WO2003040624A1 - Stiftheizer in einer glühstiftkerze und glühstiftkerze - Google Patents

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conductive layer
pin heater
heater
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Christoph Haluschka
Andreas Reissner
Peter Sossinka
Christoph Kern
Wolfgang Dressler
Laurent Jeannel
Steffen Schott
Ruth Hoffmann
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Robert Bosch Gmbh
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    • H05B2203/027—Heaters specially adapted for glow plug igniters

Definitions

  • the invention is based on a pin heater in a glow plug and on a glow plug according to the type of the independent claims.
  • a pin heater in a glow plug for diesel engines which has at least one essentially inner insulation layer and at least one essentially outer guide layer, both layers comprising a ceramic composite structure.
  • the outer conductive layer in the area of a tip of the pin heater on the combustion chamber has a U-shape in longitudinal section, so that the outer guide layer surrounds the insulation layer in the area of the tip of the pin heater on the combustion chamber.
  • the pin heater according to the invention and the glow plug according to the invention with the features of the independent claims have the advantage that the pin heater comprises a second conductive layer, which also comprises a ceramic composite structure, that the second conductive layer is connected to the first conductive layer in the region of a tip of the pin heater on the combustion chamber side, and that the second conductive layer runs inside the insulation layer.
  • a reference potential such as the Vehicle mass
  • the second conductive layer is then already electrically insulated from the outside by the insulation layer, with the exception of the region of the tip of the pin heater on the combustion chamber side. This means that there is no need for an insulation layer that electrically isolates the pin heater from the outside, and thus the manufacturing outlay can be reduced.
  • the first conductive layer is connected to a reference potential, in particular vehicle ground, and the second conductive layer is connected to an operating voltage potential, in particular the positive pole of a vehicle battery. In this way, there is no need for external electrical insulation of the pin heater as described.
  • first conductive layer, the second conductive layer and the insulation layer are arranged essentially rotationally symmetrically in cross section. In this way, an isotropic shrinking of the insulation layer and the conductive layers can be achieved in the manufacture of the pin heater, in which gaseous substances are separated from the respective ceramic material by heating.
  • the essentially rotationally symmetrical arrangement of the insulation layer and the two conductive layers also leads to better concentricity of the pin heater.
  • the insulation layer has a preferred direction in cross-section in which it is stronger than at least one other direction. In this way, on the one hand, bending of the insulation layer during the manufacturing process of the pin heater, in particular when connecting the insulation layer to the first conductive layer, is largely prevented. This increases the mechanical robustness of the pen heater. In addition, the electrical resistance is increased in the preferred direction, so that less leakage currents flow between the first and the second conductive layer in this direction.
  • the second conductive layer has a preferred direction in cross section, in which it is more extensive compared to at least one other direction. In this way, bending of the second conductive layer during manufacture of the pin heater and, in particular, during the connection of the second conductive layer to the insulation layer is largely excluded. This also increases the mechanical robustness of the pen heater.
  • the first conductive layer in the region of the tip of the pin heater on the combustion chamber comprises a first ceramic material that the first conductive layer otherwise comprises a second ceramic material and that the first ceramic material has a higher electrical resistivity than the second ceramic material.
  • a higher electrical resistance can be realized for the first conductive layer in the area of the tip of the pin heater on the combustion chamber than outside the area of the tip on the combustion chamber. The heating of the pin heater can thus be concentrated on the area of the tip of the pin heater on the combustion chamber side.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a pin heater of a glow plug according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a cross section of this pin heater according to the first embodiment
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a pin heater of a glow plug according to a second embodiment
  • Figure 4 shows a cross section through this pin heater according to the second embodiment.
  • 5 denotes a glow plug for installation in a cylinder head of an internal combustion engine, for example a diesel engine.
  • the glow plug 5 comprises a pin heater 1.
  • the pin heater 1 is shown in a longitudinal section, the pin heater 1 comprises an essentially inner insulation layer 10, which is encased on the one hand by an essentially outer first conductive layer 15, 16 and which on the other hand encases a second conductive layer 20.
  • the second conductive layer 20 thus runs inside the insulation layer 10.
  • the first conductive layer 15, 16 is tubular and, according to FIG. 2, has an essentially annular cross section.
  • the insulation layer 10 encased by the first conductive layer 15, 16 is also tubular and, according to FIG. 2, has an essentially annular cross section.
  • the second conductive layer 20 is electrically conductively connected to the first conductive layer 15, 16, the first conductive layer 15, 16 in the region of the tip on the combustion chamber side 40 of the pin heater 1 encloses the insulation layer 10 and the second conductive layer 20 in a longitudinal section according to FIG. 1 approximately U-shaped.
  • the first conductive layer 15, 16, the second conductive layer 20 and the insulation layer 10 are each formed from a ceramic composite structure. That for the insulation layer 10
  • the ceramic composite structure used has a considerably higher specific electrical resistance than the ceramic composite structure used for the guide layers 15, 16, 20. In this way, leakage currents between the first conductive layer 15, 16 and the second conductive layer 20, with the exception of the region of the tip 40 of the pin heater 1 on the combustion chamber side, in which the first conductive layer 15, 16 is connected to the second conductive layer 20, are significantly suppressed.
