(57)【要約】本発明は、ディーゼルエンジンに用いられるシース型グロープラグに設けられたシースヒータ（１）であって、当該シースヒータ（１）が、主として内側に位置する少なくとも１つの絶縁層（３）と、主として外側に位置する少なくとも１つの導電層（２）とを有しており、両層（２，３）が、セラミックス複合構造体を有している形式のものに関する。当該シースヒータ（１）が、ほぼその全長にわたってほぼ一貫した総横断面（ｄ１）を有しており、当該シースヒータ（１）の先端部（４）の領域において、総横断面（ｄ１）に対する絶縁層（３）の割合が増加しているのに対して、総横断面（ｄ１）に対する導電層（２）の割合が減少していることが提案されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンに用いられるシース型グロープラグに設けられたシースヒータ（１）であって、当該シースヒータ（１）が、主として内側に位置する少なくとも１つの絶縁層（３）と、主として外側に位置する少なくとも１つの導電層（２）とを有しており、両層（２，３）が、セラミックス複合構造体を有している形式のものにおいて、当該シースヒータ（１）が、ほぼその全長にわたってほぼ一貫した総横断面（ｄ１）を有しており、当該シースヒータ（１）の先端部（４）の領域において、総横断面（ｄ１）に対する絶縁層（３）の割合が増加しているのに対して、総横断面（ｄ１）に対する導電層（２）の割合が減少していることを特徴とする、シースヒータ。
【請求項２】
横断面が、ほぼ対称的に形成されている、請求項１記載のシースヒータ。
【請求項３】
絶縁層（３）が、導電層（２）によってほぼ被覆されている、請求項１または２記載のシースヒータ。
【請求項４】
絶縁層（３）が、導電層（２）によってサンドイッチ状に取り囲まれている、請求項１から３までのいずれか１項記載のシースヒータ。
【請求項５】
当該シースヒータ（１）が、少なくともほぼ２ｍｍ〜５ｍｍの範囲内の総横断面（ｄ１）を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載のシースヒータ。
【請求項６】
導電層（２）と絶縁層（３）との互いの形状形成が、製作法に関して最適化されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のシースヒータ。
【請求項７】
最適化が、解析法によって行われるようになっている、請求項６記載のシースヒータ。
【請求項８】
解析法が有限要素法である、請求項７記載のシースヒータ。
【請求項９】
有限要素法が、統計的な評価法（ＳＴＡＵ）によって補足されている、請求項８記載のシースヒータ。
【請求項１０】
当該シースヒータ（１）が、射出成形法および／またはトランスファ成形法によって製作されている、請求項１から９までのいずれか１項記載のシースヒータ。
【請求項１１】
セラミックス複合構造体が、成分として窒化ケイ素と金属ケイ化物とを有している、請求項１から１０までのいずれか１項記載のシースヒータ。
【請求項１２】
導電層（２）が、６０質量％のＭｏＳｉ２と、４０質量％のＳｉ３Ｎ４と、焼結添加剤とから成っており、絶縁層（３）が、４０質量％のＭｏＳｉ２と、６０質量％のＳｉ３Ｎ４と、焼結添加剤とから成っている、請求項１０記載のシースヒータ。
【請求項１３】
セラミックス複合構造体が、ポリシロキサンによって誘導されたＳｉＯＣガラスセラミックスをベースとして、適切な充填剤と金属ケイ化物とを備えて形成されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載のシースヒータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に詳しく規定した形式の、特にディーゼルエンジンに用いられるシース型グロープラグに設けられたシースヒータから出発する。
【０００２】
現代のディーゼルエンジンの技術はシース型グロープラグに対して高い要求、特に構造サイズ、強度、昇温速度および高温耐性に関して高い要求を課している。通常、約７０〜１００Ｗのヒータ出力によって２秒未満で１０００℃の温度と１２００℃の定常温度を達成できることが望まれている。
【０００３】
実際、今日では、金属製のかつセラミックス製のヒータを備えたシース型グロープラグが知られている。セラミックス製のシース型グロープラグの慣用の構成は、内側に位置する金属製のまたはセラミックス製のヒータを有している。このヒータは、高温安定性の非導電性のセラミックス内に焼結によって埋め込まれている。しかし、このような構造形式のシース型グロープラグは、手間のかかるホットプレス法によってしか製作することができない。これに対して、複合セラミックスから成る外側に位置するヒータを備えたシース型グロープラグは、より単純なかつより廉価な焼結法によって製作可能である。
