EP1463910A1 - Stiftheizer - Google Patents

Stiftheizer

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EP1463910A1
EP1463910A1 EP01271801A EP01271801A EP1463910A1 EP 1463910 A1 EP1463910 A1 EP 1463910A1 EP 01271801 A EP01271801 A EP 01271801A EP 01271801 A EP01271801 A EP 01271801A EP 1463910 A1 EP1463910 A1 EP 1463910A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pin heater
insulation layer
heater
conductive layer
pin
Prior art date
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EP01271801A
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English (en)
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EP1463910B1 (de
Inventor
Gert Lindemann
Wilfried Aichele
Andreas Reissner
Friedericke Lindner
Christof Rau
Guenter Knoll
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Publication of EP1463910A1 publication Critical patent/EP1463910A1/de
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Publication of EP1463910B1 publication Critical patent/EP1463910B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a pin heater, in particular in a glow plug for diesel engines, according to the kind defined in the preamble of claim 1.
  • Glow plugs with metallic and ceramic heaters are known in practice today. Common designs of the ceramic glow plugs have internal metallic or ceramic heaters that are sintered into a high-temperature stable, non-conductive ceramic. incandescent Pen candles of such a type can, however , only be produced by complex heating press processes. In contrast, glow plugs with external heaters can be made from composite ceramics using simple and inexpensive sintering processes.
  • a glow plug for diesel engines with a cylindrical metal tube, with a connection device for electrical contacting and with a ceramic heating device is known for example from WO 96/27104.
  • Glow plug holds the cylindrical metal tube at its tip cantilevered, the ceramic heater is contacted with the connector, so that a current flows through the ceramic heater during the annealing process.
  • the ceramic heating device has at least one point of reduced cross-section, the cross-section of the ceramic heating device being reduced at the point where the fuel-air mixture impinges.
  • the cross-sectional reduction in this ceramic heating device is realized in such a way that the wall thickness of the side wall is reduced accordingly at the point in question.
  • WO 00/35830 describes a further conventional solution for creating a rapidly heating pin heater, which in turn is achieved by reducing the cross section of the pin heater in the area of the hot zone.
  • a pin heater is designed with a filigree tip for reducing the cross section.
  • pin heaters known from the prior art have the disadvantage that they have a hot zone, which is extremely filigree due to the formation of a tip or an other reduction in cross-section in the area of the tip of the
  • Pen heater must be built up to be able to be quickly heated to a high temperature.
  • the proposed pin heater in a glow plug for diesel engines with the features of claim 1 has the advantage that a significantly higher mechanical stability can be achieved by changing the shape of the tip geometry of the pin heater, since the tip of the pin heater is not reduced in its overall cross-section.
  • the heater tip formed with a larger cross section advantageously offers a larger thermal mass. This then counteracts blowing out of the glow plug under certain operating conditions, in particular during a cold start.
  • the pin heater is essentially rotationally symmetrical. This has proven to be advantageous, since such a design of the pin heater enables the candle to glow in its central tip area, as is required for modern, direct-injection diesel engines.
  • the insulation layer is essentially covered by the conductive layer.
  • the insulation layer from the conductive layer is essentially sandwich-like is surrounded, that is to say that when the cross section is viewed, there is a sequence of the conductive layer, a central insulation layer and again a conductive layer, the insulation layer being at least approximately in a central region of the cross section of the pin heater.
  • the insulation layer with its edge region, that is to say, the region bordering the conductive layer, at least partially up to the circumference of the Pen heater extends.
  • the insulation layer can be placed in a tool for spraying on the conductive layer, for example perpendicular to the tool parting plane.
  • the sheath heater has a diameter in the loading range of approximately 2 mm has mm to fifth
  • the arrangement of the conductive layer and the insulation layer is advantageously optimized for a respective manufacturing process for the pencil candle.
  • Preferred manufacturing processes are injection molding and / or injection molding.
  • the optimization is preferably carried out using analytical methods, in particular using a finite element method. With such an optimization, it is possible for a geometry of the pin heater to be calculated which, for example, can be achieved by a two-stage injection molding process Post-processing and subsequent sintering can be produced very easily and inexpensively.
  • the ceramic composite structure of the conductive and insulation layer particularly preferably has trisilicon tetranitride and a metal silicide as constituents.
