DE3911492A1 - GLOW PLUG CANDLE - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zur Anordnung im Verbrennungsraum einer Dieselbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a glow plug for arrangement in the combustion chamber of a diesel engine the preamble of claim 1.
Der prinzipielle Aufbau einer Glühstiftkerze ist in der deutschen Patentschrift Nr. 28 02 625 wiedergegeben. Danach werden zur Verbesserung des Kaltstartverhaltens von Dieselmotoren sogenannte Glühstiftkerzen verwendet, an deren heißer Stiftoberfläche ein Teil des eingespritzten Kraftstoffes verdampft und sich - vermischt mit komprimierter Luft - entzündet. Die dabei freiwerdende Wärme trägt zur Einleitung des Verbrennungsprozesses bei. Eine Glühstiftkerze hat einen aus dem Kerzengehäuse herausragenden rohrförmigen Glühstift, in dessen Glührohr eine in Isolierpulver hoher thermischer Leitfähigkeit (insbesondere Magnesiumoxyd) eingebettete Heizwendel mit im wesentlichen temperaturunabhängigem Widerstand angeordnet ist. Um eine Überhitzung und damit eine Zerstörung des Heizkörpers zu vermeiden, ist diese Heizwendel mit einer zusätzlichen Regelwendel elektrisch in Reihe geschaltet, die einen hohen positiven Widerstands- Temperatur-Koeffizienten (PTC) aufweist und auch in das genannte Isolierpulver mit eingebettet ist. Durch geeignete Auslegung und Dimensionierung von Heiz- und Regelwendel wird die Glühstiftkerze schnell auf die für den Start erforderliche Temperatur erwärmt, ohne jedoch die zulässige Höchsttemperatur zu überschreiten.The basic structure of a glow plug is shown in German Patent No. 28 02 625. Thereafter, the cold-start behavior are used for the improvement of diesel engines so-called glow plugs, evaporated at the hot pin surface, part of the injected fuel and - mixed with compressed air - inflamed. The heat released in the process contributes to the initiation of the combustion process. A glow plug has a tubular glow stick protruding from the plug housing, in the glow tube of which a heating coil with an essentially temperature-independent resistance is arranged, which is embedded in insulating powder of high thermal conductivity (in particular magnesium oxide). In order to avoid overheating and thus destruction of the radiator, this heating coil is electrically connected in series with an additional control coil, which has a high positive resistance-temperature coefficient (PTC) and is also embedded in the insulating powder mentioned. With a suitable design and dimensioning of the heating and control filament, the glow plug is quickly heated to the temperature required for starting, but without exceeding the permissible maximum temperature.
Der Glühstift erzielt an seiner brennraumseitigen Spitze üblicherweise seine Arbeitstemperatur von ca. 850 bis 900°C nach ca. 5 bis 10 s.The glow pencil achieves at its tip on the combustion chamber side usually its working temperature from about 850 to 900 ° C after approx. 5 to 10 s.
Bei bekannten Glühstiftkerzen ist das Glührohr mit einem elektrisch isolierenden, aber Wärme gut leitenden Keramikpulver, z. B. Magnesiumoxyd, gefüllt.In known glow plugs, the glow tube has a electrically insulating, but good heat conductor Ceramic powder, e.g. B. magnesium oxide filled.
Die gute Wärmeleitfähigkeit des Keramikpulvers ist deshalb sinnvoll und erforderlich, um insbesondere die Wärme von der Heizwendel rasch nach außen zum Glührohr zu transportieren.The good thermal conductivity of the ceramic powder is therefore sensible and necessary, in particular to the warmth of the heating coil quickly towards the glow tube transport.
