Glühkerze
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Eine Glühkerze bezeichnet
- eine Kaltstarthilfe für Dieselmotoren.
- eine Entflammungsvorrichtung des Glühzündermotors
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[Bearbeiten] Glühkerze als Kaltstarthilfe für Dieselmotoren
Der beim Kaltstart eines Dieselmotors in den Brennraum eingespritzte Dieselkraftstoff entzündet sich meist nicht so problemlos von selbst, wie es die Theorie des Dieselprozesses beschreibt.
Gründe dafür sind:
- Die Wände des Brennraums (Zylinderwände, Kolbenboden) sind noch kalt und haben eine hohe spezifische Wärmekapazität (Eisenwerkstoff), während die komprimierte Luft eine geringe Wärmekapazität hat. Dadurch geht die Kompressionswärme schnell an die Zylinderwände und Kolbenboden über
- Beim Start ist die Kolbengeschwindigkeit durch den elektrischen Startermotor (Anlasser) geringer, die Zeit zum Wärmeübergang von der komprimierten Luft zur Wand also größer
- Besonders Kammermotoren haben eine größere wirksame Oberfläche, die Wärme aus dem Gas aufzunehmen. Ein Start des kalten Motors ohne Glühkerze ist ab Lufttemperaturen von -10 °C bei Direkteinspritzung, +30 °C bei Wirbelkammereinspritzung und ca. +60 °C bei Vorkammereinspritzung möglich.
- Der kalte Motor hat höhere blow-by Verluste, d.h. die komprimierte Luft kann an den Kolbenringen vorbei aus dem Brennraum entweichen, so dass der Kompressionsenddruck und damit die Verdichtungsendtemperatur geringer ausfallen. Durch die niedrigere Kolbengeschwindigkeit beim Anlassen erhöhen sich die blow-by Verluste weiter.
- Unterschiedliche Kraftstoffqualitäten, insbesondere wenn der Motor vielstofffähig ist und zündunwillige Kraftstoffe verbrennen soll.
Aus diesen Gründen wird ein elektrisch beheizter Glühstift (Glühkerze, Glühstiftkerze) in den Brennraum eingesetzt, der in der Startphase vorgeheizt wird (Vorglühen). Die technische Entwicklung hat diesen Vorgang von einigen Minuten (in Automagazinen scherzhaft als Diesel-Gedenkminute bekannt geworden) durch elektrischen Strom von ungefähr 40 Ampere auf wenige Sekunden reduziert.
Metall-Glühkerzen werden dabei bis ca. 1.000 °C, Keramik-Glühkerzen bis zu 1.300 °C heiß.
Bei Direkteinspritzern ist wegen des kompakten Brennraumes ein vorbereitendes Glühen höchstens bei winterlichen Außentemperaturen nötig. Hier wird während des Kaltlaufs die Glühkerze gelegentlich zugeschaltet, um in dieser Phase eine geräusch- und emmissionsärmere Verbrennung zu erreichen.
[Bearbeiten] Glühkerze Aufbau und Funktion
[Bearbeiten] Metallische Glühkerzen
Eine metallische Glühkerze besteht aus einer Wendel, die mit einem Isolationspulver (z. B. Magnesia) in ein Stahlrohr eingepresst ist. Die Wendel selbst besteht aus zwei Teilen, der Glühwendel in der Spitze und der Regelwendel im hinteren Teil. Die Glühwendel besteht aus einem hochlegierten Stahl mit temperaturunabhängigem Widerstand, die Regelwendel hat dagegen einem mit der Temperatur ansteigenden Widerstand. Damit ergibt sich bei kalter Kerze ein schnelles Aufheizen besonders an der Spitze und eine Abregelung sobald auch der Bereich der Regelwendel erwärmt ist.
Metall-Glühkerzen gibt es in zwei Ausführungen: Bordspannungsglühkerzen mit einer Betriebsspannung von 11 Volt und sogenannte Niederspannungs-Glühkerzen mit einer Betriebsspannung kleiner als 11 Volt. Mit Bordspannungs-Glühkerzen sind derzeit [2006] Aufheizzeiten von ca. 6 Sekunden auf 850 °C möglich.
