DE9005085U1 - Glühkerze - Google Patents
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- F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
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Description
>, .WlLHEUMS · KiUAN & PARTNER
S &Igr;«&iacgr;· «VWBtffAfmAOE rHMUnCHBN UND HAMBURG
,· EUtcpe^P£eVitAtyJhieys^»n<WB*es «l Brevets Europeens
DR RSl NAT. ROLF E. WILHELMS ORRBL NAT. HBJVIUT KMJAN
DR-INa J SCHMKtT-BOQATZKY
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Eduard-Scnrntd-Stresee
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Telefon (089) 652091 Telex 523467 (wtp-d)
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GP 4759-DE
FKRT? Ruprecht GmbH & Co. KG Ludwigsburg
Glüifek ~-r -~
Die Erfindung betrifft eine Glühkerze gemäß dem Oberbegriff des Ba*iwri<rAnspruchs 1.
Messungen an Dieselkraftfahrzeugen ergaben, daß bei einigen Fahrzuständen die Brennraumtemperatur und dadurch die
Glührohrtemperatur unbeheizter (stromloser) Glühkerzen bei
ca. 400*C bis 500'C liegt. Da ein zündaussetzungsfreier Betrieb erst bei einer Temperatur ab ca. 850'C erreicht wird,
ist bei diesen Fahrzuständen ein schlechtes Abgas- und Geräuschverhalten festzustellen. Es ist daher zweckmäßig, die
Glühkerzen zumindest periodisch eingeschaltet zu lassen.
Bei den bekannten Stabglühkerzen der eingangs genannten Art (DE-OS 28 02 625, DE-os 38 25 013) erstreckt sich das
drahtwendelförmige Widerstandselement über die gesamte Länge
des Glührohres. Diese bekannten Stabglühkerzen benötigen für eine Beharrungstemperatur von ca. 900 bis 1000*C eine elektrische Leistung von mehr als 120 W pro Kerze bei ruhender
Luft.
Für den Dauerbetrieb steht eine so hohe elektrische Leistung nicht zur Verfügung, weshalb eine bekannte Glühkerze
dieser Art als DauerglühzünciüB·:' Sieger ausscheidet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Glühkerze zu schaffen, derer Glührohr «it geringerer elektrischer Leistung
bei laufendem Motor auf eine Temperatur der Größenordnung 850*C beheizt werden kann.
Diese Aufgabe vdrd erfindungsgemäß gelöst durch eine
Glühkerze, wie sie im Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist.
Vorteilhafte Weiterbildunger/ der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Glühkerze,
Fig. la eine zweite Ausführungeform der erfindungsgemäßen Glühkerze,
Fig. 2 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Glühkerze mit Schutzrohr,
Fig. 3 den Ablauf einer Glühkerzensteuerung für einen 4-Zy1Ander-Motcr,
Fig. 4 den Temperaturverlauf an der Glührohroberfläche für eine Glühkerze gemäß Fig. 1,
Fig. 5 das Aufheizverhalten für eine Glühkerze gemäß /ig. 1 und eine bekannte Glühkerze,
Fig. 6 die Glührohrtemperatur bei Motorbetrieb und
konstanter Heizleistung im Vergleich en'indungsgemäßer und einer bekannten Glühkerze,
Fig. 7 das Ergebnis einer Abgasver^leichsmessung mit
Oauerglühen,
Fig. 8 schematisch den Einbau einer Glühkerze gemäß Fig. 1 in eine Wirbelkammer eines Dieselmotors, und
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BERU Ruprecht GmbH & Co. KG GP 475-DE
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Fig. 9 schematisch ein Steuergerät, das mit unterschiedlichen Eingangsgrößen verRorgt wird.
