DE3010591C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine selbstaufheizende Glühkerze nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Glühkerze ist aus der DE 27 30 882 A1 bekannt. Die Glühkerze ist in einem gewissen Abstand von einem sepa­ rat ausgebildeten Kraftstoffeinspritzventil angeordnet. Ein als Glühelement dienender elektrischer Widerstandsdraht ist von einem mit einem Katalysator beschichteten Metallrohr umgeben. Der Widerstandsdraht wird bei dieser Anordnung nicht nur durch den durch ihn fließenden elektrischen Strom erhitzt, sondern außerdem von der erhöhten Reaktionstempe­ ratur aufgrund der Oxidation zwischen Brennstoff und Kata­ lysator. Die Folge ist eine verkürzte Lebensdauer des Wi­ derstandselements und mithin der gesamten Glühkerze. Durch die räumliche Trennung von Katalysator und Widerstands­ element läßt sich dieser zusätzlich nachteilige Effekt ver­ meiden.

Aus der DE-PS 8 21 726 und der GB-PS 7 15 720 sind Glühkerzen bekannt, bei denen ein elektrisch geheizter Glühdraht von einer dickeren Drahtwendel umgeben ist, der mit Platin oder ähnlichem beschichtet ist und durch Gasaufnahme zum Glühen gebracht wird.

Bei Selbstzünder-Verbrennungsmotoren verwendet man Zündhil­ fen mit Platin-Katalysatoren, so daß die Oxidations-Reak­ tion zwischen Brennstoff und Katalysator auf chemischem Wege die Einleitung des Verbrennungsvorgangs bewirkt. Probleme gibt es speziell beim Starten, so daß man das Widerstandselement in Form eines Glühfadens beim Startvor­ gang mit Strom speist. Beim stationären Betrieb ist jedoch das elektrische Heizen des Widerstandselements unwirt­ schaftlich, so daß nach einer gewissen Anlaufzeit das Widerstandselement abgeschaltet wird.

Man hat beobachtet, daß bei den Platin-Überzügen von Glüh­ kerzen mit eingebautem elektrischen Widerstandselement fol­ gendes Problem auftritt: Die Platinpartikel, die ursprüng­ lich in sehr feiner Form an einem Keramikträger haften, un­ terliegen bei der Aufheizung auf hohe Temperaturen einer Oberflächendiffusion. Durch die dadurch bedingte Agglomera­ tion der Platinteilchen kommt es zu einer Partikelvergröße­ rung. Dies läßt sich als Sinter-Phänomen bezeichnen. Wenn sich dazu noch Brennstoff-Reste an der Katalysatoroberflä­ che in Form von Ruß ansetzen und dieser Ruß bei einer Tem­ peratur von etwa 700°C anfängt zu verbrennen, so erhöht sich die Oberflächentemperatur des Katalysators auf 800 bis 1000°C, wodurch die Partikelvergrößerung noch beschleunigt wird.

In der DE-PS 5 43 210 ist eine Zündeinrichtung für Motoren mit Brennstoffeinspritzung beschrieben, bei der das Wider­ standselement in Form einer Spirale ausgebildet ist. Eine ähnliche Anordnung mit einer Platinspirale ist in der DE-PS 1 74 041 beschrieben.

Die DE-AS 13 01 631 zeigt eine Glühvorrichtung als An­ laßhilfe für Brennkraftmaschinen. Die Spitze eines Glüh­ stifts ist von einem zylindrischen Röhrchen umgeben, wel­ ches Lufteintrittsöffnungen in der Seitenwand aufweist.

Aus der US-PS 14 32 214 ist ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer dazu zu einer Einheit vereinten Glühkerze be­ kannt. Durch diese Einheit soll eine wirksame Entzündung des eingespritzten Kraftstoffs erreicht werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine selbstaufheizende Glüh­ kerze der eingangs genannten Art anzugeben, bei der einer­ seits eine umfangreiche Oxidations-Reaktion des Brennstoffs mit dem Katalysator stattfindet, andererseits sowohl ein guter Motor-Start als auch ein stabiler Dauerbetrieb des Motors erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist in An­ spruch 2 angegeben.