Eine noch kürzere Aufheizzeit ist mit Niederspannungs-Glühkerzen möglich. Beim Aufheizen können diese Glühkerzen mit einer Spannung oberhalb ihrer Betriebsspannung angesteuert werden. Diese Spannung wird mit einem elektronischen Glühzeitsteuergerät durch Pulsweitenmodulation aus der Bordspannung erzeugt. Damit sind Aufheizzeiten von 3 s auf 1000 °C erreichbar.
[Bearbeiten] Keramische Glühkerzen
Moderne PKW-Motoren mit niedrigem Verdichtungsverhältnis erfordern Glühkerzen, die maximale Temperaturen von bis zu 1.300 °C und lange Glühzeiten ohne Alterung bei über 1.150 °C möglich machen. Der Wunsch nach ottomotorähnlichem Sofortstart auch bei sehr tiefen Temperaturen macht Aufheizgeschwindigkeiten bis zu 600 K/s notwendig. Dies ist mit keramischen Glühkerzen möglich.
Für die Kombination von hoher Thermoschock- und Heißgaskorrosionsbelastung sind Glühkerzen mit Siliziumnitrid basierten keramischen Heizern entwickelt worden. Der keramische Heizer besteht aus elektrisch isolierendem Siliziumnitrid, in das elektrisch hochleitfähige Zuleitungen und ein innenliegender Heizleiter eingebettet sind. Im Gegensatz zu metallischen Glühkerzen ist hier die Heiz- und Regelfunktion im Heizleiter kombiniert. Der Heizer ist in einem Metallrohr fixiert und gasdicht in ein Gehäuse eingepresst. Die elektrische Kontaktierung des Pluspols ist über einen Anschlussbolzen realisiert. Die Masseverbindung zum Motorblock wird über das Metallrohr und das Gehäuse hergestellt. Durch die Anpassung des Heizwiderstandes entstehen 11-Volt- und Niederspannungsvarianten. Die Ansteuerung keramischer Glühkerzen über das Glühzeitsteuergerät erfolgt analog zu metallischen Glühkerzen.
Der wesentliche Vorteil keramischer Glühkerzen ist, dass das bei metallischen Glühkerzen oft zu beobachtende Absinken der Glühtemperatur durch Alterung und die dadurch verursachte allmähliche Verschlechterung des Kaltstart- und Kaltlaufverhaltens kaum auftritt. Selbst bei konstant sehr hohen Glühtemperaturen von 1.200 °C verringert sich die Glühtemperatur nach 3.000 Betriebsstunden typischerweise um weniger als 50 °C.
In Abbildung 3 ist für einen modernen direkteinspritzenden Dieselmotor der Zusammenhang zwischen Glühkerzen-Glühtemperatur und der sogenannten Abgastrübung (sichtbarer Rauch) bei optimierter Einspritzstrahl- und Glühkerzenlage dargestellt. Es zeigt sich, dass nur mit sehr hohen Glühtemperaturen oberhalb 1150°C eine maximale Reduzierung der Abgastrübung beim Kaltstart und Kaltleerlauf erreicht werden kann.
[Bearbeiten] Glühkerze als Entflammungsvorrichtung des Glühzündermotors
Glühzündermotoren sind Verbrennungsmotoren ohne gesteuerte Hochspannungszündung durch Funkenüberschlag.
Anstatt dieser ist eine Glühkerze mit einer permanent rotglühenden Drahtwendel montiert, die hauchdünn mit Platin-Iridium beschichtet (bedampft) ist. Dadurch wird die Entflammung des Kraftstoff-Luftgemisches sichergestellt. Zum Starten des Motors wird die Drahtwendel mit elektrischem Strom beaufschlagt und zum Glühen gebracht. Nach kurzer Betriebszeit kann diese Stromversorgung abgeschaltet werden, da die Platinbeschichtung - ähnlich, wie im Katalysator - dafür sorgt, dass die Glühkerze weiterglüht.
Der Zündzeitpunkt (Zeitpunkt der Entflammung des Gemisches) wird durch den Wärmewert der Glühkerze, die Verdichtung des Motors, sowie das Kraftstoff-Gemisch bestimmt.
Gewinde: 1/4"x32, zölliges Gewinde; max. 6mm lang
