DE10053327C2 - Stiftheizer - Google Patents
StiftheizerInfo
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- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
- F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
- F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
Description
Die Erfindung geht aus von einem Stiftheizer, insbesondere
in einer Glühstiftkerze für Dieselmotoren, nach der im O
berbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
Die Technik moderner Dieselmotoren stellt an Glühstiftker
zen hohe Anforderungen und zwar insbesondere in bezug auf
Baugröße, Festigkeit, Aufheizgeschwindigkeit und Hochtempe
raturbeständigkeit. Es ist üblicherweise erwünscht, daß mit
einer Heizerleistung von ca. 70 bis 100 W innerhalb 2 Se
kunden eine Temperatur von 1000°C und eine Beharrungstempe
ratur von 1200°C erreicht werden kann.
Aus der Praxis sind heutzutage Glühstiftkerzen mit metalli
schen und keramischen Heizern bekannt. Gängige Ausführungen
der keramischen Glühstiftkerzen verfügen über innenliegende
metallische oder keramische Heizer, die in eine hochtempe
raturstabile nichtleitende Keramik eingesintert sind. Glühstiftkerzen
einer solchen Bauart können jedoch nur durch
aufwendige Heizpreßverfahren hergestellt werden. Dagegen
sind Glühstiftkerzen mit außenliegenden Heizern aus Kompo
sitkeramiken durch einfachere und kostengünstigere Sinter
verfahren herstellbar.
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 A1 bekannt. Bei dieser
Glühkerze hält das zylindrische Metallrohr an seiner Spitze
die keramische Heizvorrichtung freitragend, wobei die kera
mische Heizvorrichtung mit der Anschlußvorrichtung kontak
tiert ist, so daß während des Glühvorgangs ein Strom durch
die keramische Heizvorrichtung fließt.
Die keramische Heizvorrichtung weist dabei mindestens eine
Stelle verringerten Querschnitts auf, wobei die Quer
schnittsreduzierung der keramischen Heizvorrichtung an der
Stelle erfolgt, auf die das Brennstoff-Luft-Gemisch auf
trifft. Die Querschnittsverringerung ist bei dieser kerami
schen Heizvorrichtung derart realisiert, daß die Wanddicke
der Seitenwand an der betreffenden Stelle entsprechend re
duziert ist.
Bei einer solchen Glühstiftkerze ist es möglich, daß der
Bereich der Heizvorrichtung, der dem brennbaren Gemisch am
zugänglichsten ist, aufgrund des damit größeren Widerstan
des am schnellsten die notwendige Zündtemperatur erreicht.
Dadurch sind kürzere Aufheizzeiten der Glühstiftkerze mög
lich. Eine solche definierte Reduzierung der Wanddicke er
möglicht es, genau die Stelle der Glühstiftkerze am heißesten
werden zu lassen, auf die das Brennkraftgemisch auf
trifft.
In der WO 00/35830 A1 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 Zo
ne erreicht wird. Ein derartiger Stiftheizer ist zur Quer
schnittsreduktion mit einer filigranen Spitze ausgebildet.
Solche aus dem Stand der Technik bekannten Stiftheizer ha
ben den Nachteil, daß sie eine heiße Zone aufweisen, die
äußerst filigran durch eine Spitzenbildung oder eine sons
tige Querschnittsreduzierung im Bereich der Spitze des
Stiftheizers aufgebaut sein muß, um schnell auf eine hohe
Temperatur aufgeheizt werden zu können.
Solche filigranen und damit mechanisch nur wenig belastba
ren Spitzen der Stiftheizer sind jedoch äußerst empfindlich
und können insbesondere beim Handling, dem Einbau in den
Motor, etc. leicht beschädigt werden.
Darüber hinaus weisen solche in ihrem Querschnitt reduzier
ten Bereiche der Stiftheizer auch eine unzureichende ther
mische Masse auf, so daß keine ausreichende Temperatursta
bilität erreicht werden kann, und somit bei einer plötzli
chen Abkühlung der Umgebung, wie beispielsweise bei einem
Kaltstart des Motors, die Gefahr des Ausblasens der Glüh
stiftkerze sehr groß ist.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen
Stiftheizer zu schaffen, der im Bereich der Spitze eine hohe
mechanische Stabilität aufweist. Diese Aufgabe wird
durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vor
teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen angegeben.
