DE19724891A1

DE19724891A1 - Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von Glühkerzen

Info

Publication number: DE19724891A1
Application number: DE19724891A
Authority: DE
Inventors: James A Antone; Martin L Willi
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 1997-12-18
Also published as: US5809957A; JPH1054335A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Glühkerzen für Verbren nungsmotoren und insbesondere auf ein Verfahren zur Ver längerung der Lebensdauer von Glühkerzen durch Vorsehen einer vom Motor getriebenen Leistungsquelle zur Erregung der Glühkerzen von der Zeit des Motorstartes bis er abge schaltet wird.

Andere haben die Notwendigkeit erkannt, kontinuierlich Leistung an Glühkerzen während der Periode anzulegen, wenn der Verbrennungsmotor arbeitet.

Das US-Patent 5 367 994 beschreibt ein Verfahren zum Aufrechterhalten einer Temperatur von mindestens 871°C während der voll ständigen Betriebsperiode des Motors durch Liefern von Gleichstromleistung von einer Batterie und inkrementelles bzw. schrittweises Verringern der Gleichstromspannung, um ein Leeren der Batterie zu verhindern, da die Wider standsaufheizung der Glühkerze eine relativ große Menge an elektrischer Energie erfordert.

Die neuere Entwicklung von Keramikglühkerzen, die Sili ciumnitrid oder ein anderes geeignetes Keramikmaterial aufweisen, hatten höhere Temperaturen und kürzere Vor glüh-Heizzeitperioden zur Folge. Somit werden die Glüh kerzen nicht nur zum Start verwendet, sondern machen auch das Fortsetzen des Verbrennungsprozesses möglich, wenn die Verbrennungsdrücke nicht adequat sind, um eine Ver brennung aufrechtzuerhalten, und sie verbessern dadurch den Verbrennungswirkungsgrad, den Brennstoffverbrauch, und helfen dabei, Motorzündprobleme zu eliminieren. Der Motorkonstrukteur kann auch die Glühkerze anordnen, um die Lage des Anfangspunktes der Verbrennung innerhalb der Zylinder zu steuern.

Unter den Zielen der Erfindung kann das Vorsehen einer elektrischen Leistungsquelle mit kontinuierlichem Pegel erwähnt werden, die von einem Verbrennungsmotor angetrie ben wird, um Glühkerzen innerhalb jedes Zylinders des Mo tors zu betreiben, und zwar von der Zeit des anfänglichen Startes des Motors, bis der Motor abgeschaltet wird. Die Ausgabe bzw. Ausgangsgröße der Leistungsquelle ist im allgemeinen konstant, während der Motor langsam startet und kann notwendigerweise über einen weiten Bereich von Geschwindigkeiten bzw. Drehzahlen und Lasten arbeiten. Ein kontinuierlicher Betrieb der Glühkerzen verbessert den Motorwirkungsgrad, verringert den Brennstoffverbrauch und verbessert den Start, hat jedoch ein frühes Zerbre chen des Keramikteils der Glühkerzen zur Folge gehabt.

Im allgemeinen wird ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von Keramikglühkerzen gemäß dieser Erfindung durch folgende Schritte gekennzeichnet: Vorsehen einer Wechselspannungs-Leistungsquelle, Verbinden der Wechsel spannungs-Leistungsquelle mit den Glühkerzen, Steuern der Menge der Wechselstromleistung, die an die Glühkerzen ge liefert wird, um eine im allgemeinen konstante Temperatur der Glühkerze zu halten, und zwar von der Zeit, zu der der Motor gestartet wird, bis der Motor abgeschaltet wird, wodurch der Wechselstrom, der die Richtung in jedem halben Zyklus ändert, die Ionenmigration bzw. -wanderung innerhalb des Keramikteils der Glühkerze eliminiert, und somit ein Brechen des Keramikteils der Glühkerzen verhin dert und die Lebensdauer der Glühkerzen verlängert.

