預熱塞和它的制造方法
【專利說明】預熱塞和它的制造方法現有技術
[0001]本發明涉及一種電熱塞或預熱塞，和更精確地說一種用于布置在內燃機的室，例如空氣壓縮的、自點火的柴油機的預燃室、渦流室或燃燒室，中的金屬的預熱塞。本發明此外涉及一種用于制造這種預熱塞的方法。
[0002]在現代機動車和其它的應用中廣泛地使用柴油機，其與汽油運行的內燃機相比較具有更高的效率。但是柴油機在起動過程中經常需要冷起動輔助機構，因為在柴油機冷起動時噴射的柴油一般地不能夠無問題地自點火(自燃)。燃燒室處于低的溫度水平下并且此外具有高的比熱容量，因此在柴油機的起動過程中產生的壓縮熱快速地流入發動機本體中。但是為了在冷的空轉階段中完全燃燒在大多數自燃的內燃機中在~850°C的溫度的情況下需要加熱支持。這尤其是對于現代結構方式的低壓縮的自燃內燃機而言是絕對必要的，它們一般地具有較差的冷起動特性或冷空轉特性(低溫怠速運轉特性)。在這種自燃內燃機中現實需要~850°的持續加熱溫度。此外不同的燃料質量可以降低被壓縮的空氣/柴油混合物的可燃性。
[0003]為了解決所述影響，在柴油機的燃燒室中通常分別設置至少一種可電加熱的預熱塞，也稱為GLP(即英文專業術語“glow plug”)，具有950至1000°C的飽和溫度，借此在起動階段中預熱柴油機。如在圖2中在示意圖中示出的，這種已知的金屬的預熱塞的加熱元件9通常由一端封閉的熱管91制成，該熱管由耐溫的合金，例如具有鎳基材料的合金或具有耐溫的鋼的合金構成，其中，熱管91的燃燒室側的，封閉的一側與加熱螺旋體(螺旋管)92焊接，調節螺旋體(螺旋管)93與加熱螺旋體串聯地電連接。對于加熱螺旋體92，通常使用具有盡可能高的比電阻的金屬材料，該比電阻在溫度改變時幾乎保持恒定，例如FeCrAl或NiCr。相反，調節螺旋體93由具有顯著的PTC(正溫度系數)效應的金屬或金屬合金，例如鎳(Ni)或鐵鈷(FeCo)，制成。調節螺旋體93與加熱元件9的連接銷94，例如預熱塞的中心電極，電連接，在其上例如可以擰接上一個連接插頭。調節螺旋體93和加熱螺旋體92此外埋入絕緣粉末95中，其通過減小熱管91的外徑在填充之后被壓縮。該絕緣粉末，通常氧化鎂，在溫度高于1400°C情況下也仍然具有高的比電阻。熱管91用于機械地保護加熱螺旋體92和將加熱螺旋體相對于化學有害介質，例如空氣中的氧氣和氮氣，燃料殘留物和燃燒殘留物進行屏蔽。此外熱管91將由加熱螺旋體92釋放的熱能傳遞到燃燒室中。這個裝置負責使電阻在室溫下保持低值，但是然后在運行中隨著溫度的提高而提高。此外這種預熱塞廣泛地應用于預熱點火發動機中或者在起動由煤油運行的燃氣輪機和油型暖氣設備時作為冷起動輔助裝置廣泛地應用。
[0004]除了作為用于柴油機的所謂的快速起動系統的一部分的控制器，如上所述的預熱塞是現有技術。預熱塞的特征在于，使用的預熱塞的運行電壓，所謂的低伏預熱塞，低于可供使用的車載電網電壓4至7伏特。該運行電壓以下稱為標稱電壓。通過以高于標稱電壓的電壓短時間運行這種快速起動系統，所謂的“推動”，可以在很低的外部溫度下也實現短的加熱時間和因此柴油機的快速的起動準備，即使當在起動過程中車載電壓不利地短期地回到例如7V上。此外借助于這種快速起動系統可以依據機動車的運行狀態通過在一個儲存在特征曲線簇中的電壓控制依據發動機負荷，冷卻水，外部溫度等等補償預熱塞的冷卻或過熱。這種特征曲線簇按照已知的現有技術借助于所謂的溫度測量塞確定，其中一個熱電偶被焊接到上述預熱塞的頂尖中。這種溫度測量塞的缺點是其短的壽命和高的價格。此外這種低伏預熱塞可以由于錯誤應用，芯片調節，有意或無意地跨接與預熱塞連接的控制器或由于與預熱塞連接的預熱時間控制器的故障直到過熱到加熱體的熔化和由此導致發動機損壞。