【０００４】
円筒状の金属管と、電気的なコンタクト形成のための接続装置と、セラミックス製の加熱装置とを備えた、ディーゼルエンジンに用いられるグロープラグは、たとえば国際公開第９６／２７１０４号パンフレットに基づき公知である。この公知のグロープラグでは、円筒状の金属管がその先端部にセラミックス製の加熱装置を片持ち式に保持している。この場合、セラミックス製の加熱装置は接続装置とコンタクト形成されているので、赤熱過程の間、電流がセラミックス製の加熱装置を通電する。
【０００５】
この場合、セラミックス製の加熱装置は少なくとも一箇所で横断面が減少させられている。この場合、セラミックス製の加熱装置の横断面減少は、燃料・空気混合物が衝突する箇所で行われている。このセラミックス製の加熱装置では、横断面減少は、該当する箇所における側壁の壁厚さが相応に減少させられているようにして実現されている。
【０００６】
このようなグロープラグでは、加熱装置の、燃焼可能な混合気に最も接近し得る領域が、より大きな抵抗に基づき最も迅速に所要の着火温度に到達することが可能となる。これによって、シース型グロープラグの、より短い昇温時間が可能となる。壁厚さの、規定されたこのような減少によって、シース型グロープラグの、内燃混合気が衝突する箇所を正確に著しく加熱させるさせることが可能となる。
【０００７】
国際公開第００／３５８３０号パンフレットでは、迅速に昇温するシースヒータを形成するための別の慣用の解決手段が説明される。この場合、この解決手段も同じく、加熱される区域の領域でのシースヒータの横断面の減少によって達成される。このような形式のシースヒータは横断面減少のために微細（ｆｉｌｉｇｒａｎ）な先端部を備えて形成されている。
【０００８】
公知先行技術に基づき公知のこのようなシースヒータは、高い温度に迅速に昇温することができるようにするために、加熱される区域を備えているという欠点を有している。この区域は、シースヒータの先端部の領域での先端部形成またはその他の横断面減少によって極めて微細に形成されていなければならない。
【０００９】
しかし、シースヒータの、このような微細な先端部ひいては機械的にほんの僅かしか負荷することができない先端部は極めて敏感であり、特に操作時、エンジンへの組付け時などに容易に損傷され得る。
【００１０】
さらに、シースヒータの横断面が減少させられたこのような領域は、不十分な熱的な材料も有しているので、十分な温度安定性を達成することができず、したがって、周囲の突然の寒冷時、たとえばエンジンのコールドスタート時には、シース型グロープラグの消火もしくは吹消えの危険が極めて大きい。
【００１１】
発明の利点
請求項１の特徴を備えた、ディーゼルエンジンに用いられるシース型グロープラグに設けられた本発明によるシースヒータは従来のものに比べて、シースヒータの幾何学的な先端部形状の、変更された成形によって、著しく高い機械的な安定性を達成することができるという利点を有している。なぜならば、シースヒータの先端部の総横断面が減少させられないからである。
【００１２】
さらに、より大きな横断面を備えた成形されたヒータ先端部は、有利には、より大きな熱的な材料を提供している。この場合、これによって、規定された運転条件下、特にコールドスタート時にシース型グロープラグの吹消えが排除されている。
【００１３】
シースヒータの有利な構成によれば、シースヒータがほぼ回転対称的に形成されている。このことは、このような形式のシースヒータの構造において、現代の直接噴射式のディーゼルエンジンに対して要求されるように、プラグの中央の先端部領域が赤熱することが可能となるので有利であると分かった。
【００１４】
シースヒータの有利な構成では、絶縁層が、導電層によってほぼ被覆されている。
【００１５】
特にシースヒータの製作のためには、絶縁層が、導電層によってほぼサンドイッチ状に取り囲まれる、すなわち、横断面で見た場合に連続して、導電層と、中間の絶縁層と、再び導電層とが付与されていると有利であると分かった。この場合、絶縁層は少なくともほぼシースヒータの横断面の中間の領域に位置している。
【００１６】
このことは、特にシースヒータが射出成形によって製作され、絶縁層がまず射出成形され、この場合、絶縁層がその縁部領域、すなわち、導電層に隣接していない領域で少なくとも部分的にシースヒータの周面にまで延びていると有利であると分かった。これによって、導電層の射出成形によって絶縁層を被覆するための型内に絶縁層を、たとえば型分離平面に対して垂直に設置することができる。
【００１７】
