CZ20022187A3

CZ20022187A3 - Žhavicí kolík

Info

Publication number: CZ20022187A3
Application number: CZ20022187A
Authority: CZ
Inventors: Gert Lindemann; Wilfried Aichele; Andreas Reissner; Friedericke Lindner; Christof Rau; Guenter Knoll
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2000-10-27
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2003-08-13
Also published as: DE50112014D1; JP3977806B2; ES2280305T3; DE10053327A1; EP1463910B1; HUP0301998A3; DE10053327C2; WO2003040623A1; HUP0301998A2; JP2004537155A; US20030106885A1; CZ302319B6; US6710305B2; EP1463910A1

Description

Žhavicí kolík

Oblast techniky

Vynález se týká žhavicího kolíku v kolíkové žhavicí svíčce pro dieselové motory, který má alespoň jednu v podstatě vnitřní izolační vrstvu a alespoň jednu v podstatě vnější vodivou vrstvu přičemž obě vrstvy obsahují keramickou strukturu, přičemž žhavicí kolík má v podstatě po své celkové délce v podstatě jednotný celkový průřez a v oblasti hrotu žhavicího kolíku se podíl izolační vrstvy na celkovém průřezu zvětšuje, zatímco se podíl vodivé vrstvy na celkovém průřezu zmenšuj e.

Dosavadní stav techniky

Technika moderních dieselových motorů klade na kolíkové žhavicí svíčky vysoké požadavky a sice zejména se zřetelem na konstrukční velikost, pevnost, rychlost stoupání teploty při ohřevu a odolnost vůči vysokým teplotám. Obvykle se požaduje, aby se mohla dosáhnout teplota od 1000° C a ustálená teplota od 1 200°C se žhavicí účinností od přibližně 70 až 100 W do 2 sekund.

Z praxe jsou známé v dnešní době kolíkové žhavicí svíčky s kovovými a keramickými topnými prvky. Standardní provedení keramických kolíkových žhavicích svíček disponují vnitřními kovovými nebo keramickými topnými prvky, které jsou zapečeny do vysokoteplotně stabilní nevodivé keramiky. Kolíkové žhavicí svíčky takové konstrukce se avšak mohou vyrábět jen nákladným způsobem lisováním za tepla. Naproti tomu jsou kolíkové žhavicí svíčky • · ·« • · · 4 4 • 9 9» · 9 · • 4 * »4 4

4 4 4 9 4 4

4» »44 »4» ·· 4» 44·· s vnějšími topnými prvky z kompozitní keramiky vyrobitelné jednodušším a nákladově výhodným spékáním.

Žhavicí svíčka pro dieselové motory s válcovitou kovovou trubicí, s připojovacím zařízením k elektrickému kontaktováni a s keramickým topným zařízením je například známá ze spisu WO 96/27104. U této žhavicí svíčky drží válcovitá kovová trubice na svém hrotu keramické topné zařízení samonosně, přičemž keramické topné zařízení je kontaktováno s přípojným zařízením, takže během žhavicího procesu protéká skrz keramické topné zařízení proud.

Keramické topné zařízení má přitom alespoň jedno místo redukovaného příčného průřezu, přičemž redukce příčného průřezu keramického topného zařízení nastává na tom místě, na které dopadá směs paliva a vzduchu. Zeslabení příčného profilu je u tohoto keramického topného zařízení realizováno takovým způsobem, že stěnová tloušťka boční stěny je na dotčeném místě příslušně redukována.

U takové kolíkové žhavicí svíčky je možné, že oblast topného zařízení, která je nejpřístupnější vznětlivé směsi, na základě tím většího odporu nejrychleji dosáhne nutné teploty vznícení. Tím jsou možné kratší doby nažhavení kolíkové žhavicí svíčky. Takové definované redukování stěnové tloušťky umožňuje to, aby se nechalo nejvíce nažhavit právě to místo žhavicí kolíkové svíčky, na které dopadá spalovací směs.

Ve spisu WO 00/35830 se popisuje další konvenční řešení k vytvoření žhavicího kolíku, který se rychle zahřívá, přičemž toto se opět dosáhne zeslabením příčného průřezu žhavicího kolíku v oblasti horkého pásma. Takový žhavicí kolík je k redukování příčného průřezu vytvořen s filigránovým hrotem.

