DE102016216965A1 - Heating element for a glow plug and method for its preparation - Google Patents
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Abstract
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Heizelement (1) für eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze vorgeschlagen, wobei das Heizelement (1) ein Glührohr (11), einen elektrischen Widerstand (12), der mit einem geschlossenen Ende des Glührohrs (11) elektrisch verbunden ist, einen elektrisch leitfähigen Anschlussbolzen (13), der mit dem elektrischen Widerstand (12) elektrisch verbunden ist und durch eine Dichtung (14) in dem Glührohr (11) abgedichtet ist, und ein Füllmaterial (16, 17) aufweist, das in dem Glührohr (11) den elektrischen Widerstand (12) umgebend vorgesehen ist und aus einer Mischung aus einem Isoliermaterial (16) und einem Zusatzmaterial (17) besteht, wobei das Isoliermaterial (16) ein elektrisch isolierendes Pulver ist, das Zusatzmaterial (17) ein Pulver mit einer im Vergleich zu dem Isoliermaterial (16) kleineren Partikelgröße ist, und ein Partikelgrößenverhältnis zwischen Pulverpartikeln des Isoliermaterials (16) und Pulverpartikeln des Zusatzmaterials (17) mindestens 7:1 in Bezug auf die mittlere Partikelgröße des Isoliermaterials (16) beträgt. Zudem wird eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit einem derartigen Heizelement (1) sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizelements (1) für eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze vorgeschlagen.According to the present invention, a heating element (1) is proposed for an electrically heatable glow plug, wherein the heating element (1) is a glow tube (11), an electrical resistance (12) which is electrically connected to a closed end of the glow tube (11), an electrically conductive terminal stud (13) electrically connected to the electrical resistor (12) and sealed by a seal (14) in the glow tube (11), and a filler material (16, 17) in the glow tube (16) 11) is provided surrounding the electrical resistor (12) and consists of a mixture of an insulating material (16) and a filler material (17), wherein the insulating material (16) is an electrically insulating powder, the additional material (17) is a powder with a in comparison with the insulating material (16) of smaller particle size, and a particle size ratio between powder particles of the insulating material (16) and powder particles of the additive material s (17) is at least 7: 1 with respect to the mean particle size of the insulating material (16). In addition, an electrically heatable glow plug with such a heating element (1) and a method for producing such a heating element (1) for an electrically heated glow plug is proposed.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein Heizelement für eine Glühkerze oder Glühstiftkerze, und genauer gesagt für eine metallische Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine, so zum Beispiel einer Vor-, Wirbel- oder Brennkammer eines luftverdichtenden, selbstzündenden Dieselmotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Glühstiftkerze mit einem derartigen Heizelement als auch ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a heating element for a glow plug or glow plug, and more particularly to a metallic glow plug for placement in a chamber of an internal combustion engine, such as a forward, swirl or combustion chamber of an air-compressing, auto-ignition diesel engine. Furthermore, the invention relates to a glow plug with such a heating element and a method for its production.
Bei Kraftfahrzeugen, wie sie derzeit im Einsatz sind, aber auch bei anderen Anwendungen kommen verbreitet Dieselmotoren zum Einsatz. Da bei einem Kaltstart eines Dieselmotors eine problemlose Selbstzündung des eingespritzten Dieselkraftstoffs jedoch in der Regel nicht möglich ist, benötigen Dieselmotoren während des Anlassvorgangs vielfach üblicherweise eine Kaltstarthilfe. Der Brennraum befindet sich bei einem derartigen Kaltstart auf niedrigem Temperaturniveau und verfügt zudem über eine hohe spezifische Wärmekapazität, so dass die beim Anlassvorgang des Dieselmotors erzeugte Kompressionswärme unerwünschterweise unmittelbar in den Motorblock abgeleitet wird. In einer Kaltleerlaufphase ist jedoch bei den meisten selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen für eine vollständige Verbrennung eine Glühunterstützung bei einer Temperatur von ~850°C notwendig. Dies ist insbesondere für die niedrig verdichtenden selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen moderner Bauart erforderlich, die in der Regel ein entsprechend schlechteres Kaltstart- beziehungsweise Kaltleerlaufverhalten aufweisen. Darüber hinaus können unterschiedliche Kraftstoffqualitäten die Zündwilligkeit des komprimierten Luft/Dieselgemisches herabsetzen.In motor vehicles, as they are currently in use, but also in other applications are widely used diesel engines. However, since a cold start of a diesel engine problem-free autoignition of the injected diesel fuel is not usually possible, diesel engines often require a cold start aid during the starting process. The combustion chamber is at a low temperature level in such a cold start and also has a high specific heat capacity, so that the heat of compression generated during the starting process of the diesel engine is undesirably discharged directly into the engine block. However, in a cold idle phase, most auto-ignition internal combustion engines require complete glow support at a temperature of ~ 850 ° C for complete combustion. This is particularly necessary for the low-compression self-igniting internal combustion engines of modern design, which generally have a correspondingly poorer cold start or cold idle behavior. In addition, different fuel qualities can decrease the ignitability of the compressed air / diesel mixture.