特にシースヒータの、有利には極めて少なく保ちたい構造サイズに関して、シースヒータが約２ｍｍ〜５ｍｍの範囲内の直径を有していると有利である。
【００１８】
導電層と絶縁層との配置形式が、シースヒータの各製作法に対して最適化されていると有利である。有利な製作法は射出成形および／またはトランスファ成形である。最適化が、解析法、特に有限要素法によって行われると有利である。このような最適化によって、たとえば後加工なしの二段階の射出成形と後続の焼結とによって極めて簡単にかつ廉価に形成することができるシースヒータの幾何学的形状が算出されることが可能となる。
【００１９】
導電層と絶縁層とのセラミックス複合構造体が、成分として窒化ケイ素および金属ケイ化物を有していると特に有利である。この場合、特に有利には、セラミックス複合構造体が、導電層に対して、６０質量％のＭｏＳｉ２と、４０質量％のＳｉ３Ｎ４と、焼結添加剤とから形成され、絶縁層に対して、４０質量％のＭｏＳｉ２と、６０質量％のＳｉ３Ｎ４と、焼結添加剤とから形成される。
【００２０】
本発明の別の利点および有利な構成は、特許請求の範囲、以下の実施例の説明および図面の簡単な説明から得られる。
【００２１】
実施例の説明
以下に、ディーゼルエンジンに用いられるシース型グロープラグに設けられた本発明によるシースヒータの有利な実施例を図面につき詳しく説明する。
【００２２】
いま、図１には、シースヒータ１が縦断面図で示してある。この場合、導電層２は主として外側に位置しており、絶縁層３は主として内側に位置している。この場合、この絶縁層３は導電層２によってサンドイッチ状に取り囲まれている。両層２，３はセラミックス複合構造体を有している。
【００２３】
シースヒータ１は、図１から知ることができるように、その全長にわたって一貫した総横断面を有している。この場合、絶縁層３はシースヒータ１の先端部４の領域で横断面増加を被っているのに対して、外側に位置する導電層２の割合は総横断面に対して相応に減少している。
【００２４】
特に図１のＡ−Ａ線およびＢ−Ｂ線に沿った所属の横断面図から知ることができるように、シースヒータ１は、有利な構成によれば、対称的に形成されている。この場合、対称的とは、横断平面に位置する対称軸線を中心とした対称性を意味していてもよいし、結晶学的な意味でのシースヒータ１の軸線に沿った回転軸線を中心とした対称性を意味していてもよい。
【００２５】
したがって、ここでは、セラミックス製のシースヒータ１が形成されている。このシースヒータ１は、外側に位置するヒータを備えている。このヒータは、Ｍ８型ハウジングへの組付けのために適した直径を有している。このためには、約３．３ｍｍの直径がシースヒータ１に対して有利であると分かった。
【００２６】
図１に示した導電層２と絶縁層３との幾何学的形状の適切な選択によって、先端部領域４での導電層２の横断面減少が可能となる。この場合、シースヒータ１全体はその全長にわたって、主として、一貫した横断面を有している。これによって、現代の直接噴射式のディーゼルエンジンに対して要求されるように、シースヒータ１が先端部領域４で迅速に赤熱するにもかかわらず、良好な機械的な安定性を有していることが可能となる。
【００２７】
図面を見やすくするという理由に基づき、機能的に同様の構成エレメントに対して図１と同じ符号を使用した図２〜図５に示したシースヒータ１の形状、特に絶縁層３に対する導電層２の形状は解析法によって最適化されている。この場合、シースヒータ１の製作法、特に射出成形法に関する最適化が行われている。
【００２８】
このような形式のシースヒータ１は単純な射出成形法で実現することができる。この場合、まず絶縁層３が、予備成形された型内に予め射出成形され、セラミックス製の導電層２が第２の作業ステップで絶縁層３を取り囲むように射出成形される。
【００２９】
図２〜図５に示したシースヒータ１の縁部における絶縁層３の拡張部３Ａは、このようなシースヒータ１の射出成形可能性ならびに導電層２の射出成形によって絶縁層３を導電層２で被覆するための型内での絶縁層３の位置安定性を増大させる。こうして、シースヒータ１の射出成形は、後加工が必要となる材料張出し部なしに可能となる。
【００３０】
幾何学的形状の最適化は、図示の第２の構成によれば、複合セラミックス、たとえばＳｉ３Ｎ４およびＭｏＳｉ２に対して行われている。この場合、導電層２は少なくともほぼ、６０質量％のＭｏＳｉ２と、４０質量％のＳｉ３Ｎ４と、焼結添加剤とから成っており、絶縁層３は、４０質量％のＭｏＳｉ２と、６０質量％のＳｉ３Ｎ４と、焼結添加剤とから成っている。
【００３１】
射出成形材料を製造するためには、粉末混合物と、アクリル酸または無水マレイン酸によってグラフトされた、バインダとしてのポリプロピレン、たとえばポリボンド１０００と、全体的に射出成形材料に対して１５〜２０質量％の割合を有する助剤としてのシクロドデカンもしくはシクロドデカノールとが混練される。
