DE102011120582A1

DE102011120582A1 - Glühkerze mit einer Lastsensorhülse, die den Heizstab außerhalb der Brennkammer umgibt

Info

Publication number: DE102011120582A1
Application number: DE102011120582A
Authority: DE
Inventors: Gverino Ratoša; Rudi KRAGELJ
Original assignee: Hidira Aet Dru & Zcaron Ba Za Proizv V & Zcaron Ignih Sistemov In Elektronike d o o; Hidira Aet Druzba Za Proizvodnjo Vzignih Sistemov In Elektronike d o o
Current assignee: Hidira Aet Dru & Zcaron Ba Za Proizv V & Zcaron Ignih Sistemov In Elektronike d o o; Hidira Aet Druzba Za Proizvodnjo Vzignih Sistemov In Elektronike d o o
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-06-28
Also published as: JP2012132674A; FR2969741B1; EP2472181A1; FR2969741A1; CN102536587A; KR101345268B1; CN102536587B; EP2472181B1; KR20120071363A; US9151499B2; JP5101730B2; US20120160821A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Glühkerze, die einen Heizstab (11), einen Kerzenkörper (13), der ein Aufnahmegehäuse (14) des Heizstabs hat, eine Befestigungsvorrichtung (48) zum Befestigen des Heizstabs, die axiale Translationsbewegungen des Heizstabs relativ zum Kerzenkörper erlaubt und eine Undurchlässigkeit zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper garantiert, eine Lastsensorhülse (17), die sich um den proximalen Teil (50) des umgebenden Metallrohrs (59, 61) des Heizstabs in der proximalen Zone (51) des Aufnahmegehäuses herum erstreckt, aufweist, welche axial auf der proximalen Seite direkt axial an die Befestigungsvorrichtung (48) anschließt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Glühkerze, insbesondere für einen Dieselmotor, die einen Heizstab und einen integrierten Lastsensor aufweist, der es ermöglicht, Messungen des Zylinderdrucks durchzuführen.
Ein Heizstab einer Glühkerze liegt in der Form einer steifen Stange oder eines Stabs vor, der sich entlang einer Achse, die als Hauptachse bezeichnet wird, in Längsrichtung von dem Körper der Kerze in die Brennkammer hinein erstreckt. Im gesamten Text bezeichnen der Begriff „distal” und seine Ableitungen Richtungen, Elemente oder Teile, die axial auf der Seite des freien äußersten Endes des Heizstabs angeordnet ist, das dazu gedacht ist, sich in die Brennkammer hinein zu erstrecken, und bezeichnen der Begriff „proximal” und seine Ableitungen Richtungen, Elemente oder Teile, die axial auf der entgegengesetzten Seite angeordnet sind, d. h. zur Verbindung zur Außenseite des Zylinderkopfs des Motors hin, in den die Glühkerze bestimmungsgemäß einzubauen ist.
Ein Heizstab erstreckt sich auch von der proximalen Seite in den Kerzenkörper hinein und hat ein proximales äußerstes Ende, das mit einem elektrischen Anschluss ausgerüstet ist, der einen ersten elektrischen Stromversorgungsanschluss des Heizstabs allgemein mit einer Elektrode bildet, die sich axial über das proximale äußerste Ende des Heizstabs hinaus erstreckt. Im gesamten Text soll eine Heizstabstromversorgungselektrode, wenn sie vorgesehen ist, nicht einen integralen Bestandteil des Heizstabs selbst bilden. Folglich ist das proximale äußerste Ende des Heizstabs zu unterscheiden vom proximalen äußersten Ende der Stromversorgungselektrode, wenn die letztere vorgesehen ist.
Die Kerze weist einen zylindrischen Kerzenkörper auf, der einen mit einem Gewinde versehenen äußeren Teil zum Anbringen an einen Zylinderkopf hat und ein zylindrisches inneres Gehäuse zum Aufnehmen eines proximalen Teils des Heizstabs bildet, der sich von diesem proximalen äußersten Ende aus erstreckt, wobei das Gehäuse eine Öffnung für das Hindurchführen des Heizstabs aufweist, so dass sich der letztere axial erstreckt und sich dabei (auf der distalen Seite) über den proximalen Teil und die Öffnung hinaus erstreckt, und einen distalen Heizteil aufweist, der sich bis zum distalen äußersten Ende des Heizstabs erstreckt.
Der Heizstab liegt entweder in der Form eines Keramikstabs vor, der in die entsprechende Form gebracht ist und in ein umgebendes Metallrohr so eingesetzt ist (durch Hartlöten fixiert oder durch Kraftanwendung (Verpressung) eingeführt), dass er in den Kerzenkörper eingesetzt ist; oder er liegt in der Form eines Metallrohrs vor, das an seinem distalen äußersten Ende verschlossen ist, und hat unveränderliche standardisierte Abmessungen (wobei dieses Metallrohr eine elektrische Stromversorgungselektrode aufnimmt). Wie auch immer der Heizstab ausgestaltet ist, hat er jedenfalls immer ein außen umgebendes Metallrohr. Der Außendurchmesser dieses außen umgebenden Metallrohrs ist in dem proximalen Teil des Heizstabs, der sich in den Kerzenkörper hinein erstreckt, mindestens ungefähr konstant und muss normgemäß gleich vier Millimeter sein.
Die Kerze weist auch eine Vorrichtung zum Befestigen dieses proximalen Teils des Heizstabs in dem Aufnahmegehäuse auf, wobei diese Befestigungsvorrichtung dazu fähig ist:

• axiale Translationsbewegungen des Heizstabs relativ zum Kerzenkörper zu erlauben, so dass der Zylinderdruck gemessen werden kann,
• eine Undurchlässigkeit zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper in einer solchen Weise zu garantieren, dass eine proximale Zone des Aufnahmegehäuses abgegrenzt wird, die der Atmosphäre der Brennkammer nicht ausgesetzt ist,
• mit dem Heizstab und dem Lastsensor kompatibel zu sein und/oder die verschiedenen elektrischen Verbindungen dazu zur Verfügung zu stellen.

