EP1240461B1 - Glühstiftkerze - Google Patents

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EP1240461B1
EP1240461B1 EP00987035A EP00987035A EP1240461B1 EP 1240461 B1 EP1240461 B1 EP 1240461B1 EP 00987035 A EP00987035 A EP 00987035A EP 00987035 A EP00987035 A EP 00987035A EP 1240461 B1 EP1240461 B1 EP 1240461B1
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EP
European Patent Office
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sheathed
section
glow plug
glow
diameter
Prior art date
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EP00987035A
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English (en)
French (fr)
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EP1240461A1 (de
Inventor
Wolfgang Otterbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1240461A1 publication Critical patent/EP1240461A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1240461B1 publication Critical patent/EP1240461B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines

Definitions

  • the invention relates to a glow plug for ignition a thermal combustion process, in particular to start a self-igniting internal combustion engine, with those in the preamble of claim 1 mentioned features.
  • Glow plugs of the generic type are known. These are used to start self-igniting internal combustion engines (Diesel engines) used. In order to the self-igniting combustion process begins it is known to be an initial spark.
  • glow plugs are used in a wall a combustion chamber (cylinder chamber in an internal combustion engine) used so sealing are that a glow plug in the combustion chamber protrudes. The glow plug is in contact with a fuel-air mixture to be ignited.
  • Ceramic glow plugs made of a ceramic, electrically conductive Material exists. These are characterized by high strength and high resistance compared to the atmosphere in the combustion chamber out. They also have ceramic glow pencils high temperature resistance.
  • the glow plug To start the self-igniting internal combustion engine becomes the glow plug with a voltage source (in motor vehicles usually with a motor vehicle battery) connected. According to the electrical Resistance of the glow plug a current flows, the heating of the glow section of the glow plug leads.
  • a voltage source in motor vehicles usually with a motor vehicle battery
  • a glow plug is known from DE 195 06 950, one in the area of a glow pencil tip Reduction of the electrically conductive cross section is provided.
  • This reduction in electrical conductive cross section causes a more heating of the glow pencil than the rest Area takes place.
  • the reduction is obtained the electrically conductive cross section, that the glow plug is drilled with holes, which then with an electrically insulating Material to be replenished.
  • electrically insulating materials in the field of extreme heating of the glow plug can result from different coefficients of thermal expansion mechanical stresses of the materials used be built up to damage respectively Destruction of the glow plug can result.
  • the glow plug according to the invention with the in the claim 1 features in contrast offers the Advantage that an increase in electrical resistance in the area of the glow pencil tip is achievable.
  • an electric conductive cross section of the glow section of the glow plug is less in the area of the glow pencil tip than in the area of a glow plug body and the glow plug tip one to a longitudinal axis of the glow plug truncated conical section includes, can advantageously in the glow pencil tip same material with the same specific electrical Resistance as in the entire glow plug body be used. Reducing the electrical conductive cross section in the area of the glow pencil tip leads due to the known dependence of electrical resistance of the cross section of a current-carrying conductor to a local increase of resistance.
  • a frustoconical section is an exactly reproducible reduction of the electrically conductive cross section of the glow section possible in the area of the glow pencil tip.
  • a frustoconical Section using simple molding tools in for one Mass production of a suitable reproducible type and Repeat way.
  • that one perpendicular to the longitudinal axis of the glow plug running surface of the glow pencil tip over a chamfer into a frustoconical section transforms.
  • the introduction of the chamfer leads to a Cross-sectional reduction and thus to one Resistance increase of the tip.
  • this truncated cone can reduce its height be, so the setting is a defined one electrically conductive cross section of the glow section possible at the tip of the glow pencil.
  • electrical resistance of the entire glow plug can be set exactly, by processing and / or reworking the Truncated cone height occurs during a resistance measurement. This allows an adjustment of the electrical Resistance to desired parameters, in particular a temperature to be reached in the area of the glow pencil tip, respectively. Let such process steps suitable for mass production Automate Ways.
  • FIG 1 shows a glow plug 10, which is used to start a self-igniting internal combustion engine is.
  • the glow plug 10 includes a Candle housing 12, which is essentially hollow cylindrical is trained.
  • the candle housing 12 takes one Glow plug 14 on.
  • the candle housing 12 is in one Wall of a cylinder housing can be arranged sealingly, see above that the glow plug 14 protrudes into the combustion chamber.