Der vorgeschlagene Stiftheizer in ei
ner Glühstiftkerze für Dieselmotoren hat damit den Vorteil,
daß durch die veränderte Ausformung der Spitzengeometrie
des Stiftheizers eine deutlich höhere mechanische Stabili
tät erreicht werden kann, da die Spitze des Stiftheizers
nicht in ihrem Gesamtquerschnitt vermindert wird.
Darüber hinaus bietet die mit einem größeren Querschnitt
ausgeformte Heizerspitze vorteilhafterweise eine größere
thermische Masse. Dies wirkt dann unter bestimmten Be
triebszuständen, insbesondere bei einem Kaltstart, einem
Ausblasen der Glühstiftkerze entgegen.
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 Dieselmoto
ren verlangt wird.
Bei der Gestaltung des Stiftheizers kann es dabei vorgese
hen sein, daß die Isolationsschicht von der Leitschicht im
wesentlichen ummantelt ist.
Es hat sich gezeigt, daß es insbesondere für die Herstel
lung des Stiftheizers vorteilhaft ist, wenn die Isolations
schicht von der Leitschicht im wesentlichen sandwichartig
umgeben wird, das heißt, daß bei Betrachtung des Quer
schnitts eine Abfolge von Leitschicht, einer mittigen Iso
lationsschicht und wieder einer Leitschicht vorliegt, wobei
die Isolationsschicht wenigstens annähernd in einem mittle
ren Bereich des Querschnitts des Stiftheizers liegt.
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, we
nigstens teilweise bis an den Umfang des Stiftheizers er
streckt. Dadurch kann die Isolationsschicht in ein Werkzeug
zum Aufspritzen der Leitschicht gestellt werden, beispiels
weise senkrecht zur Werkzeugtrennebene.
Insbesondere in bezug auf die Baugröße des Stiftheizers,
die vorzugsweise sehr gering gehalten werden soll, ist es
vorteilhaft, wenn der Stiftheizer einen Durchmesser im Be
reich von etwa 2 mm bis 5 mm aufweist.
Günstigerweise ist die Anordnung der Leitschicht und der I
solationsschicht für ein jeweiliges Herstellungsverfahren
der Stiftkerze optimiert. Bevorzugte Herstellungsverfahren
sind das Spritzgießen und/oder das Spritzpressen. Die Opti
mierung erfolgt vorzugsweise mittels analytischer Verfah
ren, insbesondere mittels eines Finite-Elemente-Verfahrens,
erfolgt. Mit einer solchen Optimierung ist es möglich, daß
eine Geometrie des Stiftheizers berechnet wird, die bei
spielsweise durch ein zweistufiges Spritzgußverfahren ohne
Nachbearbeitung und nachfolgendes Sintern sehr einfach und
kostengünstig hergestellt werden kann.
Das keramische Verbundgefüge der Leit- und Isolations
schicht 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 so
wie Sinteradditiven, und für die Isolationsschicht aus 40 Gew.-%
MoSi2 und 60 Gew.-% Si4N4 sowie Sinteradditiven ge
bildet.
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
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Stiftheizer mit
zwei zugehörigen Querschnitten entlang der Linien A-A und
B-B gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Er
findung;
Fig. 2 eine durch Finite-Elemente-Rechnung optimierte
Leitschicht eines Spitzenbereiches eines Stiftheizers gemäß
einer zweiten bevorzugten Ausführungsform;
Fig. 3 die Isolationsschicht, die zu der in der Fig. 2
dargestellten Leitschicht gehört;
Fig. 4 eine dreidimensionale Darstellung eines Stifthei
zers gemäß den Fig. 2 und 3;
Fig. 5 eine Ansicht von hinten auf den Stiftheizer gemäß
der in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsform;
und
Fig. 6a) bis c) einen Querschnitt, einen Längsschnitt
sowie eine Aufsicht auf einen Siftheizer gemäß einer drit
ten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
In Fig. 1 ist nun ein Stiftheizer 1 in einer längs ge
schnittenen 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 Schich
ten 2, 3 umfassen ein keramisches Verbundgefüge.