[0005]為了解決上述問題，具有一些建造預熱塞的方法，其中，電阻作為溫度信號被用于控制。為此預熱塞實施成所謂的螺旋塞。這種也已知的螺旋塞由在圖3中示出的加熱元件9’制成，它由單側封閉的熱管91’構成，其中，熱管91’的燃燒室側的，封閉的側與PTC-加熱螺旋體92’焊接，不設置調節螺旋體。作為加熱螺旋體92’的螺旋材料，在此處相應地使用具有電阻的正溫度系數的金屬，以實現PTC效應。與圖2中的加熱螺旋體92類似地，加熱螺旋體92’埋在絕緣粉末95’中，其中，在此加熱螺旋體92’直接地與加熱元件9’的連接銷94’電連接。可以通過這種螺旋塞在與這個控制器結合下避免由于錯誤應用和芯片調節的上述損壞，螺旋塞的加熱螺旋體電阻具有PTC特性并且作為溫度信號用于預熱時間控制器。但是由此不能夠避免由于通過跨接控制器造成的發動機損壞，有意地或無意地，例如由于事故，或由于控制器的故障。此外這種螺旋塞具有缺點，即在加熱時由于電阻增大功率快速下降，由此其在通常的冷態電阻300至700m Ω下通過12V車載電壓網不能夠在1至2s加熱到1000°C。冷態電阻因此必須保持得非常低，結果是，初始電流非常高。這要求在預熱時間控制器中的較昂貴的半導體，較大的電纜橫截面和在極限情況下較高的電池容量，如在上述具有加熱螺旋體和調節螺旋體的組合的預熱塞中。
[0006]本發明公開
按照本發明建議一種具有權利要求1的特征的可電加熱的預熱塞，最好用于自燃式內燃機，例如柴油機，冷起動輔助。此外按照本發明建議一種用于制造這種預熱塞的方法。本發明的有利的改進方案通過從屬權利要求的特征表征。
[0007]按照本發明的第一觀點，按照本發明的可電加熱的預熱塞包括作為主要組成部分的加熱元件。而加熱元件具有封閉的熱管，可導電的加熱螺旋體，與加熱螺旋體電連接的可導電的連接銷，和填充材料。加熱螺旋體和至少一部分連接銷在此布置在熱管中，和填充材料如此地引入到熱管中，使得它容納或完全包圍加熱螺旋體和至少一部分連接銷。熱管在此情況下可以由耐溫的金屬合金制成，例如由鎳基材料或耐溫的鋼合金。此外加熱螺旋體由至少一種耐溫的材料，最好高耐溫的材料，制成，對于可比較的電導體具有高的比電阻，但是它是僅僅稍微與溫度相關的，即具有小的溫度系數，和填充材料至少部分地由具有電阻的負溫度系數的材料制成。在此處也可以設想由具有高的比電阻的、不同的高耐溫的材料的組合建造加熱螺旋體，但是這也可能導致增大的制造成本。原則上這樣建造的預熱塞涉及到加熱螺旋體-電阻的并聯，其隨著溫度僅僅稍微地改變，具有填充材料形式的NTC-電阻。通過在熱管內部中的這種材料組合盡管比較高的冷態電阻也可以實現預熱塞的快速加熱。
[0008]在按照本發明的預熱塞的一個優選實施方式中，加熱螺旋體的材料是耐熱的金屬，它依賴于溫度稍微或完全不改變它的電阻值，即在一個寬的溫度范圍上，例如直至1400°C，保持一個近似恒定的比電阻。這種材料可以是FeCrAl合金，例如Kanthal (鉻鋁鈷耐熱鋼)，或NiCr合金。此外填充材料最好可以至少部分地或完全作為粉末位于熱管內部中。這便于將填充材料填充到熱管中。在此尤其優選的是，所述具有電阻的負溫度系數的材料，填充材料至少部分地由其制成，作為NTC-粉末存在。縮寫“NTC”在此處是指“負的溫度系數”，和用語NTC-粉末因此表示NTC-電阻粉末或具有負的溫度系數的熱導體粉末。
[0009]全部填充材料此外最好可以或者完全由這種具有電阻的負溫度系數的材料構成或作為其替代方案由至少一種具有電阻的負溫度系數的材料和一種絕緣材料的混合物構成，其中，絕緣材料可以是絕緣的燒結材料，例如氧化鎂。通過粉末的類型和在由絕緣粉末和NTC-粉末構成的混合物下也通過混合物比和絕緣粉末和NTC-粉末的粒度分布的情況，可以依據溫度在寬的范圍中調整預熱塞的電阻特性。由具有電阻的負溫度系數的材料和絕緣材料構成的這種混合物或混合比在此可以被如此多適配，即填充材料具有一種比電阻，它在100°C和400°C之間是低歐姆的，這在低溫應用中例如在燃料加熱器中是優選的。
[0010]對此備選地，混合比和材料可以被如此多適配，即填充粉末的比電阻在800和1300°C之間強烈下降，這在高溫應用中是優選的。
[0011]在另一個優選實施例中，具有電阻的負溫度系數的材料是改性的碳材料，碳化硅(SiC)，摻雜硅(Si)，基礎硅(硅基)(Si)，鈦(Ti)的氧化物，鎂(Mg)的氧化物，鐵(Fe)的氧化物，鈷(Co)的氧化物，鎳(Ni)的氧化物，銅(Cu)的氧化物，和鋯(Zr)的穩定的或部分穩定的氧化物之一。此外具有電阻的負溫度系數的材料可以由改性的碳材料，碳化硅(SiC)，摻雜硅(Si)，基礎硅(Si)，鈦