  • the glow plug 14 is via a contact spring 16 with a contact pin 18 electrically connected.
  • the contact pin 18 is not shown in FIG Way with a voltage source, in the motor vehicle the motor vehicle battery, connectable, so that about the contact pin 18 and the contact spring 16 the glow plug 14 can be supplied with a voltage U + is.
  • Glow plug 14 itself includes one Layer (glow section) of a ceramic, electrical conductive material that is in outer layers embedded from an electrically non-conductive ceramic is. This leads to the formation of a U-shaped conductor loop from the electrically conductive Ceramics that form a heating conductor.
  • the Glow plug 10 includes other components, of which here are seals 20 and 22, a ceramic sleeve 24, a metal ring 26 and a Clamping element 28 are designated.
  • the seal 20 can be designed so that an electrical Connection to the candle housing 12 formed via which the ground connection U is in turn realized is. Structure and function of such glow plugs 10 are generally known, so that in The scope of the present description in detail should not be discussed in more detail.
  • Glow plug 14 also has a core 30 an electrically insulating material.
  • the glow plug 14 is shown individually, it being indicated schematically that the voltage U can be applied to the glow plug 14 via a switching means 32.
  • Figure 1a shows a longitudinal section through the electrically conductive ceramic layer.
  • the electrically conductive ceramic forms a U-shaped element which encompasses the core 30 - in the sense of the current flow direction of the current I.
  • the glow plug 14 comprises a glow plug body 34 of length 1, which is essentially cylindrical. Within the candle housing 12, the glow plug body 34 forms an annular bead 36 which is supported on the candle housing 12 via the seal 20. At the end opposite the annular bead 16, the glow plug body 34 merges into a glow plug tip 38 which has a length l 1 .
  • Such a shape of the glow plug 14 results in a total of three electrically conductive sections of the glow plug 14, namely a first section 40 from the annular bead 36 to the glow pencil tip 38, a second section 42 within the glow pencil tip 42 and a third section 44 from the glow pencil tip 42 to the annular bead 36 back.
  • the electrically conductive ceramic material of the glow plug 14 has a known specific electrical resistance, so that the glow plug 14 can be transformed into the equivalent circuit diagram shown in FIG. 1b. This results in a series connection of the electrical resistances R 40 of the section 40, R 42 of the section 42 and R 44 of the section 44.
  • the proportion of the resistor R 42 in the total resistance R must be much larger than the proportion of the sum of the resistors R 40 + R 44 in the total resistance R.
  • the resistance R 30 of the core 30 is very much larger than the resistance R of the Glow plug 14.
  • the resistor R 42 is much larger than the sum of the resistors R 40 + R 44 results in a constant voltage U corresponding to the electrical resistance R, the size of the glow current I.
  • the voltage drop is greater than Resistors R 40 , R 42 , R 44 are greatest where the greatest electrical resistance is. If this is at the resistor R 42 , the greatest voltage drop results there.
  • the largest voltage drop can be concentrated there with a correspondingly large resistor R 42 . Since, in turn, the heating power output is directly dependent on the constant current and the voltage drop, the result is that the greatest heating power results in the area of the glow pencil tip 38.
  • FIGS. 2 to 4 different exemplary embodiments of an optimized design of the glow pencil tip 38 are shown in FIGS. 2 to 4.
  • the optimized geometry serves the goal of concentrating a high electrical resistance R 42 in the region of the glow plug tip 38, with the same specific electrical resistance values of the electrically conductive ceramic material used for the glow plug body 34 and the glow plug tip 38.
  • FIGS. 2 to 4 each show an enlarged schematic illustration of a glow pencil tip 38.
  • FIG. 2 shows that the glow pencil tip 38 consists of a first frustoconical section 46, which is followed by a hemispherical section 48.
  • the hemispherical section 48 has a diameter d that is smaller than a diameter d 1 of the glow plug body 34.
  • the diameter d 1 is adapted to the diameter d via the frustoconical section 46. This results in a reduction in the cross section — viewed perpendicular to the plane of the paper — over the length l 1 of the glow pencil tip 38, from the glow plug body 34 to the hemispherical section 48.
  • Section 42 of the glow pencil tip 38 can be determined. This results in the transition area between the frustoconical section 46 and the hemispherical section 48.
  • the resistance R 42 of the resistor R 42 can be selected by choosing the diameter d of the hemispherical section 48 and choosing the length l 1 Glow pencil tip 38 can be optimized.