Das Integrieren eines derartigen Lastsensors in eine Glühkerze für Zylinderdruckmessungen führt zu zahlreichen sich widersprechenden und ungelösten Problemen. Insbesondere darf der Sensor der Atmosphäre der Brennkammer oder auch den sehr hohen Temperaturen, die hier vorherrschen und die höchstwahrscheinlich zu seiner Zerstörung führen, oder jedenfalls seine Funktionsweise beträchtlich stören, nicht ausgesetzt sein; er muss jedoch dazu fähig sein, in der Kerze untergebracht zu sein, in der der verfügbare Bauraum mindestens eingeschränkt ist; und die Funktionsweise des Sensors muss zuverlässig sein, d. h. Signale erzeugen, die den Zylinderdruck ohne Störung (z. B. durch Schwingungsphänomene, Dämpfung, differentielle thermische Ausdehnung usw.) repräsentieren.
Verschiedene Lösungen wurden zum Integrieren eines Lastsensors in eine Glühkerze vorgeschlagen.
In einer ersten bekannten Lösung (z. B. siehe US 7444973 ) wird der Lastsensor aus Gründen des radialen Platzbedarfs am proximalen äußersten Ende der elektrischen Stromversorgungselektrode des Heizstabs, d. h. außerhalb des Zylinderkopfs, in einer Position angebracht, an der er vom Heizstab selbst axial entfernt ist, und die selbst als außerhalb der Glühkerze angesehen werden kann. Diese Lösung hat hauptsächlich den Nachteil, dass sie die Messung aufgrund einer Verformung des Zylinderkopfs und des Kerzenkörpers (in ihrem Teil, der sich gegenüber der Elektrode erstreckt) stört. Die Arten der Verformung des Zylinderkopfs unterscheiden sich von einem Motor zum anderen, so dass der Lastsensor nicht absolut kalibriert werden kann. Zusätzlich erzeugen die Länge der kinematischen Verbindung zwischen dem Heizstab, der Druckkräften in der Brennkammer ausgesetzt ist, und dem Sensor normale Schwingungsmoden im Bandpass des Sensors, die höchstwahrscheinlich zur Störung seiner Funktionsweise führen.
Bei einer zweiten bekannten Lösung (z. B. siehe US 7581520 , US 2009/0242540 ) ist der Sensor in der Form einer Hülse, welche die elektrische Stromversorgungselektrode oder einen Verlängerungsstab über das proximale äußerste Ende des Heizstabs hinaus ist, und ist eine elastisch verformbare flexible undurchlässige Membran vorgesehen, um den distalen Teil des Heizstabs mit dem Kerzenkörper in einer solchen Weise zu verbinden, dass eine Undurchlässigkeit vorgesehen ist und axiale Translationsbewegungen ermöglicht werden. Folglich ist der Sensor relativ gut thermisch gegenüber der Brennkammer isoliert. Seine mechanische Verbindung zum Heizstab macht jedoch besonders komplexe umgebende Befestigungsteile notwendig, wodurch auf der einen Seite eine mechanische Impedanz (und daher mögliche störende normale Moden) und auf der anderen Seite Probleme einer differentiellen thermischen Ausdehnung verursacht werden, deren Lösung relativ komplex ist.
Bei einer dritten bekannten Lösung (z. B. siehe US 20080216786 , EP 2138819 ), die auf Fälle eines Heizstabs mit einem Keramikstab eingeschränkt ist, wird der Sensor direkt anliegend an das proximale äußerste Ende des Heizstabs angeordnet. Diese Lösung ermöglicht eine direktere Verbindung zwischen dem Heizstab und dem Sensor, führt jedoch zu dem Problem des Platzbedarfs des Sensors und einer Störung der elektrischen Verbindungselemente des Heizstabs (Elektrode). Zusätzlich bleiben die Probleme im Zusammenhang mit den normalen Moden der zusammengesetzten Einheit (Kerzenkörper/Heizstab/Sensor/Kerzenkörper) und auch der differentiellen thermischen Ausdehnung. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die Länge des Heizstabs typischerweise in der Größenordnung von 50 mm (für einen Durchmesser von 4 mm) ist. Schließlich ist diese Lösung mit einem sogenannten Ganzmetall-Heizstab inkompatibel, das heißt, wenn dieser in der Form eines Metallrohrs vorliegt.
Zusätzlich ist eine Integration des Lastsensors in den Heizstab selbst, selbst wenn das theoretisch in dem Fall eines Heizstabs mit einem Keramikstab möglich ist (zwischen dem Stab und dem umgebenden Metallrohr, siehe US 20070095811 ), in der Praxis unmöglich, auf der einen Seite, weil der Sensor dann notwendigerweise der Atmosphäre und den extremen Temperaturen (in der Größenordnung von 1200°C) der Brennkammer ausgesetzt wäre, und auf der anderen Seite, weil er eine gemeinsame Herstellung und Zertifizierung des Heizstabs und des Sensors erfordern würde, bei denen es sich um komplexe Komponenten handelt, die von verschiedenen Zulieferern hergestellt werden und unterschiedliche Fertigkeiten erfordern, und schließlich weil dadurch Probleme in dem Zusammenbau und dem elektrischen Anschluss des Sensors entstehen, die noch nicht gelöst wurden.
Zusätzlich ist auch in diesem Fall diese Lösung mit einem Ganzmetallheizstab (in der Form eines Metallrohrs und einer innenliegenden Metallelektrode) inkompatibel.