Um den oben genannten Umständen Rechnung zu tragen befindet sich in den Brennräumen eines Dieselmotors üblicherweise jeweils mindestens eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit einer Sättigungstemperatur von 950 bis 1000°C, mittels der der Dieselmotor in der Startphase vorgeglüht wird. Wie es in
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Heizelement für eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen, vorzugsweise zur Kaltstarthilfe einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, wie zum Beispiel eines Dieselmotors. Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung umfasst dementsprechend eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze das erfindungsgemäße Heizelement, das ein Hauptbestandteil der elektrisch beheizbaren Glühstiftkerze ist, und genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein metallisches Heizelement, das entsprechend als metallischer Glühstab oder Heizstabs bezeichnet werden kann, wodurch die Glühstiftkerze auch als Metallstabglühkerze bezeichnet wird. Das erfindungsgemäße Heizelement weist ein Glührohr aus Metall, einen mit einem geschlossenen Ende des Glührohrs elektrisch verbundenen elektrischen Widerstand, vorzugsweise in der Form einer metallischen Heizwendel, und einen elektrisch leitfähigen Anschlussbolzen auf, der mit dem elektrischen Widerstand elektrisch verbunden ist und durch eine Dichtung in dem Glührohr abgedichtet ist. Ferner weist das erfindungsgemäße Heizelement ein Füllmaterial auf, das in dem Glührohr vorgesehen ist und zumindest den elektrischen Widerstand umgibt. Das Füllmaterial besteht dabei aus einer Mischung aus einem Isoliermaterial in Form eines elektrisch isolierenden Pulvers, wie zum Beispiel einem keramischen Isolierpulver aus Magnesiumoxid oder dergleichen, und einem Zusatzmaterial, das aus einem Pulver mit einer im Vergleich zu dem Pulver des Isoliermaterials kleineren Partikelgröße besteht. Ein Partikelgrößenverhältnis zwischen Pulverpartikeln des Isoliermaterials und Pulverpartikeln des Zusatzmaterials beträgt dabei erfindungsgemäß mindestens 7:1 in Bezug auf die mittlere Partikelgröße des Isoliermaterials, i.e. According to the present invention, a heating element for an electrically heatable glow plug with the features of claim 1 is proposed, preferably for the cold start aid of a self-igniting internal combustion engine, such as a diesel engine. According to a first aspect of the invention accordingly comprises an electrically heatable glow plug according to the invention, the heating element is a main component of the electrically heatable glow plug, and more specifically, the present invention relates to a metallic heating element, which can be referred to as a metallic glow rod or heating rod, whereby the glow plug is also referred to as a metal rod glow plug. The heating element according to the invention comprises a glow tube made of metal, an electrically connected to a closed end of the glow tube electrical resistance, preferably in the form of a metallic heating coil, and an electrically conductive terminal bolt which is electrically connected to the electrical resistance and by a seal in the Glow plug is sealed. Furthermore, the heating element according to the invention on a filler material, which is provided in the glow tube and surrounds at least the electrical resistance. The filler material consists of a mixture of an insulating material in the form of an electrically insulating powder, such as a ceramic insulating powder of magnesium oxide or the like, and a filler material consisting of a powder having a smaller particle size compared to the powder of the insulating material. A particle size ratio between powder particles of the insulating material and powder particles of the additional material is according to the invention at least 7: 1 with respect to the average particle size of the insulating material, ie
Zur Charakterisierung einer Partikelgrößenverteilung werden üblicherweise die Werte d10, d50 und d90 verwendet. Der Wert von d50 entspricht hier nach