Die Schritte zum Vorsehen einer Wechselstrom-Leistungs quelle weisen folgendes auf: Vorsehen einer Hydraulik pumpe, die vom Motor angetrieben wird; Vorsehen eines Hy draulikmotors, der hydraulisch mit den Hydraulikströ mungsmittel von der Hydraulikpumpe verbunden ist und von ihm angetrieben wird; Vorsehen einer Umschaltvorrichtung bzw. eines Wechselstromerzeugers, der drehbar mit dem Hy draulikmotor verbunden ist und elektrisch mit den Glüh kerzen verbunden ist, um Wechselstromleistung daran zu liefern; Vorsehen eines Controllers bzw. einer Steuervor richtung, die betreibbar ist, um den Fluß des hydrauli schen Strömungsmittels von der hydraulischen Pumpe zum hydraulischen Motor zu regeln, um den Wechselstromerzeu ger auf einer im allgemeinen konstanten Geschwindigkeit anzutreiben, und zwar vom Motorstart und durch den voll ständigen Bereich der Motorbetriebsdrehzahlen, und um ei ne im allgemeinen konstante Glühkerzentemperatur während des gesamten Betriebsbereiches des Verbrennungsmotors aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen dargelegt wird, wird beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit der Begleitzeichnung klarer, in der die einzige Figur eine schematische Ansicht eines Verbren nungsmotors und eines Systems zum Liefern von Wechsel stromleistung ist, um die darin angeordneten Glühkerzen auf einer konstanten Temperatur zu halten, und zwar von der Zeit, zu der der Motor gestartet wird, bis der Motor abgeschaltet wird.

Mit Bezug auf die einzige Figur ist eine schematische An sicht eines Verbrennungsmotors 1 mit einer Vielzahl von Glühkerzen 3 gezeigt, die einen Keramikteil aufweisen, der aus Siliciumnitrid oder einem anderen geeigneten da rin angeordneten Keramikmaterial hergestellt ist, wobei nur eine Glühkerze 3 gezeigt ist.

Eine Pumpe 5 mit variabler Verdrängung ist am Motor 1 montiert und ist drehbar damit verbunden. Ein Hydraulik motor 7 ist mit der Hydraulikpumpe 5 durch eine hydrauli sche Versorgungsleitung 9 und eine Rückleitung 11 verbun den, die mit einem Hydraulikströmungsmittelreservoir 13 verbunden ist und darin ausläuft, welches benachbart zur Pumpe 5 mit variabler Verdrängung angeordnet ist. Ein Drossel- oder eine andere Art von Steuerventil 15 ist in der Rückleitung stromabwärts des Hydraulikmotors 5 ange ordnet. Ein Wechselstromerzeuger bzw. eine Umschaltvor richtung 17 ist drehbar mit dem Hydraulikmotor 7 verbun den und wird auf einer im allgemeinen konstanten Drehzahl angetrieben. Der Wechselstromerzeuger 17 und eine Steuer vorrichtung 19 sind elektrisch mit den Glühkerzen 3 durch die elektrischen Leitungen 21 verbunden. Die Steuervor richtung 19 ist auch mit der Pumpe 5 mit variabler Ver drängung durch die Leitung 23 verbunden und mit dem Steu erventil 15 durch die Leitung 25.