Die Erfindung ist deshalb auf die Überwindung dieser Nachteile des Standes der Technik gerichtet, indem eine Glühkerze vorgeschlagen wird, die einen Lastsensor aufweist, und bei der:

– der Lastsensor Signale liefert, die den Zylinderdruck repräsentieren, ohne dass dabei Störungen aus den Charakteristiken der mechanischen Verbindung zwischen dem Sensor und auf der einen Seite dem Heizstab und auf der anderen Seite dem Kerzenkörper im größtmöglichen Bandpass, der insbesondere 8 kHz übersteigen kann, auftreten,
– der Lastsensor gegenüber der Atmosphäre der Brennkammer isoliert und ihren extremen Temperaturen nicht ausgesetzt ist,
– die Anordnung der Einheit keiner differentiellen thermischen Ausdehnung unterliegt, die höchstwahrscheinlich die bestimmungsgemäße Funktionsweise der Glühkerze oder die Qualität der Signale, die der Sensor liefert, stört,
– der Lastsensor nicht in den Heizstab selbst integriert ist, so dass er die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit des letzeren nicht beeinträchtigt,
– die Empfindlichkeit des Lastsensors optimiert ist, so dass die Signale, die dieser liefert, es ermöglichen, Druckvariationen relativ kleiner Werte zu erfassen (mit dem Ziel, es zu ermöglichen, die unterschiedlichen Phasen der Druckvariationen unabhängig vom Motormodell oder seiner Drehzahl besser zu erfassen und auf diese Weise eine feinere Steuerung des Motors durch die Elektronik zu ermöglichen, welche diese Signale verarbeitet),
– die elektrischen Verbindungen des Heizstabs auf der einen Seite und des Lastsensors auf der anderen Seite in einer einfachen und zuverlässigen Weise realisiert werden können.

Zu diesem Zweck bezieht sich die Erfindung auf eine Glühkerze, aufweisend:

– einen Heizstab, der ein umgebendes Metallrohr aufweist, und der ein äußerstes Ende hat, das als proximales äußerstes Ende bezeichnet wird, das mit einer elektrischen Stromversorgungsverbindung des Heizstabs ausgerüstet ist,
– einen Kerzenkörper, der ein Gehäuse bildet, das als Aufnahmegehäuse bezeichnet wird, das den Heizstab aufnimmt, wobei dieser einen distalen Teil aufweist, der sich axial erstreckt und sich dabei über den Kerzenkörper hinaus erstreckt,
– eine Befestigungsvorrichtung zum Befestigen des Heizstabs in dem Aufnahmegehäuse, wobei diese Befestigungsvorrichtung dazu angeordnet ist:
• axiale Translationsbewegungen des Heizstabs relativ zum Kerzenkörper zu erlauben, und
• eine Undurchlässigkeit zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper in einer solchen Weise zu ermöglichen, dass eine proximale Zone des Aufnahmegehäuse abgegrenzt wird, die der Atmosphäre einer Brennkammer eines Motors, der die Glühkerze aufnimmt, nicht ausgesetzt ist,
– eine Lastsensorhülse, die sich vollständig in der proximalen Zone des Aufnahmegehäuses erstreckt, wobei die Lastsensorhülse rohrförmig ist und aufweist:
• ein erstes axiales äußerstes Ende, das mit dem Heizstab verbunden ist, um so durch die Bewegungen des letzteren in einer axialen Translation in mindestens einer Richtung, die als die proximale Richtung bezeichnet wird, angetrieben zu werden, in der der Heizstab die Tendenz hat, sich wieder in das Innere des Kerzenkörpers zurückzuziehen, und
• ein zweites axiales äußerstes Ende, das dem ersten axialen äußersten Ende entgegengesetzt ist, wobei dieses zweite axiale äußerste Ende in einer solchen Weise mit dem Kerzenkörper verbunden ist, dass die axialen Translationsbewegungen des Heizstabs relativ zum Kerzenkörper axiale Druck- und/oder Zugspannungen in dieser Lastsensorhülse erzeugen,

Bei einer erfindungsgemäßen Kerze ist die Lastsensorhülse rohrförmig und erstreckt sich um einen proximalen Teil des umgebenden Metallrohrs des Heizstabs herum, der einem Abschnitt mit konstantem Durchmesser – insbesondere maximalem Durchmesser – (Normwert 4 mm) des umgebenden Metallrohrs des Heizstabs entspricht.
Dank der Erfindung minimiert oder unterdrückt sogar die Position des Lastsensors relativ zum Heizstab alle Probleme mechanischer (Störung mit dem Kerzenkörper durch Verformung des Zylinderkopfs, störende normale Moden) oder thermischer (differentielle thermische Ausdehnung) Verbindungen. Trotzdem ist der Lastsensor der Atmosphäre der Brennkammer oder ihren extremen Temperaturen nicht ausgesetzt. In der Praxis ist zu bemerken, dass bei einer erfindungsgemäßen Kerze die Lastsensorhülse Temperaturen nicht über 170°C ausgesetzt sein kann, was immer noch völlig akzeptabel ist.
Zusätzlich besteht bei einer erfindungsgemäßen Glühkerze die tatsächliche Funktion des Lastsensors unter Berücksichtigung seiner spezifischen Form und Position darin, Scherspannungen in der mechanischen Anordnung zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper zu erfassen. Diese Erfassung erfolgt durch die Umwandlung von Scherkräften in axiale Kräfte (d. h. parallel zur Achse der Hülse) von Druck und/oder Zug, wobei diese Umwandlung strikt linear erfolgt und keine Linearitätsfehler verursacht. Das Ergebnis ist, dass die Erfassung linear untersetzt wird und sich die allgemeine Empfindlichkeit des Sensors verbessert.
In gleicher Weise ist die Erfindung auch genauso kompatibel mit einem Heizstab mit einem Keramikstab wie mit einem Heizstab in der Form eines Metallrohrs, und eine erfindungsgemäße Glühkerze kann fast universell in einem beliebigen Motor eingesetzt werden, wobei die Größenabmessung des Lastsensors durch die Konstruktion gegeben ist.
Demgemäß erstreckt sich gemäß einer ersten Variation einer Ausführungsform, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß, bei der der Heizstab aus einem Keramikstab gebildet wird, der in ein umgebendes Metallrohr eingesetzt ist, die Lastsensorhülse um den proximalen Teil des umgebenden Metallrohrs des Heizstabs herum. Gemäß einer zweiten variierenden Ausführungsform, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß, bei der der Heizstab im Wesentlichen in der Form eines Metallrohrs ist, erstreckt sich die Lastsensorhülse um den proximalen Teil dieses Metallrohrs herum. Insbesondere erstreckt sich bei einer erfindungsgemäßen Glühkerze die Lastsensorhülse nicht ganz um die elektrische Stromversorgungselektrode des Heizstabs herum, sondern um einen proximalen Teil (eines konstanten Durchmessers von 4 mm) des umgebenden Metallrohrs des Heizstabs selbst. Dies stellt sich nicht nur als in der Praxis möglich heraus (trotz des wenigen verfügbaren radialen Bauraums), sondern macht es im Gegenteil noch möglich, wesentliche Vorteile zu erzielen.