  • the glow plug body 34 merges via a first frustoconical section 50 into a second frustoconical section 52.
  • the inlet diameter of the frustoconical section 50 corresponds to the diameter d 1 of the glow plug body 34.
  • the outlet diameter d 2 of the frustoconical section 50 corresponds to the inlet diameter of the frustoconical section 52, which tapers to the diameter d.
  • FIG. 4 shows a particularly preferred embodiment variant in which the frustoconical section 52 has been provided with a chamfer 54.
  • the ratio of the diameters d 3 or d 4 can be set in accordance with an angle ⁇ of the chamfer 54 to a longitudinal axis of the glow plug 14. The larger this angle ⁇ , the smaller the cross-sectional area A of the line section 42 in the region of the frustoconical section 56.
  • a correction of the resistance is then possible within certain limits. In accordance with the known relationships, this results in an increase in the resistance R 42 .
  • a cross section A of the line section 42 and thus an increase in the resistance R 42 can be achieved by simple geometric configurations. In this way, very short heating-up times can be achieved on the glow plug 38.
  • the maximum glow temperature of the glow plug 14, in particular at the glow plug tip 38 can be set by optimizing the cross section A, in conjunction with the length l 1 , and thus the resistance R 42 . If a ceramic with a positive temperature coefficient is used as the material for the glow plug 34, that is to say that the resistance R increases with increasing temperature, a self-regulating glow plug temperature can be achieved by decreasing the glow current I with increasing resistance R.
  • the proposed geometries of the glow plugs 14 can be produced in a simple manner.
  • the glow pencils 14 are known to be formed from a "green" ceramic material and then sintered. It is also conceivable to manufacture the ceramic glow plugs using injection molding technology.
  • the frustoconical sections 46, 50 and 52 or the hemispherical section 48 can be produced during shaping by means of corresponding shaping tools.
  • a defined setting of the resistance R 42 of the glow pencil tip 38 can be carried out by subsequently reducing the layer thickness d R.
  • manufacturing tolerances of the glow plug 14 can be compensated for, which can arise, for example, by an offset of the core 30 to the longitudinal axis of the glow plug 14 or if there is a deviation in the specific electrical resistance.
  • This process can be automated in the manufacture of glow plugs. The resistance is measured with simultaneous grinding. As a result, the layer thickness d R is reduced, so that the resistance increases. When the target resistance is reached, grinding is stopped.
  • the individual sections of the glow plug 14 can merge into one another via radii R d .
  • these radii R d have only negligibly small effects on a cross section A to be set and thus the resistance R 42 of the glow plug tip 38 to be set.
  • the glow plug according to the invention for example, to ignite a thermal Combustion process, for example in gas boilers, be used.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Resistance Heating (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zum Zünden eines thermischen Verbrennungsvorgangs, insbesondere zum Starten einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Stand der Technik
Glühstiftkerzen der gattungsgemäßen Art sind bekannt. Diese werden zum Starten selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen (Dieselmotoren) eingesetzt. Damit der selbstzündende Verbrennungsvorgang einsetzt, bedarf es bekannterweise einer Initialzündung. Hierzu werden Glühstiftkerzen verwendet, die in einer Wandung eines Verbrennungsraumes (Zylinderraum bei Verbrennungskraftmaschine) derart dichtend eingesetzt sind, dass ein Glühstift in den Verbrennungsraum ragt. Der Glühstift steht hierbei in Kontakt mit einem zu zündenden Kraftstoff-Luft-Gemisch.
Bekannt ist der Einsatz keramischer Glühstifte, deren Glühabschnitt aus einem keramischen, elektrisch leitfähigen Material besteht. Diese zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und durch eine hohe Resistenz gegenüber der im Verbrennungsraum herrschenden Atmosphäre aus. Darüber hinaus besitzen keramische Glühstifte eine hohe Temperaturfestigkeit.
Zum Starten der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine wird der Glühstift mit einer Spannungsquelle (in Kraftfahrzeugen üblicherweise mit einer Kraftfahrzeugbatterie) verbunden. Entsprechend dem elektrischen Widerstand des Glühstiftes fließt ein Strom, der zu einer Erwärmung des Glühabschnittes des Glühstiftes führt.
