DE69407266T2

DE69407266T2 - Betriebsverfahren einer Dieselbrennkraftmaschine mit einer kontinuierlich bekräftigten Glühkerze und Entwurf solcher Kerze

Info

Publication number: DE69407266T2
Application number: DE69407266T
Authority: DE
Inventors: Stanley J Hinkle
Original assignee: Detroit Diesel Corp
Current assignee: Detroit Diesel Corp
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1994-10-12
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2014-10-13
Also published as: DE69407266D1; ATE161073T1; US5519187A; EP0657634B1; CA2133695C; EP0657634A1; CA2133695A1; US5367994A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zum Betreiben von Verbrennungskraftmaschinen mit Verdichtungs zündung, insbesondere Zweitakt- und Viertakt-Dieselmotoren, und auf den Aufbau einer Glühkerze, die für den Betrieb des Motors nützliche Konstruktionsmerkmale besitzt.

Technischer Hintergrund

Verbrennungskraftmaschinen mit Verdichtungszündung wie Zweitakt- und neuerdings auch Viertakt-Dieselmotoren sind bekannt. Das US-Patent Nr. 4 539 948, dessen Inhaber der Inhaber der vorliegenden Erfindung ist, beschreibt ein typisches Beispiel eines Zweitaktmotors, dessen Lehren hiermit einbezogen werden. Insbesondere macht der Betrieb die Verwendung einer innerhalb der Brennkammer, nahe der Kraftstoffeinspritzung angeordneten Glühkerze erforderlich, damit ein anfängliches Zünden des komprimierten Luft-Kraftstoff-Gemisches jederzeit möglich ist, um den Motor auf die Betriebstemperatur zu erwärmen.
Eine hierfür geeignete Glühkerze beinhaltet eine herkömmliche Glühkerze mit metallener Schutzhülle, die in der Lage ist, das verdichtete Luft-Kraftstoff-Gemisch innerhalb relativ kurzer Zeit bei Umgebungstemperaturen in einem Bereich von -32ºC (-25º F) und größer auf eine zündfähige Temperatur zu erwärmen. Die Vorglühzeit kann bei relativ hohen Umgebungstemperaturen kurz sein, etwa 4 bis 6 Sekunden, bei geringen Umgebungstemperaturen, d.h. -32ºC (-25ºF), kann sie auch bis auf 24 bis 30 Sekunden ansteigen. Ferner ist es bekannt, insbesondere bei Motoren mit hoher Leistungsdichte, als Hilfe eine Heizeinrichtung am Lufteinlaß vorzusehen, um ohne Unterstützung bei geringen Temperaturen von -32ºC (-25ºF) und weniger als -32ºC (-25ºF) mit der Glühkerze als zusätzliche Starteinrichtung zu starten.
Neuerdings zeigen sich sehr große kommerzielle Interessen und Anstrengungen bei der Herstellung, die bei der Entwicklung von Glühkerzen aus Keramik- und Metailmaterial sowie aus vollständig aus Keramik hergestellten Glühkerzen aufgewendet wurden. Ersteres hat einen Metallheizdraht, üblicherweise aus Wolfram, der in eine Heizelementspitze aus Keramikmaterial eingegossen ist, wie beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4 912 305 und Nr. 5 086 210 beschrieben ist. Letztere verwenden elektrisch leitfähige Keramikpartikel, die in einem vollständig aus Keramik bestehenden Heizelement eingegossen sind, wie in dem US-Patent Nr. 4 528 121 beschrieben ist. Durch die Entwicklung von Keramikglühkerzen, insbesondere der vollständig aus Keramikmaterial bestehenden Glühkerze, wird eine Glühkerze bereitgestellt, die weitaus höhere Temperaturen mit weitaus kürzeren Vorglühzeiten an der Spitze entwickeln kann.

Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung

Setzt man die hohen Temperaturen, die von der vollständig aus Keramikmaterial bestehenden Glühkerze erzeugt werden können, voraus, und berücksichtigt man auch die Fähigkeit von Keramikmaterialen, Belastungen bei hohen Temperaturen zu widerstehen, ergibt sich die Möglichkeit, eine Glühkerze einzusetzen, um den Verbrennungsprozeß kurz vor dem Ende des Ausdehnungsvorgangs aufrecht zu erhalten, bei dem die Verbrennung normalerweise aufgrund der fehlenden Wärme des Verdichtungsdrucks im Zylinder endet. Des weiteren kann durch sie der Verbrennungsprozeß fortgeführt werden, sobald der Verbrennungsdruck nicht ausreicht, um die Verbrennung aufrecht zu erhalten, wodurch der Verbrennungsprozeß des Kraftstoffes verbessert wird. Ferner kann in Betracht gezogen werden, Mittel vorzusehen, durch die der Ort der Verbrennung innerhalb der Brennkammer prazise lokalisiert gesteuert werden kann, so daß der Motorkonstrukteur die wirkungsvollste Brennkammergeometrie konstruieren und einen wirksamen Zündort vorgeben kann. Dadurch wird die Verbrennungsleistung und der Kraftstoffverbrauch verbessert und Zündproblemen beim Motor abgeholfen. Dies sind die Ziele, auf die der Gegenstand der Erfindung maßgeblich gerichtet ist.
In der WO-A-83 01093 ist eine Glühkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben.
Ein mit den hohen Betriebstemperaturen und den zyklischen Betriebsbedingungen der vollständig aus Keramikmaterial bestehenden Glühkerzen verbundenes Problem besteht darin, eine leistungsfähige und zuverlässige Verbindung zwischen dem Zuleitungsende und dem vollständig aus Keramikmaterial bestehenden Heizelement zu schaffen. Somit ist es ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, allgemein Verbesserungen vorzusehen und/oder einen Glühkerzenaufbau anzugeben, bei dem sichergestellt ist, (i) daß die mechanische Verbindung zwischen dem Zuleitungsende und dem keramischen Heizelement bei allen Betriebsbedingungen aufrecht erhalten bleibt, sogar wenn die primäre Lötverbindung des Zuleitungsendes mit dem Heizelement gebrochen ist, sowie (ii) daß kein Kurzschluß der Glühkerze an der Verbindungsstelle zwischen dem Zuleitungsende und dem Heizelement entsteht.
Wie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht ist, wird durch die Erfindung eine Glühkerze geschaffen und ein Verfahren zum Betreiben eines Dieselmotors angegeben, der die Glühkerze verwendet.
Die oben beschriebenen Ziele und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der besten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen sofort ersichtlich.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 ist eine schematisch dargestellte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Zweitakt-Dieselmotors mit einem vergrößerten mit A bezeichneten eingezirkelten Ausschnitt, in dem Details der Brennkammer, der Kraftstoffeinspritzung und der Glühkerze gezeigt sind;
Fig. 2 ist eine teilweise geschnittene Vertikalansicht einer erfindungsgemäßen vollständig aus Keramik bestehenden Glühkerze, in der Details der Verbindungsstelle des Zuleitungsendes mit dem Heizelement dargestellt sind;
Fig. 3 ist ein Leistungsdiagramm einer vollständig aus Keramik bestehenden Glühkerze, in dem der verbesserte bremsspezifische Kraftstoffverbrauch bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Motors und bei unterschiedlichen Glühkerzenspannungen dargestellt ist, der bei der Erfindung auftritt; und
Fig. 4 ist ein Ablaufdiagramm eines Motorbetriebsprogrammes als ein mögliches Verfahren zum Betreiben des Motors, bei dem die Glühkerze erfindungsgemäß betrieben wird und die Verbrennung während unterschiedlicher Betriebsbedingungen des Motors unterstützt.