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung dient das Zusatzmaterial des Füllmaterials in dem Glührohr des erfindungsgemäßen Heizelements dazu, mögliche vorhandene Leerräume zwischen einzelnen Partikeln des Isoliermaterials auszufüllen, indem es sich in diesen wärmeisolierenden Leerräumen möglichst gleichmäßig verteilt und dadurch die Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials erhöht, so dass die von dem elektrischen Widerstand erzeugte Wärme schnell und gleichmäßig nach außen an das Glührohr übertragen werden kann. Um diesen Effekt noch zu unterstützen kann das Zusatzmaterial in dem Füllmaterial vorzugsweise einen Volumenanteil im Verhältnis zu dem Volumenanteil des Isoliermaterials, also ein Volumenanteilverhältnis Zusatzmaterialvolumen: Isoliermaterialvolumen von 5:95 Vol.-% ± 2 Vol.-%, weiter bevorzugt 20:80 Vol.-% ± 2 Vol.-% und noch weiter bevorzugt 40:60 Vol.-% ± 2 Vol.-% aufweist.According to a preferred embodiment of the present invention, the additional material of the filling material in the glow tube of the heating element according to the invention is used to fill any existing voids between individual particles of the insulating material by evenly distributed in these heat-insulating voids as possible and thereby increases the thermal conductivity of the filler, so that the heat generated by the electrical resistance can be transferred quickly and evenly to the outside of the glow tube. To further support this effect, the filler material in the filler may preferably have a volume fraction relative to the volume fraction of the insulating material, that is, a volume fraction ratio of additive material volume: volume of insulating material of 5:95 vol% ± 2 vol%, more preferably 20:80 vol .-% ± 2 vol .-% and still more preferably 40:60 vol .-% ± 2 vol .-%.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung besteht das Zusatzmaterial aus einem Oxid oder aus einer Kombination aus mehreren Oxiden der Gruppe der folgenden Elemente:
Titan;
Zirkon;
Aluminium;
Magnesium;
Chrom;
Vanadium;
Germanium;
Rhenium;
Osmium;
Tantal;
Niob;
Iridium;
Ruthenium;
Hafnium;
Bor, und
Molybdän.According to a further preferred development of the present invention, the additional material consists of an oxide or of a combination of a plurality of oxides of the group of the following elements:
Titanium;
zircon;
Aluminum;
Magnesium;
Chrome;
vanadium;
germanium;
Rhenium;
Osmium;
tantalum;
Niobium;
Iridium;
ruthenium;
Hafnium;
Boron, and
Molybdenum.
Als Beispiel von derartigen Oxiden der vorgenannten Elemente kommen beispielsweise Titanoxid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Chromoxid, Vanadiumoxid, Germaniumoxid, Rheniumoxid, Osmiumoxid, Tantaloxid, Nioboxid, Iridiumoxid, Rutheniumoxid, oder Hafniumoxid zum Einsatz. Ferner kann das Zusatzmaterial vorzugsweise aus einem oder mehreren Suboxiden bestehen, wie zum Beispiel TinO2n-1, B6O oder (B2O)x. Alternativ dazu kann das Zusatzmaterial aus einer Mischung aus GeO2, MoO3 und V2O5 bestehen, wobei diese Oxide beziehungsweise Suboxide eine Glasphase zwischen den einzelnen Pulverpartikeln des Isoliermaterials ausbilden können und dadurch die Wärmeleitfähigkeit des Füllmaterials durch die auf diesem Wege erzielte Kontaktflächenvergrößerung erhöhen. Bei einer dabei möglicherweise auftretenden Kombination von Zusatzmaterial und Isoliermaterial aus demselben Material, wie zum Beispiel aus Magnesiumoxid, ist hier von einer bimodalen Verteilung von Zusatzmaterial und Isoliermaterial auszugehen, also von einer Verteilung von Zusatzmaterial und Isoliermaterial mit unterschiedlichen Dichteverteilungskurven, deren Maxima-Ausbildungen einen deutlichen Unterschied zueinander zeigen, so dass eine möglichst gute Verteilung und damit ein höherer Verdichtungsgrad erreicht werden kann. Unter einer bimodalen Verteilung ist eine Wahrscheinlichkeitsverteilung oder Häufigkeitsverteilung zu verstehen, bei der die Dichte zumindest zwei Modi aufweist; es handelt sich also um eine multimodale oder mehrgipflige Verteilung, die sie im Gegensatz zur unimodalen Verteilung mit nur einem Gipfel oder Maximum eben mehr als ein Maximum aufweist. Eine derartige bimodale Verteilung von Isoliermaterial und Zusatzmaterial kann
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrischen Widerstand und einem brennraumseitigen geschlossenen Ende des Glührohrs durch ein Kontaktierungselement hergestellt, das mit einem Aufnahmeabschnitt an der Innenseite des brennraumseitigen geschlossenen Endes des Glührohrs verbunden ist. Das Kontaktierungselement kann hierbei ein separates Bauteil wie zum Beispiel ein Draht oder dergleichen sein, kann aber vorzugsweise auch ein Teil des elektrischen Widerstands sein, solange eine ausreichende elektrische Verbindung zu dem Glührohr aufrecht erhalten werden kann. According to a further preferred development of the present invention, an electrical connection between the electrical resistance and a combustion chamber-side closed end of the glow tube is produced by a contacting element, which is connected to a receiving portion on the inside of the combustion chamber side closed end of the glow tube. The contacting element may in this case be a separate component such as a wire or the like, but may preferably also be a part of the electrical resistance as long as a sufficient electrical connection to the glow tube can be maintained.