• 9· ·· ·· • 9 9 • · 9 • · · • 99 •9 9·9·

Takové z dosavadního stavu techniky známé žhavicí kolíky mají tu nevýhodu, že mají horké pásmo, které musí být uspořádáno krajně filigránově utvářením hrotu nebo jiným redukováním příčného průřezu v oblasti hrotu žhavicího kolíku, aby se mohl rychle zahřát na vysokou teplotu.

Takové filigránové a tím mechanicky jen málo zatížitelné hroty žhavicích kolíků jsou avšak krajně choulostivé a mohou se zejména při manipulaci, při montáži do motoru a ostatním lehce poškodit.

Nadto mají takové oblasti žhavicích kolíku redukované ve svém příčném průřezu také nedostatečnou termicky činnou hmotu, takže se nemůže dosáhnout žádné postačující tepelné stability, a proto při prudkém ochlazení okolního prostředí, jako například při spouštění motoru za studená, je velmi velké nebezpečí sfouknutí kolíkové žhavicí svíčky.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky odstraňuje žhavicí kolík v kolíkové žhavicí svíčce pro dieselové motory, který má alespoň jednu v podstatě vnitřní izolační vrstvu a alespoň jednu v podstatě vnější vodivou vrstvu přičemž obě vrstvy obsahují keramickou strukturu, přičemž žhavicí kolík má v podstatě po své celkové délce v podstatě jednotný celkový průřez a v oblasti hrotu žhavicího kolíku se podíl izolační vrstvy na celkovém průřezu zvětšuje, zatímco se podíl vodivé vrstvy na celkovém průřezu zmenšuje. Žhavicí kolík podle vynálezu má naproti tomu tu výhodu, že změněným vytvarováním geometrie hrotu žhavicího kolíku se může dosáhnout zřetelně vyšší mechanická odolnost, protože hrot žhavicího kolíku se ve svém celkovém průřezu nezmenšuje.

4 4

44

4 ·44·

Nadto nabízí hrot topného tělesa vytvarovaný s větším příčným průřezem výhodně větší termicky činnou hmotu. Toto působí potom za určitého provozního stavu, zejména při spouštění motoru za studená, proti sfouknutí kolíkové žhavicí svíčky.

Podle jedné výhodné formy provedení žhavicího kolíku je tento vytvořen v podstatě jako rotačně souměrný. Toto se ukázalo proto jako výhodné, protože při takové úpravě žhavicího kolíku je umožněno to, že svíčka žhaví ve své střední oblasti hrotu, jak se požaduje pro moderní, přímo vstřikované dieselové motory.

Při úpravě žhavicího kolíku může být přitom upraveno to, že izolační vrstva je v podstatě potažena vodivou vrstvou.

Ukázalo se, že je obzvláště pro výrobu žhavicího koliku výhodné, jestliže se izolační vrstva obkládá vodivou vrstvou v podstatě sendvičovým způsobem, to znamená, že při pozorování příčného průřezu existuje sled vodivé vrstvy, středové izolační vrstvy a opět vodivé vrstvy, přičemž izolační vrstva se nachází alespoň přibližně ve střední oblasti příčného průřezu žhavicího kolíku.

Toto se ukázalo jako výhodné zejména potom, jestliže se žhavicí kolík vyrábí vstřikovým litím a izolační vrstva se odlije vstřikem nejdříve, přičemž se izolační vrstva svou okrajovou oblastí, to znamená oblastí, která nehranící s vodivou vrstvou, alespoň částečně protahuje až na obvod žhavicího kolíku. Tím se může izolační vrstva dát do tvářecí formy k nastříkání vodivé vrstvy, například kolmo k dělící rovině tvářecí formy.

Zejména se zřetelem na konstrukční velikost žhavicího kolíku, která se má udržet velice malá, je výhodné, jestliže žhavicí kolík má průměr v rozmezí asi od 2 mm do 5 mm.

• ·» ·· ·« • · * » * !» · • * · · · * • * · · · ft • · · ·· ·· · · · ·

Výhodně je uspořádání vodivé vrstvy a izolační vrstvy pro ten který způsob výroby žhavicího kolíku optimalizováno. Výhodné způsoby výroby jsou vstřikové lití a/nebo lisování vstřikem. Optimalizace nastává výhodně prostřednictvím analytického způsobu, zejména nastává prostřednictvím metody dokončených součástí. S takovou optimalizací je možné, že se vypočítá geometrie žhavicího kolíku, která se například může velice jednoduše a levně vyrábět dvoustupňovým vstřikovým litím bez dodatečného opracování a následným spékáním.