【００３２】
図６ａ）〜ｃ）には、製作法に関して最適化されたさらに別のシースヒータ１が横断面図（図６ａ参照）、縦断面図（図６ｂ参照）ならびに平面図（図６ｃ参照）で示してある。
【００３３】
この場合、絶縁層３と導電層２との間の移行部は丸み付けされているかもしくは丸く面取りされている。このことも同じく射出成形に関して有利であると分かった。なぜならば、導電層２の射出成形によって絶縁層３を導電層２で被覆した後、熱応力のピークが鋭い角隅および縁部に発生しないからである。
【００３４】
さらに、図６ａの横断面図では、上述した材料と射出成形法とに関して最適化されたシースヒータ１の形状が、例示的な大きさの提供によってより正確に明らかとなる。この場合、シースヒータ１の直径ｄ１は３．３ｍｍに寸法設定されており、両肩部の間の絶縁層３の幅ｂ１は１．９ｍｍ〜２ｍｍに寸法設定されており、加熱通路の厚さもしくは直径ｄ２は０．３５ｍｍに寸法設定されており、絶縁層３の厚さは０．８ｍｍに寸法設定されている。絶縁層肩部の角度αは有利には１２０゜に設定されている。
【００３５】
図６に示したシースヒータ１も、主として、サンドイッチ状に形成されたシースヒータ１である。このシースヒータ１では、絶縁層３が主として導電層２の間に配置されている。この場合、絶縁層３は少なくとも部分的にシースヒータ１の縁部にまで延びている。
【００３６】
以下に、シースヒータ１の射出成形の経過を例示的に簡単に説明する。
【００３７】
第１の区分に絶縁層３が射出成形される。この場合、第１の区分は絶縁層３の最も厚い箇所、すなわち、本発明によれば先端部４の領域に位置している。現在、導電層２の長さが約５０ｍｍである場合には、金属製の型内に最小で０．８ｍｍの層厚さが射出成形可能である。射出成形型のキャビティの表面に断熱層、たとえばＡｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２またはこれに類するものが被着されると、より薄い絶縁層３が射出成形可能となる。
【００３８】
次いで、絶縁層３が型内に型分離平面に対して垂直に、すなわち起立した状態で挿入され、導電層２の射出成形によって絶縁層３が導電層２で被覆される。
【００３９】
この場合、絶縁層３を導電層２によって取り囲むように射出成形することが基部において行われ、絶縁層３は導電性材料によって基部から先端部４にわたって射出成形される。この場合、絶縁層３の表面が短時間だけ溶融して絶縁層２に結合される。絶縁層３の輪郭は型壁に対して４つの縁部を備えて形成されている。この場合、これらの縁部は導電層材料の溶融物によって容易に到達することができるかもしくは溶融することができる。このためには、特に丸み付けされた移行部が設けられている。
【００４０】
にもかかわらず、絶縁層３と導電層２とをキャビティの表面の領域で直接溶融させたくない場合には、型表面が絶縁層３と導電層２との移行部の領域に同じく断熱層を備えていてもよい。
【００４１】
その後、基部に対する導電層材料の旋削加工が絶縁層３の始端部にまで行われるので、基部領域は電気的に短絡されていない。その後、これには、熱放出と焼結とが続いている。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の有利な構成による、Ａ−Ａ線およびＢ−Ｂ線に沿った所属の２つの横断面を備えたシースヒータの縦断面図である。
【図２】
第２の有利な構成によるシースヒータの先端部領域の、有限要素演算によって最適化された導電層を示す図である。
【図３】
図２に示した導電層に所属する絶縁層を示す図である。
【図４】
図２および図３よるシースヒータを三次元的に示す図である。
【図５】
図２〜図４に示した構成によるシースヒータを後方から見た図である。
【図６ａ】
本発明の第３の有利な構成によるシースヒータの横断面図である。
【図６ｂ】
本発明の第３の有利な構成によるシースヒータの縦断面図である。
【図６ｃ】
本発明の第３の有利な構成によるシースヒータの平面図である。
【符号の説明】
１  シースヒータ、  ２  導電層、  ３  絶縁層、  ３Ａ  拡張部、  ４  先端部、  ｂ１  幅、  ｄ１  直径、  ｄ２  直径、  α  角度
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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2004537155.tif 000029
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