Sofern die Heizwendel und die Regelwendel im Glührohr räumlich eng beieinanderliegen, ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die von der Heizwendel abgegebene Wärme durch die gute Wärmeleitfähigkeit sowohl des Isolierpulvers als auch des Glührohrs eine zu rasche Aufheizung der Regelwendel bewirkt. Die Regelwendel erhöht deshalb zu früh ihren temperaturabhängigen Widerstand und regelt die Heizleistung der Heizwendel herunter. Es wäre deshalb von Vorteil, wenn die Temperaturbeeinflussung der Regelwendel seitens der Heizwendel verringert werden könnte. Hierfür ist aus der EP-02 40 650 A1 eine Glühstiftkerze der gattungsgemäßen Art bekannt geworden, die zwischen der brennraumseitigen Heizwendel und der anschlußseitigen Regelwendel ein Verbindungsstück mit niedriger thermischer Leitfähigkeit vorsieht. Dieses Verbindungsstück besteht aus einem CrNi- Stahl mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit, jedoch einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit. Dieses Verbindungsstück ist ebenfalls von dem im gesamten Glührohr einheitlich vorhandenen Isolierpulver umgeben, bewirkt aber nur eine unzureichende thermische Isolation, ist baulich aufwendig und in der Wirkung unbefriedigend.Provided the heating coil and the control coil in the glow tube spatially close to each other, however, the Disadvantage that the heat given off by the heating coil due to the good thermal conductivity of both Insulating powder and the glow tube too fast Heating the control coil causes. The rule spiral therefore increases their temperature-dependent too early Resistance and regulates the heating power of the heating coil down. It would therefore be an advantage if the Influence of temperature on the control coil on the part of Heating coil could be reduced. For this is from the EP-02 40 650 A1 a glow plug of the generic type Kind become known between the combustion chamber side Heating coil and the control coil on the connection side Low thermal conductivity connector provides. This connector consists of a CrNi- Steel with good electrical conductivity, however a low thermal conductivity. This Connector is also of the same throughout Glow tube surrounded by existing insulating powder, causes only insufficient thermal insulation, is structurally complex and unsatisfactory in effect.
Aus der deutschen Patentschrift DE-PS 34 21 950 ist eine Glühstiftkerze bekannt geworden, bei welcher die Heizwendel in einem gesonderten Isolierkörper aus einem gesinterten Keramikmaterial angeordnet ist, während die Regelwendel im üblichen Magnesiumoxyd-Pulver oder in Glas eingebettet ist. Durch diese Anordnung soll eine verbesserte selbstregelnde Funktion der Glühkerze erzielt werden. Dies wird mittels spezieller Heizdraht- sowie Regelwendel-Materialien mit temperaturunabhängigen bzw. temperaturabhängigen Widerstandsverhalten erzielt. Eine gegenseitige Temperaturbeeinflussung zwischen Heizwendel und Regelwendel über das Isolierpulver oder über das Glührohr ist nicht vorgesehen.From the German patent DE-PS 34 21 950 is one Glow plug became known, in which the Heating coil in a separate insulating body from one sintered ceramic material is arranged while the Rule in the usual magnesium oxide powder or in glass is embedded. This arrangement is said to improved self-regulating function of the glow plug will. This is done using special heating wire as well Control coil materials with temperature-independent or achieved temperature-dependent resistance behavior. A mutual influence of temperature between heating coil and control coil over the insulating powder or over that Glow tube is not provided.
Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sich noch ein gegenüber diesem Stand der Technik verbessertes Regelverhalten der Glühstiftkerze einstellt. Dabei wird dieses optimale Regelverhalten insbesondere dadurch erreicht, daß verschiedene Sorten von Isolierpulver in das Glührohr eingeführt werden. Dabei wechselt die Sorte des Isolierpulvers innerhalb des Glührohres in axialer Richtung. Erfindungsgemäß wird zwischen der Heizwendel und der Regelwendel durch eine zweite Isolierpulversorte eine Zone mit geringer thermischer Leitfähigkeit geschaffen, die es vermeidet, daß die von der Heizwendel erzeugte Wärme sehr rasch über das sonst übliche Isolierpulver zur Regelwendel transportiert wird. Die Regelwendel wird durch die zusätzliche Isolierpulverschicht zwischen Heizwendel und Regelwendel vielmehr stark verzögert beheizt und die Heizwendel kann demzufolge ihre Leistung besser entfalten.The arrangement according to the invention with the characteristic In contrast, features of the main claim have the advantage that there is still a comparison with this prior art improves the control behavior of the glow plug. This optimal control behavior in particular in that different varieties of Insulating powder are introduced into the glow tube. Here changes the type of insulating powder within the Glow tube in the axial direction. According to the invention between the heating coil and the control coil by a second type of insulating powder a zone with less created thermal conductivity that avoids that the heat generated by the heating coil very quickly the usual insulation powder for the control coil is transported. The rule spiral is through the additional layer of insulating powder between the heating coil and Rather, the control coil is heated and retarded The heating coil can therefore perform better unfold.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Glühstiftkerze möglich.By the measures listed in the subclaims are advantageous and practical training and Improvements to those specified in the main claim Glow plug possible.