Keramická struktura spojení vodivé a izolační vrstvy má přitom obzvláště výhodně jako komponenty trisiliciumtetranitrid a silicid kovu. Přitom se obzvláště výhodně utvářejí keramická struktura spojení pro vodivou vrstvu z 60 % hmotnostního podílu MoSij a ze 40 % hmotnostního podílu S13N4 jakož i spékacích přísad, a pro izolační vrstvu ze 40 % hmotnostního podílu M0S12, 60 % hmotnostního podílu SÍ3N4 jakož i spékacích přísad.

Další výhody a výhodná ztvárnění vynálezu vyplývají z patentových nároků, z následného popisu a z výkresu.

Přehled obrázků na výkresech

Tři výhodné příklady provedení žhavicího kolíku v kolíkové žhavicí svíčce pro dieselové motory podle vynálezu jsou schematicky znázorněné a v následném popisu blíže vysvětlené ve výkresu, v němž znázorňuj í:

obr. 1 podélný řez žhavicím kolíkem se dvěma příslušnými příčnými průřezy podle linií A-A a B-B podle první výhodné formy provedení vynálezu;

0 0 • 00 0 • 00 • 00 00 0 0

0 0 >00 000 00

0 000 00

00 0 0 0

0 Φ

0 0

0000 obr. 2 vodivou vrstvu hrotové oblasti žhavicího kolíku optimalizovanou výpočtem dokončených součástí podle druhé výhodné formy provedení;

obr. 3 izolační vrstvu, která přísluší k vodivé vrstvě znázorněné v obr. 2;

obr. 4 trojrozměrné znázornění žhavicího kolíku podle obr. 2 a 3;

obr. 5 pohled zezadu na žhavicí kolík podle formy provedení znázorněné v obr. 2 až 4 a obr. 6a) až c) příčný průřez, podélný řez jakož i pohled shora na žhavicí kolík podle třetí výhodné formy provedení vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

V obr. 1 je nyní znázorněn žhavicí kolík £ v podélně řezaném pohledu, přičemž vodivá vrstva 2 se nachází v podstatě vně a izolační vrstva 3 je v podstatě uvnitř, přičemž izolační vrstva 3. je obložena vodivou vrstvou 2 sendvičovým způsobem. Obě vrstvy 2, 3. mají keramickou strukturu spojení.

Tento žhavicí kolík 1_ má, jak lze zjistit z obr. 1, po své celé délce jednotný celkový příčný průřez, přičemž izolační vrstva 3. má v oblasti hrotu 4 žhavicího kolíku 1 zvětšení příčného průřezu, zatímco se podíl vnější vodivé vrstvy 2 co se týče celkového průřezu příslušně zmenšuje.

• ·· >· ·· ·· · » » * · • · · · · * ······ · « 9 · · · * • · · 99 99 99 9 9

Jak lze zjistit zejména z příslušných příčných průřezů podle linií A-A a B-B z obr. 1, je žhavicí kolík 1_ vytvořen podle výhodné formy provedení symetricky. Pod pojmem symetricky se může přitom rozumět symetrie okolo osy souměrnosti ležící v rovině příčného průřezu nebo také symetrie okolo osy otáčení podél osy žhavicího kolíku _1_ v krystalografickém smyslu.

Jedná se zde tedy o keramický žhavicí kolík 1_ s vnějším topným tělesem, který má vhodný průměr pro vmontování do tělesa M8. K tomuto účelu se pro žhavicí kolík 1_ prokázal jako výhodný průměr od přibližně 3,3 mm.

Vhodnou volbou geometrie vodivé vrstvy 2_ a izolační vrstvy 3. znázorněnou v obr. 1 se umožňuje redukce příčného průřezu vodivé vrstvy 2 v oblasti hrotu 4, přičemž celkový žhavicí kolík 1_ má po celé své délce v podstatě jednotný příčný průřez. Tím je umožněno to, že žhavicí kolík J_ se v oblasti hrotu 4 rychle rozpálí, jak se vyžaduje pro moderní přímo vstřikované dieselové motory, a přesto má dobrou mechanickou odolnost.

V obr. 2 až 5, ve kterých jsou použity z důvodu přehlednosti pro stejně fungující konstrukční prvky stejné vztahové značky jako v obr. 1, je znázorněn žhavicí kolík J_, jehož tvar, a sice zejména tvar vodivé vrstvy 2. vůči izolační vrstvě 3_, byl optimalizován prostřednictvím analytického způsobu, přičemž optimalizace se provádí vzhledem k způsobu výroby žhavicího kolíku 1_, a sice zejména vzhledem k vstřikovému lití.