  • the first conductive layer 15, 16 can now be connected to an operating voltage potential 30, for example a positive pole of the vehicle battery, and the second conductive layer 20 can be connected to a reference potential 25, for example the vehicle ground.
  • the first conductive layer 15, 16 represents the supply line and the second conductive layer 20 represents the discharge for the heating current.
  • the second conductive layer 20 with the operating voltage potential 30 and the first conductive layer 15, 16 with the Reference potential 25 connected.
  • the second conductive layer 20 is the supply line and the first conductive layer 15, 16 is the discharge line for the heating current.
  • the second conductive layer 20 is already insulated from the outside as a feed line by the insulation layer 10.
  • the diameter of the pin heater 1 can be, for example, 3.3 mm.
  • the first conductive layer 15, 16 in the area of the tip 40 of the pin heater on the combustion chamber side 1 comprises a first ceramic material 16, whereas the first conductive layer 15, 16 otherwise comprises a second ceramic material 15.
  • the first ceramic material 16 has a higher specific electrical resistance than the second ceramic material 15 and the second conductive layer 20 at the temperatures occurring during operation of the pin heater 1.
  • the first ceramic material 16 encloses the insulation layer 10 and the second conductive layer 20 in a U-shape in longitudinal section according to FIG.
  • the resulting increased electrical resistance in the area of the combustion chamber-side tip 40 of the pin heater 1 concentrates the heating of the pin heater 1 in the area of the combustion chamber-side tip 40 of the pin heater 1 and thus displaces it as far as possible into the combustion chamber of the internal combustion engine. This enables a short heating-up time from -20 ° C to a temperature of 1000 ° C in the order of 2s and a steady temperature of over 1200 ° C.
  • the pin heater 1 is heated, gaseous substances from the first conductive layer 15, 16, from the insulation layer 10 and can be separated from the second conductive layer 20. This causes these layers to shrink.
  • Such shrinkage also occurs when the pin heater 1 is sintered Process, a hot pressing process, a hot isostatic pressing process or a similar method is produced.
  • the insulation layer 10 shrinks due to its different composition from the first conductive layer 15, 16 and the second conductive layer 20, each different from these two conductive layers. Due to the rotationally symmetrical arrangement of all layers 10, 15, 16, 20, all layers 10, 15, 16, 20 shrink isotropically, so that there are lower mechanical stresses due to differences in shrinkage.
  • the pin heater 1 When the pin heater 1 is operated in the cylinder head, the pin heater 1 is cyclically heated and cooled. Due to the different material for the insulation layer 10 compared to the first conductive layer 15, 16 and the second conductive layer 20, there is a different thermal expansion of the insulating layer 10 in comparison to the first conductive layer 15, 16 and to the second conductive layer 20. The thermally induced mechanical stresses which are formed in the process are considerably reduced on account of the rotational symmetry.
  • Another advantage of the essentially concentric and rotationally symmetrical arrangement of the layers 10, 15, 16, 20 of the pin heater 1 also leads to a better concentricity of the pin heater 1, even if the layers are not arranged exactly concentrically, but slightly eccentrically due to manufacturing tolerances ,
  • Another advantage of the essentially rotationally symmetrical arrangement of the layers 10, 15, 16, 20 of the pin heater 1 according to FIG. 2 is that a position of the insulation layer 10 that is slightly eccentric due to manufacturing tolerances does not lead to any change in the electrical resistance behavior of the pin heater 1, since both the Cross sectional area the second conductive layer 20, and the cross-sectional area of the first conductive layer 15, 16 is not changed.
  • FIGS. 3 and 4 in which the same reference numerals designate the same elements as in the first exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, the pin heater in FIG. 3 is again shown in a longitudinal section.
  • Figure 4 shows the cross section of the pin heater 1 along a section line B-B drawn in Figure 3.
  • the first conductive layer 15, 16 in the region of the tip 40 of the pin heater 1 on the combustion chamber side comprises the first ceramic material 16 and otherwise the second ceramic material 15, the first ceramic material 16 having a higher specific electrical resistance than the second ceramic material 15 ,
  • the proportion of the insulation layer 10 in the total cross section increases, while the proportion of the two guide layers 15, 16, 20 in the total cross section decreases , According to FIG.
  • the cross-sectional area of the insulation layer 10 can remain the same, as shown in FIG. 3.
  • the cross-sectional area of the second conductive layer 20 can also remain the same, as shown in FIG. 3. In this case, as shown in FIG. 3, the overall cross section toward the tip 40 of the pin heater 1 on the combustion chamber side is reduced.
  • the cross-section of the first conductive layer 15, 16 can be reduced toward the tip 40 of the pin heater 1 on the combustion chamber side This is accompanied by an increase in the cross-sectional area of the insulation layer 10 toward the tip 40 on the combustion chamber side, so that the overall cross section of the pin heater 1 remains essentially the same over its entire length.
  • the aim of these measures is to increase the electrical resistance in the region of the tip 40 of the pin heater 1 on the combustion chamber side in order to concentrate the heating power there.