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung kann eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze mit einem Heizelement wie vorhergehend beschrieben, als auch ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Heizelements wie vorhergehend beschrieben für eine elektrisch beheizbare Glühstiftkerze bereitgestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei die folgenden, nicht abschließenden Schritte umfassen:According to further aspects of the present invention, an electrically heatable glow plug with a heating element as described above as well as a method of manufacturing such a heating element as previously described for an electrically heatable glow plug can be provided. The method according to the invention can comprise the following, non-concluding steps:
- – Verbinden des elektrischen Widerstands mit dem Anschlussbolzen;- Connecting the electrical resistance with the terminal bolt;
- – Anordnen des elektrischen Widerstands und des Anschlussbolzens in dem Glührohr, das heißt in dem hohlen Inneren des Glührohrs;- arranging the electrical resistance and the connecting bolt in the glow tube, that is in the hollow interior of the glow tube;
- – Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen elektrischem Widerstand, Anschlussbolzen und Glührohr und gleichzeitig Abdichten des brennraumseitigen Endes des Glührohrs, vorzugsweise durch Schweißen;- Establishing an electrical connection between the electrical resistance, terminal bolt and glow tube and at the same time sealing the combustion chamber-side end of the glow tube, preferably by welding;
- – Befüllen des Glührohrs mit dem Füllmaterial bestehend aus der vorhergehend beschriebenen Mischung aus Isoliermaterial und Zusatzmaterial; und- filling the glow tube with the filling material consisting of the previously described mixture of insulating material and additional material; and
- – Abdichten des Glührohrs mit der Dichtung.- Sealing the glow tube with the seal.
Um nun den wärmeleitenden Kontakt zwischen dem elektrischen Widerstand und dem Glührohr zu verbessern wird anschließend üblicherweise das Füllmaterial in dem Glührohr verdichtet, beispielsweise durch Druckeinwirkung auf das Glührohr, wie zum Beispiel durch Rundkneten oder dergleichen. Der Schritt des Befüllens des Glührohrs mit dem Füllmaterial kann dabei ein teilweises Befüllen des Glührohrs umfassen, kann aber vorzugsweise auch ein vollständiges Befüllen des Glührohrs mit dem Füllmaterial umfassen, so dass das Füllmaterial den Innenraum des Glührohrs vollständig ausfüllt, welcher durch eine Innenwand des Glührohrs und durch die Dichtung begrenzt wird.In order to improve the heat-conducting contact between the electrical resistance and the glow tube, the filling material is then usually compressed in the glow tube, for example by pressure on the glow tube, such as by rotary swaging or the like. The step of Filling the glow tube with the filler material may comprise a partial filling of the glow tube, but may also include a complete filling of the glow tube with the filler, so that the filler completely fills the interior of the glow tube, which through an inner wall of the glow tube and through the seal is limited.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Eine Glühstiftkerze, die mit einem Heizelement gemäß der Erfindung versehen ist, hat gegenüber dem vorhergehend diskutierten Stand der Technik den Vorteil, dass der hiermit vorgeschlagene Pulverzusatz in der Gestalt des vorhergehend beschriebenen Zusatzmaterials die Leerräume zwischen den einzelnen Partikeln der elektrischen Isolierung in der Gestalt des vorhergehend beschriebenen Isoliermaterials auffüllt und dadurch die Wärmeleitung vom elektrischen Widerstand zur Außenoberfläche des Glührohrs verbessert. Ein derartiger Pulverzusatz bestehend aus einem oder mehreren Oxiden wie vorhergehend beschrieben kann entsprechende Zwischenräume in der elektrischen Isolierung zumindest teilweise, oder im optimalen Fall auch vollständig schließen und dadurch