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Title:
SHEATHED GLOW PLUG FOR GLOW TEMPERATURE CONTROL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/202265
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a sheathed glow plug (10) for an internal combustion engine (64) of a motor vehicle, comprising a resistor element (16) in the form of a single-material coil (44) and having a defined resistance-temperature coefficient. Said coil is heated up and/or maintained at a defined temperature by means of a dynamically changing drive voltage applied to the resistor element (16).

Inventors:
GEISSINGER ALBRECHT (DE)
REISSNER ANDREAS (DE)
CERON NICOLAT BRUNO (DE)
Application Number:
PCT/EP2014/058664
Publication Date:
December 24, 2014
Filing Date:
April 29, 2014
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
International Classes:
F23Q7/00
Domestic Patent References:
WO2009079530A22009-06-25
Foreign References:
EP2587156A12013-05-01
US4636614A1987-01-13
US4934349A1990-06-19
US20040206742A12004-10-21
EP1193446A12002-04-03
EP0657698A21995-06-14
DE10014526A12001-09-27
DE4029185A11992-03-19
EP0648978A21995-04-19
US5834736A1998-11-10
EP2410243A22012-01-25
DE102008040971A12010-02-18
Other References:
PLANSEE: "Molybdän (Mo) | PLANSEE", 25 May 2013 (2013-05-25), XP055126373, Retrieved from the Internet [retrieved on 20140702]
PLANSEE: "Wolfram (W) | PLANSEE", 25 May 2013 (2013-05-25), XP055126375, Retrieved from the Internet [retrieved on 20140702]
SPECIAL METALS: "Incoloy 803", 4 January 2011 (2011-01-04), XP055126531, Retrieved from the Internet [retrieved on 20140702]
SPECIAL METALS: "High performance Alloys for Automotive Engineering", 4 January 2011 (2011-01-04), XP055126497, Retrieved from the Internet [retrieved on 20140702]
WHS-SONDERMETALLE: "Molybdän", 26 June 2011 (2011-06-26), XP055126383, Retrieved from the Internet [retrieved on 20140702]
ANONYMOUS: "Temperature coefficient - Wikipedia, the free encyclopedia", 21 May 2013 (2013-05-21), XP055126378, Retrieved from the Internet [retrieved on 20140702]
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Claims:
Ansprüche 1. Glühstiftkerze (10) in einer Brennkraftmaschine (64) eines Kraftfahrzeuges, umfassend ein elektrisches Widerstandselement (16) mit einem definierten Wderstands- Temperaturkoeffizienten, ausgebildet als Einstoffwendel (44), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Wderstandselement (16) mittels einer sich dynamisch ändernden

Ansteuerspannung aufgeheizt und/oder auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird.

2. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Widerstandselement (16), ausgebildet als Einstoffwendel (44) einen positiven definierten Widerstands-Temperaturkoeffizienten aufweist. 3. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der positive definierte Wderstands-Temperaturkoeffizient in einem Temperaturbereich von 20°C bis 1200°C ein lineares Verhalten zeigt.

4. Glühstiftkerze (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Widerstandselement (16) bei einer Temperatur T von 20°C einen

spezifischen elektrischen Widerstand pa von 0, 1 ± 0,07 mQ mm und bei einer Temperatur T von 1000°C einen spezifischen elektrischen Widerstand pa von 0,5 ± 0,2 mQ mm aufweist.

5. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Widerstandselement (16) aus einem Material gefertigt ist, ausgewählt aus einer

Materialgruppe (a), umfassend Molybdän, Niob, Tantal, Wolfram und deren Legierungen, oder einer Materialgruppe (b), umfassend Chrom, Nickel und Titan und deren Legierungen.

6. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Widerstandselement (16) aus einem Material gefertigt ist, welches eine Molybdän-Titan-

Zirkon Legierung umfasst.

7. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Widerstandelement (16) aus einem Material gefertigt ist, welches Molybdän oder Wolfram und bis zu 3 Gew.-% Lanthandioxid oder bis zu 3 Gew.-% Thoriumdioxid oder bis zu 3 Gew.- % Cerdioxid oder bis zu 2 Gew.-% Yttriumoxid oder bis zu 30 Gew.-% Rhenium oder bis zu 50 Gew.-% Kupfer oder einer Kombination von mehreren dieser Zusatzelemente enthält.

8. Glühstiftkerze (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 5 das spezifische Widerstandselement (16) bei einer Temperatur T von 20°C einen

spezifischen elektrischen Widerstand pb von 1 ± 0, 1 mQ mm und bei einer Temperatur T von 1000°C einen spezifischen elektrischen Widerstand pb von 1 ,25 ± 0, 1 mQ mm aufweist.

9. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische0 Widerstandselement (16) aus einem Material gefertigt ist, umfassend eine Nickel-Chrom- Eisen-Legierung mit einem Nickelanteil von 15 bis 60 Gew.-% und/oder einem Chromanteil von 12 bis 27 Gew.-% und/oder einem Eisenanteil von 24 bis 58 Gew.-% und/oder einem Aluminiumanteil von 0,1 bis 10 Gew.-%. 5 10. Verfahren zum Betreiben einer Glühstiftkerze (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in einer Brennkraftmaschine (64) eines Kraftfahrzeuges, wobei an einem elektrischen Widerstandselement (16), mit einem definierten Wderstands-Temperaturkoeffizienten als Einstoffwendel (44) ausgebildet, eine sich dynamisch ändernde Ansteuerspannung in Abhängigkeit eines gemessenen temperaturabhängigen Wderstands anliegt, wobei das o elektrische Wderstandselement (16) aufgeheizt und/oder auf einer vorgegebenen

Temperatur gehalten wird.

1 1. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer

Anfangstemperatur und einem gemessenen elektrischen Widerstand des elektrischen

5 Widerstandselements (16) und einem Anfangswiderstand eine Wderstandsdifferenz ermittelt wird, welche auf den Wderstands-Temperaturkoeffizienten bezogen wird, um eine Ist- Temperatur des elektrischen Widerstandselements (16) zu berechnen.

12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Temperatur mit 0 einer Soll-Temperatur verglichen wird, wobei bei Überschreiten der Soll-Temperatur die

Ansteuerspannung reduziert wird und bei Unterschreiten der Soll-Temperatur die

Ansteuerspannung an das elektrische Widerstandselement (16) erhöht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Charakterisierung der Glühstiftkerze (10) relevante Parameter vor Beginn des Verfahrens eingelesen werden.

Description:
Beschreibung Titel

Glühstiftkerze für Glühtemperaturregelung

Stand der Technik Glühstiftkerzen, auch als Glühkerzen bezeichnet, bzw. basierend auf der englischen

Bezeichnung„glow plug" mit GLP abgekürzt, welche in Verbrennungsmotoren zur Zündung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches eingesetzt werden, werden im kalten Zustand vorgeglüht, bevor ihre Temperatur ausreichend hoch ist, dass sie für die Zündung des Kraftstoff-Luft- Gemisches ausreicht. Ferner kann es nach dem Start zur Verringerung von Emissionen oder dergleichen erforderlich sein, die Glühstiftkerzen zumindest noch einige Zeit weiter zu betreiben, um eine Anhebung der Temperatur im Inneren des Brennraumes zu erreichen. Die Steuerung übernimmt dabei ein elektrisches Glühzeitsteuergerät (abgekürzt GCU,„glow control unit") in Verbindung mit einem Motorsteuergerät, wobei eine kurze Aufheizzeit und ein kontrolliertes Nachglühen der Glühstiftkerze angestrebt werden.