Takový žhavicí kolík 1_ se může realizovat v jednoduchém vstřikovém lití, přičemž nejprve se v předběžně tvarované tvářecí formě předem nalije vstřikovým litím izolační vrstva 3. a keramická

4 44	<4	• 4	44	44
·· ft ·	44	4	9	4	4	4
♦ 44	4	*	4	4'	4	4
						4
♦ 4 ·	4	*	4	4	4	4
444 44	444	• 4		• 4		44 44

vodivá vrstva 2 se v druhém pracovním kroku nastříká okolo izolační vrstvy 3_.

Rozšíření 3A izolační vrstvy 3. na okrajích žhavicího kolíku 1_, které je znázorněné v obr. 2 až 3, zvyšuje vstřikovou odlévatelnost takového žhavicího kolíku l_jakož i stabilitu polohy izolační vrstvy 3_ v tvářecí formě k nastříkání vodivé vrstvy 2 . Takovým způsobem bude možné vstřikové lití žhavicího kolíku 1_ bez materiálových přesahů, které si vymiňují dokončovací obrábění.

Optimalizace geometrie se podle znázorněné druhé formy provedení optimalizovala pro kompozitní keramiku, jako například S13N4 a M0S12. Přitom sestává vodivá vrstva ^přinejmenším přibližně z 60 % hmotnostního podílu MoSi₂, ze 40 % hmotnostního podílu S13N4 jakož i spékacích přísad, a izolační vrstva 3_ sestává ze 40 % hmotnostního podílu MoS i 2, 60 % hmotnostního podílu S i 3N4 a spékacích přísad.

K výrobě vstřikovacích hmot se promísí práškové směsi s polypropylénem roubovaným kyselinou akrylovou nebo anhydridem kyseiiny maieinové jako například s pojivém „Polybond 1000“ a „Cyclododecan“ popřípadě „Cyclododecanol“ jako pomocnými materiály, které mají úhrnem účast na hmotnostním podílu na vstřikované hmotě od 1 5 do 20 %.

V obr. 6 a) až c) je znázorněn co se týče způsobu výroby ještě dále optimalizovaný žhavicí kolík J_ v pohledu na příčný průřez (obr. 6a), v podélném řezu (obr. 6b) jakož i v pohledu shora (obr. 6c).

Přitom byly přechody mezi izolační vrstvou 3. a vodivou vrstvou

2. zakulaceny popřípadě zaobleny, což se opět prokázalo jako výhodné co se týče vstřikového lití, protože po nastříkání vodivé vrstvy 2 » »· 9 99 49 ··

9 9 44 4 9 4 9 4 • ·· 9 4 4 · 4 »

4* · 9 4 4 4 · 4 4 4 *44 4 9 4 444

949 ·4 444 «· 99 4444 nevznikají žádné vrcholy termických namáhání na ostrých rozích a hranách.

V průřezovém znázornění obr. 6a je opět podrobněji příkladnými údaji o rozměrech viditelná forma žhavicího kolíku 1_ optimalizovaná co se týče výše uvedeného materiálu a způsobu vstřikování. Průměr d 1 žhavicího kolíku přitom činí 3,3 mm, šířka b l izolační vrstvy 3^ mezi boky činí 1,9 mm až 2 mm, tloušťka popřípadě průměr d2 topného kanálku činí 0,35 mm a tloušťka izolační vrstvy 3_ obnáší 0,8 mm. Úhel a boků izolační vrstvy činí výhodně 120°.

Také u žhavicího kolíku 1_ znázorněného v obr. 6 se jedná v podstatě o žhavicí kolík J_ uspořádaný sendvičovým způsobem, u kterého je izolační vrstva 3. uspořádána v podstatě mezi vodivou vrstvou 2, přičemž izolační vrstva 3. alespoň částečně vybíhá až k okraji žhavicího kolíku

Exemplárně se má následně krátce vysvětlit průběh vstřikového lití žhavicího kolíku.

V první části se odlije vstřikem izolační vrstva 3_. Přitom je vtok na nejtlustším místě izolační vrstvy 3_, to znamená podle předloženého vynálezu v oblasti hrotu 4. Při délce vodivé vrstvy 2 od asi 50 mm je nyní v kovové tvářecí formě vstřikovatelná tloušťka vrstvy od nejméně 0,8 mm. Jestliže se na povrch dutiny tvářecí formy pro vstřikové lití nanese tepelně izolační vrstva, jako A1₂O₂, ZrO₂nebo podobné, tak jsou vstřikovatelné řidší izolační vrstvy 3..