Beste Ausführungsform der Erfindung

In Fig. 1, einschließlich dem mit A bezeichneten vergrößerten Ausschnitt, ist ein allgemein mit 10 bezeichneter Motor eines Mehrzylinder-Zweitakt-Dieseltyps gezeigt. Der Motor 10 hat einen gegossenen Motorblock und ein Kurbelgehäuse 12 mit zwei V-förmig zueinander angeordneten Zylinderreihen 13 und 14, wobei jede Zylinderreihe mehrere längs ausgerichtete Zylinder 16 hat. Mehrere Kolben 17, einer in jedem Zylinder, sind beweglich angeordnet und über Pleuelstangen 18 mit der Kurbelwelle 20 verbunden, die in herkömmlicher Weise in dem unteren Kurbelgehäuseabschnitt des Motorblocks 12 drehbar gelagert ist.
Der Motorblock hat eine Lufteinlaßkammer oder Luftkammer 26, deren äußere Abschnitte um den Mittelabschnitt jedes Zylinders zwischen der oberen und unteren Kühlkammer 21 und 22 verlaufen. Über einer Wand 25 erhebt sich eine offene Mittelkammer 28, die die äußeren Abschnitte der Luftkammer mit einer Öffnung 29 im oberen Bereich des Motorblocks zwischen den beiden Zylinderreihen verbindet. Um die mittleren Abschnitte der Zylinder sind an diesen Öffnungen 30 vorgesehen, über die, gesteuert durch die Bewegung der Kolben 17, Luft aus der Luftkammer 26 in die Zylinder einströmen kann.
Jede Zylinderreihe ist mit einem Zylinderkopf 32 ausgestattet, der nahe den oberen Enden der Zylinder jeder Zylinderreihe befestigt ist und für jeden Zylinder mehrere Auslaßventile 33, durch die Ventile verschließbare Auslaßkanäle 34 und eine Kraftstoffeinspritzung 36 enthält. Die Betätigung der Ventile und Kraftstoffeinspritzungen kann auf herkömmliche Weise durch eine in zeitlicher Beziehung mit der Motorkurbelwelle betriebene Ventilsteuerung erfolgen.
Ein Roots-Gebläse 37 ist mittig auf dem Motorblock zwischen den Zylinderköpfen befestigt. Die Auslaßöffnung 40 des Gebläses ist mit der Luftkammer-Einlaßöffnung 29 des Motorblocks verbunden. Ferner ist an dem Motor durch nicht dargestellte Mittel ein Turbolader 41 befestigt, der einen dynamischen Kompressorabschnitt 42 und einen Turbinenabschnitt 44 enthält. Der Kompressorabschnitt ist mit der Einlaßöffnung 38 des Roots-Gebläses 37 verbunden.
In jedem Zylinderkopf sind Glühkerzen 65 befestigt. Jede Glühkerze hat einen Kopfabschnitt 66, der in einem der Zylinder 16 aufgenommen, in den konkaven Abschnitt des diesem zugeordneten Kolbens 17 ragt und nahe der Spitze 69 der diesem zugeordneten Kraftstoffeinspritzdüse 36 angeordnet ist. Die Glühkerze 65 ist über einen elektrischen Anschluß 70 mit herkömmlichen Mitteln (nicht dargestellt) verbunden, die je nach Erfordernis die Glühkerzen betätigen und deren Betrieb überwachen
Weitere Details des Motors und seine grundsätzliche Betriebsweise können dem US-Patent Nr. 4 539 948 entnommen werden, dessen Gegenstand hier mit einbezogen wird.
Fig. 2 zeigt die mit einer keramischen Spitze versehene Glühkerze, die bevorzugt erfindungsgemäß verwendet wird. Die allgemein mit 65 bezeichnete Glühkerze hat ein äußeres Kapselelement 72 in Form einer Hülse aus Edelstahl. Die Hülse hat ein Außengewinde 74 zum Befestigen der Glühkerze in dem Zylinderkopf 13 bzw. 14. Des weiteren hat sie eine einstückig mit ihr ausgebildete Mutter 76 mit bekannter achteckiger Ausbildung. Von einem Ende erstreckt sich koaxial durch die Hülse ein Zuleitungsende 70 aus Nickeldraht. Von dem anderen Ende der Hülse erstreckt sich durch diese koaxial das vollständig aus Keramik bestehende Heizelement 78, an dessen distalem Ende eine Heizspitze 69 vorgesehen ist. Das Heizelement ist zylinderförmig, die Heizspitze 69 hat einen Durchmesser, der geringer ist als der des Hauptkörpers 80. Das innere Ende des Heizelements hat ein konzentrisch und koaxial ausgerichtetes Sackloch 82 begrenzter Tiefe. Das