  • the cross section shown in FIG. 4 along the section line BB lies outside the region of the cross-sectional constriction of the pin heater 1, but also applies qualitatively to the region of the cross-sectional constriction shown in FIG. 3 in the region of the tip 40 on the combustion chamber side.
  • the first conductive layer 15, 16, the second conductive layer 20 and the insulation layer 10 are arranged essentially concentrically to one another, but are no longer rotationally symmetrical. This is because the insulation layer 10 in the second embodiment has a preferred direction 35 in cross section in comparison to the insulation layer 10 in the first embodiment, in which it is more extensive compared to at least one other direction.
  • the insulation layer 10 is extended in the preferred direction 35 to the outer edge of the pin heater 1, so that the first conductive layer 15, 16 is divided into two outside the region of the tip 40 on the combustion chamber side.
  • the insulation layer 10 does not have to be extended in its preferred direction 35 to the edge of the pin heater 1, so that the aforementioned division of the first conductive layer 15, 16 is not absolutely necessary.
  • the preferred direction 35 for the insulation layer 10 there is the advantage that bending of the insulation layer 10 when it is connected to the first conductive layer 15, 16 during the manufacturing process of the pin heater 1 can be largely avoided, so that the pin heater 1 is made mechanically more robust overall can than this in the rotationally symmetrical arrangement according to the first embodiment is possible.
  • the second conductive layer 20 can also have a preferred direction 45 in cross section, in which it is more extensive than at least one other direction. In this way, bending of the second conductive layer 20 when connecting to the insulation layer 10 in the manufacture of the pin heater 1 can be largely prevented. This measure also increases the mechanical robustness of the pin heater 1 compared to the rotationally symmetrical arrangement according to the first exemplary embodiment. If both bending of the second conductive layer 20 and the insulation layer 10 are to be avoided in the manufacture of the pin heater 1, both the insulation layer 10 and the second conductive layer 20 should have a preferred direction in cross section in which they are compared to at least one other direction is more extensive.
  • the insulation layer 10 has the preferred direction 35, the electrical insulation effect can be increased in this direction and the formation of leakage currents between the second conductive layer 20 and the first conductive layer 15, 16 can be considerably reduced.
  • the shape of the pin heater 1 can be realized as an inexpensive large-scale production process by means of an injection molding process, by means of a transfer molding process or by means of a slip casting process.
  • a composite ceramic can be used, which in the case of the two conductive layers 15, 16, 20 is designed as a matrix with conductive fillers. This enables higher operating temperatures, higher corrosion resistance and a longer service life to be achieved.
  • an external heater is implemented with the first conductive layer 15, 16, the heating-up time of the pin heater can be shortened and, for example, an immediate start of the internal combustion engine can also be achieved even at -20 ° C.
  • the manufacturing outlay can be reduced.
  • the diameter of the pin heater 1 can be, for example, approximately 3.3 mm.
  • the glow plug 5 with the pin heater 1 presented here can be installed, for example, in an M8 housing of the cylinder head.
  • the external heater realized by the first conductive layer 15, 16, starting from -20 ° C a temperature of 1000 ° C and a steady temperature of over 1200 ° C can be reached within a few seconds.
  • the heating-up time can be reduced if, as described, the resistance of the first ceramic material 16 is increased in relation to the resistance of the second ceramic material 15 and the resistance of the second conductive layer 20. This measure can also be used to increase the steady-state temperature.
  • the second conductive layer 20 is guided inside the insulation layer 10, as is also the case in the first exemplary embodiment.

Abstract

Es wird ein Stiftheizer (1) in einer Glühstiftkerze (5) und eine Glühstiftkerze (5) für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen, die verbesserte elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen. Der Stiftheizer (1) weist mindestens eine im wesentlichen innenliegende Isolationsschicht (10) und eine im wesentlichen aussenliegende erste Leitschicht (15, 16) auf, wobei beide Schichten (10; 15, 16) keramisches Verbundgefüge umfassen. Der Stiftheizer (1) umfasst eine zweite Leitschicht (20), die ebenfalls keramisches Verbundgefüge umfasst. Die zweite Leitschicht (20) ist im Bereich einer brennraumseitigen Spitze (40) des Stiftheizers (1) mit der ersten Leitschicht (15, 16) verbunden. Die zweite Leitschicht (20) verläuft im Inneren der Isolationsschicht (10).

Description

Stiftheizer in einer Glühstiftkerze und Glühstiftkerze
Stand der Technik
Die Erfindung geht von einem Stiftheizer in einer Glühstiftkerze und von einer Glühstiftkerze nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus .
Aus der DE 100 53 327 ist bereits ein Stiftheizer in einer Glühstiftkerze für Dieselmotoren bekannt, der mindestens eine im wesentlichen innen liegende Isolationsschicht und mindestens eine im wesentlichen außen liegende Leitschicht aufweist, wobei beide Schichten keramisches Verbundgefüge umfassen. Auf diese Weise weist die außenliegende Leitschicht im Bereich einer brennraumseitigen Spitze des Stiftheizers im Längsschnitt eine U-Form auf, so dass die außenliegende Leitschicht die Isolationsschicht im Bereich der brennraumseitigen Spitze des Stiftheizers umschließt.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Stiftheizer und die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass der Stiftheizer eine zweite Leitschicht umfasst, die ebenfalls keramisches Verbundgefüge umfasst, dass die zweite Leitschicht im Bereich einer brennraumseitigen Spitze des Stiftheizers mit der ersten Leitschicht verbunden ist, und dass die zweite Leitschicht im Inneren der Isolationsschicht verläuft. Auf diese Weise kann auf eine äußere, elektrische Isolierung des Stiftheizers gegen ein Bezugspotenzial, beispielsweise die Fahrzeugmasse, verzichtet werden, wenn die erste Leitschicht als Ableitung und damit sowieso zur Verbindung mit dem Bezugspotenzial und die zweite Leitschicht als Zuleitung und damit zur Verbindung mit einem Betriebsspannungspotenzial, beispielsweise dem Pluspol einer Fahrzeugbatterie, vorgesehen sind. Die zweite Leitschicht ist dann bereits durch die Isolationsschicht mit Ausnahme des Bereichs der brennraumseitigen Spitze des Stiftheizers nach außen hin elektrisch isoliert. Somit kann auf eine den Stiftheizer nach außen hin elektrisch isolierende Isolationsschicht verzichtet und somit der Herstellungsaufwand verringert werden. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Stiftheizers gemäß dem ersten unabhängigen Anspruch möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Leitschicht an ein Bezugspotenzial, insbesondere Fahrzeugmasse, und die zweite Leitschicht an ein Betriebsspannungspotenzial, insbesondere den Pluspol einer Fahrzeugbatterie, angeschlossen ist. Auf diese Weise kann auf eine äußere elektrische Isolierung des Stiftheizers wie beschrieben verzichtet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Leitschicht, die zweite Leitschicht und die Isolationsschicht im Querschnitt im wesentlichen rotationssymmetrisch angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich bei der Herstellung des Stiftheizers, bei der durch Erhitzen gasförmige Stoffe aus dem jeweiligen keramischen Material abgesondert werden, ein isotropes Schumpfen der Isolationsschicht und der Leitschichten realisieren.
Weiterhin lassen sich beim Betrieb des Stiftheizers im Verbrennungsmotor und der damit verbundenen zyklischen Erwärmung und Abkühlung des Stiftheizers thermisch induzierte, mechanische Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärme- ausdehnungen der Isolationsschicht und der Leitschichten erheblich reduzieren.
Die im wesentlichen rotationssymmetrische Anordnung der Isolationsschicht und der beiden Leitschichten führt außerdem zu einem besseren Rundlaufverhalten des Stiftheizers.
Auf diese Weise wird also die thermische und mechanische Belastbarkeit des Stiftheizers und damit dessen Dauerhaltbarkeit erhöht.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Isolationsschicht im Querschnitt eine Vorzugsrichtung aufweist, in der sie im Vergleich zu mindestens einer anderen Richtung stärker ausgebildet ist. Auf diese Weise wird zum einen ein Verbiegen der Isolationsschicht beim Herstellungsprozess des Stiftheizers, insbesondere beim Verbinden der Isolationsschicht mit der ersten Leitschicht, weitgehend verhindert. Die mechanische Robustheit des Stiftheizers wird dadurch erhöht. Außerdem wird der elektrische Widerstand in Vorzugsrichtung erhöht, so dass in diese Richtung weniger Leckströme zwischen der ersten und der zweiten Leitschicht fließen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die zweite Leitschicht im Querschnitt eine Vorzugsrichtung aufweist, in der sie im Vergleich zu mindestens einer anderen Richtung stärker ausgedehnt ist. Auf diese Weise wird ein Verbiegen der zweiten Leitschicht beim Herstellen des Stiftheizers und dabei besonders bei der Verbindung der zweiten Leitschicht mit der Isolationsschicht weitgehend ausgeschlossen. Dadurch wird die mechanische Robustheit des Stiftheizers ebenfalls erhöht .
Vorteilhaft ist auch, dass die erste Leitschicht im Bereich der brennraumseitigen Spitze des Stiftheizers ein erstes Keramikmaterial umfasst, dass die erste Leitschicht ansonsten ein zweites Keramikmaterial umfasst und dass das erste Keramikmaterial einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand als das zweite Keramikmaterial umfasst. Auf diese Weise lässt sich für die erste Leitschicht im Bereich der brennraumseitigen Spitze des Stiftheizers ein höherer elektrischer Widerstand realisieren als außerhalb des Bereichs der brennraumseitigen Spitze. Somit kann die Erwärmung des Stiftheizers auf den Bereich der brennraumseitigen Spitze des Stiftheizers konzentriert werden.