Dieser Stiftheizer 1 weist, wie der Fig. 1 zu entnehmen
ist, über seine gesamte Länge einen einheitlichen Gesamt
querschnitt auf, wobei die Isolationsschicht 3 im Bereich
einer Spitze 4 des Stiftheizers 1 eine Querschnittsvergrö
ßerung erfährt, während sich der Anteil der außen liegenden
Leitschicht 2 bezüglich des Gesamtquerschnittes entspre
chend verringert.
Wie insbesondere den zugehörigen Querschnitten entlang der
Linien A-A und B-B von Fig. 1 zu entnehmen ist, ist der
Stiftheizer gemäß der bevorzugten Ausführungsform symmet
risch ausgebildet. Unter symmetrisch kann dabei eine Sym
metrie um eine in der Querschnittsebene liegende Symmetrieachse
verstanden werden oder auch eine Symmetrie um eine
Drehachse entlang der Achse des Stiftheizers in einem kri
stallographischen Sinne.
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.
Durch eine in der Fig. 1 dargestellte geeignete Wahl der
Geometrie der Leitschicht 2 und der Isolationsschicht 3
wird eine Querschnittsreduktion der Leitschicht 2 im Spit
zenbereich 4 ermöglicht, wobei der gesamte Stiftheizer 1
über seine gesamte Länge im wesentlichen einen einheitli
chen 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 auf
weist.
In den Fig. 2 bis 5, in welchen aus Gründen der Über
sichtlichkeit für funktionsgleiche Bauelemente gleiche Be
zugszeichen wie in Fig. 1 verwendet werden, ist ein Stift
heizer 1 dargestellt, dessen Form, und zwar insbesondere
die Form der Leitschicht 2 zur Isolationsschicht 3, mittels
analytischer Verfahren optimiert wurde, wobei die Optimie
rung in bezug auf das Herstellungsverfahren des Stifthei
zers 1, und zwar insbesondere auf ein Spritzgußverfahren
erfolgt.
Ein derartiger Stiftheizer 1 kann in einem einfachen
Spritzgußverfahren realisiert werden, wobei zuerst die Iso
lationsschicht 3 in einem vorgeformten Werkzeug vorge
spritzt wird und die keramische Leitschicht 2 in einem
zweiten Arbeitsschritt um die Isolationsschicht 3 herum ge
spritzt wird.
Eine in den Fig. 2 bis 5 dargestellte Ausweitung 3A der
Isolationsschicht 3 an den Rändern des Stiftheizers 1 er
höht die Spritzgießbarkeit eines solchen Stifheizers 1 so
wie die Lagestabilität der Isolationsschicht 3 im Werkzeug
zum Aufspritzen der Leitschicht 2. Derart wird ein Spritz
gießen des Stiftheizers 1 ohne Materialüberständer die
Nachbearbeitungen bedingen, möglich.
Die Optimierung der Geometrie wurde gemäß der gezeigten
zweiten Ausführungsform für Kompositkeramiken, wie bei
spielsweise Si3N4 und MoSi2, optimiert. Dabei besteht die
Leitschicht 2 wenigstens annähernd aus 60 Gew.-% MoSi2,
40 Gew.-% Si3N4 sowie Sinteradditiven, und die Isolations
schicht 3 aus 40 Gew.-% MoSi2, 60 Gew.-% Si3N4 und Sinterad
ditiven.
Zur Herstellung der Spritzgußmassen werden die Pulvermi
schungen 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.
In den Fig. 6a) bis c) ist ein noch weiter bezüglich
seines Herstellungsverfahrens optimierter Stiftheizer 1 in
einer Querschnittschnittsansicht (Fig. 6a), in einem
Längsschnitt (Fig. 6b) sowie in einer Aufsicht (Fig. 6c)
dargestellt.
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 entste
hen.
In der Querschnittsdarstellung der Fig. 6a ist nochmals
die bezüglich des oben angegebenen Materials und des
Spritzverfahrens optimierte Form des Stiftheizers 1 genauer
durch eine beispielhafte Größenangabe ersichtlich. Es be
trägt dabei der Durchmesser d1 des Stiftheizers 3,3 mm, die
Breite b1 der Isolationsschicht 3 zwischen den Schultern
1,9 mm bis 2 mm, die Dicke bzw. der Durchmesser des Heizka
nals d2 0,35 mm und die Dicke der Isolationsschicht 0,8 mm.