Zweckmäßigerweise wird die Länge der Übergangszone mit der zweiten Isolierpulversorte mit ca. 75% der Länge der Heizzone gewählt. Diese Strecke reicht im Zusammenhang mit einer geeigneten zweiten Isolierpulversorte aus, um den erfindungsgemäßen Effekt zu erzielen.Advantageously, the length of the transition zone with the second type of insulating powder with approx. 75% of the length of the Heating zone selected. This route ranges in connection with a suitable second type of insulating powder to the achieve effect according to the invention.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird die Regelwendel in einer Länge gewählt, die ca. dem 5fachen der Heizwendel entspricht. Dabei liegt ca. 50% der Länge der Regelwendel innerhalb des Kerzengehäuses und wird auch nicht unmittelbar durch die Wärmeleitung beeinflußt.In the arrangement according to the invention, the control coil chosen in a length that is about 5 times the heating coil corresponds. This is about 50% of the length of the control coil inside the candle case and won't either directly affected by heat conduction.
Die Verbindung zwischen Heizwendel und Regelwendel erfolgt zweckmäßigerweise durch einen Abschnitt der Regelwendel mit großer, insbesondere doppelter Wendelsteigung.The connection between the heating coil and control coil is made expediently by a section of the control coil with a large, in particular double spiral pitch.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are in the drawing shown and in the description below explained. Show it
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Glühstiftkerze mit Zonen verschiedener Pulversorten, Fig. 1 shows a section through a different glow plug having zones types of powder,
Fig. 2 ein Diagramm des Temperatur- und Stromverlaufs der Glühstiftkerze in Abhängigkeit von der Vorglühzeit bei 11 V Betriebsspannung und Fig. 2 is a diagram of the temperature and current profile of the glow plug as a function of the preheating time at 11 V operating voltage and
Fig. 3 ein Diagramm des Temperatur- und Stromverlaufs von Glühstiftkerzen in Abhängigkeit von der Vorglühzeit bei verschiedenen Betriebsspannungen. Fig. 3 is a diagram of the temperature and current profile of glow plugs as a function of the preheating time at different operating voltages.