Zusätzlich bleibt das proximale äußerste Ende des Heizstabs vollständig zugänglich und verfügbar, auf der einen Seite für die elektrische Verbindung und auf der anderen Seite für einen optimierten mechanischen Zusammenbau, z. B. zum Integrieren von Dämpfelementen.
Bei einer erfindungsgemäßen Glühkerze ist auf der proximalen Seite der Lastsensor axial anliegend an die Befestigungsvorrichtung des Heizstabs relativ zum Kerzenkörper, und die Erfinder haben bemerkt, dass die Erfindung gleichzeitig eine optimale Führung des Heizstabs und ein Anbringen elektrischer Verbindungen, die in gleicher Weise optimal sind und eine Abschirmung enthalten, ermöglicht.
Die Erfindung ist auch kompatibel mit einer Position des undurchlässigen Elements der Befestigungsvorrichtung in nächster Nähe zur Brennkammer, wodurch es möglich wird, ein Verstopfen der proximalen Teile der Kerze mit abgelagertem Ruß aus der Brennkammer zu vermeiden.
Zusätzlich ist den Erfindern aufgefallen, dass es in der Praxis möglich ist, eine Art der Anbringung der Lastsensorhülse, in mechanischer und elektrischer Weise, zu definieren, die mit den (normierten) allgemeinen radialen Abmessungen einer Glühkerze kompatibel ist. Auf diese Weise weist insbesondere bei einer Glühkerze gemäß der vorliegenden Erfindung die Befestigungsvorrichtung eine Befestigungsbuchse auf, die in dem Aufnahmegehäuse und um den proximalen Teil des umgebenden Metallrohrs des Heizstabs herum befestigt ist, und wird die Lastsensorhülse von der Befestigungsbuchse getragen. Die Lastsensorhülse verlängert axial die Befestigungsbuchse der proximalen Seite.
Vorteilhafterweise ist eine Glühkerze gemäß der vorliegenden Erfindung auch dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsbuchse eine erste Befestigungsfläche, die steif und undurchlässig (z. B. mit undurchlässigen Befestigungsmitteln) an einer Innenwand, die zum Aufnahmegehäuse hin zeigt, befestigt ist, und eine zweite Befestigungsfläche hat, die steif und undurchlässig (d. h. durch undurchlässige Befestigungsmittel) um den proximalen Teil des Heizstabs herum befestigt ist, und dadurch, dass die erste und die zweite Befestigungsfläche der Befestigungsbuchse mindestens teilweise radial zueinander zeigen. Vorzugsweise, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß erstreckt sich die Lastsensorhülse axial über die Befestigungsflächen der Befestigungsbuchse hinaus zum proximalen äußersten Ende des Heizstabs hin. Das Ergebnis hiervon ist insbesondere, dass die Lastsensorhülse Signale liefert, die Scherkräfte zwischen diesen beiden Befestigungsflächen der Befestigungsbuchse repräsentieren. Außerdem stört auch eine Verformung des Zylinderkopfs oder des Kerzenkörpers nicht die Erfassung durch die Lastsensorhülse. Zusätzlich kann, wenn die Temperatur des Heizstabs ansteigt, ein Fließen von Wärme radial in der Befestigungsbuchse zwischen den beiden Befestigungsflächen erfolgen, wodurch eine wirkungsvolle Übertragung von Wärme auf den Zylinderkopf ermöglicht wird, so dass die anderen Elemente der Glühkerze einschließlich der Lastsensorhülse, extremen Temperaturen weniger ausgesetzt sind.
Zusätzlich, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß ist das erste axiale äußerste Ende der Lastsensorhülse ein distales äußerstes Ende der letzteren, und ist das zweite axiale äußerste Ende der Lastsensorhülse ein proximales äußerstes Ende der letzteren.
Insbesondere, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß weist die Befestigungsbuchse ein Verbindungsrohr auf, das die Lastsensorhülse umgibt und das zweite axiale äußerste Ende der Lastsensorhülse mit der ersten Befestigungsfläche verbindet. Das Ergebnis hiervon ist, dass die Lastsensorhülse auf dem Heizstab und auf dem Kerzenkörper jeweils in Zonen ruht, die mindestens teilweise radial zueinander zeigen, und auf diese Weise die Scherkräfte zwischen diesen beiden Zonen erfasst. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass sich das erste axiale äußerste Ende der Lastsensorhülse in einer proximaleren Position als die erste Befestigungsfläche befindet.
Zusätzlich, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß weist die Befestigungsbuchse eine Hülse zum Aufnehmen des Heizstabs auf, welche die zweite Befestigungsfläche bildet, sowie einen Befestigungsring, der die erste Befestigungsfläche bildet, wobei die Aufnahmehülse in der axialen Translation im Befestigungsring geführt wird, wobei die Befestigungshülse mit einem distalen äußersten Ende des Befestigungsrings verbunden ist. Das distale äußerste Ende der Aufnahmehülse ist mit dem Befestigungsring verbunden, so dass er eine axiale Elastizität aufweist, die den axialen Translationsbewegungen des Heizstabs in der proximalen Richtung widersteht, so dass die Lastsensorhülse Kräften von absoluten Werten ausgesetzt ist, die durch den auf diese Weise gebildeten elastischen Widerstand verringert werden. Zum Beispiel ist das distale äußerste Ende der Aufnahmehülse an der proximalen Seite zur Außenseite hin umgestülpt, so dass der auf diese Weise ausgebildete umgestülpte Teil eine Biegeelastizität aufweist. Außerdem ist dieser umgestülpte Teil selbst undurchlässig, wobei das distale äußerste Ende der Aufnahmehülse und des Befestigungsrings dazu geeignet sind, eine Undurchlässigkeit zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper am distalen äußersten Ende des Letzeren zu garantieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Verbindungsrohr vorteilhafterweise so gewählt wird, dass es eine Elastizität bei axialer Zugbelastung hat, die es ermöglicht, die Variationen mechanischer Eigenschaften, insbesondere der Elastizität des distalen äußersten Endes der Aufnahmehülse in Abhängigkeit von der Temperatur zu kompensieren. In der Praxis führt das dazu, dass das Verbindungsrohr zum Beispiel in der Form eines sehr dünnen Metallrohrs sein kann, das in einem identischen oder ähnlichen Material zu demjenigen, aus dem die Aufnahmehülse hergestellt wird, realisiert wird, oder jedenfalls identische oder ähnliche Variationen der Elastizität in Abhängigkeit von der Temperatur aufweist. Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß ist das Verbindungsrohr mit einem proximalen äußersten Ende des Befestigungsrings verbunden.
