non-conductive compacted powder, in which an electrically conductive coil is embedded
characterised in that
at least the heating coil (8) is hardened on its upper surface. - Glow plug or glow rod according to claim 1
characterised in that
the electrically conductive coil (8, 9) is hardened on its upper surface. - Glow plug or glow rod according to claim 1
characterised in that
the electrically conductive coil (8, 9) is hardened at least on a part of its longitudinal expanse on its upper surface by a diffusion treatment, in particular by nitration. - Glow plug or glow rod according to claim 3
characterised in that
the hard diffusion zone (13) of the electrically conductive coil (8, 9) has a depth (t) of approximately 5 to 10 µm.
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