Der Betrieb des Systems ist wie folgt: die Pumpe 5 mit variabler Verdrängung ist drehbar mit dem Motor 1 ver bunden, saugt vom Hydraulikreservoir 13 an und beginnt, hydraulisches Strömungsmittel zum Hydraulikmotor 7 über die Versorgungsleitung 9 zu liefern, und zwar sofort, wenn der Motor 1 mit einer Drehzahl von ungefähr 125 bis 150 U/min anläuft. Die Pumpe 5 mit variabler Verdrängung liefert weiter hydraulisches Strömungsmittel an den Hy draulikmotor 7 über den gesamten Betriebsdrehzahlbereich des Motors, und zwar im allgemeinen auf einem Druck von 3000 psi und bei einem im allgemeinen konstanten Volumen, da die Ausgabe bzw. Ausgangsgröße der Pumpe 5 mit varia bler Verdrängung im allgemeinen unabhängig von der Motor drehzahl oder der Drehzahl, mit der sie betrieben wird, ist. Der Motor 7, der mit hydraulischem Strömungsmittel mit einem im allgemeinen konstanten Volumen und Druck versorgt wird, läuft auf im allgemeinen konstanter Dreh zahl. Der Hydraulikmotor 7, der drehbar mit dem Wechsel stromerzeuger verbunden ist, treibt den Wechselstromer zeuger 17 auf einer im allgemeinen konstanten Drehzahl unabhängig von der Motordrehzahl an, um einen Wechsel strom und eine Spannung zu erzeugen, die ausreichen, um die Glühkerzen 3 beim Start aufzuheizen, und den Brenn stoff zu zünden und den Motor 1 laufen zu lassen. Um eine vorbestimmte Glühkerzentemperatur über den gesamten Be triebsbereich des Motors 1 aufrechtzuerhalten, spricht die Steuervorrichtung 19 auf den Widerstand der Glühker zen 3 an, oder auf eine elektronische Motorsteuerkarte bzw. Nachschautabeile basierend auf Motorbetriebszustän den, um die Pumpe 5 mit variabler Verdrängung zu steuern, und stellt die Energieausgangsgröße des Wechselstromer zeugers 17 fein ein, und zwar durch Betreiben des Dros selventils 15, um den Rückdruck auf den Hydraulikmotor 7 zu steigern, und um die Leistungsausgangsgröße des Wech selstromerzeugers 17 zu verringern, wenn sich der Motor aufheizt. Somit hält die Steuervorrichtung 19 die Glüh kerzen 3 auf einer konstanten Temperatur über dem gesam ten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors 1 von der Zeit, zu der der Motor 1 gestartet wird bis zu der Zeit, wo der Motor 1 abgeschaltet wird.

Während die hier beschriebenen bevorzugten Ausführungs beispiele den besten Weg zur Ausführung dieser Erfindung darlegen, der vom Erfinder gegenwärtig in Betracht gezo gen wurde, werden zahlreiche Modifikationen und Anpassun gen dieser Erfindung anderen Fachmännern offensichtlich werden. Daher sollten die Ausführungsbeispiele als veran schaulichend und beispielhaft angesehen werden und es ist klar, daß die Ansprüche solche Modifikationen und Anpas sungen abdecken sollen, die als innerhalb des Umfangs dieser Erfindung angesehen werden.

Die keramischen Glühkerzen bieten Widerstand gegen Korro sion, die Fähigkeit, hohen Temperaturen, Druck und Stoß belastungen zu widerstehen, wenn sie jedoch während des gesamten Betriebszykluses von einer Gleichstromquelle an getrieben werden, bewirkt jedoch ein elektrisches Feld, welches von dem Gleichstrom aufgebaut wird, eine Ionenini gration bzw. -wanderung in Keramikmaterialien, wie bei spielsweise Siliciumnitrid. Mit der Zeit hat diese Ionen migration ein Reißen des Keramikmaterials und ein Versa gen der Glühkerzen zur Folge. Durch Vorsehen einer Wech selstrom-Leistungsquelle ändert der Strom jeden halben Zyklus die Zeit, so daß die Dauer des elektrischen Fel des, welches in eine Richtung zeigt, kurz ist und daß sich das elektrische Feld jeden halben Zyklus umkehrt. Daher gibt es im wesentlichen keine Ionenmigration bzw. wanderung innerhalb des Keramikmaterials und ein Zerbre chen bzw. eine Rißbildung auf Grund von Ionenmigration wird eliminiert, wodurch die Lebensdauer der Glühkerzen verlängert wird.

Die Verwendung einer Hydraulikpumpe mit variabler Ver drängung, die einen Hydraulikmotor betreibt, der mit ei nem Wechselstromerzeuger gekoppelt ist, sieht eine zuver lässige Gleichstrom-Leistungsversorgung vor, die unabhän gig von der Motordrehzahl arbeitet und nicht die Anwen dung von Gleichstromleistung aus den Batterien vor dem Start erfordert.