Zusätzlich, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß ist die Lastsensorhülse in der Form eines rohrförmigen Blocks und ist der Heizstab – insbesondere das umgebende Metallrohr des Heizstabs – axial ganz durch die Befestigungsbuchse und mindestens teilweise durch die Lastsensorhülse geführt. Dieser rohrförmige Block, der die Lastsensorhülse bildet, weist mindestens eine piezoelektrische Scheibe oder mindestens einen Spannungsmesser auf. Die von der Befestigungsbuchse (am proximalen äußersten Ende der Aufnahmehülse und über das Verbindungsrohr) getragene Lastsensorhülse ist so angeordnet, dass sie sich mit den Bewegungen in der Translation des Heizstabs relativ zum Kerzenkörper nicht stört.
Die Erfindung betrifft auch eine Glühkerze, die in Kombination durch alle oder einige der oben oder unten erwähnten Eigenschaften gekennzeichnet ist.
Weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden aus der Lektüre der folgenden Beschreibung ersichtlich, die sich auf die beiliegenden Figuren bezieht, welche Ausführungsformen der Erfindung als nicht einschränkende Beispiele darstellen. Es zeigt:
1 in einem axialen Querschnitt eine schematische Darstellung des distalen Teils einer Glühkerze gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
die 2 bis 5 schematische Seitendarstellungen unterschiedlicher Stufen der Herstellung einer Glühkerze gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
6 eine schematische perspektivische Darstellung einer Lastsensorhülse gemäß einer variierenden Ausführungsform, die mit der Erfindung übereinstimmt,
7 eine schematische axiale Schnittdarstellung des distalen Teils einer Glühkerze gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
8 ein Schema, das die funktionale Kinematik einer erfindungsgemäßen Glühkerze veranschaulicht,
9 eine schematische teilweise axiale Schnittdarstellung einer Glühkerze gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
10 eine Detaildarstellung von 9,
11 eine schematische axiale Schnittdarstellung des Details des elektrischen Anschlusses der Sensorverbindung einer Glühkerze gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung,
12 eine schematische Darstellung eines Details von 11,
13 eine schematische Schnittdarstellung entlang der Linie XIII-XIII von 11,
14 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische schematische Darstellung einer Glühkerze gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere die erste Fläche zeigt, die zur Außenseite des flexiblen Verbindungselements zeigt, das die Sensorverbindung bildet,
15 eine schematische perspektivische Detaildarstellung der zweiten Fläche, die nach innen zeigt, des distalen äußersten Endes des flexiblen Verbindungselements.
Eine Glühkerze gemäß der Erfindung weist einen Heizstab 11 auf, der im Beispiel von 1 des sogenannten Ganzmetalltyps ist, und im Wesentlichen aus einem Metallrohr 59 besteht. Dieses Metallrohr 59 ist daher ein Metallrohr, das als umgebend bezeichnet werden kann, und nimmt eine elektrische Stromversorgungselektrode 12 auf (die nicht als ein integraler Bestandteil des Heizstabs selbst betrachtet wird), so dass Strom an ihn geliefert werden kann, der dazu fähig ist, mindestens einen elektrischen Widerstand 69 zu erwärmen, der am distalen äußersten Ende der Elektrode 12 innerhalb des Metallrohrs 59 angeordnet ist und dazu fähig ist, (durch den Widerstandsheizeffekt) das distale äußerste Ende des Heizstabs 11 zu erwärmen. Die Elektrode 12 erstreckt sich hinein in das Metallrohr 59 über eine bestimmte Länge des Letzeren und ist gegen dieses durch ein eingefügtes Isolationsmaterial 64 isoliert. Die Elektrode 12 erstreckt sich axial in einer Erstreckung über das proximale äußerste Ende 38 des Heizstabs 11 hinaus. Die Elektrode 12 hat ein proximales äußerstes Ende 97, das mit einem elektrischen Stromversorgungsanschluss 98 verbunden ist. Dieser Heizstab 11 ist in einem Kerzenkörper 13 aufgenommen, der zu diesem Zweck ein Aufnahmegehäuse 14 bildet.
Der Heizstab 11 erstreckt sich in Längsrichtung entlang einer Hauptachse 41, die auch eine Achse des Kerzenkörpers 13 ist, des Aufnahmegehäuses 14 und eines Gewindeteils 43 der Außenwand 42 des Kerzenkörpers 13, wobei der Gewindeteil so ausgestaltet und beabsichtigt ist, dass es ermöglicht wird, die Glühkerze in einem Innengewindeloch zu befestigen, das durch den Zylinderkopf eines Motors geführt ist. Im gesamten Text beziehen sich die Begriffe „axial” und „radial” und ihre Ableitungen auf die Hauptachse 41.
Der Kerzenkörper 13, seine Außenwand 42, das Aufnahmegehäuse 14 und die Innenwand 44 des Kerzenkörpers 13, welche das Aufnahmegehäuse 14 abgrenzt, sind vorzugsweise rotationssymmetrisch um die Hauptachse 41, doch ist auch eine beliebige andere Form, die mit einer solchen Rotationssymmetrie nicht übereinstimmt, ebenfalls denkbar. Unter Beachtung dieses Umstands ist der Kerzenkörper 13 in seinem distalen Teil, der das Aufnahmegehäuse 14 bildet, in der Form eines Rohrs 45, dessen Innenwand 44 zylindrisch (rotationssymmetrisch oder nicht, d. h. seine Basis ist nicht notwendigerweise kreisförmig) relativ zur Hauptachse 41 ist. Dieses Rohr 45 hat ein distales äußerstes Ende 46, das von einer kegelstumpfförmigen Scheibe 47 verschlossen ist, welche das distale äußerste Ende des Kerzenkörpers 13 bildet. Das Aufnahmegehäuse 14 erstreckt sich auf diese Weise von der kegelstumpfförmigen Scheibe 47 axial in der proximalen Richtung.
