STIFTHEIZER

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einem Stiftheizer, insbesondere in einer Glühstiftkerze für Dieselmotoren, nach der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.

[0002] Die Technik moderner Dieselmotoren stellt an Glühstiftkerzen hohe Anforderungen und zwar insbesondere in bezug auf Baugröße, Festigkeit, Aufheizgeschwindigkeit und Hochtemperaturbeständigkeit. Es ist üblicherweise erwünscht, daß mit einer Heizerleistung von ca. 70 bis 100 W innerhalb 2 Sekunden eine Temperatur von 1000°C und eine Beharrungstemperatur von 1200°C erreicht werden kann.

[0003] Aus der Praxis sind heutzutage Glühstiftkerzen mit metallischen und keramischen Heizern bekannt. Gängige Ausführungen der keramischen Glühstiftkerzen verfügen über innenliegende metallische oder keramische Heizer, die in eine hochtemperaturstabile nichtleitende Keramik eingesintert sind. Glühstiftkerzen einer solchen Bauart können jedoch nur durch aufwendige Heizpreßverfahren hergestellt werden. Dagegen sind Glühstiftkerzen mit außenliegenden Heizern aus Kompositkeramiken durch einfachere und kostengünstigere Sinterverfahren herstellbar.

[0004] Eine Glühkerze für Dieselmotoren mit einem zylindrischen Metallrohr, mit einer Anschlußvorrichtung zur elektrischen Kontaktierung und mit einer keramischen Heizvorrichtung ist beispielsweise aus der WO 96/27104 bekannt. Bei dieser Glühkerze hält das zylindrische Metallrohr an seiner Spitze die keramische Heizvorrichtung freitragend, wobei die keramische Heizvorrichtung mit der Anschlußvorrichtung kontaktiert ist, so daß während des Glühvorgangs ein Strom durch die keramische Heizvorrichtung fließt.

[0005] Die keramische Heizvorrichtung weist dabei mindestens eine Stelle verringerten Querschnitts auf, wobei die Querschnittsreduzierung der keramischen Heizvorrichtung an der Stelle erfolgt, auf die das Brennstoff-Luft-Gemisch auftrifft. Die Querschnittsverringerung ist bei dieser keramischen Heizvorrichtung derart realisiert, daß die Wanddicke der Seitenwand an der betreffenden Stelle entsprechend reduziert ist.

[0006] Bei einer solchen Glühstiftkerze ist es möglich, daß der Bereich der Heizvorrichtung, der dem brennbaren Gemisch am zugänglichsten ist, aufgrund des damit größeren Widerstandes am schnellsten die notwendige Zündtemperatur erreicht. Dadurch sind kürzere Aufheizzeiten der Glühstiftkerze möglich. Eine solche definierte Reduzierung der Wanddicke erermöglicht es, genau die Stelle der Glühstiftkerze am heißesten werden zu lassen, auf die das Brennkraftgemisch auftrifft.

[0007] In der WO 00/35830 wird eine weitere herkömmliche Lösung zur Schaffung eines sich schnell aufheizenden Stiftheizers beschrieben, wobei dies wiederum durch eine Verringerung des Querschnitts des Stiftheizers im Bereich der heißen Zone erreicht wird. Ein derartiger Stiftheizer ist zur Querschnittsreduktion mit einer filigranen Spitze ausgebildet.

[0008] Solche aus dem Stand der Technik bekannten Stiftheizer haben den Nachteil, daß sie eine heiße Zone aufweisen, die äußerst filigran durch eine Spitzenbildung oder eine sonstige Querschnittsreduzierung im Bereich der Spitze des Stiftheizers aufgebaut sein muß, um schnell auf eine hohe Temperatur aufgeheizt werden zu können.

[0009] Solche filigranen und damit mechanisch nur wenig belastbaren Spitzen der Stiftheizer sind jedoch äußerst empfindlich und können insbesondere beim Handling, dem Einbau in den Motor, etc. leicht beschädigt werden.