Zuleitungsende 70 ist in dem Sackloch aufgenommen und so ausgebildet, daß sein Ende den Grund des Sackloches berührt, wodurch eine mechanische Verbindung zwischen dem Zuleitungsende und dem Heizelement entsteht. Nicht mehr als 80 % des freien Volumens des Sackloches sind mit einem Lot 84 gefüllt, um das Zuleitungsende mit dem Heizelement zu verbinden. Dabei versteht man unter dem "freien Volumen des Sackloches" das Volumen des Sackloches das verbleibt, nachdem das Zuleitungsende 70 in das Sackloch eingeführt worden ist. Durch das teilweise Füllen wird sichergestellt, daß zwischen dem Zuleitungsende und dem äußeren Kapselelement während des Lötvorgangs kein elektrischer Kurzschluß auftritt. Ebenso ist die Hülse an ihrem Ende derart gefalzt oder in anderer Weise umgeformt, daß sie annähernd das Heizelement berührt, und mit demselben Lot 84 am Heizelement befestigt. Die Lücke zwischen dem Heizelement und der Hülse aus Edelstahl ist nicht gefüllt. Das Ende der Stahlhülse und das Heizelement sind sowohl drehfest als auch in axialer Richtung durch die zuvor beschriebene Lotverbindung fest miteinander verbunden. Ein wesentlicher Abschnitt des Endes des Heizelements, etwa 10 bis 20 % der Gesamtlänge des Heizelements, ist in der Hülse 72 aufgenommen.
Das Heizelement 78 ist so aufgebaut, daß elektrisch leitfähige Keramikpartikel als relativ dünne Bahn koaxial zu dem Heizelement durch den Hauptkörper 80 verlaufen und mit beträchtlicher Konzentration an der Heizspitze 69 enden, wie durch die gestrichelte Linie 90 dargestellt ist. Somit wirkt die Außenfläche des Hauptkörperabschnitts als Warmeisolator, während die Hitze der Glühkerze ausschließlich an der Spitze 69 erzeugt wird.
Als bevorzugtes Keramikmaterial für das Heizelement wird Siliziumnitrid Molybdändisulfid (SiN&sub4; MoS&sub2;) verwendet.
Weitere elektrisch leitfähige Keramikmaterialien, die zur Anwendung bei Glühkerzen geeignet sind, werden in dem US-Patent Nr. 4 528 121 beschrieben, dessen Lehren hier mit einbezogen werden.
Im allgemeinen zählt zu den für ein befriedigend arbeitendes elektrisch leitfähiges Keramikmaterial erforderlichen Merkmalen: (1) ein positiver Widerstand-Temperatur-Koeffizient, um den in das Heizelement eingespeisten Strom aufrecht zu erhalten und diesen steuern zu können und um die Oberflächentemperatur der Glühkerze aufrecht zu erhalten, d.h. die Temperatur zu steuern; (2) Beständigkeit gegen Oxidation; (3) eine hohe
Standzeit gegen Hitzeschocks (d.h., ein anfängliches Wiedererwärmen bis zu einem rot glühenden Zustand zu erlauben); (4) ein spezifischer Widerstand in einem Bereich von 10³ bis 10&sup5; Ω cm; (5) eine hohe Dichte und (6) eine hohe mechanische Festigkeit.
Die Anforderungen an die vollständig aus Keramikmaterial bestehende, sich am besten zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung eignende Glühkerze beinhalten:
(1) Die Reaktionszeit für Startvorgänge bei kaltem Wetter und zur Unterstützung der Verbrennung alternativer Kraftstoffe erfordert eine schnelle Reaktionszeit. Die Glühkerze muß die Glühtemperatur innerhalb von 2 bis 5 Sekunden bei einer anfänglichen Leistung von 150 Watt erreichen.
(2) Die Nachglühzeit sollte größer oder gleich 2 Minuten sein, sobald die Spitzentemperatur erreicht ist.
(3) Die Spitzentemperatur bei einem 24 Volt Gleichstromsystem sollte größer oder gleich 1000ºC sein. Die Spitze der Glühkerze wird einer Gastemperatur von bis zu 1850ºC im Zylinder und einer Spitzenspannung von 38 Volt Gleichstrom ausgesetzt sein.
(4) Die Korrosionseigenschaften der Glühkerze und Stecker müssen Salzen und anderen Reinigungsmitteln genauso wie Methanol- und Ethanolkraftstoffen widerstehen können.