Fig. 1 zeigt eine Glühkerze 1 mit einem Glühkerzenkörper
3 und einem Glührohr 2, welches an seinem vom Glühkerzenkörper
3 entfernten Ende verschlossen ist. Zur elektrischen Beheizung des Glührohres 2 ist eine Widerstandsdrahtwendel 4,
im folgenden Heizwendel genannt, in der Spitze des Glührohres 2, d.h. also konzentriert auf das dem Glühkerzenkörper 3
abgewandte Ende des Glührohres 2, angeordnet. Die Heizwendel
4 besteht aus einem Heizdraht, dessen Widerstand weitgehend unabhängig von der Temperatur ist (r.B. Kanthai). In einer
weiteren Ausführungsform kann die Heizwendel 4 ganz oder, wie in Fig. la gezeigt, wo die Heizwendel den Teil 4a mit im
wesentlichen temperaturunabhängigem Widerstand oder mit einem Widerstand mit schwach positivem oder negativem Temperaturkoeffizienten
und den Teil 4b mit stark positivem Temperaturkoeffizienten aufweist (die räumliche Anordnung der Teile 4a
und 4b, kann auch vertauscht sein), teilweise aus einem Heizdraht mit Regeicharakteristik bestehen (z.B.: Ki, CoFe,
Fe, ...)· Hierdurch wird eine gewisse Selbstregelung der Glühkerze erreicht. Wird die Stromstärke in der Heizwendel
durch die Steuerelektronik begrenzt, so kann unter der Voraussetzung eines entsprechend temperaturbeständigen
Materials für die Heizwendel auch ein einheitlich negativer Temperaturkoeffizient von Vorteil sein.
In jedem Fall ist jedoch die gesamte Heizwendel, also
einschließlich desjenigen ggf. vorhandenen Teils derselben, der Regelcharakteristik hat, in der Spitze des Glührohres
konzentriert untergebracht.
Dieser Bereich wird auf max. 10 mm, vorzugsweise 4 bis 7
mm, begrenzt und nimmt einen Bereich von möglichst weniger
als 1/3 der freien Glührohrlänge ein.
Da von der Materialauswahl (spezifischer Widerstand) und
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von der Wahl des Drtihtdurchmeseers her Grenzen gesetzt sind,
kann diese räumliche Konzentration durch folgende Maßnahmen verbessert werden:
- Verringerung des Windungsabstandes
- Verwendung isolierter (z. B. oberflächenoxidierter) Drähte, die ohne Windungsabstand gewickelt werden
können.
- Koaxiale Anrodnung mehrerer Wicklungen
- Verringerung des Gesarotwiderstandes
Zur elektrischen Kontaktierung der Heizwendel 4 mit einem Anschlußteil 5, das sich auf der dem Glührohr 2
abgewandten Seite des Glühkerzenkörpers 3 befindet, ist eine niederohmige Verbindung 6, z.B. aus einem Nickeldraht,
vorgesehen, der vorzugsweise gestreckt das Glührohr 2 durchsetzt. Die Heizwendel 4 ist mit Hilfe eines als Granulat
ausgebildeten elektrisch isolierenden Materials 7 in dem Glührohr 2 eingebettet. Als Isolationsmaterial wird üblicherweise
MgO verwendet. Zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
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des Glührohres ein Isolationsmaterial mit höherer Wärmeleitfähigkeit
(z.B. AlN2) verwendet werden, während im Bereich der niederohmigen Drahtverbindung ein Isolationsmaterial mit
niedrigerer Wärmeleitfähigkeit verwendet wird. Die räumliche Ausdehnung der Heizwendel 4 wird bewußt auf die Spitze des
Glührohres konzentriert, um das glühende Volumen zu minimieren. Dadurch kann die zum Erreichen einer bestimmten
Glühkerzentemperatur aufzubringende elektrische Leistung klein gehalten werden. Diese geringe elektrische Leistung ist
Voraussetzung für einen Dauerbetrieb der Glühkerze. Außerdem werden dadurch die Verluste durch Konvektion, Strahlung und
Wärmeleitung minimiert.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer
Glühkerze, bei welcher zur weiteren Verringerung der
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BERU Ruprecht GmbH & co. kg GP 475-DE
Wärmeverluste bei niedrigeren Temperaturen im Brennraum bzw. der Vorkammer des Motors während der Gaswechselvorgänge ein
das Glührohr 2 umgebendes Schutzrohr 9 vorgesehen ist. Im Bereich des Glührohrendes werden an der Spitze und/oder am
Umfang des Schutzrohres 9 eine oder mehrere öffnungen 10 vorgesehen, die dem Kraftstoff-Luftgemisch Zugang zum
glühenden Glührohrende ermöglichen, wo das Kraftstoff-Luftgemisch dann gezündet wird. Zusätzlich hat das Schutzrohr
9 noch die Funktion, bei sehr hohen Brennraumtemperaturen eine Überhitzung des beheizten Glührohres zu verhindern.