Eine Glühstiftkerze weist dazu eine elektrische Widerstandsheizung in Form eines

Glühdrahtes auf, welche die kalte Glühstiftkerze in einer kurzen Zeitspanne von 1 bis 2 Sekunden mit Spannung derart beaufschlägt, dass an der Spitze der Glühstiftkerze eine Temperatur von teilweise über 1000°C erreicht. Unterschieden werden sogenannte 1 1 Volt Glühstiftkerzen, welche mit Batterie- bzw. Bordspannung +betrieben werden und

Schnellstartglühstiftkerzen, auch als Niederspannungsglühstiftkerzen oder basierend auf dem Englischen als„high speed glow plug" (HS GLP) bezeichnet. Diese werden für eine begrenzte Zeitdauer zum Aufheizen mit einer Heizspannung von 7 bis 12 Volt während der Vorglühphase betrieben. Nach Abschluss der sogenannten„Push- Phase" wird die

Spannung auf eine Nominalspannung reduziert, welche deutlich unterhalb der eingesetzten

Heizspannung liegt, beispielsweise in einem Bereich von 4 bis 7 Volt. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit die Temperatur bei verschiedenen Motorzuständen einzustellen bzw. zu applizieren. Die Beharrungstemperatur von Glühstiftkerzen, d.h. die Betriebstemperatur, liegt bei etwa 980°C. Die elektrische Widerstandsheizung umfasst im Allgemeinen eine brennraumseitige Heizwendel und eine mit einem Ende der Heizwendel verschweißte Regelwendel, welche in der Glühstiftkerze von einem beispielsweise metallischen Glührohr bzw. einem Schutzrohr als äußere Hülle koaxial umgeben sind. Der in den Brennraum hineinragende Abschnitt des 5 Glührohres ist üblicherweise mit einem elektrischen isolierenden Füllpulver gefüllt,

beispielsweise Magnesiumoxid, in das die Wderstandsheizung eingebettet ist. Der elektrische Anschluss erfolgt im Allgemeinen über einen Anschlussbolzen, der mit der Regelwendel und der Heizwendel elektrisch leitend verbunden ist. Ein anderes Ende der Heizwendel ist mit dem Glührohr elektrisch kontaktiert, über das die Stromrückführung nach0 Masse erfolgt. An den Anschlussbolzen kann beispielsweise ein Anschlussstecker

aufgeschraubt werden.

Demnach liegen in Glühstiftkerzen eine Kombination von Heiz- und Regelwendel zu einem gemeinsamen Wderstandswert vor, wobei die Heizwendel den vorderen Teil des Glührohres5 bildet, die Heizzone. Der hintere Teil, nämlich die Regelwendel, besitzt die Eigenschaft, dass mit zunehmender Temperatur der Widerstand steigt, d.h. die Regelwendel besitzt einen hohen positiven Temperaturkoeffizienten (PTC„Positive Temperature Coefficient"

Charakteristik). Bei zunehmendem Widerstandwert kommt es zu einem Abregein von Strom und es stellt sich eine definierte Endtemperatur ein. Heiz- und Regelwendel sind elektrisch in o Reihe geschaltet, wobei beide Wendeln positive aber verschieden hohe Temperatur- Widerstandkoeffizienten haben. Die Heizwendel, typischerweise aus einer Eisen-Chrom- Aluminium-Legierung, besitzt bei Raumtemperatur einen hohen elektrischen Widerstand, der nahezu konstant über den Betriebstemperaturbereich bleibt. Die Regelwendel wird üblicherweise aus Reinstnickel oder einer Cobalt-Eisen-Legierung oder einer Cobalt-Eisen- 5 Nickel-Legierung hergestellt, wobei der elektrische Widerstand bei Raumtemperatur sehr niedrig ist und sehr steil mit ansteigender Temperatur ansteigt.

Ferner entsteht bei der Ansteuerung der Glühstiftkerze mit einer überhöhten Heizspannung ein Temperaturüberschwinger, so dass nach der Push-Phase ein instationärer

o Temperaturverlauf vorliegt bis dieser in einen stationären übergeht.