Der Heizstab 11 erstreckt sich axial in der distalen Richtung über den Kerzenkörper 13 und die Scheibe 47 hinaus durch die mittlere Öffnung der letzteren und hat einen distalen Teil 49, der dazu gedacht ist, sich in die Atmosphäre der Brennkammer zu erstrecken. Der Heizstab 11 hat auch einen proximalen Teil 50, der sich in das Aufnahmegehäuse 14 erstreckt.
Das Aufnahmegehäuse 14 enthält eine Befestigungsbuchse 48 des Heizstabs 11. Die Funktion dieser Befestigungsbuchse 48 besteht darin, den Heizstab 11 relativ zum Kerzenkörper 13 stabil zu befestigen, während leichte axiale Translationsbewegungen des Heizstabs 11 relativ zum Kerzenkörper 13 unter der Wirkung von Variationen des Drucks der Atmosphäre der Brennkammer ermöglicht werden. Die Befestigungsbuchse 48 weist auch Mittel 15, 16 einer Undurchlässigkeit auf, wodurch eine Undurchlässigkeit zwischen dem Heizstab 11 und dem Kerzenkörper 13 in einer solchen Weise garantiert wird, dass eine proximale Zone 51 des Aufnahmegehäuse 14 abgegrenzt wird, die der Atmosphäre der Brennkammer nicht ausgesetzt ist.
Die Befestigungsbuchse 48 weist einen Befestigungsring 15 auf, der insgesamt zylindrisch ist und eine zylindrische Wand 19 hat, die radial nach außen zeigt und steif und undurchlässig an der Innenwand 44 (die radial nach innen zeigt) des Aufnahmegehäuses 14 befestigt ist, insbesondere durch mindestens eine umlaufende Schweißung 21, die mittels eines Lasers durch die Dicke des Rohrs 45 realisiert werden kann. Die Wand 19 des Befestigungsrings 15 bildet auf diese Weise eine erste Befestigungsfläche der Befestigungsbuchse 48 zur Innenwand 44, die zum Aufnahmegehäuse 14 hin zeigt.
Der Befestigungsring 15 hat eine zylindrische Innenwand 20, die ein Loch bildet, das axial durch den Befestigungsring 15 geführt ist. Der Innendurchmesser dieser Innenwand 20 des Befestigungsrings 15 ist größer als der umlaufende Durchmesser des proximalen Teils 50 des Heizstabs 11, der zu ihm hinzeigt, um so zur Einbringung einer Aufnahmehülse 16 zwischen dem Befestigungsring 15 und dem proximalen Teil 50 des Heizstabs 11 radial einen Zwischenraum bereitzustellen.
Die Aufnahmehülse 16 hat einen rohrförmigen Hauptteil in der Form eines dünnen Metallrohrs. Dieses dünne Metallrohr ist vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl mit hoher Güte, insbesondere mit einem Youngschen Modul größer als 150 GPa, insbesondere in der Größenordnung von 200 GPa, eine Elastizitätsgrenze größer als 600 MPa, z. B. in der Größenordnung von 800 MPa und eine Ermüdungsfestigkeit (maximale Spannung, für welche die Anzahl von Zyklen unendlich ist) von mindestens 300 MPa, z. B. in der Größenordnung von 400 MPa. Zum Beispiel ist es aus 17-4PH-Stahl oder Inconel-Stahl.
Der rohrförmige Hauptteil der Aufnahmehülse 16 hat eine zylindrische Innenwand 22 (die radial nach innen zeigt), deren Innendurchmesser demjenigen des proximalen Teils 50 des Heizstabs 11 entspricht (insbesondere typischerweise 4 mm gemäß geltender Normen ist), so dass sie mit diesem proximalen Teil 50 in Kontakt ist und steif und undurchlässig durch mindestens eine umlaufende Schweißung 23 (insbesondere zwei Nähte einer umlaufenden Schweißung in dem in 1 gezeigten Beispiel) verbunden ist. Die Wand 22 der Aufnahmehülse 16, die um den proximalen Teil 50 des Heizstabs 11 herum steif und undurchlässig befestigt ist, bildet auf diese Weise eine zweite Fläche 22 zum Befestigen der Befestigungsbuchse 48 an dem Heizstab 11.
Der rohrförmige Hauptteil der Aufnahmehülse 16 hat eine umlaufende zylindrische Wand 52, die radial nach außen zeigt, d. h. zur Innenwand 20 des Befestigungsrings 15 hin zeigt. Ein sehr kleiner Spalt – insbesondere in der Größenordnung von 0,2 mm – ist radial zwischen diesen zylindrisch zueinander zeigenden Wänden 52, 20 geschaffen, um so axiale Translationsbewegungen der Aufnahmehülse 16 relativ zum Befestigungsring 15 möglich zu machen. Die Aufnahmehülse 16 hat ein distales äußerstes Ende 24, das steif und undurchlässig – insbesondere durch mindestens eine umlaufende Schweißung 39 – an dem distalen äußersten Ende 25 des Aufnahmerings 15 befestigt ist.