[0010] Darüber hinaus weisen solche in ihrem Querschnitt reduzierten Bereiche der Stiftheizer auch eine unzureichende thermische Masse auf, so daß keine ausreichende Temperaturstabilität erreicht werden kann, und somit bei einer plötzlichen Abkühlung der Umgebung, wie beispielsweise bei einem Kaltstart des Motors, die Gefahr des Ausblasens der Glühstiftkerze sehr groß ist.

[0011] Durch die EP-A-1 092 696 ist ein gesinterter keramischer Verbundkörper bekannt, der ein keramisches Verbundgefüge mit einer Isolationsschicht und einer zu dieser im wesentlichen außenliegend angeordneten Leitschicht aufweist. Der Verbundkörper weist einen gleich bleibenden Gesamtquerschnitt auf, mit Ausnahme einer Spitze, in der sich der Anteil der Isolationsschicht gegenüber dem Anteil der Leitschicht vergrößert.

Vorteile der Erfindung

[0012] Insbesondere in bezug auf die Baugröße des Stiftheizers, die vorzugsweise sehr gering gehalten werden soll, soll der Stiftheizer einen Durchmesser im Bereich von etwa 2 mm bis 5 mm aufweisen.

[0013] Der vorgeschlagene Stiftheizer in einer Glühstiftkerze für Dieselmotoren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat den Vorteil, dass die Baugröße des Stiftheizers sehr gering gehalten werden kann und der Durchmesser des Stiftheizers in einem Bereich von etwa 2mm bis 5 mm liegt.

[0014] Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Stiftheizers ist dieser im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Dies hat sich deshalb als vorteilhaft erwiesen, da es bei einer derartigen Gestaltung des Stiftheizers ermöglicht wird, daß die Kerze in ihrem mittleren Spitzenbereich glüht, wie es für moderne, direkt einspritzende Dieselmotoren verlangt wird.

[0015] Bei der Gestaltung des Stiftheizers kann es dabei vorgesehen sein, daß die Isolationsschicht von der Leitschicht im wesentlichen ummantelt ist.

[0016] Es hat sich gezeigt, daß es insbesondere für die Herstellung des Stiftheizers vorteilhaft ist, wenn die Isolationsschicht von der Leitschicht im wesentlichen sandwichartig umgeben wird, das heißt, daß bei Betrachtung des Querschnitts eine Abfolge von Leitschicht, einer mittigen Isolationsschicht und wieder einer Leitschicht vorliegt, wobei die Isolationsschicht wenigstens annähernd in einem mittleren Bereich des Querschnitts des Stiftheizers liegt.

[0017] Dies hat sich insbesondere dann als vorteilhaft erwiesen, wenn der Stiftheizer durch Spritzgießen hergestellt wird und die Isolationsschicht zuerst spritzgegossen wird, wobei sich die Isolationsschicht mit ihrem Randbereich, das heißt, dem nicht an die Leitschicht grenzenden Bereich, wenigstens teilweise bis an den Umfang des Stiftheizers erstreckt. Dadurch kann die Isolationsschicht in ein Werkzeug zum Aufspritzen der Leitschicht gestellt werden, beispielsweise senkrecht zur Werkzeugtrennebene.

[0018] Insbesondere in bezug auf die Baugröße des Stiftheizers, die vorzugsweise sehr gering gehalten werden soll, ist es vorteilhaft, wenn der Stiftheizer einen Durchmesser im Bereich von etwa 2 mm bis 5 mm aufweist.

[0019] Günstigerweise ist die Anordnung der Leitschicht und der Isolationsschicht für ein jeweiliges Herstellungsverfahren der Stiftkerze optimiert. Bevorzugte Herstellungsverfahren sind das Spritzgießen und/oder das Spritzpressen. Die Optimierung erfolgt vorzugsweise mittels analytischer Verfahren, insbesondere mittels eines Finite-Elemente-Verfahrens, erfolgt. Mit einer solchen Optimierung ist es möglich, daß eine Geometrie des Stiftheizers berechnet wird, die beispielsweise durch ein zweistufiges Spritzgußverfahren ohne Nachbearbeitung und nachfolgendes Sintern sehr einfach und kostengünstig hergestellt werden kann.

