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Rund um die Glühkerze - 2 Aufbau, Funktion

zu Teil 1 Anforderungen an die Glühkerze | zu Teil 3 Ausfallursachen und Werkstatttipps |

Aufbau und Funktionsweise einer Stabglühkerze

Eine Stabglühkerze besteht im Wesentlichen aus Kerzenkörper, Heizstab mit Heiz- und Regelwendel sowie Anschlussbolzen.

Der korrosionsfeste Glühstab ist gasdicht ins Gehäuse eingepresst. Zusätzlich wird die Kerze noch durch einen O-Ring oder ein Kunststoffteil am Anschlussteil abgedichtet. Ihre elektrische Energie bezieht die Glühkerze von der Batterie. Die Steuerung übernimmt ein elektronisches Glühzeitsteuergerät.

Das Grundprinzip einer modernen Stabglühkerze ist die Kombination einer Heiz- und einer Regelwendel zu einem gemeinsamen Widerstandselement. Die Heizwendel ist aus hochtemperaturfestem Material gefertigt, dessen elektrischer Widerstand weitgehend temperaturunabhängig ist. Sie bildet mit dem vorderen Teil des Glühstabes die Heizzone. Die Regelwendel ist am stromführenden Anschlussbolzen befestigt, ihr Widerstand weist einen großen Temperaturkoeffizienten auf.

Die gesamte Wendel ist fest in ein verdichtetes, elektrisch isolierendes, aber sehr wärmeleitfähiges keramisches Pulver eingepackt. Das Pulver wird beim mechanischen Verdichten so stark zusammengepresst, dass die Wendel sitzt, als wäre sie in Zement gegossen. Dadurch ist sie so stabil, dass die dünnen Drähte der Heiz- und Regelwendel allen Schwingungen dauerhaft widerstehen. Obwohl die einzelnen Windungen nur wenige zehntel Millimeter auseinander liegen, kann es nicht zu Windungsschlüssen kommen – und schon gar nicht zu einem Kurzschluss mit dem Glührohr, der die Kerze zerstören würde. Durch verschiedene Materialien, Längen, Durchmesser und Drahtstärken der Heiz- und Regelwendel können Aufheizzeiten und Glühtemperaturen der Kerze verändert und an die Anforderungen des jeweiligen Motortyps angepasst werden.

Funktion

Beim Vorglühen fließt anfangs starker Strom über den Anschlussbolzen und die Regelwendel zur Heizwendel. Diese erhitzt sich schnell und bringt die zum Glühen. Das Glühen breitet sich rasch aus – und nach 2–5 Sekunden glüht der Heizstab bis nahe an den Kerzenkörper. Dadurch wird die Temperatur der durch den Strom schon erhitzten Regelwendel zusätzlich erhöht. In der Folge steigt ihr elektrischer Widerstand, und der Strom wird so weit reduziert, dass der Glühstab nicht beschädigt werden kann. Ein Überhitzen der Glühkerze ist somit nicht möglich.

Erfolgt kein Start, wird die Glühkerze nach einer gewissen Bereitschaftszeit durch das Glühzeitsteuergerät abgeschaltet. Bei BERU Glühkerzen wird eine Legierung eingesetzt, deren Widerstand über die Temperatur ansteigt. Dadurch kann die Regelwendel so ausgelegt werden, dass sie anfänglich einen höheren Strom zur Heizwendel durchlässt als bei Erreichen der Solltemperatur. Die Starttemperatur wird so schneller erreicht, und durch die stärkere Abregelung sicher im zulässigen Bereich gehalten.
Aufbau eine Stabglühkerze
Aufbau eine Stabglühkerze (Beru)

Nachglühfähige Stabglühkerzen

Fahrzeuge älterer Bauart sind zumeist mit Glühkerzen bestückt, die lediglich vor und während der Startphase glühen. Sie sind z.B. bei Beru an der Kurzbezeichnung GV zu erkennen. Moderne Diesel-Pkw arbeiten in der Regel mit nachglühfähigen GN-Glühkerzen. Sie sind mit dem innovativen 3-Phasen-Glühsystem ausgestattet. Das heißt, sie glühen vor dem Start, während der Startphase, nach dem Start und während dem Motorbetrieb (im Schubbetrieb).