  • the ceramic composite structure for the conductive layer made of 60% by weight MoSi 2 and 40% by weight Si 3 N 4 and sintering additives and particularly for the insulation layer made of 40% by weight MoSi 2 and 60% by weight Si is particularly preferred 4 N 4 and sintering additives.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a pin heater with two associated cross sections along the lines A-A and B-B according to a first preferred embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a conductive layer of a tip area of a pin heater optimized by finite element calculation according to a second preferred embodiment
  • Figure 3 shows the insulation layer belonging to the conductive layer shown in Figure 2
  • FIG. 4 shows a three-dimensional representation of a pin heater according to FIGS. 2 and 3;
  • Figure 5 is a rear view of the pin heater according to the embodiment shown in Figures 2 to 4;
  • a pin heater 1 in a longitudinally sectioned view, with a conductive layer 2 lying essentially on the outside and an insulation layer 3 lying essentially on the inside, the insulation layer 3 being sandwiched by the conductive layer 2.
  • Both layers 2, 3 comprise a ceramic composite structure.
  • this pin heater 1 has a uniform overall cross section over its entire length, the insulation layer 3 in the area of a tip 4 of the pin heater 1 being enlarged in cross section, while the proportion of the outer conductive layer 2 with respect to the total cross section reduced accordingly.
  • the pin heater according to the preferred embodiment is symmetrical.
  • symmetry can be a symmetry about a symmetry lying in the cross-sectional plane.
  • axis can be understood or a symmetry about an axis of rotation along the axis of the pen heater in a crystallographic sense.
  • a suitable choice of the geometry of the conductive layer 2 and the insulation layer 3 shown in FIG. 1 enables a reduction in the cross section of the conductive layer 2 in the tip region 4, the entire pin heater 1 having a substantially uniform cross section over its entire length. This enables the pin heater 1 to glow quickly in the tip area 4, as is required for modern direct-injection diesel engines, and still has good mechanical stability.
  • a pin heater 1 is shown, the shape of which, in particular the shape of the conductive layer 2 to the insulation layer 3, using analytical means Process was optimized, the optimization being carried out with respect to the manufacturing process of the pin heater 1, in particular an injection molding process.
  • Such a pin heater 1 can be implemented in a simple injection molding process, the insulation layer 3 being first pre-injected in a preformed tool and the ceramic conductive layer 2 being injected around the insulation layer 3 in a second step.
  • the optimization of the geometry was optimized according to the second embodiment shown for composite ceramics such as Si 3 N 4 and MoSi 2 .
  • the conductive layer 2 consists at least approximately of 60% by weight MoSi 2 , 40% by weight Si 3 N 4 and sintering additives, and the insulation layer 3 consists of 40% by weight MoSi 2 , 60% by weight Si 3 N 4 and sintering additives.
  • FIGS. 6 a) to c) show a pin heater 1 which is further optimized with regard to its production method in a cross-sectional view (FIG. 6 a), in a longitudinal section (FIG. 6 b) and. shown in a top view ( Figure 6c).
  • transitions between insulation layer 3 and conductive layer 2 were rounded or rounded, which in turn has proven to be advantageous with respect to injection molding, since after the conductive layer 2 has been sprayed on, there are no peaks in thermal stresses at sharp corners and edges.
  • Spraying process optimized shape of the pin heater 1 can be seen more precisely by an example size.
  • the diameter dl of the pin heater is 3.3 mm
  • the width bl of the insulation layer 3 between the shoulders is 1.9 mm to 2 mm
  • the angle ⁇ of the insulation layer shoulder is preferably 120 °.
  • the pin heater 1 shown in FIG. 6 is also essentially a sandwich-type pin heater 1, in which the insulation layer 3 is essentially arranged between the conductive layer 2, the insulation layer 3 at least partially running out to the edge of the pin heater 1 ,
  • the process of injection molding a pin heater will be briefly explained below as an example.
  • the insulation layer 3 is injection molded.
  • the gate is the thickest
  • a layer thickness of at least 0.8 mm can currently be injection molded in a metallic tool. If a thermal barrier coating, such as A1 2 0 3 , Zr0 2 or the like, is applied to the surface of the cavity of the injection molding tool, then thinner insulation layers 3 can also be injection molded.
  • this insulation layer 3 is placed in the tool perpendicular to the tool parting plane, i.e. So standing, inserted and the conductive layer 2 sprayed on.
  • the injection is carried out on the foot, the insulation layer 3 is overmolded with conductive compound from the foot to the tip 4.
  • the surface of the insulation layer 3 melts briefly and connects to the conductive layer 2.
  • the contour of the insulation layer 3 is on the tool wall with four edges designed so that these edges can be easily reached or melted by the melt of the conductive layer mass. In particular, the rounded transitions are provided for this.
  • insulation layer 3 and conductive layer 2 but do not fuse the un- indirectly 'cavity in the region of the surface, then the mold surface in the area of Transition of insulation layer 3 and conductive layer 2 are in turn provided with a thermal barrier coating.