(5) Die elektrischen Stecker mit geringem Widerstand müssen so ausgebildet sein, daß sie beim Befestigen und Lösen einer statischen Kraft von 111 Newton (25 lbs.), die in Richtung der Befestigung oder des Lösens aufgebracht ist, und einer statischen Kraft von 111 Newton (25 lbs.), die am Ende der Verbindung senkrecht zu der Richtung, in der befestigt und gelöst wird, widerstehen können, ohne daß das Zuleitungsende gelöst, oder dauerhaft verformt oder der Betrieb der Vorrichtung beeinflußt wird.
(6) Die Dauerschwingungsfestigkeit muß größer oder gleich 80 Kp/mm² sein.
(7) Die Lebensdauer der Glühkerze - das keramische Heizelement muß Betriebsbedingungen des Motors bei Verwendung alternativer Kraftstoffe wie Methanol widerstehen können. Die Lebensdauer der Glühkerze muß 100.000 Zyklen, in denen sie 60 Sekunden an- und 60 Sekunden ausgeschaltet ist, übersteigen. Die mechani schen Eigenschaften des Keramikmaterials müssen hohen Temperaturen des Motors (1000ºC) und hohen Drücken (105,4 Kp/cm² = 1500 psi) widerstehen können. Die Bruchfestigkeit des Materials muß größer als 5 MPa sein. m und die Porosität müssen minimiert sein, ohne daß offene Poren entstehen. Das Material muß bei hohen Temperaturen eine gute Dauerschwingungsfestigkeit besitzen, die größer als 300 MPa bei 1000ºC sein sollte.
(8) Die Schockeigenschaften der Glühkerze müssen so sein, daß sie sowohl Temperaturschocks, die größer oder gleich 1200ºC sind, als auch mechanischen Stoßbelastungen über 40 G widerstehen kann.
(9) Die Materialfestigkeit muß größer oder gleich 750 MPa sein.
(10) Die Glühkerze muß unbeeinflußt von ihrer Lage bezüglich des Kraftstoffsprühnebels (d.h. verschleißfrei) sein.
(11) Die Glühkerzen müssen zur Kontrolle elektromagnetischer Interferenzen den Anforderungen hinsichtlich elektromagnetischer Emissionen und Suszeptibilität entsprechen, wie sie in der Militärbeschreibung EMI MIL-STD-461B erläutert sind.
Vorausgesetzt, daß die Glühkerze die zuvor beschriebenen Eigenschaften besitzt und mit dem in Fig. 2 beschriebenen vorteilhaften Verbindungssystem zwischen Zuführleitungsende und Heizelement ausgestattet ist, können die Glühkerzen nicht nur dazu verwendet werden, den Zündvorgang der Kraftstofffüllung sowohl während des Startvorgangs und Aufwärmens des Motors als auch während Betriebsbedingungen, bei denen die Temperatur der Kraftstofffüllung ungewöhnlich niedrig ist, zu unterstützen, sondern sie auch dazu zu verwenden, den Verbrennungsvorgang unmittelbar vor dem Ende des Ausdehnungsvorgangs aufrecht zu erhalten, bei dem die Verbrennung üblicherweise aussetzt. Des weiteren können sie beim teilweisen Laden oder bei anderen Betriebsbedingungen verwendet werden, bei denen der Anteil durch Wärme beeinflußbarer Nebenprodukte der Verbrennung hoch sein könnte.
Ein Beispiel der Leistungsverbesserung, die durch ständige oder zumindest annähernd ständige Betreibung der Glühkerze während des Betriebs des Motors erreicht wird, ist in Fig. 3 gezeigt. Es ist zu bemerken, daß die Verbesserung des bremsspezifischen Kraftstoffverbrauchs eine Funktion aus drei Variablen ist, nämlich aus Last, Geschwindigkeit und Spannung. Um die Leistungsfähigkeit des Motors über den gesamten Betriebsbereich zu maximieren, sollte durch das Einstellen dieser Variablen mit heutzutage üblichen elektronischen Steuerungen sowohl das höchste Zuverlässigkeitsniveau als auch ein minimaler Kraftstoffverbrauch ermöglicht werden, um eine vorgegebene Leistung zu erzielen. Beispielsweise wird die Verbesserung beim bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch bei höheren Motorgeschwindigkeiten und geringeren Belastungen besonders deutlich, wie Kurve A zeigt, mit der ein Motorbetrieb bei 2300 UpM und 25 % Last dargestellt wird. Weniger deutlich wird dies bei hoher Geschwindigkeit und