Aus DE 10 2008 040 971 A1 ist ein Verfahren zum Regeln der Temperatur von

Glühstiftkerzen in einer Brennkraftmaschine bekannt, bei welchem für jede einzelne

Glühstiftkerze ein mathematischer Zusammenhang zwischen gemessenen Temperaturen5 und gemessenen Widerständen in einem Referenzbetrieb der Brennkraftmaschine aufgenommen wird. Dieser mathematische Zusammenhang wird über die Lebensdauer der Glühstiftkerze dynamisch angepasst. Das Verhalten der Glühstiftkerze wird bei einem Referenzbetrieb an Luft gemessen oder von teuren und speziellen Temperaturmesskerzen aufgezeichnet. Allerdings unterscheidet sich eine Ist-Temperatur der Glühstiftkerze während des Betriebs in einem Motorraum durch den Einfluss von zahlreichen Randbedingungen, beispielsweise Last, Drehzahl, Außentemperatur, Dieselpartikelregenration usw.

Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß wird eine Glühstiftkerze für eine Brennkraftmaschine eines

Kraftfahrzeuges vorgeschlagen, umfassend ein elektrisches Widerstandselement mit einem definierten Wderstands-Temperaturkoeffizienten und als Einstoffwendel ausgebildet. Ferner ist vorgesehen, dass das elektrische Wderstandselement mittels einer sich dynamisch ändernden Ansteuerspannung aufgeheizt und/oder auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird. Die Ansteuerspannung wird in Abhängigkeit eines gemessenen

temperaturabhängigen Widerstands verändert. Das elektrische Wderstandselement weist einen definierten, positiven Wderstands-Temperaturkoeffizienten auf.

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze zeigt in einem Betriebstemperaturbereich von 20°C bis 1200°C vorzugsweise ein lineares Verhalten des definierten Wderstands- Temperaturkoeffizienten.

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze basiert auf der Erfassung des elektrischen

Widerstands einer Glühstiftkerze, welcher in einem Betriebstemperaturbereich von 20°C bis 1200°C eine definierte Temperaturabhängigkeit zeigt. Die Glühstiftkerze umfasst ein elektrisches Wderstandselement, ausgebildet als eine Wendel, auch als Einstoffwendel bezeichnet, die die Eigenschaften einer Heizwendel und einer Regelwendel in einer einzigen Wendel vereinigt. Eine für die Einstoffwendel wichtige Materialeigenschaft ist der spezifische elektrische Wderstand und dessen Abhängigkeit von der Temperatur.

Geeignete Materialien, welche hinsichtlich des spezifischen elektrischen Wderstands geeignete Temperaturabhängigkeiten zeigen, sind Legierungen, umfassend unter anderem Bestandteile aus einer Materialgruppe (a): Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram und deren Legierungen und aus einer Materialgruppe (b): Chrom, Nickel, Titan und deren Legierungen. Die Einstoffwendel zeichnet sich erfindungsgemäß durch einen spezifischen elektrischen Widerstand p aus, welcher in einer Ausführungsform, basierend auf die Materialgruppe (a), bei einer Temperatur von 20°C beispielsweise 0,1 + 0,06 mQ mm beträgt, und der mit steigender Temperatur ansteigt, wobei bei 1000°C der spezifische elektrische Wderstand p a beispielsweise 0,5 + 0,2 mQ mm beträgt.

Alternativ kann der spezifische elektrische Wderstand p b , basierend auf die Materialgruppe (b), bei einer Temperatur von 20°C beispielsweise 1 + 0, 1 mQ mm betragen und bei einer Temperatur von 1000°C ist der spezifische elektrische Widerstand des Wendelmaterials beispielsweise auf 1 ,25 + 0, 1 mQ mm angestiegen.