Um eine schnelle Erwärmung einer Glühstiftspitze des Glühstiftes zu erreichen, ist bekannt, im Bereich der Glühstiftspitze lokal ein Keramikmaterial mit einem höheren spezifischen elektrischen Widerstand vorzusehen als im übrigen Bereich des Glühstiftkörpers. Hierdurch erfolgt eine Konzentration des elektrischen Widerstandes des Glühstiftes in der Glühstiftspitze, so dass dort lokal eine stärkere und schnellere Erwärmung auftritt. Nachteilig hierbei ist, dass sich derartige Glühstifte mit unterschiedlichen Materialien, die einen unterschiedlichen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen, nur sehr aufwendig und somit kostenintensiv herstellen lassen.
Dokument PATENT ABSTRACT OF JAPAN vol. 11, no. 067 (M-566) & JP-A-61 22 5517 offenbart eine Glühstiftkerze mit einer Kuppenförmigen Spitze.
Aus der DE 195 06 950 ist eine Glühstiftkerze bekannt, bei der im Bereich einer Glühstiftspitze eine Reduzierung des elektrisch leitfähigen Querschnittes vorgesehen ist. Diese Reduzierung des elektrisch leitfähigen Querschnittes bewirkt, dass dort eine stärkere Erwärmung des Glühstiftes als im übrigen Bereich stattfindet. Erhalten wird die Reduzierung des elektrisch leitfähigen Querschnittes dadurch, dass die Glühstiftkerze mit Bohrungen versehen wird, die anschließend mit einem elektrisch isolierenden Material aufgefüllt werden. Hierbei ist nachteilig, dass eine derartige Querschnittsreduzierung nur aufwendig mit zusätzlichen Herstellungsverfahrensschritten erzielbar ist. Insbesondere beim Einbringen von elektrisch isolierenden Materialien im Bereich der höchsten Erwärmung der Glühstiftkerze können aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien mechanische Spannungen aufgebaut werden, die zu einer Beschädigung beziehungsweise Zerstörung der Glühstiftkerze führen können.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass in einfacher Weise eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes im Bereich der Glühstiftspitze erzielbar ist. Dadurch, dass ein elektrisch leitfähiger Querschnitt des Glühabschnittes des Glühstiftes im Bereich der Glühstiftspitze geringer ist als im Bereich eines Glühstiftkörpers und die Glühstiftspitze einen zu einer Längsachse der Glühstiftkerze verlaufenden kegelstumpfförmigen Abschnitt umfasst, kann vorteilhaft in der Glühstiftspitze das gleiche Material mit dem gleichen spezifischen elektrischen Widerstand wie im gesamten Glühstiftkörper verwendet werden. Die Verringerung des elektrisch leitfähigen Querschnittes im Bereich der Glühstiftspitze führt aufgrund der bekannten Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes vom Querschnitt eines stromdurchflossenen Leiters zu einer lokalen Erhöhung des Widerstandes. Somit kann mittels einer speziellen Formgebung der Glühstiftkerze im Bereich der Glühstiftspitze ein auf die erforderliche Glühtemperatur, in Verbindung mit einer sehr kurzen Aufheizzeit, ein optimaler elektrischer Widerstand eingestellt werden. Dadurch, dass der elektrische Widerstand nunmehr von der Formgebung abhängig ist, lassen sich derartige Glühstiftkerzen in einfacher Weise durch entsprechende Formwerkzeuge herstellen. Da die Glühstiftkerze sowieso durch eine Formgebung erhalten wird, ist ein Aufwand zur Einstellung des reduzierten elektrisch leitenden Querschnitts vernachlässigbar.