Durch die spezielle Vereinigung von Glühkerze und Kraft­ stoffeinspritzventil wird eine sehr günstige Verbrennung erreicht. Der aus dem Einspritzventil ausgestoßene Kraft­ stoff kommt gut mit dem Katalysator in Berührung. Dazu be­ wirken die Lufteinlaßlöcher, daß Luft von außen in das In­ nere der aus Glühkerze und Ventil bestehenden Einheit ein­ geleitet wird. Der eingespritzte Kraftstoff wird an dem Katalysator sofort gezündet. Der mit der Zündfläche in Berührung kommende oder doch zumindest in die Nachbarschaft der Glühkerze gelangende Kraftstoff stabilisiert die Tempe­ ratur des Katalysators. Wegen der Lufteintrittslöcher wer­ den Kraftstoff und Luft optimal durchmischt. Insbesondere dann, wenn die erfindungsgemäße Glühkerze im Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors angeordnet wird, erfolgt eine optimale Verbrennung und Erwärmung der angesaugten Luft. Die durch den Ansaugkanal strömende Luft wird teilweise durch die Lufteintrittslöcher in das Innere der Glühker­ zen/Einspritzventil-Anordnung geleitet, vermischt sich dort mit Kraftstoff, und das Gemisch wird optimal verbrannt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an­ hand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer in einem Ansaugkanal eines Verbrennungsmotors angeordneten Einheit aus Kraftstoffeinspritzventil und selbstaufheizender Glühkerze,

Fig. 2 eine Längsschnittansicht einer ersten Ausführungs­ form einer selbstaufheizenden Glühkerze,

Fig. 3 eine Längsschnittansicht einer zwischen Ausfüh­ rungsform einer selbstaufheizenden Glühkerze,

Fig. 4 eine Längsschnittansicht einer dritten Ausführungs­ form einer selbstaufheizenden Glühkerze,

Fig. 5 eine teilweise in Längsschnittansicht dargestellte Einheit aus Glühkerze mit Kraftstoffeinspritzven­ til, und

Fig. 6 eine gegenüber Fig. 5 abgewandelte Ausführungsform der Glühkerze mit Kraftstoffeinspritzventil.

In Fig. 1 ist ein Teil eines Verbrennungsmotors mit Ansaug­ luftvorwärmung mit einer selbstaufheizenden Glühkerze 8 e im Ansaugkanal dargestellt. In einer Wand 87 eines Ansaug­ kanals 85 ist stromaufwärts bezüglich eines Einlaßventils 86 ein Kraftstoffeinspritzventil 77 mit der damit zu einer Einheit vereinten Glühkerze 8 e eingesetzt. Vor dem Anlassen des Verbrennungsmotors wird die Glühkerze 8 e ein­ geschaltet und auf eine vorgegebene hohe Temperatur aufge­ heizt. Wenn eine vorgegebene Menge Kraftstoff eingespritzt und einer Ausnehmung 82 und dem Ansaugkanal 85 zugeführt wird, verdampft der Kraftstoff und wird von dem noch zu be­ schreibenden Katalysator der Glühkerze gezündet.

Fig. 2 zeigt in Längsschnittansicht eine Einheit, die aus dem Kraftstoffeinspritzventil 77 und der Glühkerze 8 e ge­ bildet ist. Ein Befestigungsteil 78 ist mittig mit einer Aufnahmebohrung 73 versehen, in die das Kraftstoffein­ spritzventil 77 eingebaut ist. Ein hülsenförmiges metalli­ sches Schutzrohr 80 ist am anderen Ende 79 des Befesti­ gungsteils 78 koaxial angebracht, so daß es absteht. Inner­ halb des metallischen Schutzrohrs 80 ist ein spulenförmiges Widerstandselement 81 eingebaut, das gut leitend und mit einer nicht dargestellten positiven Spannung verbunden ist, während das Befestigungsteil 78 an Masse liegt.

In dem metallischen Schutzrohr 80 ist weiterhin innerhalb des Widerstandselements 81 ein Katalysator 6 e eingebaut, der eine Hülsenform mit vorgegebener Dicke besitzt und kon­ zentrisch zu den benachbarten Teilen angeordnet ist. Somit ist in der Glühkerze 8 e am vorderen Ende 79 die mit einem Boden 83 versehene röhrenförmige Ausnehmung 82 gebildet, in deren Boden 83 sich die Kraftstoffeinspritzöffnung 77 e des Kraftstoffeinspritzventils 77 befindet. Die röhrenförmige Ausnehmung 82 ist in der Nähe ihres Bodens in der umgeben­ den Wand mit einer Vielzahl von Lufteintrittslöchern 84 versehen, durch die Luft von außen in die Ausnehmung 82 eingeführt wird. Auf diese Weise bildet bei der Glühkerze 8 e das metallische Schutzrohr 80 in Verbindung mit dem Kata­ lysator 6 e einen Zündabschnitt 9 e.