Ein Beispiel sind Molybdän-Titan-zirkon Legierungen. Ein weiteres Beispiel sind Nickel- Chrom-Eisen Legierungen mit 19 bis 60 Gew.-% Nickel, 14 bis 25 Gew.-% Chrom, 24 bis 58 Gew.-% Eisen und 1 bis 2,4 Gew.-% Aluminium. Ein weiteres Beispiel umfasst Molybdän oder Wolfram mit bis zu 3 Gew.-% Lanthanoxid (La 2 0 3 ), bis zu 3 Gew.-% Thoriumdioxid (Th0 2 ), bis zu 3 Gew.-% Cerdioxid (Ce0 2 ), bis zu 2 Gew.-% Yttriumoxid (Y 2 0 3 ), bis zu 30 Gew.-% Rhenium und bis zu 50 Gew.-% Kupfer (Cu).

Eine Erfassung der Temperatur der Glühstiftkerze im eingebauten Zustand in einem

Motorraum während des Betriebes über den elektrischen Widerstand des Glühdrahtes ist erst dann möglich, wenn der Glühdraht aus einem einzelnen Material ist, welches einen ausreichend hohen Temperaturgang über den gesamten Betriebstemperaturbereich, insbesondere einem Bereich von 20°C bis 1200°C, zeigt. So wird ein möglichst steiler Anstieg des elektrischen Wderstands erreicht, welcher vorzugsweise ein lineares Verhalten zeigt. Ferner ist es erforderlich, dass die Einstoffwendel sich im vorderen Teil der

Glühstiftkerze befindet, da diese nur etwa 5 mm in einen Brennraum einer

Brennkraftmaschine hineinragt.

Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze vorgeschlagen. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Erfassung des elektrischen

Widerstandes mit einer ausreichend hohen Genauigkeit, welches beispielsweise durch ein vorhandenes Glühzeitsteuergerät mit einem geeigneten Messwiderstand mittels

Strommessung mit einer Genauigkeit von ± 0,02 Ω realisiert werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturregelung einer Glühstiftkerze basiert auf einem definierten Zusammenhang zwischen Temperatur und elektrischem Widerstand, welcher bei Einstoffwendeln ermittelt werden kann. Ermittelt wird eine Wderstandsdifferenz aus einem gemessenen Wderstand (R) und einem Eingangswiderstand (R 0 ). Aus der ermittelten Wderstandsdifferenz (R - R 0 ) und dem bekannten Wderstands-

Temperaturkoeffizienten des elektrischen Wderstands des Materials der Einstoffwendel (dR/dT) und einer Temperatur T 0 bei dem Eingangswiderstand (R 0 ) kann nun eine

Temperatur (T ber ) gemäß T ber = (R - R 0 )/(dR/dT) + To (1) ermittelt werden, welche eine Ist-Temperatur darstellt.

Erfindungsgemäß wird die Ansteuerung des elektrischen Widerstandselements, ausgebildet als Einstoffwendel, in Zusammenhang mit einem Glühzeitsteuergerät bzw. einem

Motorsteuergerät softwaremäßig realisiert. Durch die Vorgehensweise kann mittels einer sogenannten Einlernphase das Glühzeitsteuergerät an die jeweiligen Glühstiftkerzen angepasst werden. Insbesondere wird eine Anfangstemperatur (Ti) der jeweiligen

Glühstiftkerzen bei einem bestimmten Spannungsniveau (Ui) bestimmt, welche einem Anfangswiderstand (R^ entspricht. Nachfolgend wird die Spannung auf ein

Spannungsniveau (U 2 ) erhöht und die eingestellte Temperatur (T 2 ) abgelesen, wobei ein Widerstand (R 2 ) ermittelt wird. So kann der Widerstands-Temperaturkoeffizient der jeweiligen eingesetzten Glühstiftkerze bestimmt werden.

