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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Brennraumdrucks
einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
unabhängigen
Anspruchs 1, wie sie beispielsweise aus der
DE 196 80 912 C2 bekannt
ist.
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Ein
wesentlicher Bestandteil moderner Motorregelungen ist die Erfassung
des Brennraumdrucks, der für
die angestrebte Emissionsreduzierung hochgenau erfasst werden muss.
Aufgrund der sehr beengten Verhältnisse
im Zylinderkopf von modernen Mehrventilmotoren, wird angestrebt,
Vorrichtungen zur Erfassung des Brennraumdrucks von Brennkraftmaschine
in ein ohnehin vorgesehenes Bauteil einzubauen. Als idealer Einbauort,
der über einen
direkten Zugang zum Brennraum eines Zylinders verfügt, wird
allgemein die Glühstiftkerze
(GSK) angesehen. So ist aus der
DE 196 80 912 C2 eine Vorrichtung zur Erfassung
des Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der ein
Drucksensor zwischen einem Heizabschnitt und einem Fixierglied in
einer Glühstiftkerze
angeordnet ist und der Heizabschnitt zur Übertragung des Zylinderdrucks
auf den Drucksensor vorgesehen ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine preiswerte und zuverlässige Vorrichtung zur Erfassung
des Brennraumdrucks in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine,
insbesondere eines Dieselmotors zu schaffen, welche ein in eine
Glühstiftkerze
integriertes Druckerfassungselement verwendet, wobei die Abmessungen
einer herkömmlichen
Glühstiftkerze möglichst
beibehalten werden sollen und das Druckerfassungselement möglichst
einfach aufgebaut ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erfassung des Brennraumdrucks in Brennkraftmaschinen mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 ermöglicht einen möglichst
einfa chen und robusten Aufbau der Glühstiftkerze mit Druckerfassungsfunktion.
Aufgrund des einfachen Aufbaus besteht für die Auslegung der Glühstiftkerze
eine vergleichsweise große
Designfreiheit. Dies wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass der
Gehäusemantel
der Glühstiftkerze
zur Übertragung
des Brennraumdrucks auf das Druckerfassungselement vorgesehen ist.
Eine separate Hülse
zum Vorspannen des Druckerfassungselementes entfällt vorteilhaft. Besonders
vorteilhaft ist, dass nicht nur der Glühstift, sondern der gesamte
dem Brennraum zugewandte Abschnitt der Glühstiftkerze zur Druckaufnahme
verwandt wird. Da sich der Glühstift
nicht mehr relativ zum Gehäuse
bewegen muss, wird die Vorrichtung unempfindlicher gegen Verkokung.
Da das Druckerfassungselement durch ein kompakt aufgebautes Sensorelement
dargestellt werden kann, wirken sich Temperaturgradienten nur geringfügig aus.
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Vorteilhafte
Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen
Merkmale erreicht.
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Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der
nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine am Zylinder einer Brennkraftmaschine
angeordnete Vorrichtung zur Erfassung des Brennraumdrucks mit einem
von einer Glühstiftkerze
aufgenommenen Druckerfassungselement.
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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Die
einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung
des Brennraumdrucks von Brennkraftmaschinen. Die Vorrichtung umfasst eine
Glühstiftkerze 1,
die an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 2 angeordnet
ist. Die Glühstiftkerze
weist einen beispielsweise zylindrischen, einen Innenraum 6 bergenden,
metallischen Gehäusemantel 14 auf,
der einteilig oder wie in diesem Ausführungsbeispiels gezeigt zur
Montageerleichterung auch vorteilhaft mehrteilig mit beispielsweise
einem ersten Gehäuseteil 14c und
einem zweiten Gehäuseteil 14d sein
kann und sich in Einbaurichtung 8 der Glühstiftkerze 1 erstreckt.
Weiterhin weist die Glühstiftkerze 1 einen
beispielsweise keramischen Glühstift 12 auf,
der in ein Stützrohr 13 eingelötet ist,
das in das erste Gehäuseteil 14c des
Gehäusemantels 14 eingelötet oder
eingepresst ist, um dadurch die Dichtheit der Glühstiftkerze zu gewährleisten.