Diese Ausführungsform ist besonders für den Einsatz in
Motoren mit sehr hohen Gaswechselgeschwindigkeiten und dadurch hohen Konvektionsverlusten geeignet.
Fig. 3 zeigt schematisch die Ansteuerung der Glühkerzen am Beispiel eines 4-Zylinder-Motors. Ein elektrisches
Schaltgerät steuert die einzelnen Glühkerzen, z.B. über Leistungsschalttransistoren, je nach Fahrzeugzustand ein und
aus.
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gleichzeitig betrieben.
Um die Steilheit des Einschaltstromes zu verringern, ist
es vorteilhaft, wenn die einzelnen Glühkerzen mit einer geringen zeitlichen Verzögerung nacheinander zugeschaltet
werden. Die Dauer der Vorglühphase kann in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, wie Außentemperatur, Kühlwassertemperatur,
Versorgungsspannung, Glühkerzenwiderstand verändert werden. Nach Ablauf der Vorglühzeit werden die
Glühkerzen nacheinander getaktet eingeschaltet, so daß eine Überhitzung der Glühkerzen vermieden wird. Die Glühkerzen
sind elektrisch so ausgelegt, daß bei einer Einschaltdauer von 25 % bei jedem Fahrzustand die gewünschte Glühkerzentemperatur
von z.B. >850"C erreicht wird. Das getaktete aufeinanderfolgende Einschalten der vier Glühkerzen in der
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Weise, daß die Einschaltphasen lückenlos und ohne Überlapp
aneinander anschließen, hat den Vorteil, daß das Bordnetz mit einem nahezu konstanten Strom belastet wird.
Je nach Auslegung der elektrischen Werte der Glühkerzen kann es vorteilhaft sein, nach der Vorglühphase noch eine
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ZMfügen. Hierbei sind dann jeweils zwei bzw. drei Glühkerzen
gleichzeitig beheizt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Glühkerzen von dem Steuergerät auf ihre Funktionsfähigkeit geprüft werden
und eventuelle Mangel dem Fahrer angezeigt werden. Eine solche Prüfphase kann sowohl vor der Vorglühzeit als auch in
den jeweiligen Taktpausen der einzelnen Glühkerzen vorgesehen werden. Wird für die Glühkerzen eine Hfeizwendel mit temperaturabhängigem
Widerstand verwendet, kann zusätzlich die Wendeltemperatur überwacht werden.
In Fig. 4 ist der Temperaturverlauf an der Glührohroberfläche nach einer Aufheizzeit von 30 SeKunden dargestellt.
Im Vergleich zur bekannten Glühkerze mit sich über die gesamte Länge des Glührohrs erstreckender Widerstands-»
drahtwendel (gestrichelte Linie) ist bei der Glühkerze gemäß Fig. 1 (durchgezogene Linie) das glühende Volumen auf die
Glührohrspitze konzentriert; die gesamte elektrische Energie wird im Bereich der Glührohrspitze, wo die wlr"->rstanddrahtwendel
konzentriert ist, umgesetzt. Demgegenüber wird bei der bekannten Glühkerze der größte Teil der elektrischen Energie
im Bereich des Regelwendelteils der Widerstandsdrahtwendel umgesetzt, der sich über den größeren Teil der Glührohr länge
auf der dem Glühkerzenkörper zugewandten Seite erstreckt. Dieser Teil des Glührohres wird bei der gegenständlichen
Glühkerze durch eine niederohmige Rückführung durchmessen. Durch die Verringerung des glühenden Volumens bei der
gegenständlichen Glühkerze werden die Wärmeverluste bei
annimmt. If
elektrischen Energie in der Glührohrspitze ein schnelleres |
ist sowohl der Glühstrom aber der Zeit als auch die Oberflä- d
chentemperatur an der Glührohrspitze dargestellt. Die
bekannte Glühkerze (gestrichelte Linie) beginnt mit einer
hohen Anfangsstromspitze, die zu der Erwärmung der Regelwendel führt. Durch den steigenden Widerstand der Regelwendel
nimmt der Glühstrom ab, und die Regelwendel übernimmt den größten Teil der elektrischen Energie. Zur Erreichung einer
Temperatur von 850*C an der Glührohrspitze werden ca. 6,5 s und zur Erreichung vcn 950*C ca. 9,5 s benötigt.