Das distale äußerste Ende 24 der Aufnahmehülse 16 ist nach außen hin und zur proximalen Seite hin umgestülpt, um so einen umgestülpten Teil 26 zu bilden, der um das distale äußerste Ende 25 des Aufnahmerings herum führt, wobei dieser umgestülpte Teil 26 einen proximalen äußersten Endteil 40 hat, der steif und undurchlässig durch die umlaufende Schweißung 39 an dem distalen äußersten Ende der Wand 19 befestigt ist, die radial zur Außenseite des Befestigungsrings 15 bin zeigt. Vorzugsweise ist in der Fläche, die radial zur Außenseite dieses distalen äußersten Endes der Wand 19 des Befestigungsrings 15 hin zeigt, eine umlaufende Vertiefung geschaffen, um den proximalen äußersten Teil 40 des umgestülpten Teils 26 aufzunehmen, um so jede zusätzliche Dicke zu vermeiden. Dieser proximale äußerste Endteil 40 des umgestülpten Teils 26 bildet am äußersten Ende einen umlaufenden rohrförmigen Ring 40, der sich von der proximalen Seite und parallel zu dem rohrförmigen Hauptteil der Aufnahmehülse 16 erstreckt, wenn der umgestülpte Teil 26 um 180° umgestülpt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in einer (nicht gezeigten) Variante der umgestülpte Teil 26 nicht um 180° relativ zum rohrförmigen Hauptteil der Aufnahmehülse 16 umgestülpt zu werden braucht, sondern einen Winkel der Umstülpung haben kann, der mehr oder weniger als 180° ist. Der Umstülpwinkel des umgestülpten Teils 26 (relativ zum rohrförmigen Hauptteil der Aufnahmehülse 16) ist jedoch größer als 120° und kleiner als 240°. Die axiale Höhe dieses proximalen äußersten Endteils 40 (insbesondere des rohrförmigen Rings 40 am äußersten Ende) ist kleiner – insbesondere viel kleiner – als die axiale Höhe des rohrförmigen Hauptteils der Aufnahmehülse 16. Mit anderen Worten ist das proximale äußerste Ende des umgestülpten Teils 26 gegenüber der distalen Seite relativ zum proximalen äußersten Ende des rohrförmigen Hauptteils der Aufnahmehülse 16 versetzt.
Dieser umgestülpte Teil 26, der zum Beispiel durch Pressen hergestellt werden kann, hat zwischen dem rohrförmigen Hauptteil der Aufnahmehülse 16 und dem umgestülpten Teil 40 am äußersten Ende der proximalen Seite einen umgebogenen Verbindungsteil 80, und dieser zurückgebogene Verbindungsteil hat in einer radialen Ebene einen Querschnitt, der gebogen ist und eine kontinuierliche Krümmung hat, insbesondere in der allgemeinen Form eines Kreisbogens, vorzugsweise in einem Halbkreis oder in einer U-Form (wobei der Verbindungsteil 80 allgemein in der Form eines halben Torus ist), oder eines J, wenn der rohrförmige Hauptteil betrachtet wird. Als eine Variante kann ein Verbindungsteil 80, der einen Querschnitt einer nicht konstanten Krümmung hat, z. B. in der allgemeinen Form eines Teils einer Ellipse oder in einer anderen Form vorgesehen werden.
Dieser umgestülpte Teil 26 bildet auf diese Weise einen äußersten Endteil der Aufnahmehülse 16, die eine Biegungselastizität aufweist und auf diese Weise axiale Translationsbewegungen des Heizstabs 11 relativ zum Befestigungsring 15 (und auf diese Weise relativ zum Kerzenkörper 13) in einem genügend großen Amplitudenbereich ermöglicht, und mit einer elastischen Rückziehung des Heizstabs in der axialen Translation gemäß einem vorbestimmten Steifigkeitskoeffizienten K1, der durch eine entsprechende Auswahl des die Aufnahmehülse 16 bildenden Werkstoffs und ihre Dicke auf einen relativ niedrigen Wert eingestellt werden kann. Vorzugsweise hat die Aufnahmehülse 16 einschließlich des umgestülpten Teils 26 eine ungefähr konstante Dicke, z. B. in der Größenordnung von 0,35 mm.
Es wird darauf hingewiesen, dass der umgestülpte Teil 26 des distalen äußersten Ende der Aufnahmehülse 16 zahlreiche Vorteile hat. Insbesondere kann ein solcher umgestülpter Teil 26 einfach durch Pressen hergestellt werden. Er ermöglicht es, die Aufnahmehülse über das proximale äußerste Ende des Heizstabs 11 einzuführen, ohne dass dabei die Gefahr einer Beschädigung des letzeren besteht. Wenn eine Verformung auftritt, sind die Spannungen innerhalb des umgestülpten Teils 26 auf der proximalen Seite an ihrem Maximalwert, die der aggressiven Atmosphäre der Brennkammer nicht ausgesetzt ist. Trotz einer relativ großen Dicke, insbesondere in der Größenordnung von 0,35 mm, wird ein relativ geringer Elastizitätskoeffizient erreicht, wodurch relativ große Bewegungen des Heizstabs 11 ermöglicht werden. Außerdem wird ermöglicht, ein thermisch leitfähiges Element mit kleinen Dimensionen und daher eines geringen thermischen Widerstands, zwischen dem Heizstab 11 und dem Kerzenkörper 13 an dessen distalem äußersten Ende bereitzustellen.
Der rohrförmige Hauptteil der Aufnahmehülse 16 ist axial durch die ganze Länge des Befestigungsrings 15 geführt und erstreckt sich geringfügig über das proximale äußerste Ende 28 des letzteren hinaus. Die zylindrischen Wände 52, 20, die zu diesen zeigen, und der kleine Spalt (typischerweise in der Größenordnung von 0,2 mm), der sie trennt, sowie die die Aufnahmehülse 16 und den Befestigungsring 15 bildenden Werkstoffe, die metallisch und thermisch leitfähig sind, ermöglichen auf der Ebene der Aufnahmehülse 16 und des Befestigungsrings 15 in radialer Richtung einen thermischen Austausch zwischen dem proximalen Teil 50 des Heizstabs 11 und dem Kerzenkörper 13. Mit anderen Worten ist auf diese Weise durch die Aufnahmehülse 16 und den Befestigungsring 15 eine radiale thermische Brücke hergestellt. Das Ergebnis ist insbesondere, dass die Elemente in dem Aufnahmegehäuse 14 über die Aufnahmehülse 16 und den Befestigungsring 15 der proximalen Seite hinaus, einschließlich der unten beschriebenen Lastsensorhülse 17, den hohen Temperaturen des Heizstabs 11 und der Brennkammer weniger ausgesetzt sind.