In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Grenzwert der

Temperatur bzw. eine Soll-Temperatur in der Software des Glühzeitsteuergerätes bzw. in einem übergeordneten Steuergerät hinterlegt, welcher ein Überhitzen der Glühstiftkerze im Motorraum verhindert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine Heizvorrichtung zur Regelung oder Steuerung der Temperatur in einer Brennkraftmaschine bereit, welche das Heizelement vor einer

Überhitzung bzw. einem Abschmelzen zuverlässig schützt, da die Bestimmung der

Ansteuerspannung über den gemessenen elektrischen Widerstand mit hoher Exaktheit erfolgt. Insbesondere kann auf eine Regelwendel verzichtet werden, wodurch die Herstellung des Heizelements deutlich kostengünstiger und vereinfacht wird. Somit kann sowohl die geforderte Glühfunktion erfüllt werden, wie eine schnelle Aufheizgeschwindigkeit als auch das Beibehalten einer einmal erreichten stationären Temperatur. Vorteilhaft steigt der gemessene elektrische Widerstand mit der Temperatur der

Einstoffwendel an, wobei eine Regelung mittels der Ansteuerspannung in Abhängigkeit des ansteigenden gemessenen Widerstands erfolgt. Demnach ergänzt sich das PTC-Verhalten des aus einem uniformen Material gefertigten Heizelements mit einer dynamisch veränderten Ansteuerspannung zur Regelung oder Steuerung einer Glühstiftkerze.

Die konstante Überwachung des elektrischen Widerstands des Heizelements bzw. der Einstoffwendel ermöglicht eine Regelung der Glühtemperatur, welche durch Anpassung der Ansteuerspannung an unterschiedliche Motorzustände angepasst werden. Demnach ist es nicht notwendig zur exakten Bestimmung der Temperatur im Motorraum permanent Werte bezüglich der Verbrennungseigenschaften des Verbrennungsmotors zu berücksichtigen, beispielsweise die Drehzahl des Verbrennungsmotors, die Menge des in den

Verbrennungsmotor injizierten Kraftstoffs, die Abgasrückführung, die Zuluft-Temperatur, die Abgastemperatur sowie der Regenerationsstatus des Dieselpartikelfilters. Vorteilhaft wird die Robustheit der Glühstiftkerze erhöht, wobei aber auch durch die konstante Überwachung des elektrischen Widerstands eine Möglichkeit bereitsteht, die Alterung einer Glühstiftkerze zu erfassen und gegebenenfalls ein Fehlverhalten rechtzeitig zu erkennen. Vorteilhafterweise wird die Temperatur in Abhängigkeit von einem gemessenen elektrischen

Widerstand ermittelt. Der gemessene elektrische Wderstand bildet dabei einen

zuverlässigen Ausgangswert für die Berechnung der Temperatur und bietet eine

zuverlässige Grundlage für die Regelung bzw. Steuerung der Temperatur der Glühstiftkerze. Aufgrund dieser Vorgehensweise entfallen Applikationen mit Einsatz eines Thermoelements als Messkerze, wodurch Materialkosten und Prozesskosten reduziert werden.

Ein geregeltes Glühsystem bietet allgemein einen erhöhten Schutz der Glühstiftkerze, wobei die Lebensdauer erhöht wird und die Effizienz der Verbrennung im Verbrennungsraum gefördert wird. Darüber hinaus kann durch eine konstante Temperatur eine stabilere Verbrennung im Brennraum einer Kraftbrennmaschine erreicht werden, wobei verbesserte Abgaswerte und ein geringerer Bedarf einer Abgasnachbehandlung erzielt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Glühstiftkerze gemäß dem

Stand der Technik;

Figur 2 ein Detail einer schematische Querschnittsdarstellung einer Glühstiftkerze gemäß der Erfindung;

Figur 3 ein spezifischer elektrischer Wderstand - Temperatur - Diagramm für

Materialien eines Heizelements;

Figur 4 eine Prinzipdarstellung der Anordnung einer Glühstiftkerze in einem

Verbrennungsmotor;

Gemäß dem Stand der Technik geht aus der Darstellung Figur 1 eine Querschnittsansicht einer Glühstiftkerze 10 hervor.