Bei der gegenständlichen Glühkerze fließt während der Vorglühzeit ein nahezu konstanter Glühstrom. Die gesamte
elektrische Energie wird in der Glührohrspitze umgesetzt und die Temperatur von 850"? in 4,5 s und von 950'C in 5,5 s
erreicht. Nach der Vorglühzeit wird die Glühkerze mit einer Einschaltdauer von 25 % betrieben. Dadurch kommt es bei der
Temperaturkurve zu einer Temperaturspitze während der Vorglühphase, wonach sich die Temperatur einem konstanten
Wert annähert.
Ein Vergleich der bekannten Serienglühkerze und der
gegenständlichen Glühkerze (Fig. 6) bei Motorbetrieb mit einer konstanten Heizleistung von ca. 40 W ergab fsigsndes.
Die Serienglühkerze erreichte bei jeder Brennraumtemperatur nur eine geringe Temperaturerhöhung, während die gegenständliche Glühkerze bei jedem Fahrzustand eine Temperatur
von >850°C annahm. Bei der Ausführungeform der Glühkerze ohne Schutzrohr gemäß Fig. 1 steigt die Temperatur bei hohen
Brennraumtemperaturen auf ca. 1000*C an. Die Glühkerze mit
Schutzrohr naeis Fig. 2 seigt über den gesamten Fahrbereich an
der Glührohrspitze eine nahezu konstante Twcperatur. Dan ist
auf die abschirmende WirSosng des Schutzrohres zurückzufüfe?*
Hierdurch kann die Lebensdauer der Glühkerze weiter verbessert werden. Bei hohen Brennraumtemperaturen nimmt das
Schut: ->hr eine höhere Temperatur an und wirkt dadurch als
Glühzünd'wiigserrsger.
Zum Nachweis der Wirkung des Dauerglühene auf den
Verbrennur ?~'organg wurden Abgasvergleichemessungen durchgeführt.
In Fig. 7 sind die Abgaswerte bei einem US-Zyklus am
Beispiel eines Volkswagen Golf Diesel dargestellt. Hierbei wurde der Serienzustand (ohne Dauerglühen) auf 100 %
normiert. Im Vergleich dazu sind die derzeitig gültigen US-Grenzwerte aufgetragen. Die Hei&zgr;Stabtemperatur der Glühkerze
gemäß Fig. 1 wurde extern auf 850'C geregelt.
Durch die bessere Verbrennung konnten die Werte für Kohlenwasserstoffe (HC) und Kohlenmonoxid (CO) deutlich
verringert werden. Wegen der höheren Verbrennungstemperatur stieg der NOx-Wert erwartungsgemäß etwas an. Die verbesserten
HC" und CO-Werte deuten auf einen zündaussetzerfreien Betrieb hin. Auch die Partikelemissionen wurden durch das Dauerglühen
erheblich verbessert, was ebenfalls auf eine bessere Verbrennung schließen läßt.
Da sich durch die heiße Glühkerzenspitze der Zündverzug verkleinert, kann durch einen von Fahrzeugherstellern neu zu
bestimmenden Einspritzzeitpunkt mit einer weiteren Abgasbzw. Partikelverringerung gerechnet werden.
Die Verkürzung des Zündverzuges hat bekannterweise eine Verringerung des Verbrennungsgeräusches und des Luftschalle
zur Folge.
Man kann erwarten, daß durch dae Dauerglühen in Verbindung mit weiteren motorischen Maßnahmen (Brennraumge-
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staltung, Einspritzzeitpunktregelung) auch ohne Rußfilter zukünftige Parfcikelgrenzwerts eingehalten werdea können.
Fig. 8 zeigt seaematisch den Einbau einer GlürnSaerze
gemäß Fig. 1 in eine Wirbelkammer eift«ö Dxeöclmc^tors. Das
zentrale Steuergerät erfaßt die verschiedenen Motorparameter und versorgt die Glühkerzen mit ein^z entsprechenden
Heizleistung» Zusätzlich k*nn dieses Steuergerät noch die
E.1 ^sprit£3teus>rung uüd die "'berwaciaiug der Glühkerzen
übernehmen.
Tr Fig. 9 ist scheicatiech das steuergerät dargestellt,
das mit den unterschiedlichen ii * &eegr; ; ^ngscrrößen versorgt viru.