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Abstract

Es wird ein Stiftheizer (1), in einer Glühstiftkerze für Dieselmotoren beschrieben, der mindstens eine im westlichen innenliegende Isolationsschicht (3) und mindestens eine im wesentlichen aussenliegende Leitschicht (2) aufweist, wobei beide Schichten (2, 3) keramisches Verbundgefüge umfassen. Der Stiftheizer (1) weist im wesentlichen einheitlichen Gesamtquerschnitt (dl) auf, und im Bereich einer Spitze (4) des Stiftheizers (1) vergrössert sich der Anteil der Isolationsschicht (3) am Besamtquerschnitt (dl), während sich der Anteil der Leitschicht (2) am Gesamtquerschnitt (dl) verringert.

Description

Stiftheizer
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Stiftheizer, insbesondere in einer Glühstiftkerze für Dieselmotoren, nach der im Oberbegriff 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 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 Beharrungstempe- ratur von 1200°C erreicht werden kann.
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 hochtempe- raturstabile nichtleitende Keramik eingesintert sind. Glüh- stiftkerzen einer solchen Bauart können jedoch' nur durch aufwendige Heizpreßverfahren hergestellt werden. Dagegen sind Glühstiftkerzen mit außenliegenden Heizern aus Kompositkeramiken 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 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.
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.
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 er- möglicht es, genau die Stelle der Glühstiftkerze am heißesten werden zu lassen, auf die das Brennkraftgemisch auftrifft .
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 Quer- schnittsreduktion mit einer filigranen Spitze ausgebildet.
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 son- stige 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 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 Glüh- stiftkerze sehr groß ist. Vorteile der Erfindung
Der vorgeschlagene Stiftheizer in einer Glühstiftkerze für Dieselmotoren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß durch die veränderte Ausformung der Spitzengeometrie des Stiftheizers eine deutlich höhere mechanische Stabilität 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 Dieselmotoren verlangt wird.
Bei der Gestaltung des Stiftheizers kann es dabei vorgesehen 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 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 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- icht 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, 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 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 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 sowie Sinteradditiven, und für die Isolationsschicht aus 40 Gew.-% MoSi2 und 60 Gew.-% Si4N4 sowie Sinteradditiven gebildet.
Weitere Vorteile und bevorzugte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, 'der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
Zeichnung
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
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.
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 entspre- chend verringert.
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 sym e- trisch ausgebildet. Unter symmetrisch kann dabei eine Symmetrie um eine in der Querschnittsebene liegende Symmetrie- achse 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 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 auf- weist.
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 Stift- heizer 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. 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.
Eine in den Figuren 2 bis 5 dargestellte Ausweitung 3A der Isolationsschicht 3 an den Rändern des Stiftheizers 1 er- höht 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.
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.
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 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.
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.
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 dl 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° .
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. 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 metallischen Werkzeug eine Schichtdicke von minimal 0,8 mm spritz- gießbar. Wird auf die Oberfläche der Kavität des Spritzgießwerkzeuges eine Wärmedämmschicht, wie A1203, Zr02 oder ähnliches, aufgebracht, so sind auch dünnere Isolationsschichten 3 spritzgießbar .
Als nächstes wird diese Isolationsschicht 3 in das Werkzeug senkrecht zur Werkzeugtrennebene, d.h. also stehend, eingelegt 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 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.
Sollten Isolationsschicht 3 und Leitschicht 2 dennoch un- mittelbar 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.
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.

Claims

Patentansprüche
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, dadurch gekennzeichnet, daß der Stiftheizer (1) im wesentlichen über seine gesamte Länge einen im wesentlichen einheitlichen Gesamtquerschnitt (dl) aufweist und im Bereich einer Spitze (4) des Stiftheizers (1) der Anteil der Isolationsschicht (3) am Gesamtquerschnitt (dl) sich vergrößert, während sich der Anteil der Leitschicht (2) am Gesamtquerschnitt (dl) verringert.
2. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt im wesentlichen symmetrisch ausgebildet ist.
3. Ξtiftheizer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsschicht (3) von der Leit- schicht (2) im wesentlichen ummantelt ist.
4. Stiftheizer (l).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 er einen Gesamtdurchmesser (dl) 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 Leitschicht (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 Verfahrens 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 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 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
EP01271801A 2000-10-27 2001-10-30 Stiftheizer Expired - Lifetime EP1463910B1 (de)

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