預(yù)熱塞和它的制造方法
【專利說明】預(yù)熱塞和它的制造方法現(xiàn)有技術(shù)
[0001]本發(fā)明涉及一種電熱塞或預(yù)熱塞，和更精確地說一種用于布置在內(nèi)燃機的室，例如空氣壓縮的、自點火的柴油機的預(yù)燃室、渦流室或燃燒室，中的金屬的預(yù)熱塞。本發(fā)明此外涉及一種用于制造這種預(yù)熱塞的方法。
[0002]在現(xiàn)代機動車和其它的應(yīng)用中廣泛地使用柴油機，其與汽油運行的內(nèi)燃機相比較具有更高的效率。但是柴油機在起動過程中經(jīng)常需要冷起動輔助機構(gòu)，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(chǎn)生的壓縮熱快速地流入發(fā)動機本體中。但是為了在冷的空轉(zhuǎn)階段中完全燃燒在大多數(shù)自燃的內(nèi)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(xiàn)代結(jié)構(gòu)方式的低壓縮的自燃內(nèi)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(zhuǎn)特性(低溫怠速運轉(zhuǎn)特性)。在這種自燃內(nèi)燃機中現(xiàn)實需要~850°的持續(xù)加熱溫度。此外不同的燃料質(zhì)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(shè)置至少一種可電加熱的預(yù)熱塞，也稱為GLP(即英文專業(yè)術(shù)語“glow plug”)，具有950至1000°C的飽和溫度，借此在起動階段中預(yù)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(yù)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(gòu)成，其中，熱管91的燃燒室側(cè)的，封閉的一側(cè)與加熱螺旋體(螺旋管)92焊接，調(diào)節(jié)螺旋體(螺旋管)93與加熱螺旋體串聯(lián)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(diào)節(jié)螺旋體93由具有顯著的PTC(正溫度系數(shù))效應(yīng)的金屬或金屬合金，例如鎳(Ni)或鐵鈷(FeCo)，制成。調(diào)節(jié)螺旋體93與加熱元件9的連接銷94，例如預(yù)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(diào)節(jié)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(xué)有害介質(zhì)，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(zé)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(yù)熱塞廣泛地應(yīng)用于預(yù)熱點火發(fā)動機中或者在起動由煤油運行的燃氣輪機和油型暖氣設(shè)備時作為冷起動輔助裝置廣泛地應(yīng)用。
[0004]除了作為用于柴油機的所謂的快速起動系統(tǒng)的一部分的控制器，如上所述的預(yù)熱塞是現(xiàn)有技術(shù)。預(yù)熱塞的特征在于，使用的預(yù)熱塞的運行電壓，所謂的低伏預(yù)熱塞，低于可供使用的車載電網(wǎng)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(tǒng)，所謂的“推動”，可以在很低的外部溫度下也實現(xiàn)短的加熱時間和因此柴油機的快速的起動準備，即使當(dāng)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(tǒng)可以依據(jù)機動車的運行狀態(tài)通過在一個儲存在特征曲線簇中的電壓控制依據(jù)發(fā)動機負荷，冷卻水，外部溫度等等補償預(yù)熱塞的冷卻或過熱。這種特征曲線簇按照已知的現(xiàn)有技術(shù)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(yù)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(yù)熱塞可以由于錯誤應(yīng)用，芯片調(diào)節(jié)，有意或無意地跨接與預(yù)熱塞連接的控制器或由于與預(yù)熱塞連接的預(yù)熱時間控制器的故障直到過熱到加熱體的熔化和由此導(dǎo)致發(fā)動機損壞。
[0005]為了解決上述問題，具有一些建造預(yù)熱塞的方法，其中，電阻作為溫度信號被用于控制。為此預(yù)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(cè)封閉的熱管91’構(gòu)成，其中，熱管91’的燃燒室側(cè)的，封閉的側(cè)與PTC-加熱螺旋體92’焊接，不設(shè)置調(diào)節(jié)螺旋體。作為加熱螺旋體92’的螺旋材料，在此處相應(yīng)地使用具有電阻的正溫度系數(shù)的金屬，以實現(xiàn)PTC效應(yīng)。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(jié)合下避免由于錯誤應(yīng)用和芯片調(diào)節(jié)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(yù)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(fā)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(tài)電阻300至700m Ω下通過12V車載電壓網(wǎng)不能夠在1至2s加熱到1000°C。冷態(tài)電阻因此必須保持得非常低，結(jié)果是，初始電流非常高。這要求在預(yù)熱時間控制器中的較昂貴的半導(dǎo)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(diào)節(jié)螺旋體的組合的預(yù)熱塞中。
[0006]本發(fā)明公開
按照本發(fā)明建議一種具有權(quán)利要求1的特征的可電加熱的預(yù)熱塞，最好用于自燃式內(nèi)燃機，例如柴油機，冷起動輔助。此外按照本發(fā)明建議一種用于制造這種預(yù)熱塞的方法。本發(fā)明的有利的改進方案通過從屬權(quán)利要求的特征表征。
[0007]按照本發(fā)明的第一觀點，按照本發(fā)明的可電加熱的預(yù)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(dǎo)電的加熱螺旋體，與加熱螺旋體電連接的可導(dǎo)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(dǎo)體具有高的比電阻，但是它是僅僅稍微與溫度相關(guān)的，即具有小的溫度系數(shù)，和填充材料至少部分地由具有電阻的負溫度系數(shù)的材料制成。在此處也可以設(shè)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(dǎo)致增大的制造成本。原則上這樣建造的預(yù)熱塞涉及到加熱螺旋體-電阻的并聯(lián)，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(nèi)部中的這種材料組合盡管比較高的冷態(tài)電阻也可以實現(xiàn)預(yù)熱塞的快速加熱。
[0008]在按照本發(fā)明的預(yù)熱塞的一個優(yōu)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(nèi)部中。這便于將填充材料填充到熱管中。在此尤其優(yōu)選的是，所述具有電阻的負溫度系數(shù)的材料，填充材料至少部分地由其制成，作為NTC-粉末存在?？s寫“NTC”在此處是指“負的溫度系數(shù)”，和用語NTC-粉末因此表示NTC-電阻粉末或具有負的溫度系數(shù)的熱導(dǎo)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(shù)的材料構(gòu)成或作為其替代方案由至少一種具有電阻的負溫度系數(shù)的材料和一種絕緣材料的混合物構(gòu)成，其中，絕緣材料可以是絕緣的燒結(jié)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(gòu)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(jù)溫度在寬的范圍中調(diào)整預(yù)熱塞的電阻特性。由具有電阻的負溫度系數(shù)的材料和絕緣材料構(gòu)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(yīng)用中例如在燃料加熱器中是優(yōu)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(yīng)用中是優(yōu)選的。
[0011]在另一個優(yōu)選實施例中，具有電阻的負溫度系數(shù)的材料是改性的碳材料，碳化硅(SiC)，摻雜硅(Si)，基礎(chǔ)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(wěn)定的或部分穩(wěn)定的氧化物之一。此外具有電阻的負溫度系數(shù)的材料可以由改性的碳材料，碳化硅(SiC)，摻雜硅(Si)，基礎(chǔ)硅(Si)，鈦