Wissenswertes zur Entwicklung der Glühkerzentechnologie

20 September 2019 | Artikel

Glühkerzen sind seit ihrer Erfindung im frühen 20. Jahrhundert ein wesentlicher Bestandteil aller Dieselmotoren. DENSO begann 1963 mit der Herstellung von Glühkerzen. Seit dem Produktionsbeginn sind die Komponenten im Laufe der Jahrzehnte immer wichtiger für den Wirkungsgrad eines Dieselmotors geworden, als es die damalige Basisausführung vor mehr als 70 Jahren war. DENSO gibt Einblick, wie sich die Glühkerzen im Einklang mit den modernen Fahrzeuganforderungen zu einem wesentlichen Bestandteil des Dieselfahrzeugparks entwickelt haben.

Eine Glühkerze ist im Wesentlichen ein Heizgerät, das zum Starten von Dieselmotoren verwendet wird. Bei kalten Temperaturen bewirkt die Masse des Zylinderblocks und des Zylinderkopfs in einem Dieselmotor, dass die Kompressionswärme absorbiert wird, wodurch die Zündung verhindert wird. Glühkerzen lösen dieses Problem. Glühkerzen haben an der Spitze ein Heizelement. Sie befinden sich in jedem Zylinder des Dieselmotors und produzieren hohe Temperaturen, die genügend Wärme für Zünd- und Verbrennungsprozess liefern.

Als einer der führenden Entwickler und Hersteller moderner Dieseltechnik ist DENSO seit mehr als 50 Jahren auch wegweisend, was Glühkerzen betrifft, die OEM-Standards übertreffen und hat eine Reihe von Innovationen in den Aftermarket gebracht. DENSO war nicht nur der erste OE-Hersteller von Keramik-Glühkerzen, sondern bietet dem Aftermarket auch ein hochentwickeltes alternatives Markensortiment, das dank seiner umfangreichen Marktabdeckung das Unternehmen zu einem der größten Anbieter in Europa gemacht hat.

Die ersten Glühkerzen - ein Design, das heute nicht wiederzuerkennen ist

Die frühesten Glühkerzendesigns sind im Vergleich zu denen, die heute auf dem Markt erhältlich sind, als solche fast gar nicht zu erkennen. Die ersten Glühkerzen waren sehr einfach. Sie bestanden aus einem dicken Metallblech, das einen Heizdraht enthielt, der in einer oder wenigen Wicklungen als Widerstand aufgerollt war. Sie waren typischerweise für eine sehr niedrige Spannung ausgelegt und daher sehr langsam mit einer durchschnittlichen Aufheizzeit von etwa 60 Sekunden. Jedes Mal, wenn die Glühkerze dem Gemisch ausgesetzt war, verkürzte sich ihre Lebensdauer. Wenn auch nur eine Glühkerze ausfiel, brach der komplette Verbrennungskreislauf zusammen, was zu einem großen Reparaturaufwand für die Techniker führte.

Wenig verändert schritt die Entwicklung von Dieselmotoren bis zu jenem Punkt voran, an dem die einfache Glühkerzenbauweise der 1960er-Jahre nicht mehr ausreichte. Die Fahrzeughersteller verlangten nach zuverlässigeren Glühkerzen, die einen sicheren Zündprozess gewährleisteten. Als die Dieselmotoren zudem immer leistungsstärker wurden, mussten Glühkerzen auch für eine höhere Spannung ausgelegt werden. Dies führte zur Entwicklung der ummantelten Stabglühkerze.

Einzelwendel-Glühkerzen

Im Gegensatz zu den ersten Glühkerzendesigns hatten die Glühkerzen mit einer Wendel einen Widerstand, der aus einem dünnen Draht bestand, der in mehreren Wicklungen gerollt war. Dieser wurde in eine Metallhülse – das Glührohr – gelegt, an einer Seite angeschweißt und mit Isolierpulver gefüllt, bevor er in den äußeren Gusskörper gepresst wurde. Das Ergebnis war ein wesentlich langlebigeres und wirkungsvolleres Produkt. Durch den geringen Widerstand konnte diese Glühkerze höheren Spannungen und Aufheiztemperaturen standhalten, was eine effizientere Motorleistung ermöglicht.

Die Einzelwendel-Glühkerze trug auch dazu bei, das mit der Exposition gegenüber dem Verbrennungsgemisch/-gas verbundene Verschleißproblem zu überwinden. Mit einer optimalen Auslegung kombinieren diese Glühkerzen Betriebsspannung, maximale Vorglühtemperatur, Aufheizzeit und Nachglühzeit, um den Anforderungen der Fahrzeuge gerecht zu werden. Sie weisen eine hohe Beständigkeit gegenüber chemischen, mechanischen und thermischen Belastungen auf, was zu einer längeren Lebensdauer führt. Der Unterschied bei den Aufheizzeiten war beträchtlich: so benötigten die meisten Stabglühkerzen eine Aufheizzeit von nur 17 Sekunden - 43 Sekunden schneller als frühere Technologien.