Durch einen derartigen kegelstumpfförmigen Abschnitt wird eine exakt reproduzierbare Verkleinerung des elektrisch leitfähigen Querschnittes des Glühabschnittes im Bereich der Glühstiftspitze möglich. Darüber hinaus lässt sich ein kegelstumpfförmiger Abschnitt mittels einfacher Formwerkzeuge in für eine Massenfertigung geeigneter reproduzierbarer Art und Weise wiederholen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine senkrecht zur Längsachse der Glühstiftkerze verlaufende Fläche der Glühstiftspitze über eine Fase in einen kegelstumpfförmigen Abschnitt übergeht. Das Einbringen der Fase führt zu einer Querschnittsverringerung und somit zu einer Widerstandserhöhung der Spitze. Durch Nacharbeit an diesem Kegelstumpf kann dessen Höhe verringert werden, somit ist die Einstellung eines definierten elektrisch leitfähigen Querschnitts des Glühabschnittes an der Glühstiftspitze möglich. Insbesondere kann hierdurch ein elektrischer Widerstand des gesamten Glühstiftes exakt eingestellt werden, indem eine Anarbeitung und/oder Nacharbeitung der Kegelstumpfhöhe während einer Widerstandsmessung erfolgt. Hierdurch kann eine Anpassung des elektrischen Widerstandes an gewünschte Parameter, insbesondere eine zu erreichende Temperatur im Bereich der Glühstiftspitze, erfolgen. Derartige Prozessschritte lassen sich in für eine Massenproduktion geeigneter Weise automatisieren.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1
eine Schnittansicht durch eine Glühstiftkerze und
Figuren 2 bis 4
schematisch verschiedene Schnittdarstellungen durch jeweils eine Glühstiftspitze.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Figur 1 zeigt eine Glühstiftkerze 10, die zum Starten einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine einsetzbar ist. Die Glühstiftkerze 10 umfasst ein Kerzengehäuse 12, das im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist. Das Kerzengehäuse 12 nimmt einen Glühstift 14 auf. Das Kerzengehäuse 12 ist in einer Wandung eines Zylindergehäuses dichtend anordbar, so dass der Glühstift 14 in den Verbrennungsraum hineinragt. Der Glühstift 14 ist über eine Kontaktfeder 16 mit einem Kontaktbolzen 18 elektrisch leitend verbunden. Der Kontaktbolzen 18 ist in nicht näher dargestellter Weise mit einer Spannungsquelle, im Kraftfahrzeug der Kraftfahrzeugbatterie, verbindbar, so dass über den Kontaktbolzen 18 und die Kontaktfeder 16 der Glühstift 14 mit einer Spannung U+ beaufschlagbar ist. Der Glühstift 14 selber umfasst eine Schicht (Glühabschnitt) aus einem keramischen, elektrisch leitfähigen Material, das in äußeren Schichten aus einer elektrisch nicht leitenden Keramik eingebettet ist. Hierdurch kommt es zur Ausbildung einer U-förmigen Leiterschleife aus der elektrisch leitfähigen Keramik, die einen Heizleiter bildet. Die Glühstiftkerze 10 umfasst weitere Bestandteile, von denen hier noch Dichtungen 20 beziehungsweise 22, eine Keramikhülse 24, ein Metallring 26 sowie ein Spannelement 28 bezeichnet sind. Die Dichtung 20 kann gleichzeitig so ausgebildet sein, dass eine elektrische Verbindung zum Kerzengehäuse 12 gebildet wird, über das wiederum der Masseanschluss U realisiert ist. Aufbau und Funktion derartiger Glühstiftkerzen 10 sind allgemein bekannt, so dass hierauf im Rahmen der vorliegenden Beschreibung im Einzelnen nicht näher eingegangen werden soll.
Der Glühstift 14 besitzt ferner einen Kern 30 aus einem elektrisch isolierenden Material.
In Figur 1a ist der Glühstift 14 vereinzelt dargestellt, wobei schematisch angedeutet ist, dass über ein Schaltmittel 32 der Glühstift 14 mit der Spannung U beaufschlagbar ist. Figur 1a zeigt einen Längsschnitt durch die elektrisch leitfähige Keramikschicht. Bei geschlossenem Schaltmittel 32 fließt daher der Strom I über den Glühstift 14. Durch den Schichtaufbau des Glühstiftes 14 bildet die elektrisch leitfähige Keramik ein U-förmiges Element, das den Kern 30 - im Sinne der Stromflussrichtung des Stromes I - umgreift. Der Glühstift 14 umfasst einen Glühstiftkörper 34 der Länge 1, der im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Innerhalb des Kerzengehäuses 12 bildet der Glühstiftkörper 34 einen Ringwulst 36 aus, der sich über die Dichtung 20 an dem Kerzengehäuse 12 abstützt. An dem dem Ringwulst 16 gegenüberliegenden Ende geht der Glühstiftkörper 34 in eine Glühstiftspitze 38 über, die eine Länge l1 besitzt.