[0020] Das keramische Verbundgefüge der Leit- und Isolationsschicht weist dabei besonders bevorzugt als Bestandteile Trisiliciumtetranitrid und ein Metallsilizid auf. Dabei wird besonders bevorzugt das keramische Verbundgefüge für die Leitschicht aus 60 Gew.-% MoSi₂ und 40 Gew.-% Si₃N₄ sowie Sinteradditiven, und für die Isolationsschicht aus 40 Gew.-% MoSi₂ und 60 Gew.-% Si₄N₄ sowie Sinteradditiven gebildet.

[0021] Weitere Vorteile und bevorzugte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.

Zeichnung

[0022] Drei bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Stiftheizers in einer Glühstiftkerze für Dieselmotoren sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt dabei

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Stiftheizer mit zwei zugehörigen Querschnitten entlang der Linien A-A und B-B gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Figur 2 eine durch Finite-Elemente-Rechnung optimierte Leitschicht eines Spitzenbereiches eines Stiftheizers gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;

Figur 3 die Isolationsschicht, die zu der in der Figur 2 dargestellten Leitschicht gehört;

Figur 4 eine dreidimensionale Darstellung eines Stiftheizers gemäß den Figuren 2 und 3;

Figur 5 eine Ansicht von hinten auf den Stiftheizer gemäß der in den Figuren 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform; und

Figuren 6a) bis c) einen Querschnitt, einen Längsschnitt sowie eine Aufsicht auf einen Siftheizer gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

[0023] In Figur 1 ist nun ein Stiftheizer 1 in einer längs geschnittenen Ansicht gezeigt, wobei eine Leitschicht 2 im wesentlichen außen liegt und eine Isolationsschicht 3 im wesentlichen innen liegt, wobei die Isolationsschicht 3 von der Leitschicht 2 sandwichartig umgeben ist. Beide Schichten 2, 3 umfassen ein keramisches Verbundgefüge.

[0024] Dieser Stiftheizer 1 weist, wie der Figur 1 zu entnehmen ist, über seine gesamte Länge einen einheitlichen Gesamtquerschnitt auf, wobei die Isolationsschicht 3 im Bereich einer Spitze 4 des Stiftheizers 1 eine Querschnittsvergrößerung erfährt, während sich der Anteil der außen liegenden Leitschicht 2 bezüglich des Gesamtquerschnittes entsprechend verringert.

[0025] Wie insbesondere den zugehörigen Querschnitten entlang der Linien A-A und B-B von Figur 1 zu entnehmen ist, ist der Stiftheizer gemäß der bevorzugten Ausführungsform symmetrisch ausgebildet. Unter symmetrisch kann dabei eine Symmetrie um eine in der Querschnittsebene liegende Symmetrieachse verstanden werden oder auch eine Symmetrie um eine Drehachse entlang der Achse des Stiftheizers in einem kristallographischen Sinne.

[0026] Es handelt sich hier somit um einen keramischen Stiftheizer 1 mit einem außenliegenden Heizer, der einen geeigneten Durchmesser für einen Einbau in ein M8-Gehäuse aufweist. Hierfür hat sich ein Durchmesser von etwa 3,3 mm für den Stiftheizer 1 als vorteilhaft erwiesen.

[0027] Durch eine in der Figur 1 dargestellte geeignete Wahl der Geometrie der Leitschicht 2 und der Isolationsschicht 3 wird eine Querschnittsreduktion der Leitschicht 2 im Spitzenbereich 4 ermöglicht, wobei der gesamte Stiftheizer 1 über seine gesamte Länge im wesentlichen einen einheitlichen Querschnitt besitzt. Hierdurch wird es ermöglicht, daß der Stiftheizer 1 im Spitzenbereich 4 schnell glüht, wie es für moderne direkt einspritzende Dieselmotoren verlangt wird, und trotzdem eine gute mechanische Stabilität aufweist.