Die in Fig. 1 dargestellte Glühstiftkerze 1 besteht aus einem Kerzengehäuse 2 und einem in dessen Längsbohrung fest und gasdicht angeordneten, als Glühstift bezeichneten Heizkörper 3, bestehend aus einem korrosionsfesten Glührohr 4, in welchem eine sogenannte 2-Stoff-Wendel 5 in einem Isolierpulver 6, insbesondere Magnesiumoxyd, eingebettet ist. Die 2-Stoff-Wendel 5 besteht aus einer brennraumseitigen Heizwendel 7 aus einem im wesentlichen temperaturunabhängigen Widerstandsmaterial und einer anschlußseitigen Regelwendel 8 aus einem Widerstandsmaterial mit einem hohen Widerstands-Temperatur- Koeffizienten; die Heiz- und die Regelwendeln sind in Reihe hintereinandergeschaltet. Die Regelwendel 8 ist anschlußseitig mit einem Anschlußbolzen 9 verbunden, der als Stromzuführung zur Heizwendel 7 dient. Die Heizwendel 7 ist an ihrem brennraumseitigen Ende mit dem Glührohr 4 verschweißt. Das die Heizwendel 7 und die Regelwendel 8 umschließende Isolierpulver aus Magnesiumoxyd weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine gute elektrische Isolierfähigkeit auf.The glow plug 1 shown in Fig. 1 comprises a plug housing 2 and a fixed in the longitudinal bore and gastight arranged, called glow plug heater 3 consisting of a corrosion-resistant glow tube 4 in which a so-called 2-component filament 5 in an insulating powder 6 , in particular magnesium oxide, is embedded. The two-component coil 5 consists of a heating coil 7 on the combustion chamber side made of an essentially temperature-independent resistance material and a control coil 8 on the connection side made of a resistance material with a high resistance-temperature coefficient; the heating and control coils are connected in series. The control coil 8 is connected on the connection side to a connecting bolt 9 which serves as a power supply to the heating coil 7 . The heating coil 7 is welded to the glow tube 4 at its end on the combustion chamber side. The magnesium oxide insulating powder surrounding the heating coil 7 and the control coil 8 has a high thermal conductivity and good electrical insulation.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist die Heizwendel 7 eine axiale Länge l 1 mit beispielsweise ca. 6 Windungen auf. Die Regelwendel 8 weist eine Länge l 3 und ca. 30 Windungen auf. Das Verhältnis l 3:l 1=5:1. Dieses entspricht auch etwa dem Verhältnis der zugehörigen Windungsanzahl. Die Regelwendel 8 befindet sich mit einer Länge l 4 innerhalb des Kerzengehäuses, wobei l 4<0,5 l 3 ist.In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the heating coil 7 has an axial length l 1 with, for example, approximately 6 turns. The control coil 8 has a length l 3 and about 30 turns. The ratio l 3 : l 1 = 5: 1. This also corresponds approximately to the ratio of the associated number of turns. The control coil 8 is located within the candle housing with a length l 4 , where l 4 <0.5 l 3 .
Um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der Heizwendel 7 und der Regelwendel 8 herabzusetzen, ist eine Übergangszone 10 mit der Länge l 2 vorgesehen, welche mit einem anderen Isolierpulver 11 ausgefüllt ist. Dieses Isolierpulver 11 muß zwar ebenfalls elektrisch isolieren, weist jedoch im Gegensatz zum Isolierpulver 6 eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß die Wärme von der Heizwendel 7 zur Regelwendel 8 nur sehr schlecht über diesen Bereich geleitet wird. Ein solches Pulver ist beispielsweise unter der Bezeichnung Stettalit (KER 221) der Firma Stettner & Co., 8560 Lauf b. Nürnberg, erhältlich. In order to reduce the thermal conductivity between the heating coil 7 and the control coil 8 , a transition zone 10 with the length l 2 is provided, which is filled with another insulating powder 11 . This insulating powder 11 must also insulate electrically, but, in contrast to the insulating powder 6, has a very low thermal conductivity, so that the heat from the heating coil 7 to the control coil 8 is conducted very poorly over this area. Such a powder is, for example, under the name Stettalit (KER 221) from Stettner & Co., 8560 Lauf b. Nuremberg, available.
In der Übergangszone 10 weist der Endabschnitt 12 der Regelwendel 8 eine sehr große Windungssteigung auf, so daß hier nur wenige Windungen zu liegen kommen. Die Länge l 2 der Übergangszone 10 beträgt etwa 75% der Länge l 1 der Heizwendel 7.In the transition zone 10 , the end section 12 of the control coil 8 has a very large winding pitch, so that only a few turns come to lie here. The length l 2 of the transition zone 10 is approximately 75% of the length l 1 of the heating coil 7 .