Diese Daten werden nach einem vorgegebenen Programm in einem Mikroprozessor "erarbeitet, der dann die Leistungsendstufe
ansteuert. In einem Speicherbaustein können motorspezifische
Daten und Kennfelder gespeichert sein. Zusätzlich führt der Mikroprozessor die Funktionsüberwachung (Diagnose) der
Glühkerzen durch und meldet eventuelle Fehler an dft,,i Fahrer.
Claims (10)
1. Glühkerze für eine luftverdichtende schine, mit einem K&rzengehäuse (3), mit einer Anschlußvorrichtung (5) für den Glühstrom und mit einem an dem Kerzfcngehäuse angebrachten Glührohr (2J, das an seinem vom
Kerzengehäuse abgewandten Ende verschlossen ist, wobei in dem Glührohr (2) ein drahtwendelförmiges Widerstandselement (4)
in einem elektrisch isolierenden Material (7) eingebettet vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das drahtwende1-förmige Widerstandselement (4) räumlich auf den Bereich des
vom Kerzengehäuse (3) abgewandten Endes des Glührohres (2)
&Igr; konzentriert ist.
2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsalement (4) einheitliche Temperaturcharakteristik hat.
3. Glühkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der elektrische Widerstand des Widerstandselements (4) weitgehend temperaturunabhängig ist.
4. Glühkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Widerstand des Widerstandselementö (4)
einen positiven Temperaturkoeffizienten mit Regelwirkung hat.
5. Glühkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der elektrische Widerstand des Widerstandselements (4)
einen negativen Temperaturkoeffizienten hat.
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BERU Ruprecht GmbH & Co. KG GP 475-DE %
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6. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement (4) aus einem Teil (4a) mit
weitgehend temperaturunabhängigem Widerstand und einem Teil (4b) mit positivem Temperaturkoeffezienten mit Regelwirkung
besteht.
7. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung des Widerstandselements
(4) mit der Anschlußvorrichtung (5) eine niederohmige Drahtverbindung (6) vorgesehen Xat.
8. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das elektrisch isolierende
Material (7) ein Material mit vergleichsweise hoher thermischer Leitfähigkeit vorgesehen ist.
9. Glühkerze nach Anspruch 8 in Rückbezug auf Anspruch
7, dadurch gekennzeichnet, daß sich das elektrisch isolierende Material (7) mit vergleichsweise hoher thermischer
Leitfähigkeit auf den Bereich des Widerstandselements (4) beschränkt und daß im Bereich der niederohmigen Drahtverbindung
ein elektrisch isolierendes Material (7) mit verhältnismäßig niedriger thermischer Leitfähigkeit vorgesehen ist.
10. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Glührohr (2) umgebendes
Schutzrohr (9) mit öffnungen (10) im Bereich des das Widerstandselement
(4) enthaltenden Teils des Glührohres (2) vorgesehen ist.
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---|---|---|---|
DE9005085U DE9005085U1 (de) | 1990-05-04 | 1990-05-04 | Glühkerze |
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DE9005085U DE9005085U1 (de) | 1990-05-04 | 1990-05-04 | Glühkerze |
Publications (1)
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DE9005085U1 true DE9005085U1 (de) | 1990-08-09 |
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ID=6853504
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DE9005085U Expired - Lifetime DE9005085U1 (de) | 1990-05-04 | 1990-05-04 | Glühkerze |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE9005085U1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0455256A2 (de) * | 1990-05-04 | 1991-11-06 | BERU Ruprecht GmbH & Co. KG | Glühkerze |
WO1999027302A1 (de) * | 1997-11-25 | 1999-06-03 | Robert Bosch Gmbh | Glühstiftkerze für brennkraftmaschinen |
-
1990
- 1990-05-04 DE DE9005085U patent/DE9005085U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0455256A2 (de) * | 1990-05-04 | 1991-11-06 | BERU Ruprecht GmbH & Co. KG | Glühkerze |
EP0455256A3 (en) * | 1990-05-04 | 1992-01-15 | Beru Ruprecht Gmbh & Co. Kg | Glowplug |
WO1999027302A1 (de) * | 1997-11-25 | 1999-06-03 | Robert Bosch Gmbh | Glühstiftkerze für brennkraftmaschinen |
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