Das zweite Ge häuseteil 14d des
Gehäusemantels 14 weist
an seinem Umfang Befestigungsmitteln 14b, beispielsweise
in Form eines Außengewindes
auf. Die Glühstiftkerze 1 wird
in bekannter Weise in der Einbaurichtung 8 in eine Einbauöffnung 5 eines
Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine 2 eingeschraubt, so
dass der mit dem Glühstift 12 versehene
Abschnitt 11 der Glühstiftkerze 1 dem
Brennraum 3 zugewandt ist. Der Gehäusemantel 14 weist
an der Stirnseite 14a seines in die Einbauöffnung 5 eingeschobenen Endes
eine konische Ringfläche
zur Anlage an einem Kegeldichtsitz 9 des Zylinderkopfs
auf. Die zur Abdichtung des Kegeldichtsitzes notwendige Vorspannung
wird über
die Befestigungsmittel 14b bei der Montage erzeugt.
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Weiterhin
weist die Glühstiftkerze 1 in
ihrem Inneren ein Graphitelement 15 zur Kontaktierung des Glühstifts 12 am
Plus-Kontakt und ein hülsenförmiges über den
Glühstift 12 und
das Graphitelement 15 geschobenes Isolationselement 17 auf,
welches den Plus-Kontakt des Glühstifts 12 und
das Graphitelement 15 von dem auf Massepotential befindlichen Gehäusemantel 14 der
Glühstiftkerze
isoliert. Das Graphitelement 15 ist an eine Anschlussleitung 16 angeschlossen,
die das Isolationselement 17 durchdringt. Der Anschluss
des Minus-Kontakts des Glühstiftes 12 erfolgt über das
Stützrohr 13 und
den Gehäusemantel 14 an
Motormasse.
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Der
in der Einbaulage dem Brennraumdruck ausgesetzte Abschnitt 11 der
Glühstiftkerze 1 umfasst
den Glühstift 12,
das Stützrohr 13 und
den nicht am Kegeldichtsitz 9 anliegenden Bereich der Stirnfläche 14a des
Gehäusemantels 14.
Die von dem Brennraumdruck auf diesen brennraumseitigen Abschnitt 11 der
Glühstiftkerze
insgesamt ausgeübte Druckkraft
wirkt bis zur Befestigungsstelle der Glühstiftkerze und daher bis zu
den Befestigungsmitteln 14b fort. In diesen Kraftpfad ist
als Druckerfassungselement 20 ein piezoelektrisches Element,
beispielsweise ein Quarz-Sensorelement eingebaut. Es kann aber auch
eine Piezokeramik oder ein anderes geeignetes Element verwandt werden.
Das Druckerfassungselement 20 ist scheibenförmig mit
einer ersten Ringfläche
und mit einer davon abgewandten zweiten Ringfläche sowie einer Innenausnehmung
zur Durchführung
der Anschlussleitung 16 ausgebildet. Das Druckerfassungselement 20 liegt
mit der ersten Ringfläche
an einer sich senkrecht zur Einbraurichtung 8 erstreckenden
ersten Auflagefläche 21 des Gehäusemantels
auf. Diese erste Auflagefläche 21 ist
beispielsweise an einem ersten Innenvorsprung 14e des Gehäusemantels 14 ausgebildet,
der von der Innenwand des Gehäusemantels 14 in
radialer Richtung in den Innenraum 6 absteht. Weiterhin
liegt das Druckerfassungselement 20 mit einer von der ersten
Seite abgewandten zweiten Seite an einer senkrecht zur Einbraurichtung
erstreckenden zweiten Auflagefläche 22 des
Gehäusemantels 14 an. Diese
zweite Auflagefläche 22 ist
an einem zweiten Innenvorsprung 26 ausgebildet, der beispielsweise durch
eine mit der Innenwand des Gehäusemantels 14 verschweißte Hülse 18 gebildet
wird. Die erste und die zweite Auflagefläche können aber auch unter einem
anderen von Null Grad verschiedenen Winkel zur Einbaurichtung angeordnet
sein. Bei der Montage kann dann zunächst das ringförmige Druckerfassungselement 20 mit
einer ersten Seite auf die erste Auflagefläche 21 aufgelegt werden.