3-Phasen-Glühtechnik

3-Phasen-Glühtechnik (Beru)

Funktion

Das elektronisch gesteuerte Vorglühen beginnt mit der Betätigung des Zündschloss-Anlassschalters und dauert bei normalen Außentemperaturen bis zur Startbereitschaft etwa 2–5 Sekunden. Die Nachglühzeit beträgt bis zu 3 Minuten nach dem Start des Motors, um die Schadstoff- und Geräuschemissionen zu minimieren. Der Motorbetriebszustand wird in der Regel über die Messung der Kühlwassertemperatur (manchmal auch über die Motorraumtemperatur) erfasst. Der Nachglühvorgang dauert so lange, bis die Kühlwassertemperatur 70 °C erreicht, oder er wird nach einer im Kennfeld abgelegten Zeit abgestellt. Liegt die Kühlwassertemperatur schon vor dem Start über 70 °C, wird in den meisten Fällen nicht nachgeglüht.

Schaltprinzip einer nachglühigen Anlage

Schaltprinzip einer nachglühfähigen Anlage mit vier parallel geschalteten Schnellheiz-Stabglühkerzen und Temperatursensor (Beru)

Schutz vor Überhitzung

Selbstregelnde Stabglühkerzen schützen sich vor Überhitzung, indem sie den Strom von der Batterie zur Kerze mit steigender Temperatur begrenzen. Bei laufendem Motor erhöht sich die Spannung jedoch so weit, dass Glühkerzen, die nicht für die neueste Technik konzipiert sind, durchbrennen. Dazu kommt, dass die bestromten Kerzen nach dem Start hohen Verbrennungstemperaturen ausgesetzt sind und somit von innen und außen aufgeheizt werden. Nachglühfähige Stabglühkerzen sind bei voller Generatorspannung funktionsfähig. Ihre Temperatur steigt zwar schnell an, wird dann aber durch die Regelwendel auf eine Beharrungstemperatur abgeregelt, die unter derjenigen der nicht nachglühfähigen Kerzen liegt.

Wichtig:

In ein für nachglühfähige Glühkerzen konzipiertes Glühsystem dürfen auch nur nachglühfähige Glühkerzen eingebaut werden. Standard-Glühkerzen könnten nach kürzester Zeit beschädigt werden.

Wissenswert:

Bei der nachglühfähigen BERU GN-Glühkerze ist es gelungen, die Glühzeit auf 2–5 Sekunden dadurch zu verkürzen, dass der Durchmesser des Heizstabes an seinem vorderen Ende verkürzt wurde. Dadurch beginnt der Heizstab in dieser Zone sehr schnell zu glühen. Bei einer Temperatur von 0 °C dauert es gerade mal 2 Sekunden bis zum Start, bei –5 °C etwa 5 und bei –10 °C rund 7 Sekunden.

Keramikglühkerzen

Neben den bisher beschriebenen Metallglühkerzen gibt es auch Keramikglühkerzen. Bei einer SRC-Glühkerze („Self Regulating Ceramic“) von NGK besteht das Heizelement aus Keramik mit einer eingesinterten metallischen Heizwendel. Darüber hinaus sind selbstregulierende keramische Glühkerzen mit einer Regelwendel ausgestattet. Da der elektrische Widerstand der Regelwendel mit zunehmender Temperatur steigt und so den Stromfluss begrenzt, benötigt diese Glühkerze kaum Steuerung von außen. Sie heizt sich in 4 Sekunden auf über 1000 °C auf und regelt die Temperatur anschließend selbsttätig auf unter 1000 °C.

 Hochtemperatur Keramik Glühkerze von NGK

Neue Hochtemperatur Keramik Glühkerze (NHTC) von NGK

Die NHTC-Glühkerze („New High Temperature Ceramic“) verfügt über ein vollkeramisches Heizelement, das von Siliziumnitrid umschlossen ist. Dieses Material zeichnet sich durch äußerst hohe Härte, geringe Wärmedehnung, hohe Festigkeit, extreme chemische Beständigkeit sowie hohe Endmaßgenauigkeit aus – Eigenschaften, die in modernen Dieselmotoren gefragt sind. Der innenliegende Heizer des Glühelements wird in der Produktion gespritzt und sofort mit der Isolationskeramik versintert. Das Ergebnis: sehr hohe Bruchfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und eine optimale Heizcharakteristik. Sie erreicht in weniger als zwei Sekunden eine Betriebstemperatur von rund 1.000°C und erlaubt konstante Nachglühtemperaturen von 1.350°C. Zudem kann die NHTC-Glühkerze Temperaturen von ca. 1200 °C viele Minuten halten und bei Bedarf viele Minuten zwischenglühen. Eine Funktion, auf die EURO-5- und EURO-6-Anwendungen nur schwer verzichten können. Denn um die Abgasnormen einzuhalten, setzen Dieselmotorenhersteller auf moderne Motoren mit geringem Verdichtungsverhältnis. Verbrauch und CO2 -Ausstoß sinken, doch die Partikelemissionen steigen.

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Quelle: Beru, NGK,




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Autor: Johannes Wiesinger

bearbeitet: 23.08.2015

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