[0028] In den Figuren 2 bis 5, in welchen aus Gründen der Übersichtlichkeit für funktionsgleiche Bauelemente gleiche Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet werden, ist ein Stiftheizer 1 dargestellt, dessen Form, und zwar insbesondere die Form der Leitschicht 2 zur Isolationsschicht 3, mittels analytischer Verfahren optimiert wurde, wobei die Optimierung in bezug auf das Herstellungsverfahren des Stiftheizers 1, und zwar insbesondere auf ein Spritzgußverfahren erfolgt.

[0029] Ein derartiger Stiftheizer 1 kann in einem einfachen Spritzgußverfahren realisiert werden, wobei zuerst die Isolationsschicht 3 in einem vorgeformten Werkzeug vorgespritzt wird und die keramische Leitschicht 2 in einem zweiten Arbeitsschritt um die Isolationsschicht 3 herum gespritzt wird.

[0030] Eine in den Figuren 2 bis 5 dargestellte Ausweitung 3A der Isolationsschicht 3 an den Rändern des Stiftheizers 1 erhöht die Spritzgießbarkeit eines solchen Stifheizers 1 sowie die Lagestabilität der Isolationsschicht 3 im Werkzeug zum Aufspritzen der Leitschicht 2. Derart wird ein Spritzgießen des Stiftheizers 1 ohne Materialüberstände, die Nachbearbeitungen bedingen, möglich.

[0031] Die Optimierung der Geometrie wurde gemäß der gezeigten zweiten Ausführungsform für Kompositkeramiken, wie beispielsweise Si₃N₄ und MoSi₂, optimiert. Dabei besteht die Leitschicht 2 wenigstens annähernd aus 60 Gew.-% MoSi₂, 40 Gew.-% Si₃N₄ sowie Sinteradditiven, und die Isolationsschicht 3 aus 40 Gew.-% MoSi₂, 60 Gew.-% Si₃N₄ und Sinteradditiven.

[0032] Zur Herstellung der Spritzgußmassen werden die Pulvermischungen mit einem mit Acrylsäure oder Maleinsäureanhydrid gepropften Polypropylen wie z.B. Polybond 1000 Binder und Cyclododecan bzw. Cyclododecanol als Hilfsstoffe verknetet, die insgesamt einen Anteil von 15 bis 20 Gew.-% an der Spritzgußmasse haben.

[0033] In den Figuren 6 a) bis c) ist ein noch weiter bezüglich seines. Herstellungsverfahrens optimierter Stiftheizer 1 in einer Querschnittschnittsansicht (Figur 6a), in einem Längsschnitt (Figur 6b) sowie in einer Aufsicht (Figur 6c) dargestellt.

[0034] Dabei wurden die Übergänge zwischen Isolationsschicht 3 und Leitschicht 2 verrundet bzw. abgerundet, was sich wiederum bezüglich des Spritzgießens als vorteilhaft erwiesen hat, da nach dem Aufspritzen der Leitschicht 2 keine Spitzen der thermischen Spannungen an scharfen Ecken und Kanten entstehen.

[0035] In der Querschnittsdarstellung der Figur 6a ist nochmals die bezüglich des oben angegebenen Materials und des Spritzverfahrens optimierte Form des Stiftheizers 1 genauer durch eine beispielhafte Größenangabe ersichtlich. Es beträgt dabei der Durchmesser d1 des Stiftheizers 3,3 mm, die Breite bl der Isolationsschicht 3 zwischen den Schultern 1,9 mm bis 2 mm, die Dicke bzw. der Durchmesser des Heizkanals d2 0,35 mm und die Dicke der Isolationsschicht 0,8 mm. Der Winkel α der Isolationsschichtschulter beträgt vorzugsweise 120°.

