Glühstiftkerzen

Glühkerze eines Dieselmotors (ca. 1982); rechts die Heizwendel, die in den Zylinderraum ragt, links die Stromanschlüsse

Eine Glühkerze ist ein elektrisches Heizelement im Brennraum von Verbrennungsmotoren und Heizungen. Die Glühkerze wird nur kurzzeitig beim Start elektrisch beheizt.

Glühkerzen werden verwendet als:

• Kaltstarthilfe für Dieselmotoren
• Zündvorrichtung beim Betrieb von Glühzündermotoren
• Zündvorrichtung beim Start von mit Öl bzw. Kerosin betriebenen Gasturbinen und Ölheizungen

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.

Abb. 1: Glühkerzen für einen direkteinspitzenden Dieselmotor mit Chipkarte als Größenvergleich

Gründe dafür sind:

• Die Wände des Brennraums (Zylinderwände, Kolbenboden) sind noch kalt und weisen eine hohe spezifische Wärmekapazität (Eisenwerkstoff)auf. Demgegenüber ist beim Start durch den elektrischen Startermotor die Kolbengeschwindigkeit gering, damit die erzeugte Kompressionswärme gering, zudem weist die komprimierte Luft eine geringe Wärmekapazität, wenn auch kleine Wärmeleitfähigkeit auf. Dadurch geht die Kompressionswärme schnell an die Zylinderwände und Kolbenboden über.
• 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 beheizbarer Glühstift (Glühkerze, Glühstiftkerze) in den Brennraum eingesetzt, der in der Startphase vorgeheizt wird (Vorglühen). Der Strom beträgt ca. 20…40 Ampere pro Zylinder, was neben dem Anlasser eine erhebliche zusätzliche Belastung der Starterbatterie darstellt. Nach dem Start heizt die Glühkerze zur Verringerung von Schadstoffen im Abgas durch unverbrannte Kohlenwasserstoffe noch einige Zeit weiter.

Die technische Entwicklung hat die Zeitdauer dieses Vorganges von einigen Minuten (in Automagazinen scherzhaft als Diesel-Gedenkminute bekannt geworden) 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.

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.

Keramische Glühkerzen

Abb. 2: keramische Glühkerze

Foto einer keramischen Glühkerze

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 von bis zu 600 °C/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.

Abb. 3: Einsatzbereich metallischer und keramischer Glühkerzen

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.

Glühkerze als Entflammungsvorrichtung des Glühzündermotors

Glühzündermotoren sind Verbrennungsmotoren ohne gesteuerte Hochspannungszündung durch Funkenüberschlag.

Abb. 4: Glühkerze für einen Glühzündermotor, z.B. Modellbaumotoren

Abb. 5: Ein anderes, klassisches Modell aus einem PKW-Dieselmotor mit Vorkammer

Anstatt dieser ist eine Glühkerze mit einer permanent rotglühenden Drahtwendel montiert, die hauchdünn mit Platin-Iridium beschichtet (bedampft) ist. Die Beschichtung wirkt als Katalysator. 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 die Stromversorgung abgeschaltet werden, da die Glühkerze nun durch die Verbrennungswärme weiterglüht.

Der Zündzeitpunkt (Zeitpunkt der Entflammung des Gemisches) wird durch den Wärmewert der Glühkerze, die Verdichtung des Motors sowie durch das Kraftstoff-Gemisch bestimmt.
Wesentlich ist auch die Oktanzahl des Kraftstoffes.

Gewinde: 1/4" × 32, zölliges Gewinde; max. 6 mm lang

Glühkerze in Gasturbinen und Ölheizungen

Entflammungsvorrichtungen an mit Öl oder Kerosin betriebenen Gasturbinen sowie Ölheizungen benötigen keine katalytische Beschichtung, da die Entflammungstemperatur auch ohne diese gering genug ist.

Hersteller

• Beru AG Ludwigsburg
• Robert Bosch GmbH
• NGK

Literatur

• Peter A. Wellers, Hermann Strobel, Erich Auch-Schwelk (Bearb.): Fachkunde Fahrzeugtechnik. 5. Auflage. Holland und Josenhans, Stuttgart 1997, ISBN 3-7782-3520-6.
• Peter Gerigk, Detlev Bruhn, Dietmar Danner: Kraftfahrzeugtechnik. 3. Auflage. Westermann, Braunschweig 2000, ISBN 3-14-221500-X.
• Max Bohner, Richard Fischer, Rolf Gscheidle: Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik. 27.Auflage, Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2001, ISBN 3-8085-2067-1.