hohen Belastungszuständen, wie es die Kurve C zeigt, mit der ein Motorbetrieb bei 2100 UpM und 50 % Last dargestellt wird. Bei Vorgabe einer derartigen variierenden Leistungsfähigkeit kann eine Technik zum Betreiben des Motors unter Verwendung elektrischer Steuerungen eingesetzt werden, bei der (i) die Glühkerzen über die gesamte Dauer des Motorbetriebs kontinuierlich mit Energie versorgt werden, wohlwissend, daß die Hauptwirkung auf bestimmte Betriebsbedingungen des Motors beschränkt ist, oder (ii) die Glühkerzen nur mit Energie versorgt werden, wenn bestimmte Betriebsbedingungen des Motors erfüllt sind, und (iii) dies auf Grundlage der verfügbaren Gleichspannung zu irgendeinem Zeitpunkt während des Fahrzeugbetriebs reguliert wird.
Fig. 4 zeigt ein Betriebssystem für einen Motor, das auf den in Fig. 3 gezeigten Leistungsergebnissen basiert, bei dem die Glühkerzen kontinuierlich mit Strom versorgt werden, jedoch mit einer Spannung, die die Gleichspannungsversorgung, d.h. die 12 Volt-Gleichspannungs-Batterie, nicht erschöpft. Nachdem die Glühkerze zunächst eingeschaltet und der Motor gestartet wird (100), erfolgt eine ständige Überprüfung der Batterie (102), mit der bestimmt wird, ob die Batterie durch die gegenwärtige Spannung an der Glühkerze erschöpft wird. Ist dies nicht der Fall, werden die Glühkerzen mit dieser Spannung während aller Betriebsbedingungen gespeist, und die Vorteile entsprechen den in Fig. 3 gezeigten. Wird die Batterie durch die Glühkerzenspannung erschöpft (d.h. die Batterie kann nicht so schnell aufgeladen werden, um ein weiteres Entladen auszuschließen), wird die Glühkerzenspannung durch das "ja" um einen vorbestimmten Betrag, beispielsweise 2 Volt, verringert (104). Anschließend wird die Batterie erneut geprüft und die Schleife wiederholt. Als Folge werden die Glühkerzen 65 immer eingeschaltet, wobei die Stromstärke maximal so hoch ist, wie es die Ladeeinrichtung zuläßt.
Auch andere Betriebsverfahren können erwogen werden. Beispielsweise wäre es möglich, die Glühkerze nur bei Geschwindigkeits- und Belastungszuständen, wie sie in Kurve C der Fig. 3 gezeigt sind, mit Energie zu versorgen, sobald weniger als 12 Volt verfügbar sind. Auf diese Weise können die Erfordernisse an das Laden deutlich herabgesetzt werden, während maximale Spannungen bei Geschwindigkeits- und Belastungsbedingungen zugelassen werden können, bei denen die größten Verbesserungen beim bremsspezifischen Kraftstoffverbrauch (beispielsweise in den Kurven A und B) auftreten.
Des weiteren sind auch andere Strategien für den Motorbetrieb denkbar.
Ein besonderer Vorteil, wenn die Glühkerzen über die gesamte Dauer des Motorbetriebs mit Energie versorgt werden, ist die Tatsache, daß der Ort, an dem die Verbrennung des verdichteten Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt, genau reguliert und um die Heizspitze der Glühkerze mittig ausgerichtet werden kann, wodurch der Motorkonstrukteur die Möglichkeit hat, die Geometrie der Brennkammer so auszugestalten, daß eine gesteuerte Verbrennung erfolgt und ungleichmäßige Verbrennungen vermieden werden, die auftreten, wenn der Ort der Verbrennung durch andere erwärmte Bereiche innerhalb der Verbrennungskammer beeinflußt wird.
Obwohl die beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung zuvor detailliert beschrieben wurde, werden diejenigen, die mit dem Stand der Technik, auf den sich die Erfindung bezieht, vertraut sind, verschiedene weitere Konstruktionen und Ausführungen für die Anwendung der Erfindung erkennen, wie sie in den nachfolgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Glühkerze (65) zum Unterstützen des Verbrennungsprozesses in einer Verbrennungskraftmaschine (10) mit Verdichtungszündung, mit:

einem zum Befestigen an einem Zylinderkopf (13, 14) der Verbrennungskraftmaschine (10) geeigneten rohrförmigen Metallaußenkörper (72);

einem sich durch den Metallaußenkörper (72) von dessen einem Ende erstreckenden Zuleitungsende (70); und

einem sich durch den Metallaußenkörper (72) von dessen anderen Ende erstreckenden und am Zuleitungsende (70) befestigten keramischen Heizelement (78);

dadurch gekennzeichnet,

daß das Heizelement (78) an seinem einen Ende ein axial verlaufendes Sackloch (82) hat, und

daß das Zuleitungsende (70) in dem Sackloch (82) aufgenommen ist und im Sackloch (82) das Heizelement (78) berührt, wodurch der elektrische Kontakt zwischen dem Zuleitungsende (70) und dem Heizelement (78) immer bestehen bleibt.

2. Glühkerze (65) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (78) einen zylinderförmigen Abschnitt (80) aus Keramikpartikeln mit einer im wesentlichen koaxial zum Abschnitt (80) angeordneten, sich von einer Heizspitze (69) an dessen einem Ende über dessen Länge zu seinem anderen Ende erstreckenden dünnen Bahn aus elektrisch leitenden Keramikpartikeln hat.

3. Glühkerze (65) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grund des Sacklochs (82) die Bahn aus elektrisch leitenden Keramikpartikeln frei läßt, und daß das Zuleitungsende (70) mit dem Heizelement (78) und mit der dünnen Bahn aus elektrisch leitenden Keramikpartikeln innerhalb des Sacklochs (82) im elektrischem Kontakt steht.

4. Glühkerze (65) nach Anspruch 1, die ferner Haltemittel enthält, die

(i) das Zuleitungsende (70) axial und drehfest relativ zum Außenkörper (72) halten; und

(ii) das Heizelement (78) axial und drehfest relativ zum Außenkörper (72) halten, und dadurch sicherstellen, daß das Zuleitungsende (70) im Sackloch (82) und in Kontakt mit dem Heizelement (78) bleibt.

5. Glühkerze (65) nach Anspruch 4, bei der ferner nicht mehr als etwa 80 % des freien Volumens des Sacklochs (82) mit einem Lot (84) gefüllt sind, das als weiteres Befestigungsmittel das Zuleitungsende (70) am Heizelement (78) befestigt und den elektrischen sowie mechanischen Kontakt zwischen diesen aufrecht erhält.

6. Glühkerze (65) nach Anspruch 5, bei der das Heizelement (78) ein vollständig aus Keramik bestehendes, elektrisch leitfähiges Heizelement ist.