DEN DE 19 12_2.1_Stabglühkerzen

Abb. 1: Stabglühkerzen konnten im Vergleich zu früheren Glühkerzendesigns höheren Temperaturen und Spannungen standhalten

 

Doppelwendel-Glühkerzen

Während in den 1970er Jahren eine Startzeit von 17 Sekunden beeindruckend war, wollten die Fahrzeughersteller bis zum Eintreffen der 80er Jahre eine noch schnellere Zündung, was zu weiteren Entwicklungen bei Glühkerzen führte. Als Reaktion darauf wurde die selbstregulierende Doppelwendel-Glühkerze erfunden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Monofilament-Glühkerzen, die aus einem einzigen Draht hergestellt wurden, wofür typischerweise Nickel verwendet wurde, hatten Doppelwendel-Glühkerzen zwei serielle Widerstände innerhalb des Glührohrs. Der zusätzliche Widerstand fungierte als Regelwendel und spielte eine wichtige Rolle für eine verbesserte Genauigkeit der Glühkerzen.

Zuvor war bei Monofilament-Glühkerzen das Aufheizen umgekehrt proportional zum Widerstand: Bei niedrigem Widerstand heizte sich die Kerze sehr schnell auf und brannte möglicherweise aus. Wenn der Widerstand hoch war, erwärmte sich die Kerze nur langsam bei niedriger Temperatur. Durch die Hinzufügung eines selbstregelnden Widerstands erhielt die Glühkerze einen positiven Temperaturkoeffizienten. Dies bedeutet, dass je heißer die Glühkerze wird, desto höher ist auch ihr Widerstand. Dadurch konnte die Glühkerze in kürzerer Zeit eine höhere Temperatur erreichen und die Zündung des Motors in nur sieben Sekunden erzielen.

Entwicklung neuer Materialien im Einklang mit der Gesetzgebung

In den 1990er Jahren angekommen, wurden Dieselfahrzeuge einer intensiven Emissionsprüfung unterzogen, wobei der Schadstoffausstoß strengen Limits unterworfen wurde. Die neue Gesetzgebung betraf auch Glühkerzen, für die vorgeschrieben war, neben der Vorheizphase etwa 90 Sekunden lang heiß bleiben zu müssen, um die Zündung bei kalter Witterung besser zu unterstützen. Dieser Prozess, der als Nachglühfähigkeit bezeichnet wird, trug dazu bei, die Emissionen zu begrenzen und den Motorstart zu beschleunigen. Unterschiedliche Glühkerzenbauweisen erforderten jedoch unterschiedliche Materialien, um die geforderte Nachglühzeit zu realisieren. Aus diesem Grund begannen die Hersteller, neue Legierungen und innovative Herstellungsverfahren zu entwickeln, um Monofilament-Glühkerzendesigns weiterzuentwickeln.

DEN DE 19 12_2.2_Vergleich Metall - Und Keramikglühkerzen

Abb. 2: Durch ihre verlängerte Nachglühzeit und verbesserte Hitzebeständigkeit bieten Keramikglühkerzen von DENSO eine überlegene Alternative zu herkömmlichen Metallstabglühkerzen

Keramikglühkerzen

Als ein führender Entwickler von Produkten für die Automobilindustrie war DENSO der erste OE-Hersteller, der keramische Glühkerzen produzierte, die die Zündleistung verbesserten und Emissionen im Rahmend der Gesetzgebung weiter senkten. DENSOs Innovation bestand aus einem vollkommen keramischen Heizelement. Aufgrund der Leitfähigkeit des Keramikmaterials hält das Heizelement höheren Temperaturen über eine längere Lebensdauer stand. Durch die ständige Weiterentwicklung der Temperaturregelungstechnologie für Glühkerzen konnte DENSO die Eigenschaften neuer keramischer Glühkerzenkomponenten genau steuern, um die Temperaturen schneller zu erhöhen, eine bessere Verbrennung bei hohen Temperaturen herbeizuführen und eine längere Haltbarkeit zu gewährleisten.

DEN DE 19 12_2.3_Keramikglühkerzen

Abb. 3: DENSO ist Marktführer bei Keramikglühkerzen, die höhere Heiztemperaturen bringen und verlängerte Lebenszyklen im Vergleich zu Metallvarianten

 

Schnellstart-Glühkerzen

Kurz danach war DENSO mit der Einführung der Doppelwendeltechnologie mit Sofortheizung für Metallglühkerzen weiterhin marktführend und lieferte einen selbstregelnden Widerstand, der einen schnellen Motorstart, reduzierte Geräusche, Vibrationen und Emissionen ermöglicht.

 DEN DE 19 12_2.4_Schnellstartglühkerzen

 DENSO Instant Heating GP DG170

Abb. 4+5: Schnellstart-Glühkerzen können 1000˚C in ca. 1,5 - 4 Sekunden erreichen

 

Das komplette DENSO Glühkerzen-Programm

Heute bietet DENSO ein umfangreiches Glühkerzen-Programm für den Aftermarket, einschließlich Einzelwendel-, Doppelwendel-, Keramik- und Schnellstartglühkerzen, die über den OE-Qualitätsstandards der Fahrzeughersteller liegen. Dies hat DENSO nicht nur im Aftermarket bekannt gemacht, sondern auch wesentlich zur Performance von Dieselfahrzeugen beigetragen.

DEN DE 17 01_2_DENSO Glühkerzen

 

 

 

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