Die in Figur 1 dargestellte Glühstiftkerze 10 umfasst unter anderem ein im Wesentlichen hohlzylindrisches Glührohr 12, das mit einem Gehäuse 14 verbunden ist. In dem Glührohr 12 befindet sich ein elektrisches Widerstandselement 16, das eine Regelwendel 18 und eine nachgeschaltete, mit der Regelwendel 18 im Allgemeinen verschweißte Heizwendel 20 umfasst. Das im Wesentlichen spiralförmig ausgebildete Wderstandselement 16 ist koaxial zum Glührohr 12 angeordnet und vorzugsweise vollständig in einem Füllpulver 22 zur mechanischen Stabilisierung sowie zur elektrischen Isolierung eingebettet. Das Füllpulver 22 kann beispielsweise Magnesiumoxid (MgO) sein. Die Regelwendel 18 und die Heizwendel 20 sind über eine Kontaktstelle 24 elektrisch leitend miteinander verbunden, wobei sie in Reihe geschaltet sind. Ein unteres Ende der Heizwendel (nicht bezeichnet) ist mittels einer Kontaktstelle 26 mit einem Glührohrendabschnitt 28 elektrisch verbunden. Ein ebenfalls nicht bezeichnetes Ende der Regelwendel 18 ist mittels einer weiteren Kontaktstelle 30 elektrisch leitend mit einem im Wesentlichen zylindrischen Anschlussbolzen 32 elektrisch leitend verbunden. Der Anschlussbolzen 32 ist aus einem elektrisch leitfähigen metallischen

Material gefertigt. Die Kontaktstellen 24, 26, 30 können als Schweißpunkte ausgebildet sein. Auf den Anschlussbolzen 32 ist ein kappenförmiger Rundstecker 34 aufgeschraubt, welcher ebenfalls aus einem gut leitenden elektrischen Material hergestellt ist. Mittels des

Rundsteckers 34 wird eine elektrische Verbindung der Glühstiftkerze 10 zu einer

Stromverteilung eines nicht dargestellten elektrischen Versorgungssystems eines

Kraftfahrzeuges geschaffen, die beispielsweise mit dem Pluspol einer Batterie und/oder eines Generators verschaltet ist. Die Rückführung zur Masse erfolgt über die Kontaktstelle 26, das Glührohr 12, das damit leitend verbundene Gehäuse 14 und den - in einem nicht dargestellten Motorblock - eingeschraubten Gehäusegewindeabschnitt 36. Zur elektrischen Isolation gegen das Gehäuse 14 dient unter anderem eine unterhalb des Rundsteckers 34 angeordnete scheibenförmige Isolationsscheibe 38 sowie eine anschließend positionierte, kegelstumpfförmige Gehäusedichtung 40. Eine weitere, scheibenförmige

Glührohrabdichtung 42 ist im Bereich des Glührohrs 12 vorgesehen. Die Gehäusedichtung 40 und die Glührohrabdichtung 42 sind aus einem elektrisch isolierenden,

temperaturbeständigem Material gefertigt, wobei neben der elektrischen Isolationsfunktion auch eine koaxiale Befestigung des Anschlussbolzens 32 bzw. der Regel- und Heizwendel 18, 20 innerhalb des Glührohrs 12 und des Gehäuses 14 sicher gestellt ist. Ausführungsvarianten

In Figur 2 ist eine Detailansicht einer Ausführungsform der Glühstiftkerze 10 gemäß der Erfindung dargestellt. In Fig. 2 ist eine Spitze der Glühstiftkerze 10 dargestellt, welche in einen nicht weiter dargestellten Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine ragt. Die Glühstiftkerze 10 umfasst ebenfalls das Glührohr 12, welches im Wesentlichen koaxial einen Glühdraht umfasst, welcher gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform als Einstoffwendel 44 ausgebildet ist. Die Einstoffwendel 44 vereinigt Eigenschaften der Heizwendel 20 und der Regelwendel 18 der Figur 1 und wird auch als Heizelement bezeichnet. Ferner ist die Einstoffwendel 44 in dem Glührohr 12 in dem elektrisch isolierenden Füllpulver 22 eingebettet. In Figur 2 ist auch mit 42 die Heizkörperabdichtung dargestellt. Die

Einstoffwendel 44 umfasst einen Glühdraht, welcher aus einem uniformen Material gefertigt ist und Funktionen der Heizwendel 20 erfüllt. Das verwendete uniforme Material der

Einstoffwendel 44 besitzt einen Widerstand mit PTC-Verhalten.