Anschließend kann
die Hülse 18 in
den Innenraum 6 des Gehäusemantels 14 derart
eingesetzt werden, dass die an der Hülse ausgebildete zweite Auflagefläche 22 an
der zweiten Seite des Druckerfassungselementes 20 zur Anlage
gelangt. Der Außenumfang
der Hülse
wird mit der Innenwand des Gehäusemantels 14 durch
eine Schweißverbindung 23 fest
verbunden. Das Druckerfassungselement 20 ist in der Einbaurichtung 8 gesehen
zwischen dem brennraumseitigen Abschnitt 11 und den Befestigungsmitteln 14b angeordnet.
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Der
von dem Abschnitt 11 zu den Befestigungsmitteln 14b gerichtete
Kraftfluss wird am Ort des ersten Innenvorsprungs 14e nur über den
Gehäusemantel 14 übertragen.
Die elastische Anschlussleitung 16 überträgt keine Kraft. Von dem mit dem
Innenvorsprung versehenen Bereich des Gehäusemantels 14 wird
der Kraftfluss teils unmittelbar auf das Druckerfassungselement 20 und
teils auf den das Druckerfassungselement umgebenden Wandabschnitt 24 des
Gehäusemantels 14 übertragen,
wodurch der Kraftfluss in einem konstanten Verhältnis zwischen dem Druckerfassungselement
und dem das Druckerfassungselement 20 umgebenden Wandabschnitt 24 aufgeteilt
wird. Dieses Verhältnis hängt nur
von den Querschnitten und der Steifigkeit des Gehäusemantels
und des Druckerfassungselementes ab, die beide über die Lebensdauer konstant bleiben.
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Es
ist vorteilhaft, die Hülse 18 so
mit dem Gehäusemantel 14 zu
verschweißen,
dass das Druckerfassungselement 20 zunächst keine Vorspannung erfährt. Eine
Vorspannung des Druckerfassungselementes kann dann beim Einschrauben
der Glühstiftkerze
in den Zylinderkopf und die daraus resultierende Stauchung des Gehäusemantels 14 erfolgen.
Um Druckspannungen im Druckerfassungselement zu reduzieren, kann
auch zunächst
ein kleiner Luftspalt zwischen Druckerfassungselement 20 und Hülse 18 vorgesehen
sein, der beispielsweise dadurch realisiert werden kann, dass der
piezoelektrische Effekt des Druckerfassungselementes beim Schweißen der
Hülse 18 aktorisch
genutzt wird. Beim Einschrauben der Glühstiftkerze wird der Spalt
dann geschlossen. So kann erreicht werden, dass höhere Einschraublasten
ertragen werden oder Druckerfassungselemente eingesetzt werden können, die
sonst nicht ausreichend druckfest wären.
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Nach
dem Einschweißen
der Hülse 18 erfolgt die
Kontaktierung des Druckerfassungselementes 20 mit einem
Schaltungsteil 19, z. B. mittels eines Lötprozesses.
An einer Innenausnehmung 27 ist das Druckerfassungselement 20 mit
elektrischen Anschlüssen 25 versehen,
die zusammen mit der Anschlussleitung 16 durch eine Innenausnehmung
der Hülse 18 geführt sind.
Das Druckerfassungselement 20 ist über die elektrischen Anschlüsse 25 mit
dem im Innenraum 6 des Gehäusemantels 14 angeordneten Schaltungsteil 19 verbunden.
Das Schaltungsteil 19 dient zur Aufnehme der Auswerteschaltung
(Ladungs- oder Elektrometerverstärker)
sowie der Bauelemente zur EMV-Beschaltung, die in der Abbildung schematisch
dargestellt sind, und kann zum Beispiel auf ein hier nicht dargestelltes
Kunststoffteil aufgeklebt werden. Nach dem Einschweißen der
Hülse 18 und
dem Herstellen der Kontaktierung wird das zweite Gehäuseteil 14d aufgeschoben
und mit dem ersten Gehäuseteil 14c verschweißt. Der
Außenanschluss
der Glühstromanschlussleitung 16 und
des Schaltungsteils 19 erfolgt über einen elektrischen Anschluss 7,
der mit dem Schaltungsteil 19 und mit der Glühstromanschlussleitung
verbunden ist und an der vom Brennraum abgewandten Seite der Glühstiftkerze 1 ausgebildet
ist.