Durch eine derartige Formgestalt des Glühstiftes 14 ergeben sich insgesamt drei elektrisch leitfähige Abschnitte des Glühstiftes 14, nämlich ein erster Abschnitt 40 vom Ringwulst 36 bis zur Glühstiftspitze 38, ein zweiter Abschnitt 42 innerhalb der Glühstiftspitze 42 und ein dritter Abschnitt 44 von der Glühstiftspitze 42 zum Ringwulst 36 zurück. Das elektrisch leitfähige Keramikmaterial des Glühstiftes 14 besitzt einen bekannten spezifischen elektrischen Widerstand, so dass sich der Glühstift 14 in das in Figur 1b gezeigte Ersatzschaltbild transformieren lässt. Hierbei ergibt sich eine Reihenschaltung der elektrischen Widerstände R40 des Abschnittes 40, R42 des Abschnittes 42 und R44 des Abschnittes 44. Ein Gesamtwiderstand R für den Glühstift 14 ergibt sich somit aus R = R40 + R42 + R44.
Um beim bestimmungsgemäßen Einsatz der Glühstiftkerze 10 im Bereich der Glühstiftspitze 38 bei bekanntem spezifischen elektrischen Widerstand des Materials des Glühstiftes 14 innerhalb einer sehr kurzen Aufheizzeit die vorgesehene Glühtemperatur zu erreichen, beispielsweise 950 °C innerhalb von höchstens 2 s, ergibt sich für die Verhältnisse der einzelnen Widerstände untereinander eine bestimmte Notwendigkeit. Hierbei muss der Anteil des Widerstandes R42 am Gesamtwiderstand R viel größer sein als der Anteil der Summe der Widerstände R40 + R44 am Gesamtwiderstand R. Ferner gilt, dass der Widerstand R30 des Kernes 30 sehr viel größer ist als der Widerstand R des Glühstiftes 14.
Dadurch, dass der Widerstand R42 viel größer ist als die Summe der Widerstände R40 + R44 ergibt sich bei konstanter Spannung U entsprechend dem elektrischen Widerstand R die Größe des Glühstromes I. Bei konstanter Spannung U und konstantem Strom I ist der Spannungsabfall über den Teilwiderständen R40, R42, R44 dort am größten, wo der größte elektrische Widerstand ist. Liegt dieser bei dem Widerstand R42, ergibt sich dort der größte Spannungsabfall. Durch Definition der Größenverhältnisse des Widerstandes R42 einerseits zu der Summe der Widerstände R40, R44 andererseits, kann bei entsprechend groß dimensioniertem Widerstand R42 dort der größte Spannungsabfall konzentriert werden. Da wiederum die abgegebene Heizleistung direkt abhängig ist vom konstanten Strom und dem Spannungsabfall, wird somit erreicht, dass sich im Bereich der Glühstiftspitze 38 die größte Heizleistung ergibt.
Bekannt für den Widerstand R ist, dass dieser einerseits abhängig ist von der Länge 1 eines elektrischen Leiters und dem Querschnitt A des elektrischen Leiters sowie dessen spezifischen elektrischen Widerstand. Je kleiner die Querschnittsfläche A bei konstanter Länge 1 und gleichem spezifischen elektrischen Widerstand ist, je größer wird der Widerstand R. Unter Ausnutzung dieser Beziehung sind in den Figuren 2 bis 4 verschiedene Ausführungsbeispiele einer optimierten Gestaltung der Glühstiftspitze 38 gezeigt. Die optimierte Geometrie dient dem Ziel, bei gleichen spezifischen elektrischen Widerstandswerten des für den Glühstiftkörper 34 und die Glühstiftspitze 38 verwendeten elektrisch leitfähigen keramischen Materials im Bereich der Glühstiftspitze 38 einen hohen elektrischen Widerstand R42 zu konzentrieren. In den Figuren 2 bis 4 ist jeweils eine vergrößerte schematische Darstellung einer Glühstiftspitze 38 dargestellt.
Figur 2 zeigt, dass die Glühstiftspitze 38 aus einem ersten kegelstumpfförmigen Abschnitt 46 besteht, an dem sich ein halbkugelförmiger Abschnitt 48 anschließt. Der halbkugelförmige Abschnitt 48 besitzt einen Durchmesser d, der geringer ist als ein Durchmesser d1 des Glühstiftkörpers 34. Über den kegelstumpfförmigen Abschnitt 46 erfolgt eine Anpassung des Durchmessers d1 an den Durchmesser d. Hierdurch ergibt sich über die Länge l1 der Glühstiftspitze 38 eine Verringerung des Querschnittes - gemäß der Darstellung senkrecht zur Papierebene betrachtet - vom Glühstiftkörper 34 zum halbkugelförmigen Abschnitt 48. Durch Wahl des Durchmessers d des halbkugelförmigen Abschnittes 48 kann somit der geringste Querschnitt A des elektrisch leitfähigen Abschnittes 42 der Glühstiftspitze 38 bestimmt werden. Dieser ergibt sich im Übergangsbereich zwischen dem kegelstumpfförmigen Abschnitt 46 und dem halbkugelförmigen Abschnitt 48. Bei bekannter Spannung U und bekanntem spezifischen elektrischen Widerstand des verwendeten Materials kann somit über Wahl des Durchmessers d des halbkugelförmigen Abschnittes 48 und Wahl der Länge l1 der Widerstand R42 der Glühstiftspitze 38 optimiert werden.