die Wärmeleitung zwischen dem elektrischen Widerstand und der Außenoberfläche des Glührohrs wesentlich verbessern beziehungsweise maximieren. Entsprechend kann mit einem Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine Glühstiftkerze mit einem verbesserten thermischen Wirkungsgrad erzielt werden. Die optimierte Wärmeleitung zwischen elektrischen Widerstand und Glührohr hat dabei entsprechend einen direkten vorteilhaften Einfluss auf eine Aufheizzeit der Glühstiftkerze auf die gewünschte Betriebstemperatur, wie zum Beispiel 1000 °C bei einem Dieselmotor, indem diese wesentlich verkürzt werden kann. Ferner kann dadurch eine Leistungsaufnahme beziehungsweise ein Stromverbrauch deutlich reduziert werden, da der thermische Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Heizelements, also der Wärmestrom pro Leistung in dem Heizelement wesentlich erhöht werden kann. Gegenüber bekannten Glühstiftkerzen hat eine Glühstiftkerze mit dem erfindungsgemäßen Heizelement damit den Vorteil, dass die gesamte eingebrachte elektrische Leistung dort in Wärme umgewandelt wird, wo sie gebraucht wird. Darüber hinaus kann durch ein Heizelement gemäß der vorliegenden Erfindung die Lebensdauer des Heizelements und damit der gesamten Glühstiftkerze signifikant verlängert werden, indem die notwendige maximale innere Temperatur, das heißt die Temperatur an der Oberfläche des elektrischen Widerstands, verringert werden kann, bei gleichbleibender oder sogar erhöhter Wärmeübertragungsleistung.A glow plug provided with a heating element according to the invention has the advantage over the prior art discussed above that the powder additive proposed herein in the form of the previously described additive material, the voids between the individual particles of electrical insulation in the form of the previous fills described insulating material, thereby improving the heat conduction from the electrical resistance to the outer surface of the glow tube. Such a powder additive consisting of one or more oxides as described above can at least partially, or in the optimal case completely close corresponding gaps in the electrical insulation and thereby significantly improve or maximize the heat conduction between the electrical resistance and the outer surface of the glow tube. Accordingly, with a heating element according to the present invention, a glow plug with an improved thermal efficiency can be achieved. The optimized heat conduction between the electrical resistance and the glow tube has a direct advantageous effect on a heating time of the glow plug to the desired operating temperature, such as 1000 ° C in a diesel engine, by this can be significantly shortened. Furthermore, a power consumption or a power consumption can thereby be significantly reduced, since the thermal efficiency of the heating element according to the invention, ie the heat flow per power in the heating element can be substantially increased. Compared to known glow plugs, a glow plug with the heating element according to the invention thus has the advantage that the entire introduced electrical power is converted into heat where it is needed. In addition, by a heating element according to the present invention, the life of the heating element and thus the entire glow plug can be significantly extended by the necessary maximum internal temperature, that is, the temperature at the surface of the electrical resistance, can be reduced at a constant or even increased heat transfer performance.
Weitere Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich.Further advantages and preferred embodiments of the invention will become apparent from the following description of the figures.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigenShow it
Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungPreferred embodiment of the invention
Zudem befindet sich in dem Glührohr
Als Einsatzgebiet für ein derartig aufgebautes Heizelement
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- DIN 13320 [0005] DIN 13320 [0005]
- „Mechanical Packing of Spherical Particles“ in dem „Journal of the American Ceramic Society” aus dem Jahr 1961 [0005] "Mechanical Packing of Spherical Particles" in the 1961 Journal of the American Ceramic Society [0005]
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„Mechanical Packing of Spherical Particles" in dem „Journal of the American Ceramic Society" aus dem Jahr 1961 |
DIN 13320 |
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