Zusammenfassend kann man folgendes sagen:
Ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von Glüh kerzen weist folgende Schritte auf: Vorsehen einer Pumpe mit variabler Verdrängung, die drehbar mit einem Verbren nungsmotor verbunden ist; Antreiben eines Hydraulikmotors mit einer im allgemeinen konstanten Drehzahl mit der hy draulischen Ausgangsgröße der Pumpe mit variabler Ver drängung und direktes Verbinden eines Wechselstromer zeugers mit dem Hydraulikmotor, um die Glühkerzen mit ei nem Wechselstrom und einer Wechselspannung zu erregen, und Steuern des Wechselstroms, um eine im allgemeinen konstante Glühkerzentemperatur vom Start und über den ge samten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors zu halten.

Claims

1. Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von Glüh kerzen, die einen Keramikteil aufweisen, die in ei nem Verbrennungsmotor verwendet werden, wobei das Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
Vorsehen einer Wechselstrom-Leistungsquelle;
Verbinden der Wechselstrom-Leistungsquelle mit den Glühkerzen;
Vorsehen einer Steuervorrichtung, die auf den Wider stand der Glühkerzen anspricht, um die Menge der Wechselstromleistung zu steuern, die an die Glühker zen geliefert wird, um eine im allgemeinen konstante Temperatur der Glühkerzen aufrechtzuerhalten, und zwar von der Zeit, zu der der Motor gestartet wird, bis der Motor abgeschaltet wird, wodurch der Wech selstrom, der jeden halben Zyklus die Richtung wech selt, eine Ionenmigration innerhalb des Keramikteils der Glühkerzen eliminiert, wodurch somit ein Zerbre chen bzw. eine Rißbildung des Keramikteils der Glüh kerzen verhindert wird und die Lebensdauer der Glüh kerzen verlängert wird.

2. Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von Glüh kerzen nach Anspruch 1, welches weiter durch folgen de Schritte gekennzeichnet ist:
Vorsehen einer Hydraulikpumpe, die vom Motor ange trieben wird;
Vorsehen eines Hydraulikmotors, der hydraulisch mit dem Hydraulikströmungsmittel von der Hydraulikpumpe verbunden ist und davon angetrieben wird;
Vorsehen eines Wechselstromerzeugers, der drehbar mit dem Hydraulikmotor verbunden ist und elektrisch mit den Glühkerzen verbunden ist, um Wechselstrom- Leistung daran zu liefern;
Vorsehen einer Steuervorrichtung, die betreibbar ist, um den Fluß des Hydraulikströmungsmittels von der Hydraulikpumpe zum Hydraulikmotor zu regeln, um den Wechselstromerzeuger mit einer im allgemeinen konstanten Drehzahl bzw. Geschwindigkeit anzutrei ben, und zwar vom Motorstart und über den gesamten Bereich der Motorbetriebsdrehzahlen, und um eine im allgemeinen konstante Glühkerzentemperatur während des gesamten Betriebszyklus des Verbrennungsmotors aufrechtzuerhalten; und
Ändern der Richtung des Stroms bei jedem halben Zy klus, was die Ionenmigration bzw. -wanderung in nerhalb des Keramikteils der Glühkerze eliminiert, wodurch somit ein Zerbrechen des Keramikteils der Glühkerzen verhindert wird und die Lebensdauer der Glühkerzen verlängert wird.

3. Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von Glüh kerzen nach Anspruch 1 oder 2, weiter durch folgen den Schritt gekennzeichnet:
Vorsehen einer Hydraulikpumpe mit variabler Verdrän gung, die vom Motor angetrieben wird und gesteuert wird, um Hydraulikströmungsmittel an den Hydraulik motor mit einem im allgemeinen konstanten Fluß und Druck zu liefern, und zwar von der Zeit, zu der der Motor gestartet wird, bis der Motor abgeschaltet wird, um den Wechselstromerzeuger auf einer im all gemeinen konstanten Drehzahl und mit konstanter Lei stungsausgangsgröße anzutreiben.

4. Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer von Glüh kerzen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ins besondere nach Anspruch 3, welches weiter durch fol genden Schritt gekennzeichnet wird:
Vorsehen eines Steuerventils stromabwärts des Hy draulikmotors; und
Betreiben des Steuerventils durch die Steuervorrich tung, um beim Steuern der Leistungsausgangsgröße des Wechselstromerzeugers zu helfen, um die Glühkerzen auf einer konstanten Temperatur zu halten.