[0036] Auch.bei dem in der Figur 6 dargestellten Stiftheizer 1 handelt es sich im wesentlichen um einen sandwichartig aufgebauten Stiftheizer 1, bei dem die Isolationsschicht 3 im wesentlichen zwischen der Leitschicht 2 angeordnet ist, wobei die Isolationsschicht 3 zumindest teilweise bis zum Rand des Stiftheizers 1 ausläuft.

[0037] Beispielhaft soll nachfolgend der Ablauf des Spritzgießens eines Stiftheizers kurz erläutert werden.

[0038] In einem ersten Abschnitt wird die Isolationsschicht 3 spritzgegossen. Dabei liegt der Anschnitt an der dicksten Stelle der Isolationsschicht 3, d.h. gemäß der vorliegenden Erfindung im Bereich der Spitze 4. Bei einer Länge der Leitschicht 2 von etwa 50 mm ist derzeit in einem metallischen Werkzeug eine Schichtdicke von minimal 0,8 mm spritzgießbar. Wird auf die Oberfläche der Kavität des Spritzgießwerkzeuges eine Wärmedämmschicht, wie Al₂O₃, ZrO₂ oder ähnliches, aufgebracht, so sind auch dünnere Isolationsschichten 3 spritzgießbar.

[0039] Als nächstes wird diese Isolationsschicht 3 in das Werkzeug senkrecht zur Werkzeugtrennebene, d.h. also stehend, eingelegt und die Leitschicht 2 aufgespritzt.

[0040] Das Anspritzen erfolgt dabei am Fuß, das Überspritzen der Isolationsschicht 3 mit Leitmasse vom Fuß aus zur Spitze 4. Dabei schmilzt die Oberfläche der Isolationsschicht 3 kurzzeitig an und verbindet sich mit der Leitschicht 2. Die Kontur der Isolationsschicht 3 ist an der Werkzeugwand mit vier Kanten so gestaltet, daß diese Kanten leicht von der Schmelze der Leitschichtmasse erreicht bzw. angeschmolzen werden können. Hierfür sind insbesondere die verrundeten Übergänge vorgesehen.

[0041] Sollten Isolationsschicht 3 und Leitschicht 2 dennoch unmittelbar im Bereich der Oberfläche der Kavität nicht verschmelzen, so kann die Werkzeugoberfläche im Bereich des Übergangs von Isolationsschicht 3 und Leitschicht 2 wiederum mit einer Wärmedämmschicht versehen werden.

[0042] Danach erfolgt ein Abdrehen der Leitschichtmasse zum Fuß bis zum Beginn der Isolationsschicht 3, so daß der Fußbereich nicht elektrisch kurzgeschlossen ist. Daran schließt sich dann ein thermisches Entbindern und Sintern an.

Ansprüche

1. Stiftheizer (1) in einer Glühstiftkerze für Dieselmotoren, der mindestens eine im wesentlichen innenliegende Isolationsschicht (3) und mindestens eine im wesentlichen außenliegende Leitschicht (2) aufweist wobei beide Schichten (2, 3) keramisches Verbundgefüge umfassen, wobei der Stiftheizer (1) im wesentlichen über seine gesamte Länge einen im wesentlichen einheitlichen Gesamtquerschnitt (d1) aufweist und im Bereich einer Spitze (4) des Stiftheizers (1) der Anteil der Isolationsschicht (3) am Gesamtquerschnitt (d1) sich vergrößert, während sich der Anteil der Leitschicht (2) am Gesamtquerschnitt (d1) verringert, wobei der Stiftheizer (1) einen Gesamtdurchmesser (d1) in einem Bereich von wenigstens annähernd 2 mm bis 5 mm aufweist.

2. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt im wesentlichen symmetrisch ausgebildet ist.

3. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (3) von der Leitschicht (2) im wesentlichen ummantelt ist.

4. Stiftheizer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (3) von der Leitschicht (2) sandwichartig umgeben ist.