Bei dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel geht der Glühstiftkörper 34 über einen ersten kegelstumpfförmigen Abschnitt 50 in einen zweiten kegelstumpfförmigen Abschnitt 52 über. Der Eingangsdurchmesser des kegelstumpfförmigen Abschnittes 50 entspricht dem Durchmesser d1 des Glühstiftkörpers 34. Der Ausgangsdurchmesser d2 des kegelstumpfförmigen Abschnittes 50 entspricht dem Eingangsdurchmesser des kegelstumpfförmigen Abschnittes 52, der sich bis auf den Durchmesser d verjüngt. Durch Wahl der Durchmesserverhältnisse d und d2 zum Durchmesser d1 lässt sich eine Einstellung eines Querschnittes A des Leitungsabschnittes 42 erzielen. Je geringer die Durchmesser d beziehungsweise d2 gewählt werden, um so geringer wird die Querschnittsfläche A des Leitungsabschnittes 42, und hieraus folgt, über die Wahl der Durchmesser d beziehungsweise d2 und der Länge l1 lässt sich der Widerstand R42 der Glühstiftspitze 38 optimieren.
Durch die Verringerung der Schichtdicke dR des Abschnitts 57 ist eine anschließende Korrektur des Widerstandes in gewissen Grenzen möglich.
Figur 4 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante, bei der der kegelstumpfförmige Abschnitt 52 mit einer Fase 54 versehen wurde. Hierdurch ergibt sich an der Glühstiftspitze 38 ein weiterer kegelstumpfförmiger Abschnitt 56, der von dem Eingangsdurchmesser d4 auf den Durchmesser d3 übergeht. Entsprechend einem Winkel α der Fase 54 zu einer Längsachse des Glühstiftes 14 kann das Verhältnis der Durchmesser d3 beziehungsweise d4 eingestellt werden. Je größer dieser Winkel α ist, um so geringer wird die Querschnittsfläche A des Leitungsabschnittes 42 im Bereich des kegelstumpfförmigen Abschnittes 56. Durch Verringerung einer Schichtdicke dR des Abschnitts 56 ist anschließend eine Korrektur des Widerstandes in gewissen Grenzen möglich. Entsprechend den bekannten Beziehungen ergibt sich hierdurch eine Erhöhung des Widerstandes R42.
Anhand der Ausführungsbeispiele wird ohne weiteres deutlich, dass durch einfache geometrische Gestaltungen ein Querschnitt A des Leitungsabschnittes 42 und somit eine Erhöhung des Widerstandes R42 erzielbar ist. Hierdurch lassen sich sehr kleine Aufheizzeiten an der Glühstiftkerze 38 erreichen. Entsprechend dem spezifischen elektrischen Widerstand des eingesetzten Materials und dem Temperaturkoeffizienten des Materials kann durch Optimierung des Querschnittes A, in Verbindung mit der Länge l1, und somit des Widerstandes R42 die maximale Glühtemperatur des Glühstiftes 14, insbesondere an der Glühstiftspitze 38, eingestellt werden. Wird als Material für den Glühstift 34 eine Keramik mit einem positiven Temperaturkoeffizienten eingesetzt, das heißt, mit zunehmender Temperatur steigt der Widerstand R an, lässt sich eine selbstregelnde Glühstifttemperatur durch Abnahme des Glühstromes I bei steigendem Widerstand R erzielen.