Jako následující se tato izolační vrstva 3. vloží do tvářecí formy kolmo vůči dělící rovině tvářecí formy, to znamená tedy vertikálně, a nastříká se vodivá vrstva 2.

·· · ·· »· 9 9 · • · · · > · • · 4 · · • ·· ··· ·· ·♦ 99 • * * ·- « > • · ♦ ♦ ♦ 9 »> 9999

Nástřik se přitom provádí na patce, přestříkání izolační vrstvy 3_ vodivou hmotou se provádí od patky zvenčí k hrotu 4. Přitom se krátkodobě nataví povrch izolační vrstvy 3. a spojí se s vodivou vrstvou 2_. Obrys izolační vrstvy 3. je na stěně tvářecí formy vytvořen čtyřmi hranami tak, že tyto hrany se mohou lehce dosáhnout popřípadě natavit tekutou slitinou vodivé hmoty. K tomu účelu jsou upraveny zejména zakulacené přechody. Nemají-li se izolační vrstva 3_ a vodivá vrstva 2. přesto bezprostředně v oblasti povrchu dutiny sloučit, tak se může povrch tvářecí formy v oblasti přechodu izolační vrstvy 3. a vodivé vrstvy 2. znovu opatřit tepelně izolační vrstvou.

Potom následuje odsoustružení vodivé hmoty k patce až k začátku izolační vrstvy 3., takže oblast patky není elektricky zkratována. Při tom se potom přidružují termická napojení a okuje.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Žhavicí kolík (1) v kolíkové žhavicí svíčce pro dieselové motory, který má alespoň jednu v podsítě, vnitřní izolační vrstvu (3) a alespoň jednu v podstatě vnější vodivou vrstvu (2) přičemž obě vrstvy (2, 3) obsahují keramickou strukturu, vyznačující se tím, že žhavicí kolík (1) má v podstatě po své celkové délce v podstatě jednotný celkový průřez (dl) a v oblasti hrotu (4) žhavicího koliku (1) se podíl izolační vrstvy (3) na celkovém průřezu (dl) zvětšuje, zatímco se podíl vodivé vrstvy (2) na celkovém průřezu (dl) zmenšuj e.
2. Žhavicí kolík (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že příčný průřez se vytváří v podstatě symetricky.
3. Žhavicí kolík (1) podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že izolační vrstva (3) se v podstatě potahuje vodivou vrstvou (2).
4. Žhavicí kolík (1) podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že izolační vrstva (3) se obkládá vodivou vrstvou (2) sendvičovým způsobem.
5. Žhavicí kolík (1) podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že má celkový průměr (dl) v oblasti od alespoň přibližně 2 mm do 5 mm.
6. Žhavicí kolík (1) podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že tvarování vodivé vrstvy (2) a izolační vrstvy (3) se k sobě co se týče způsobu výroby optimalizuje.
7. Žhavicí kolík (1) podle nároku 6, vyznačující se tím, že optimalizace nastává prostřednictvím analytického způsobu.

*99 ♦ 9 9 9

9·· ·9 999 99 99 9999
8. Žhavicí kolík (1) podle nároku 6, vyznačující se tím, že analytický způsob je metoda dokončených součástí.
9. Žhavicí kolík (1) podle nároku 8, vyznačující se tím, že metoda dokončených součástí je doplněná statistickým vyhodnocováním (STAU).
10. Žhavicí kolík (1) podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se vyrábí vstřikovým litím a/nebo způsobem lisováním vstřikem.
11. Žhavicí kolík (1) podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že keramická struktura spojení má jako komponenty trisiliciumtetranitrid a silicid kovu.
12. Žhavicí kolík (1) podle nároku 10, vyznačující se tím, že vodivá vrstva (2) sestává z 60 % hmotnostního podílu MoSi₂, ze 40 % hmotnostního podílu S Í3N4 a spékacích přísad a izolační vrstva (3) sestává ze 40 % hmotnostního podílu MoSi₂, 60 % hmotnostního podílu S13N4 a spékacích přísad.
13. Žhavicí kolík (1) podle jednoho z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že keramická struktura spojení je vytvořena na bázi SiOC-skleněné keramiky odvozené od polysiloxanu s vhodnými plnicími látkami a silicidem kovu.