Die Übergangszone 10 mit der in diesem Bereich schichtweise eingebrachten zweiten Isolierpulversorte mit geringer Wärmeleitfähigkeit verbessert das thermische Verhalten der Glühstiftkerze dahin gehend, daß die in der Heizwendel 7 erzeugte Wärme nicht ohne weiteres über das die Wärme schlecht leitende Isolierpulver 11 abtransportiert werden kann, so daß es zu einem Wärmestau in der Spitze der Heizwendel und damit zu einer schnelleren Aufheizung der brennraumseitigen Spitze des Glührohrs 4 kommt. Das in der Übergangszone 10 befindliche Isolierpulver 11 schlechter Wärmeleitfähigkeit bewirkt aber auch ein verzögertes Abregeln der Leistung der Heizwendel 7 durch die Regelwendel 8, da der Wärmefluß von der Heizwendel 7 nur verzögert zur Regelwendel 8 gelangt. Es erfolgt demnach ein späteres Ansprechen der Regelwendel 8 und damit ein verzögertes Abregeln des Stromes in der Heizwendel 7. Hierdurch kommt es zu einer schnelleren Aufheizung der Heizwendel 7 auf die notwendige Glühtemperatur und damit zu einer Verkürzung der für Dieselmotoren wichtigen Vorglühzeit.The transition zone 10 with the second type of insulating powder with low thermal conductivity, which is introduced in layers in this area, improves the thermal behavior of the glow plug to the extent that the heat generated in the heating coil 7 cannot be easily removed via the insulating powder 11, which conducts the heat poorly, so that it heat build-up in the tip of the heating coil and thus faster heating of the tip of the glow tube 4 on the combustion chamber side. The insulating powder 11 located in the transition zone 10 has poor thermal conductivity but also causes a delayed curtailment of the output of the heating coil 7 by the control coil 8 , since the heat flow from the heating coil 7 only reaches the control coil 8 with a delay. Accordingly, there is a later response of the control coil 8 and thus a delayed curtailment of the current in the heating coil 7 . This leads to a faster heating of the heating coil 7 to the necessary annealing temperature and thus to a shortening of the preheating time, which is important for diesel engines.
In Fig. 2 ist ein Diagramm mit dem Temperatur- und Stromverlauf der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze in Abhängigkeit der Vorglühzeit gezeigt. Dabei ist der Temperaturverlauf mit 1 und der Stromverlauf mit 2 gekennzeichnet. Die Stromaufnahme ist mit I in Ampere und der Temperaturverlauf mit T in °C, die Vorglühzeit mit t in Sekunden wiedergegeben. Obwohl die Bordnetzspannung zumeist 12 V beträgt, ist sie in dieser Darstellung mit U=11 V angegeben, und zwar deshalb, weil derartige Glühstiftkerzen einen sehr hohen Strom ziehen, und demzufolge einen Spannungsabfall von ca. 1 V bewirken. Eine herkömmliche Glühstiftkerze ist mit K 1, die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit K 2 gekennzeichnet.In Fig. 2 a diagram showing the temperature and current curve of the glow plug according to the invention as a function of the preheating time is shown. The temperature curve is marked with 1 and the current curve with 2 . The current consumption is shown with I in amperes and the temperature curve with T in ° C, the preheating time with t in seconds. Although the on-board electrical system voltage is mostly 12 V, it is indicated in this illustration as U = 11 V, and this is because glow plugs of this type draw a very high current and consequently cause a voltage drop of approximately 1 V. A conventional glow plug is marked with K 1 , the glow plug according to the invention with K 2 .