Der Winkel α der Isolationsschichtschulter beträgt vor
zugsweise 120°.
Auch bei dem in der Fig. 6 dargestellten Stiftheizer 1
handelt es sich im wesentlichen um einen sandwichartig auf
gebauten Stiftheizer 1, bei dem die Isolationsschicht 3 im
wesentlichen zwischen der Leitschicht 2 angeordnet ist, wo
bei die Isolationsschicht 3 zumindest teilweise bis zum
Rand des Stiftheizers 1 ausläuft.
Beispielhaft soll nachfolgend der Ablauf des Spritzgießens
eines Stiftheizers kurz erläutert werden.
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 metalli
schen Werkzeug eine Schichtdicke von minimal 0,8 mm spritz
gießbar. Wird auf die Oberfläche der Kavität des Spritz
gießwerkzeuges eine Wärmedämmschicht, wie Al2O3, ZrO2 oder
ähnliches, aufgebracht, so sind auch dünnere Isolations
schichten 3 spritzgießbar.
Als nächstes wird diese Isolationsschicht 3 in das Werkzeug
senkrecht zur Werkzeugtrennebene, d. h. also stehend, einge
legt und die Leitschicht 2 aufgespritzt.
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 kurz
zeitig 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.
Sollten Isolationsschicht 3 und Leitschicht 2 dennoch un
mittelbar im Bereich der Oberfläche der Kavität nicht ver
schmelzen, so kann die Werkzeugoberfläche im Bereich des
Übergangs von Isolationsschicht 3 und Leitschicht 2 wieder
um mit einer Wärmedämmschicht versehen werden.
Danach erfolgt ein Abdrehen der Leitschichtmasse zum Fuß
bis zum Beginn der Isolationsschicht 3, so daß der Fußbe
reich nicht elektrisch kurzgeschlossen ist. Daran schließt
sich dann ein thermisches Entbindern und Sintern an.
Claims (13)
1. Stiftheizer (1) in einer Glühstiftkerze für Dieselmoto
ren, der mindestens eine im wesentlichen innenliegende
Isolationsschicht (3) und mindestens eine im wesentli
chen außenliegende Leitschicht (2) aufweist, wobei beide
Schichten (2, 3) keramisches Verbundgefüge umfassen, da
durch gekennzeichnet, daß der Stiftheizer (1) im wesent
lichen über seine gesamte Länge einen im wesentlichen
einheitlichen Gesamtquerschnitt (d1) aufweist und im Be
reich 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.
2. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt im wesentlichen symmetrisch ausge
bildet ist.
3. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Isolationsschicht (3) von der Leit
schicht (2) im wesentlichen ummantelt ist.
4. Stiftheizer (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (3) von
der Leitschicht (2) sandwichartig umgeben ist.
5. Stiftheizer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß er einen Gesamtdurchmesser
(d1) in einem Bereich von wenigstens annähernd 2 mm bis
5 mm aufweist.
6. Stiftheizer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Formbildung der Leit
schicht (2) und der Isolationsschicht (3) zueinander be
züglich eines Herstellungsverfahrens optimiert ist.
7. Stiftheizer (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Optimierung mittels eines analytischen Verfah
rens erfolgt.
8. Stiftheizer (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das analytische Verfahren ein Finite-Elementeverfah
ren ist.
9. Stiftheizer (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß das Finite-Elemneteverfahren durch ein statistisches
Auswerteverfahren (STAU) ergänzt ist.
10. Stiftheizer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß er durch ein Spritzguß
und/oder Spritzpressverfahren hergestellt ist.
11. Stiftheizer (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das keramische Verbundgefüge
als Bestandteile Trisiliziumtetranitrid und ein Metall
silizid aufweist.
12. Stiftheizer (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich
net, daß die Leitschicht (2) aus 60 Gew.-% MoSi2,
40 Gew.-% Si3N4 und Sinteradditiven und die Isolations
schicht (3) aus 40 Gew.-% MoSi2, 60 Gew.-% Si3N4 und Sin
teradditiven besteht.
13. 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 Metall
silizid gebildet ist
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