7. Glühkerze (65) nach Anspruch 6, bei der der Metallaußenkörper (72), das Zuleitungsende (70) und das Heizelement (78) jeweils konzentrisch zueinander angeordnet sind.

8. Glühkerze (65) nach Anspruch 5, bei der der Metallaußenkörper (72) einen Außengewindeabschnitt (74) und eine axial zwischen dem Anschlußende des Außenkörpers (72) und dem Gewindeabschnitt (74) angeordnete Mutter (76) hat, um auf diese Weise die Glühkerze (65) mit dem Gewindeabschnitt (74) am Zylinderkopf (13, 14) mechanisch befestigen zu können.

9. Glühkerze (65) nach Anspruch 6, bei der der Außenkörper (72) an seinem Heizelementende einen festen Abschnitt von etwa 10 bis 20 % der Länge des Heizelementes (78) übergreift, und der Außenkörper (78) an seinem Heizelementende derartige diametrale Abmessungen hat, daß zwischen dem Heizelement (78) und dem Außenkörper (72) ein Zwischenraum ausgebildet ist.

10. Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10) mit Verdichtungszündung, die einen sich innerhalb eines Zylinders (16) hin und her bewegenden Kolben (17) hat, um eine zündfähige Kraftstoff-/Luft-Befüllung innerhalb einer durch den Kolben (17) und den Zylinder (16) in Verbindung mit einem Zylinderkopfteil (32) gebildeten Kompressionskammer so ausreichend hoch zu verdichten, daß eine Selbstzündung ausgelöst wird, wenn der Betrieb bei einer vorgegebenen erhöhten Motortemperatur erfolgt, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) eine Glühkerze (65) nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält, die am Zylinderkopf (32) befestigt ist und dessen Heizelement (78) in die Kompressionskammer ragt, um die Kraftstoff- Iluft-Befüllung ausreichend zu erwärmen, damit sich diese entzündet, wenn die Verbrennungskraftmaschine (10) unterhalb der vorgegebenen erhöhten Motortemperatur gestartet oder betrieben wird, wobei das Verfahren umfaßt:

(a) Anschalten der Glühkerze (65) und anfängliches Einstellen der Heizelementtemperatur auf eine Temperatur von über 871ºC (1600ºF);

(b) Starten der Verbrennungskraftmaschine (10);

(c) gleichzeitiges Betreiben der Verbrennungskraftmaschine (10) und Halten der Heizelementtemperatur auf mindestens 871ºC (1600ºF), bis die Motortemperatur ausreicht, eine Selbstzündung der verdichteten Kraftstoff-/Luft-Befüllung ohne zusätzlich von dem Heizelement (78) abgegebene Wärmeenergie zu bewirken; und

(d) Halten des Heizelementes (78) auf einer Temperatur von über 871ºC (1600ºF) während zumindest eines Teils der gesamten verbleibenden Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine (10).

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Heizelement (78) während der gesamten verbleibenden Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine (10) auf einer Temperatur von über 871ºC (1600ºF) gehalten wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, das ferner den Schritt eines Verringerns der der Glühkerze (65) zugeführten Leistung in festen Dekrementen und solange Fortfahrens mit der Leistungsabgabe an die Glühkerze (65) mit dem verringerten Spannungspegel, bis die Strom-Kerzenspannung beim verringerten Spannungspegel verfügbar wird, enthält.

13. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt eines Unterbrechens der Leistungsabgabe an die Glühkerze (65) während der Zeitabschnitte, in denen die Verbrennungs-kraftmaschine (10) mit einer Drehzahl und einer Leistung unterhalb eines jeweils vorgegebenen Wertes arbeitet, enthält.

14. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt eines Unterbrechens der Leistungsabgabe an die Glühkerze (65) während der Zeitabschnitte, in denen die Verbrennungskraftmaschine (10) mit einer Drehzahl von weniger als 2100 UPM und einer Leistung von weniger als 50% betrieben wird, enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Heizelement (78) während der gesamten verbleibenden Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine (10) auf Temperaturen zwischen 871ºC (1600ºF) und 1093ºC (2000ºF) gehalten wird.