Dieser Vorteil ergibt sich auch dann, wenn im Bereich der brennraumseitigen Spitze des Stiftheizers der Anteil der I- solationsschicht am Gesamtquerschnitt sich vergrößert, während sich der Anteil der beiden Leitschichten am Gesamtquerschnitt verringert.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . Es zeigen
Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Stiftheizer einer Glühstiftkerze gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 einen Querschnitt dieses Stiftheizers gemäß der ersten Ausführungsform,
Figur 3 einen Längsschnitt durch einen Stiftheizer einer Glühstiftkerze gemäß einer zweiten Ausführungsform und
Figur 4 einen Querschnitt durch diesen Stiftheizer gemäß der zweiten Ausführungsform.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 1 kennzeichnet 5 eine Glühstiftkerze zum Einbau in einen Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors. Die Glühstiftkerze 5 umfasst einen Stiftheizer 1. Weitere Komponenten der Glühstiftkerze 5, die beispielsweise die Befestigung des Stiftheizers 1 in einem Gehäuse oder die Befestigung der Glühstiftkerze 5 in einem Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors betreffen, sind der Ü- bersichtlichkeit halber nicht dargestellt. In Figur 1 ist dabei der Stiftheizer 1 in einem Längsschnitt dargestellt, der Stiftheizer 1 umfasst eine im wesentlichen innenliegende Isolationsschicht 10, die einerseits von einer im wesentlichen außenliegenden ersten Leitschicht 15, 16 ummantelt ist und die andererseits eine zweite Leitschicht 20 ummantelt. Die zweite Leitschicht 20 verläuft somit im Inneren der Isolationsschicht 10. Dabei ist die erste Leitschicht 15, 16 röhrenförmig ausgebildet und weist gemäß Figur 2 einen im wesentlichen ringförmigen Querschnitt auf. Auch die von der ersten Leitschicht 15, 16 ummantelte Isolationsschicht 10 ist röhrenförmig ausgebildet und weist gemäß Figur 2 einen im wesentlichen ringförmigen Querschnitt auf. Im Inneren der Isolationsschicht 10 verläuft dann die zweite Leitschicht 20, die von der Isolationsschicht 10 ummantelt und zylinder- förmig ausgebildet ist, so dass sie gemäß Figur 2 im Querschnitt im wesentlichen eine Kreisfläche bildet. Im Bereich einer brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1, in dem die Isolationsschicht 10 die zweite Leitschicht 20 freigibt, ist die zweite Leitschicht 20 mit der ersten Leitschicht 15, 16 elektrisch leitend verbunden, wobei die erste Leitschicht 15, 16 in dem Bereich der brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1 die Isolationsschicht 10 und die zweite Leitschicht 20 im Längsschnitt gemäß Figur 1 etwa U-förmig umschließt.
Die erste Leitschicht 15, 16, die zweite Leitschicht 20 und die Isolationsschicht 10 sind jeweils aus einem keramischen Verbundgefüge gebildet. Das für die Isolationsschicht 10 verwendete keramische Verbundgefüge weist dabei einen erheblich höheren spezifischen elektrischen Widerstand auf, als das für die Leitschichten 15, 16, 20 verwendete keramische Verbundgefüge. Auf diese Weise werden Leckströme zwischen der ersten Leitschicht 15, 16 und der zweiten Leitschicht 20, mit Ausnahme des Bereichs der brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1, in dem die erste Leitschicht 15, 16 mit der zweiten Leitschicht 20 verbunden ist, erheblich unterdrückt .
Es kann nun beispielsweise die erste Leitschicht 15, 16 mit einem Betriebsspannungspotenzial 30, beispielsweise einem Pluspol der Fahrzeugbatterie, und die zweite Leitschicht 20 mit einem Bezugspotenzial 25, beispielsweise der Fahrzeugmasse, verbunden sein. In diesem Fall stellt die erste Leitschicht 15, 16 die Zuleitung und die zweite Leitschicht 20 die Ableitung für den Heizstrom dar. In besonders vorteilhafter Weise wird jedoch gemäß Figur 1 die zweite Leitschicht 20 mit dem Betriebsspannungspotenzial 30 und die erste Leitschicht 15, 16 mit dem Bezugspotenzial 25 verbunden. In diesem Fall ist die zweite Leitschicht 20 die Zuleitung und die erste Leitschicht 15, 16 die Ableitung für den Heizstrom. Die zweite Leitschicht 20 ist dabei als Zuleitung bereits durch die Isolationsschicht 10 nach außen isoliert. Da die erste Leitschicht 15, 16 sowieso zum Anschluss an das Bezugspotenzial 25 vorgesehen ist, spielt es keine Rolle, wenn sie mit der Fahrzeugmasse beziehungsweise dem Bezugspotenzial 25 in Berührung kommt, so dass die erste Leitschicht 15, 16 nicht nochmals nach außen isoliert werden muss. Der Durchmesser des Stiftheizers 1 kann dabei beispielsweise 3,3mm betragen.
Zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes im Bereich der Spitze 40 des Stiftheizers 1 kann es, wie in Figur 1 dargestellt, vorgesehen sein, dass die erste Leitschicht 15, 16 im Bereich der brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1 ein erstes Keramikmaterial 16 umfasst, wohingegen die erste Leitschicht 15, 16 ansonsten ein zweites Keramikmaterial 15 umfasst. Dabei weist das erste Keramikmaterial 16 bei den im Betrieb des Stiftheizers 1 auftretenden Temperaturen einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand als das zweite Keramikmaterial 15 und die zweite Leitschicht 20 auf. Das erste Keramikmaterial 16 umschließt dabei im Längsschnitt gemäß Figur 1 die Isolationsschicht 10 und die zweite Leitschicht 20 U-förmig. Durch den dadurch realisierten, erhöhten elektrischen Widerstand im Bereich der brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1 wird die Erwärmung des Stiftheizers 1 im Bereich der brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1 konzentriert und somit weitestmöglich in den Brennraum des Verbrennungsmotors hinein verschoben. Dadurch lässt sich eine kurze Aufheizzeit von -20°C bis auf eine Temperatur von 1000°C in der Größenordnung von 2s und eine Beharrungstemperatur von über 1200°C realisieren.
Anhand des Querschnitts des Stiftheizers 1 gemäß Figur 2 entlang der in Figur 1 eingezeichneten Schnittlinie A-A ist erkennbar, dass bei dieser ersten Ausführungsform des Stiftheizers 1 die erste Leitschicht 15, 16, die Isolationsschicht 10 und die zweite Leitschicht 20 im wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind. Dabei ist die erste Leitschicht 15, 16 und die Isolationsschicht 10 im Querschnitt im wesentlichen jeweils kreisringförmig ausgebildet. Die zweite Leitschicht 20 weist im Querschnitt im wesentlichen eine Kreisflächenform auf. Somit ergibt sich eine im Querschnitt im wesentlichen rotationssymmetrische Anordnung der ersten Leitschicht 15, 16, der zweiten Leitschicht 20 und der Isolationsschicht 10. Bei der Herstellung wird der Stiftheizer 1 erhitzt, wobei gasförmige Stoffe aus der ersten Leitschicht 15, 16, aus der Isolationsschicht 10 und aus der zweiten Leitschicht 20 abgesondert werden. Dies führt zu einem Schrumpfen dieser Schichten. Ein solches Schrumpfen tritt auch auf, wenn der Stiftheizer 1 mittels eines Sinter- Prozesses, eines Heißpressprozesses, eines heißisostatischen Pressprozesses oder eines ähnlichen Verfahrens hergestellt wird. Die Isolationsschicht 10 schrumpft dabei aufgrund ihrer zur ersten Leitschicht 15, 16 und zur zweiten Leitschicht 20 verschiedenen Zusammensetzung jeweils unterschiedlich zu diesen beiden Leitschichten. Aufgrund der rotationssymmetrischen Anordnung sämtlicher Schichten 10, 15, 16, 20 schrumpfen sämtliche Schichten 10, 15, 16, 20 dabei isotrop, so dass sich geringere mechanische Spannungen aufgrund von Schrumpfungsunterschieden ergeben.
Beim Betrieb des Stiftheizers 1 im Zylinderkopf kommt es zu einer zyklischen Erwärmung und Abkühlung des Stiftheizers 1. Aufgrund des unterschiedlichen Materials für die Isolationsschicht 10 im Vergleich zur ersten Leitschicht 15, 16 und zur zweiten Leitschicht 20 kommt es dabei zu einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung der Isolationsschicht 10 im Vergleich zur ersten Leitschicht 15, 16 und zur zweiten Leitschicht 20. Die sich dabei bildenden, thermisch induzierten mechanischen Spannungen werden aufgrund der Rotationssymmetrie erheblich reduziert.
Ein weiterer Vorteil der im wesentlichen konzentrischen und rotationssymmetrischen Anordnung der Schichten 10, 15, 16, 20 des Stiftheizers 1 führt auch zu einem besseren Rundlauf des Stiftheizers 1, selbst dann, wenn die Schichten nicht exakt konzentrisch, sondern leicht azentrisch aufgrund von Herstellungstoleranzen angeordnet sind.
Vorteilhaft bei der im wesentlichen rotationssymmetrischen Anordnung der Schichten 10, 15, 16, 20 des Stiftheizers 1 gemäß Figur 2 ist auch, dass eine aufgrund von Herstellungstoleranzen leicht azentrische Lage der Isolationsschicht 10 zu keiner Veränderung des elektrischen Widerstandsverhaltens des Stiftheizers 1 führt, da sowohl die Querschnittsfläche der zweiten Leitschicht 20, als auch die Querschnittsfläche der ersten Leitschicht 15, 16 nicht verändert wird.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel nach Figur 3 und Figur 4, bei dem gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen wie beim ersten Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2, ist der Stiftheizer in Figur 3 wieder in einem Längsschnitt dargestellt. Figur 4 zeigt dann den Querschnitt des Stiftheizers 1 entlang einer in Figur 3 eingezeichneten Schnittlinie B-B.
Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 umfasst die erste Leitschicht 15, 16 im Bereich der brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1 das erste Keramikmaterial 16 und ansonsten das zweite Keramikmaterial 15, wobei das erste Keramikmaterial 16 einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand als das zweite Keramikmaterial 15 umfasst. Alternativ oder, wie in Figur 3 dargestellt, zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass im Bereich der brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1 der Anteil der Isolationsschicht 10 am Gesamtquerschnitt sich vergrößert, während sich der Anteil der beiden Leitschichten 15, 16, 20 am Gesamtquerschnitt verringert. Dies ist gemäß Figur 3 so realisiert, dass der Querschnitt der Isolationsschicht 10 und der zweiten Leitschicht 20 gleichbleibt, wohingegen sich der Querschnitt der ersten Leitschicht 15, 16 im Bereich der brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1 zur brennraumseitigen Spitze 40 hin verringert. Dabei kann die Querschnittsfläche der Isolationsschicht 10, wie in Figur 3 dargestellt, gleichbleiben. Die Querschnittsfläche der zweiten Leitschicht 20 kann dabei, wie in Figur 3 dargestellt, ebenfalls gleichbleiben. In diesem Fall wird, wie in Figur 3 dargestellt, der Gesamtquerschnitt zur brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1 hin verringert. Alternativ kann die Verringerung des Querschnitts der ersten Leitschicht 15, 16 zur brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1 hin mit einer Vergrößerung der Querschnittsfläche der Isolationsschicht 10 zur brennraumseitigen Spitze 40 hin einhergehen, so dass der Gesamtquerschnitt des Stiftheizers 1 im wesentlichen über seine gesamte Länge gleichbleibt. Ziel dieser Maßnahmen ist, wie auch beim zweiten Ausführungsbei- spiel, eine Erhöhung des elektrischen Widerstandes im Bereich der brennraumseitigen Spitze 40 des Stiftheizers 1, um dort die Heizleistung zu konzentrieren.
Der in Figur 4 dargestellte Querschnitt entlang der Schnittlinie B-B liegt außerhalb des Bereichs der Querschnittsverengung des Stiftheizers 1, trifft aber qualitativ auch für den Bereich der in Figur 3 dargestellten Querschnittsverengung im Bereich der brennraumseitigen Spitze 40 zu. Die erste Leitschicht 15, 16, die zweite Leitschicht 20 und die I- solationsschicht 10 sind zwar im wesentlichen konzentrisch zueinander, aber nicht mehr rotationssymmetrisch angeordnet. Dies liegt daran, dass die Isolationsschicht 10 bei der zweiten Ausführungsform im Vergleich zur Isolationsschicht 10 bei der ersten Ausführungsform im Querschnitt eine Vorzugsrichtung 35 aufweist, in der sie im Vergleich zu mindestens einer anderen Richtung stärker ausgedehnt ist. So ist gemäß Figur 4 die Isolationsschicht 10 in der Vorzugsrichtung 35 bis zum äußeren Rand des Stiftheizers 1 hin ausgedehnt, so dass die erste Leitschicht 15, 16 außerhalb des Bereichs der brennraumseitigen Spitze 40 zweigeteilt ist. Die Isolationsschicht 10 muss jedoch in ihrer Vorzugsrichtung 35 nicht bis zum Rand des Stiftheizers 1 ausgedehnt sein, so dass die genannte Zweiteilung der ersten Leitschicht 15, 16 nicht unbedingt erforderlich ist. Durch Verwendung der Vorzugsrichtung 35 für die Isolationsschicht 10 ergibt sich der Vorteil, dass ein Verbiegen der Isolationsschicht 10 bei ihrer Verbindung mit der ersten Leitschicht 15, 16 beim Herstellungsprozess des Stiftheizers 1 weitgehend vermieden werden kann, so dass der Stiftheizer 1 insgesamt mechanisch robuster ausgebildet werden kann als dies bei der rotationssymmetrischen Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel möglich ist. Wenn auch in Figur 4 nicht dargestellt, so kann auch die zweite Leitschicht 20 alternativ oder zusätzlich zur Isolationsschicht 10 im Querschnitt eine Vorzugsrichtung 45 aufweisen, in der sie im Vergleich zu mindestens einer anderen Richtung stärker ausgedehnt ist. Auf diese Weise lässt sich auch ein Durchbiegen der zweiten Leitschicht 20 beim Verbinden mit der Isolationsschicht 10 bei der Herstellung des Stiftheizers 1 weitgehend verhindern. Auch durch diese Maßnahme wird die mechanische Robustheit des Stiftheizers 1 im Vergleich zur rotationssymmetrischen Anordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erhöht. Soll sowohl ein Durchbiegen der zweiten Leitschicht 20, als auch der Isolationsschicht 10 bei der Herstellung des Stiftheizers 1 vermieden werden, so sollte sowohl die Isolationsschicht 10, als auch die zweite Leitschicht 20 im Querschnitt eine Vorzugsrichtung aufweisen, in der sie im Vergleich zu mindestens einer anderen Richtung stärker ausgedehnt ist.
Wenn die Isolationsschicht 10, wie in Figur 4 dargestellt, die Vorzugsrichtung 35 aufweist, so kann in dieser Richtung die elektrische Isolationswirkung verstärkt und die Ausbildung von Leckströmen zwischen der zweiten Leitschicht 20 und der ersten Leitschicht 15, 16 erheblich verringert werden.