5. Stiftheizer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Verbundgefüge als Bestandteile Trisiliziumtetranitrid und ein Metallsilizid aufweist.

6. Stiftheizer (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschicht (2) aus 60 Gew.-% MoSi₂, 40 Gew.-% Si₃N₄ und Sinteradditiven und die Isolationsschicht (3) aus 40 Gew.-% MoSi₂, 60 Gew.-% Si₃N₄ und Sinteradditiven besteht.

7. Stiftheizer (1) nach einem der vorliegenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Verbundgefüge auf Basis einer von Polysiloxan abgeleiteten SiOC-Glaskeramik mit geeigneten Füllstoffen und einem Metallsilizid gebildet ist

Claims

1. Pin heater (1) in a glow plug for diesel engines, said pin heater (1) having at least one substantially internal insulation layer (3) and at least one substantially external conductive layer (2), the two layers (2, 3) comprising ceramic composite structures, the pin heater (1) having a substantially uniform overall cross section (d1) over substantially its entire length, and the proportion of the insulation layer (3) in the overall cross section (d1) increasing in the region of a tip (4) of the pin heater (1) while the proportion of the conductive layer (2) in the overall cross section (d1) decreases, the pin heater (1) having an overall cross section (d1) in a range from at least approximately 2 mm to 5 mm.

2. Pin heater (1) according to Claim 1, characterized in that the cross section is substantially symmetrical.

3. Pin heater according to Claim 1 or 2, characterized in that the insulation layer (3) is substantially enclosed by the conductive layer (2).

4. Pin heater (1) according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the insulation layer (3) is surrounded by the conductive layer (2) in a sandwich-like manner.

5. Pin heater (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic composite structure has trisilicon tetranitride and a metal silicide as its constituents.

6. Pin heater (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the conductive layer (2) is composed of 60% by weight of MoSi₂, 40% by weight of Si₃N₄, and sintering additives, and the insulation layer (3) is composed of 40% by weight of MoSi₂, 60% by weight of Si₃N₄, and sintering additives.

7. Pin heater (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic composite structure is formed on the basis of an SiOC glass ceramic, derived from polysiloxane, with suitable filler materials and a metal silicide.

Revendications

1. Filament en forme de crayon (1) dans une bougie-crayon de préchauffage pour moteurs Diesel, qui présente au moins une couche isolante (3) essentiellement intérieure et au moins une couche conductrice (2) essentiellement extérieure, ces deux couches (2, 3) comprenant une structure composite céramique, le filament en forme de crayon (1) présentant une section transversale globale (d1) essentiellement unitaire sur l'ensemble de sa longueur et, dans la zone d'une pointe (4) du filament en forme de crayon (1), la proportion de couche isolante (3) augmente au niveau de la section transversale globale (d1) tandis que la proportion de couche conductrice (2) se réduit, le filament en forme de crayon (1) présentant un diamètre global (d1) situé dans une plage allant environ d'au moins 2 mm à 5 mm.

2. Filament en forme de crayon (1) selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
la section transversale est essentiellement symétrique.

3. Filament en forme de crayon (1) selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
la couche isolante (3) est essentiellement enveloppée par la couche conductrice (2).

4. Filament en forme de crayon (1) selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
la couche isolante (3) est essentiellement prise en sandwich par la couche conductrice (2).

5. Filament en forme de crayon (1) selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
la structure composite céramique a pour composants le tétranitrure de trisilicium et un siliciure de métal.

6. Filament en forme de crayon (1) selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
la couche conductrice (2) se compose de 60 % en poids de MoSi₂, 40 % en poids de Si₃N₄ et d'additifs de frittage et la couche isolante (3) se compose de 40 % en poids de MoSi₂, 60 % en poids de Si₃N₄ et d'additifs de frittage.

7. Filament en forme de crayon (1) selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
la structure composite céramique est à base d'une vitrocéramique au SiOC dérivée du polysiloxane comportant des charges appropriées et un siliciure de métal.

Zeichnung