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Der
von der ersten Auflagefläche 21 über das
Druckerfassungselement 20 zu dem zweiten Innenvorsprung 26 hin
wirkende Kraftfluss erzeugt eine Druckkraft auf die der ersten Auflagefläche 21 zugewandte
Ringfläche
des Druckerfassungselementes 20, wodurch in dem Druckerfassungselement 20 freie
Ladungsträger
erzeugt werden. Auf dem in der Glühstiftkerze 1 angeordneten
Schaltungsteil 19 kann beispielsweise zur Signalaufbereitung
eine Verstärkerschaltung
(Ladungs- oder Elektrometerverstärker)
angeordnet sein, die aus der in dem Druckerfassungselement erzeugten
abfließenden
Ladung eine Spannung erzeugt und durch einen Abgleich auch eine
definierte Kennlinie (beispielsweise zwischen 0,5 und 4,5 V) als
Sensorausgangssignal liefern kann. Die Höhe der Spannung ist abhängig von der
auf das Druckerfassungselement einwirkenden Druckkraft, die bei
konstanter Querschnittsfläche
des piezoelektrischen Elementes vom ausgeübten Druck abhängt.
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Ein
Merkmal der Signalaufbereitung über
einen Ladungs- oder Elektrometerverstärker ist, dass die piezoelektrisch
erzeugten Ladungen mit der Zeit abfließen und damit das Messsignal
gegen Null geht. Dies bedeutet gleichzeitig, dass Änderungen
der Druckkräfte
auf das Quarz-Sensorelement,
die deutlich langsamer als die Änderungen
aufgrund des Druckverlaufes im Brennraum sind, keinen Messfehler
in Form eines Offsets erzeugen. Zusammen mit der Eigenschaft des
Quarzes, dass seine Empfindlichkeit im Unterschied zu Piezokeramiken
nicht von der Vorspannkraft abhängt,
führt das
dazu, dass langsame Änderungen
der Vorspannkraft, wie sie z. B. durch Temperaturänderungen
des Zylinderkopfes oder durch das Einschrauben bei der Montage im
Zylinderkopf entstehen, keinen Messfehler erzeugen, solange eine
Mindestvorspannkraft vorhanden ist, die gewährleistet, dass es nicht zum
Abheben und Aufsetzen auf dem Quarz-Sensorelement kommt. Dies würde zu Messfehlern
und zum vorzeitigen Versagen des Quarz-Sensorelements führen. Für eine korrekte
Druckmessung ist es daher nur notwendig, dass es einen eindeutigen
und über
die Lebensdauer konstanten Zusammenhang zwischen einem Druck im
Brennraum und einer Kraft auf das Quarz-Sensorelement gibt. Ein
weiterer Vorteil des Quarzes ist seine große Robustheit gegenüber Druckbelastungen.
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- 1
- Glühstiftkerze
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Brennraum
- 5
- Einbauöffnung
- 6
- Innenraum
- 7
- elektrischer
Anschluss
- 8
- Einbaurichtung
- 9
- Kegeldichtsitz
- 11
- druckbeaufschlagter
Abschnitt der Glühstiftkerze
- 12
- Glühstift
- 13
- Stützrohr
- 14
- Gehäusemantel
- 14a
- Stirnseite
- 14b
- Befestigungsmittel
- 14c
- erstes
Gehäuseteil
- 14d
- zweites
Gehäuseteil
- 14e
- erster
Innenvorsprung
- 15
- Graphitelement
- 16
- Anschlussleitung
- 17
- Isolationselement
- 18
- Hülse
- 19
- Schaltungsteil
- 20
- Druckerfassungselement
- 21
- erste
Auflagefläche
- 22
- zweite
Auflagefläche
- 23
- Schweißverbindung
- 24
- Wandabschnitt
- 25
- elektrischer
Anschluss
- 26
- zweiter
Innenvorsprung
- 27
- Innenausnehmung