Die Formgebung des Stiftheizers 1 ist mittels eines Spritzgussverfahrens, mittels eines Transfermolding-Verfahrens o- der mittels eines Schlickerguss-Verfahrens als kostengünstiges Großserienverfahren realisierbar. Für die erste Leitschicht 15, 16, die zweite Leitschicht 20 und die Isolationsschicht 10 kann jeweils eine Kompositkeramik verwendet werden, die im Falle der beiden Leitschichten 15, 16, 20 als Matrix mit leitenden Füllstoffen ausgebildet ist. Dadurch lassen sich höhere Einsatztemperaturen, eine höhere Korrosionsbeständigkeit und eine längere Lebensdauer realisieren. Dadurch, dass mit der ersten Leitschicht 15, 16 ein außenliegender Heizer realisiert wird, lässt sich die Aufheizzeit des Stiftheizers verkürzen und beispielsweise auch bei -20°C quasi ein Sofortstart des Verbrennungsmotors realisieren. Durch Wegfall einer äußeren, elektrischen Isolierung des Stiftheizers 1 aufgrund der durch die Isolationsschicht 10 isolierten, mit dem Betriebsspannungspotenzial 30 verbundenen zweiten Leitschicht 20 kann der Herstellungsaufwand reduziert werden. Der Durchmesser des Stiftheizers 1 kann beispielsweise bei etwa 3,3mm liegen. Die Glühstiftkerze 5 mit dem hier vorgestellten Stiftheizer 1 lässt sich dabei beispielsweise in ein M8-Gehäuse des Zylinderkopfes einbauen.
Aufgrund des durch die erste Leitschicht 15, 16 realisierten, außenliegenden Heizers, lässt sich ausgehend von -20°C, innerhalb von wenigen Sekunden eine Temperatur von 1000°C und eine Beharrungstemperatur von über 1200°C erreichen. Die Aufheizzeit kann dabei reduziert werden, wenn wie beschrieben der Widerstand des ersten Keramikmaterials 16 in Relation zum Widerstand des zweiten Keramikmaterials 15 und zum Widerstand der zweiten Leitschicht 20 erhöht wird. Durch diese Maßnahme lässt sich auch eine Erhöhung der Beharrungstemperatur erzielen. Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel ist die zweite Leitschicht 20 im Inneren der Isolationsschicht 10 geführt, wie dies auch im ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Claims

Ansprüche
1. Stiftheizer (1) in einer Glühstiftkerze (5) für Verbrennungsmotoren, der mindestens eine im wesentlichen innenliegende Isolationsschicht (10) und eine im wesentlichen außenliegende erste Leitschicht (15, 16) aufweist, wobei beide Schichten (10; 15, 16) keramisches Verbundgefüge umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Stiftheizer
(1) eine zweite Leitschicht (20) umfaßt, die ebenfalls keramisches Verbundgefüge umfaßt, dass die zweite Leitschicht (20) im Bereich einer brennraumseitigen Spitze (40) des Stiftheizers (1) mit der ersten Leitschicht (15, 16) verbunden ist, und dass die zweite Leitschicht (20) im Innern der Isolationsschicht (10) verläuft.
2. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschicht (15, 16) an ein Bezugspotenzial (25) , insbesondere Fahrzeugmasse, und die zweite Leitschicht (20) an ein Betriebsspannungspotenzial (30) , insbesondere den Pluspol einer Fahrzeugbatterie, angeschlossen ist.
3. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschicht (15, 16), die zweite Leitschicht (20) und die Isolationsschicht (10) im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind.
4. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschicht (15, 16), die zweite Leitschicht (20) und die Isolationsschicht (10) im Querschnitt im Wesentlichen rotationssymmetrisch angeordnet sind.
5. Stiftheizer (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschicht (15, 16) und die Isolationsschicht (10) im Querschnitt im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet sind und dass die zweite Leitschicht (20) im Querschnitt im Wesentlichen eine Kreisfläche bildet.
6. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (10) im Querschnitt eine Vorzugsrichtung (35) aufweist, in der sie im Vergleich zu mindestens einer anderen Richtung stärker ausgedehnt ist.
7. Stiftheizer (1) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leitschicht (20) im Querschnitt eine Vorzugsrichtung (45) aufweist, in der sie im Vergleich zu mindestens einer anderen Richtung stärker ausgedehnt ist.
8. Stiftheizer (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitschicht (15, 16) im Bereich der brennraumseitigen Spitze (40) des Stiftheizers (1) ein erstes Keramikmaterial (16) umfaßt, dass die erste Leitschicht (15, 16) ansonsten ein zweites Keramikmaterial (15) umfaßt und dass das erste Keramikmaterial (16) einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand als das zweite Keramikmaterial (15) umfaßt.
9. Stiftheizer (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der brennraumseitigen Spitze (40) des Stiftheizers (1) der Anteil der Isolationsschicht (10) am Gesamtquerschnitt sich vergrößert, während sich der Anteil der beiden Leitschichten (15, 16; 20) am Gesamtquerschnitt verringert.
10. Glühstiftkerze (5) mit einem Stiftheizer (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.
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