Die vorgeschlagenen Geometrien der Glühstifte 14 lassen sich in einfacher Weise herstellen. Die Glühstifte 14 werden bekannterweise aus einem "grün" vorliegenden Keramikmaterial geformt und anschließend gesintert. Eine Herstellung der keramischen Glühstifte in Spritzgußtechnik ist ebenfalls denkbar. Bei gesinterten Glühstiften können während der Formgebung durch entsprechende Formwerkzeuge die kegelstumpfförmigen Abschnitte 46, 50 und 52 beziehungsweise der halbkugelförmige Abschnitt 48 erzeugt werden. Insbesondere bei dem in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kann durch nachfolgende Reduzierung der Schichtdicke dR eine definierte Einstellung des Widerstandes R42 der Glühstiftspitze 38 erfolgen. So lassen sich beispielsweise Fertigungstoleranzen des Glühstiftes 14 ausgleichen, die beispielsweise durch ein Offset des Kernes 30 zur Längsachse des Glühstiftes 14 oder bei Abweichung im spezifischen elektrischen Widerstand entstehen können. Dieser Vorgang kann bei der Glühstiftherstellung automatisiert werden. Es erfolgt eine Messung des Widerstandes bei gleichzeitiger Schleifbearbeitung. Hierdurch wird die Schichtdicke dR reduziert, so dass sich der Widerstand erhöht. Beim Erreichen des Sollwiderstands wird die Schleifbearbeitung eingestellt.
Fertigungsbedingt können die einzelnen Abschnitte des Glühstiftes 14 über Radien Rd ineinanderübergehen. Diese Radien Rd haben jedoch nur vernachlässigbar kleine Auswirkungen auf einen einzustellenden Querschnitt A und somit einzustellenden Widerstand R42 der Glühstiftspitze 38.
Neben dem Starten einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine kann die erfindungsgemäße Glühstiftkerze beispielsweise auch zum Zünden eines thermischen Verbrennungsvorgangs, beispielsweise bei Gasthermen, eingesetzt werden.
Im Sinne der Erfindung ist auch, wenn zusätzlich zu den beschriebenen Möglichkeiten der Beeinflussung des Widerstandes die Glühstiftspitze 38 aus einem Material mit anderem spezifischen elektrischen Widerstand als die übrigen Bereiche des Glühstiftes 14 besteht.

Claims (8)

  1. Glühstiftkerze (10) zum Zünden eines thermischen Verbrennungsvorgangs, insbesondere zum Starten einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine, mit einem dichtend in einer Wandung eines Verbrennungsraumes anordbaren Gehäuse (12), welches einen in den Verbrennungsraum ragenden keramischen Glühstift (14) aufnimmt, wobei der Glühstift (14) einen mit einer Spannungsquelle verbindbaren, einen elektrischen Widerstand aufweisenden Heizleiter bildet, wobei ein elektrisch leitfähiger Querschnitt des Heizleiters im Bereich der Glühstiftspitze (38) geringer ist als ein elektrisch leitfähiger Querschnitt im Bereich des Glühstiftkörper (34), dadurch gekennzeichnet, dass die Glühstiftspitze (38) wenigstens einen kegelstumpfförmigen Abschnitt (46, 50, 52) umfasst.
  2. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühstiftspitze (38) einen halbkugelförmigen Abschnitt (48) umfasst, dessen Durchmesser (d) geringer ist als ein Durchmesser (d1) des Glühstiftkörpers (34).
  3. Glühstiftkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Festlegung eines Verhältnisses des Durchmessers (d) zu (d1) in Verbindung mit der Länge (l1) der elektrisch leitfähige Querschnitt (A) einstellbar ist.
  4. Glühstiftkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühstiftspitze (38) zwei kegelstumpfförmige Abschnitte (50, 52) umfasst, wobei ein Ausgangsdurchmesser des ersten Abschnittes (50) dem Eingangsdurchmesser des zweiten Abschnittes (52) entspricht.
  5. Glühstiftkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Enddurchmesser (d) aufweisender kegelstumpfförmiger Abschnitt (52) eine Fase (54) besitzt.
  6. Glühstiftkerze (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl eines Winkels (α) der Fase (54) zu einer Längsachse des Glühstiftes (14) der elektrisch leitfähige Querschnitt (A) einstellbar ist.
  7. Glühstiftkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl einer Schichtdicke (dR) des den Enddurchmesser (d) aufweisenden kegelstumpfförmigen Abschnitts (52, 56) der elektrisch leitfähige Querschnitt (A) einstellbar ist.
  8. Glühstiftkerze (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühstift (14) im Bereich seiner Glühstiftspitze (38) aus einem Material mit einem anderen spezifischen elektrischen Widerstand besteht als im Bereich seines Glühstiftkörpers (34).
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