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat die Temperaturkurve 1 der neuen Glühstiftkerze K 2 einen steileren Anstieg, so daß es beispielsweise nach einer Zeit von t 1∼6,5 s zu einer Aufheiztemperatur T∼850° kommt (Punkt 13). Dies wird durch das in der Übergangszone 10 befindliche Isolierpulver 11 geringer Wärmeleitfähigkeit hervorgerufen. Die herkömmliche Glühstiftkerze K 1 benötigt hierfür eine Vorglühzeit von t 2∼8 s (Punkt 14). Bei der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze K 2 wird die Temperatur von 950° (Punkt 15) bereits nach einer Vorglühzeit von ca. t3 9 s erreicht, wozu eine herkömmliche Glühstiftkerze K 1 nahezu t 4∼13 s benötigt (Punkt 16).As can be seen from FIG. 2, the temperature curve 1 of the new glow plug K 2 has a steeper rise, so that after a time of t 1 ∼6.5 s there is a heating temperature T ∼850 ° (point 13 ). This is caused by the insulating powder 11 in the transition zone 10 having low thermal conductivity. The conventional glow plug K 1 requires a preheating time of t 2 ∼8 s (point 14 ). In the glow plug K 2 according to the invention, the temperature of 950 ° (point 15 ) is reached after a preheating time of approx. T 3 9 s, for which purpose a conventional glow plug K 1 requires almost t 4 ∼ 13 s (point 16 ).
Durch die zusätzlich eingefügte Pulverschicht 11 mit geringer Wärmeleitfähigkeit wird demnach der Wärmefluß zur Regelwendel verzögert, so daß es zum Wärmestau an der Spitze des Glühstiftes und zu einem verzögerten Abregeln durch geringere Temperaturen an der Regelwendel 8 kommt. Die in Fig. 2 mit Bezugszeichen 2 gekennzeichneten Stromverlaufkurven zeigen, daß der Strom I in der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze K 2 und der Strom in einer herkömmlichen Glühstiftkerze K 1 annähernd gleich sind.Due to the additionally inserted powder layer 11 with low thermal conductivity, the heat flow to the control coil is therefore delayed, so that heat build-up at the tip of the glow plug and delayed curtailment due to lower temperatures on the control coil 8 occur. The current profile curves marked with reference number 2 in FIG. 2 show that the current I in the glow plug K 2 according to the invention and the current in a conventional glow plug K 1 are approximately the same.
Die Fig. 3 zeigt ein der Fig. 2 entsprechendes Diagramm, jedoch mit dem Unterschied, daß die erfindungsgemäße Glühstiftkerze K 2 mit einer Betriebsspannung von nur U = 10,2 V betrieben wurde. Aus dem Diagramm läßt sich ersehen, daß sich die erfindungsgemäße Glühstiftkerze K 2 demnach auch bei der niedrigeren Bordspannung von 10,2 V auf den vorbestimmten Wert von z. B. 850°C in der kurzen Zeit von 8 s aufheizen läßt (s. Bezugszeichen 17), was mit einer herkömmlichen Glühstiftkerze K 1 nur mit einer erhöhten Betriebsspannung U = 11 V erzielt werden kann. Spannungsverluste im Bordnetz wirken sich demnach bei den Glühstiftkerzen gemäß vorliegender Erfindung nicht drastisch auf den Vorglühvorgang aus. FIG. 3 shows a Fig. 2 corresponding graph, but with the difference that the glow plug according to the invention K 2 with an operating voltage of U = V is operated only 10.2. From the diagram it can be seen that the glow plug K 2 according to the invention can therefore also be used at the lower on-board voltage of 10.2 V to the predetermined value of z. B. 850 ° C in the short time of 8 s (see reference number 17 ), which can be achieved with a conventional glow plug K 1 only with an increased operating voltage U = 11 V. Voltage losses in the vehicle electrical system therefore do not have a drastic effect on the preheating process in the glow plugs according to the present invention.
Auch der Stromverlauf (Kurve 2) in Fig. 3 zeigt, daß der Strom der erfindungsgemäßen Glühkerze K 2 unter dem einer herkömmlichen Glühkerze K 1 liegt, d. h., daß auch deren Leistungsaufnahme geringer ist.The current profile (curve 2 ) in FIG. 3 also shows that the current of the glow plug K 2 according to the invention is below that of a conventional glow plug K 1 , ie that its power consumption is also lower.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie umfaßt auch vielmehr alle fachmännischen Ausgestaltungen ohne eigenen erfinderischen Gehalt.The invention is not based on that described and illustrated embodiment limited. It includes also rather all professional designs without own inventive content.
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