In Figur 3 ist ein spezifischer elektrischer Wderstand (p) - Temperatur (T) - Diagramm von für die Einstoffwendel 44 geeigneten uniformen Materialen dargestellt. Figur 3 zeigt Verläufe des spezifischen elektrischen Wderstands (p in mQ mm) mit ansteigender Temperatur (T in °C), wobei mit 46 einen Bereich eines Verlaufs des spezifischen elektrischen Wderstands p mit ansteigender Temperatur einer Materialgruppe (a) und mit 48 einen Bereich eines Verlaufs des spezifischen Wderstands p mit ansteigender Temperatur einer Materialgruppe (b) gekennzeichnet ist. Dabei ist ersichtlich, dass die spezifischen elektrischen Wderstände der Materialgruppen (a) und (b) mit ansteigender Temperatur ansteigen, wobei die spezifischen elektrischen Widerstandswerte in einem Wertebereich liegen, begrenzt jeweils durch eine obere Linie 50, 52 und eine untere Linie 56, 58. Ferner ist aus Figur 3 ein Temperaturbereich 60 ersichtlich, in welchem die erfindungsgemäße Glühstiftkerze 10 eingesetzt wird. Die Grenzen des Temperaturbereichs 60 sind derart gewählt, dass einerseits eine ausreichende Glühtemperatur erreicht werden kann und andererseits eine Überhitzung der Glühstiftkerze 10 vermieden wird. Die Materialgruppen (a) und (b) unterscheiden sich durch die absoluten Werte des spezifischen elektrischen Wderstands (p) und deren Temperaturgang, bzw. den Verlauf des spezifischen elektrischen Widerstands mit ansteigender Temperatur. Die Materialgruppe (a), welches ein uniformes Material für die Einstoffwendel 44 umfasst, zeichnet sich beispielsweise durch einen geringeren spezifischen elektrischen Widerstand bei einer Temperatur von 0°C im Vergleich zur Materialgruppe (b) aus, wobei der Temperaturanstieg und damit der Temperaturkoeffizient höher ist. Geeignete Materialien für eine Einstoffwendel 44 umfassen in der Materialgruppe (a): Niob, Molybdän, Tantal und Wolfram und deren Legierungen und in der Materialgruppe (b): Chrom, Nickel und Titan und deren Legierungen.

In Figur 4 ist allgemein ein Glühsystem 1 dargestellt. Die Glühstiftkerze 10 ragt dabei in einen Brennraum 62 einer Brennkraftmaschine 64, beispielsweise ein Dieselmotor. Die Glühstiftkerze 10 ist einerseits mit einem Glühzeitsteuergerät 66 verbunden und führt andererseits an eine Bordnetzspannung 68, die die Glühstiftkerze 10 mit einer Spannung ansteuert. Das Glühzeitsteuergerät 66 ist mit einem Motorsteuergerät 70 verbunden, welches wiederum zu der Brennkraftmaschine 64 führt.

Zur Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wird die Glühstiftkerze 10 in einer Push-Phase, die 1 bis 2 Sekunden dauert, durch das Anlegen einer Spannung, bzw. einer Überspannung vorgeheizt. In dem vorhandenen, in Figur 4 nicht dargestellten, elektrischen

Widerstandselement 16 der Glühstiftkerze 10 wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt, so dass die Temperatur an der Spitze der Glühstiftkerze 10 steil ansteigt. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird an der heißen Spitze der Glühstiftkerze 10 vorbeigeleitet und erwärmt sich dabei. Verbunden mit der Ansauglufterwärmung während des Verdichtertaktes der Brennkraftmaschine 64 wird die Zündtemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemischs erreicht.