Gemäß Fig. 1 breitet sich die Flamme nach der Zündung des Kraftstoffs von dem Inneren der Ausnehmung 82 in dem An­ saugkanal 85 aus, wodurch die Ansaugluft aufgeheizt wird. Währenddessen ist der in die Ausnehmung 82 eingespritzte Kraftstoff genügend mit Luft vermischt, die aus dem Ansaug­ kanal 85 durch die Lufteintrittslöcher 84 in die Ausnehmung 82 gelangt, so daß der Kraftstoff durch den Luftstrom aus der Ausnehmung 82 in den Ansaugkanal gelangt.

Bei der Glühkerze nach Fig. 2 weist der Katalysator 6 e einen porösen Träger und wenigstens ein Übergangsmetall auf, das von dem porösen Träger getragen wird. Der Träger besteht aus Magnesium, Kieselgel, Titaloxid, Zirkonerde, Mullit, Siliziumnitrit, Cordierit, Aluminiumoxid-Magnesium- Spinell, Aluminium-Kobalt-Spinell oder einem Ferrit mit Spinellstruktur. Das Übergangsmetall ist Platin, Rhodium, Palladium, Nickel, Eisen, Kobalt, Chrom, Wolfram, Molybdän, Vanadium oder eine Verbindung aus diesen Stoffen und/oder deren Oxiden.

Zur Montage der in Fig. 2 dargestellten Einheit aus Kraft­ stoffeinspritzventil und Glühkerze läßt sich diese mittels eines an dem Befestigungsteil 78 ausgebildeten Außengewindes 100 e in die Wand 87 des Ansaugkanals 85 einschrauben.

Zwischen der Zündfläche des Katalysators und dem Wider­ standselement 81 kann noch ein Isolator angeordnet sein.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform. Ähnliche Teile sind mit ähnlichen Bezugszeichen versehen, wobei in Fig. 3 jeweils der Zusatz "f" verwendet ist.

Die Glühkerze 8 f besitzt einen mit einem Boden versehenen röhrenförmigen Katalysator 6 f, der der Einspritzöffnung 77 f des Kraftstoffeinspritzventils 77 gegenüberliegend einge­ setzt ist. Ein mit einem Außengewinde 100 f versehenes Befe­ stigungsteil 78 f bildet endseitig eine röhrenförmige Aus­ nehmung 82 f, deren ringförmiger Boden 83 f der Einspritzöff­ nung 77 f des Einspritzventils 77 gegenüberliegt. Das Befe­ stigungsteil 78 f ist über den Umfang mit Lufteintrittslö­ chern 84 f ausgestattet.

Der Katalysator 6 f ist mit Auslegern 89 im Inneren der Aus­ nehmung 82 f koaxial gehalten, wobei die Ausleger radial verlaufen. In den Katalysator 6 f ist ein spulenförmiges Wi­ derstandselement 7 f eingebaut, das mit dem Pluspol einer Spannungsquelle verbunden ist, während das Befestigungsteil 78 f an Masse liegt.

Fig. 4 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform, wo­ bei ähnliche Teile mit ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, diesmal jeweils mit dem Zusatzbuchstaben "g".

Die Zündkerze 8 g unterscheidet sich von den oben beschrie­ benen Ausführungsformen speziell dadurch, daß der Katalysa­ tor 6 g, der hülsenförmig ausgebildet ist, doppelt in ko­ axialer Anordnung hergestellt und montiert ist, wobei er der Einspritzöffnung 77 g des Kraftstoffeinspritzventils 77 gegenüberliegt. Das Befestigungsteil 78 g ist mit einer röh­ renförmigen Ausnehmung 82 g ausgestattet, deren ringförmiger Bodenabschnitt 83 g der Einspritzöffnung 77 g gegenüberliegt. In die Ausnehmung 82 g kann über Lufteintrittslöcher 84 g Luft strömen.

Der Katalysator unterteilt sich in einen primären Katalysa­ tor 6 g und einen sekundären Katalysator 60 g, die koaxial zueinander und mit vorgegebenem Abstand voneinander ange­ ordnet sind. Im Primärkatalysator 6 g befindet sich das spu­ lenförmige Widerstandselement 7 g. Der sekundäre Katalysator 60 g ist mittels Auslegern 89 g am Befestigungsteil 78 g be­ festigt.

Die Glühkerzen 8 f und 8 g lassen sich speziell bei Zündanla­ gen für Dauerbrandgeräte einsetzen, zum Beispiel Gasturbi­ nen, Boiler, Brennöfen oder Raumheizgeräten.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Glühkerze. Die Glühkerze 8 h weist die Besonderheit auf, daß ein als Hohlorgan ausgebildeter Katalysator 6 h vorgesehen ist. Der Katalysator 6 h besitzt als Heizeinrichtung ein spulenförmi­ ges Widerstandselement 81 h. Ein metallisches Schutzrohr 80 h ist einstückig mit einem Befestigungsteil 78 h ausgebildet und weist von diesem nach unten. Innerhalb des axialen Ab­ schnitts des Hohlbereichs im Befestigungsteil 78 h ist eine positive Anschlußklemme 2 h elektrisch isoliert angebracht. Das Widerstandselement 81 h steht mit der Anschlußklemme 2 h in Verbindung, während das Schutzrohr 80 h an Masse liegt. Das Widerstandselement 81 h liegt koaxial zwischen einer Außenwand 60 h des Katalysators 6 h und der Innenwand 800 h des Metallrohrs 80 h. Die innere Wand des Katalysators des Hohlorgans bildet eine Zündfläche 83 h eines Zündabschnitts 9 h.

Der Katalysator 6 h umfaßt einen porösen Träger aus Alumi­ niumoxid-Magnesium-Spinell. Auf dem porösen Träger ist als Übergangsmetall Palladium gelagert.

Der Katalysator 6 h wurde wie folgt hergestellt:

74 Gew.-% Aluminiumoxidpulver mit einem mittleren Partikel­ durchmesser von 0,1 µm und 26 Gew.-% Magnesiumpulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 0,3 µm wurden ver­ mischt und eine geringe Menge Wasser der Mischung hinzuge­ fügt. Die Mischung wurde in eine metallische Form gefüllt und 10 Stunden lang zur Sinterung in einem elektrischen Brennofen auf 1350°C aufgeheizt, wodurch ein poröser Körper aus Aluminiumoxid-Magnesium-Spinell als hohler Träger ge­ wonnen wurde. Danach wurde der poröse Körper in eine Lösung aus Palladiumnitrat getaucht, getrocknet und calciniert, um den Katalysator 6 h zu erhalten.

Die Glühkerze 8 h kann bei Verbrennungsmotoren verwendet werden. In den hohlen Abschnitt 82 h des Katalysator-Hohl­ organs wird Kraftstoff eingespritzt und in Berührung mit der Zündfläche 83 h des Zündabschnitt 9 h der Zündkerze 8 h gebracht.

Anhand der Fig. 6 wird eine weitere Ausführungsform der Er­ findung beschrieben. Diese Ausführungsform der Glühkerze 8 i ähnelt der Glühkerze 8 h nach Fig. 5 mit der Ausnahme, daß die metallische Hülse 80 i einen als Hohlorgan ausgebildeten Katalysator 6 i aufnimmt, in dem ein spulenförmiges Wider­ standselement 81 i gelagert ist, wobei die Innenwand des Ka­ talysators 6 i mit dem Boden 79 i eines Befestigungselements 78 i eine Ausnehmung 82 i bildet.

Claims (2)

1. Selbstaufheizende Glühkerze (8 e, 8 f, 8 g, 8 h, 8 i), mit einer aus einem Katalysator (6 e, 6 f, 6 g, 6 h, 6 i) bestehenden Zünd­ vorrichtung mit Zündfläche, mit der Brennstoff in Berührung gelangt, und mit einem getrennt angeordneten, wärmeabgeben­ den elektrischen Widerstandselement, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Kraftstoffeinspritzventil (77) mit der Glüh­ kerze (8 e, 8 f, 8 g, 8 h, 8 i) zu einer Einheit vereint ausgebildet ist, daß in der Glühkerzen-Außenwand mehrere Lufteintritts­ löcher (84, 84 g, 84 g) ausgebildet sind, und daß der Kataly­ sator (6 e, 6 f, 6 g, 6 h, 6 i) auf der Zylinderwand eines porösen, koaxial bezüglich des Kraftstoffeinspritzventils (77) angeordneten Trägerkör­ pers gelagert ist.

2. Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zündfläche und dem Widerstandselement ein Isolierstoffelement angeordnet ist.