Das proximale äußerste Ende 27 der Aufnahmehülse 16 kommt mit einem distalen äußersten Ende 32 einer Lastsensorhülse 17 in Kontakt, die insgesamt rohrförmig ist und sich axial in Verlängerung der Aufnahmehülse 16 vollständig um den proximalen Teil 50 (eines größeren Durchmessers, gleich 4 mm) des Metallrohrs 59 des Heizstabs 11 erstreckt. Die Lastsensorhülse 17 hat um die Achse 41 eine Rotationssymmetrie und ist mit dem Heizstab 11 und dem Aufnahmegehäuse 14 koaxial. Die Lastsensorhülse 17 ist axial und direkt anschließend an die Buchse 48 zur axialen Befestigung an der proximalen Seite.
Die Lastsensorhülse 17 weist in der in 1 gezeigten Ausführungsform einen distalen Ring 31 auf, der an der umlaufenden Wand der Aufnahmehülse 16 durch mindestens eine umlaufende Schweißung 53 steif befestigt ist. Dieser distale Ring 31 ist auf das proximale äußerste Ende 27 der Aufnahmehülse 16 gepasst und hat an seinem proximalen äußersten Ende einen radialen Spalt mit der umlaufenden Wand des Heizstabs 11 (genauer des Metallrohrs 59 des Heizstabs 11).
Das distale äußerste Ende 32 des distalen Rings 31 bildet ein erstes axiales äußerstes Ende der Lastsensorhülse 17, die mit dem Heizstab 11 – genauer dem Metallrohr 59 des Heizstabs 11 – über die Aufnahmehülse 16 steif verbunden ist. Dieses distale äußerste Ende 32 der Lastsensorhülse 17 wird auf diese Weise in einer axialen Translation durch die Bewegungen des Heizstabs 11 entlang der Achse 41 mindestens in der proximalen Richtung und in den gezeigten Ausführungsformen in beiden Richtungen angetrieben.
Das distale äußerste Ende 32 der Lastsensorhülse 17 ist axial in einem Abstand vom proximalen äußersten Ende 28 des Befestigungsrings 15, so dass es gegen diesen im Verlauf der axialen Bewegungen des Heizstabs 11 nicht zu einem begrenzenden Anschlag kommt. Das distale äußerste Ende 32 des distalen Rings 31 ist jedoch so nahe wie möglich am Befestigungsring 15, so dass die Lastsensorhülse 17 auf der proximalen Seite direkt über dem Befestigungsring 15 ist.
Über dem distalen Ring 31 (auf der proximalen Seite) ist eine erste Scheibe 33 aus einem piezoelektrischen Material, darüber ist eine mittlere Scheibe 34 eines elektrisch leitfähigen Materials, darüber ist eine zweite Scheibe 35 aus einem piezoelektrischen Material, und darüber ist ein proximaler Ring 36.
Die verschiedenen Ringe und Scheiben 31, 33, 34, 35, 36 der Lastsensorhülse 17, die auf diese Weise aufgestapelt sind, haben mindestens ungefähr denselben Innendurchmesser, der geringfügig größer als der Außendurchmesser des Metallrohrs 59 des Heizstabs 11 ist, so dass sie mit dem letzteren nicht in Kontakt kommen. Ihre radiale Dicke ist so klein wie möglich, so dass sie um den proximalen Teil 50 des Metallrohrs 59 des Heizstabs 11 (der einen Außendurchmesser von 4 mm hat) im Aufnahmegehäuse 14 untergebracht werden können, während sie immer noch eine Erfassung der axialen Druckbelastungen erlauben, die innerhalb der piezoelektrischen Scheiben 33, 35 erzeugt werden. Typischerweise ist die radiale Dicke der piezoelektrischen Scheiben 33, 35 in der Größenordnung von 1 mm.
Der proximale Ring 36 der Lastsensorhülse 17 hat ein proximales äußerstes Ende 37, das auch ein zweites proximales axiales äußerstes Ende der Lastsensorhülse 17 darstellt. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das proximale äußerste Ende 37 der Lastsensorhülse 17 auf der proximalen Seite jenseits des proximalen äußersten Endes 38 des Heizstabs 11, wobei der Heizstab 11 axial nicht ganz durch die Lastsensorhülse 17 geführt ist. Trotzdem wird darauf hingewiesen, dass sich die Lastsensorhülse 17 nicht ganz um die elektrische Stromversorgungselektrode 12 herum erstreckt und in einer Position so distal wie möglich innerhalb des Aufnahmegehäuses 14 und der proximalen Seite der Befestigungsbuchse 48 angeordnet ist, wobei die letztere an dem distalen äußersten Ende des Aufnahmegehäuse 14 angeordnet ist.
Der proximale Ring 36 der Lastsensorhülse 17 hat eine radiale Dicke, die geringfügig größer als diejenige des distalen Rings 31, der mittleren Scheibe 34 und der piezoelektrischen Scheiben 33, 35 ist. Ein dünnes Metallverbindungsrohr 18 erstreckt sich vom proximalen Ring 36 ausgehend um die Lastsensorhülse 17 herum und auf der distalen Seite bis zum Befestigungsring 15 hin. Dieses Verbindungsrohr 18 ist auf diese Weise zwischen der Lastsensorhülse 17 und der Innenwand 44 des Aufnahmegehäuses 14 angeordnet. Das Verbindungsrohr 18 hat ein proximales äußerstes Ende 30, das über mindestens eine umlaufende Schweißung 34 steif am proximalen Ring 36 der Lastsensorhülse 17 befestigt ist, sowie ein distales äußerstes Ende 29, das über mindestens eine umlaufende Schweißung 55 steif am proximalen äußersten Ende 28 des Befestigungsrings 15 vorzugsweise in einer Vertiefung, die in der Wand 19 des letzteren ausgebildet ist und radial nach außen hin zeigt, um jede zusätzliche Dicke zu vermeiden, befestigt ist. Wegen der zusätzlichen radialen Dicke des proximalen Rings 36 der Lastsensorhülse 17 ist zwischen den piezoelektrischen Scheiben 33, 35, der Scheibe 34 und dem distalen Ring 31 der Lastsensorhülse 17 auf der einen Seite und dem Verbindungsrohr 18 auf der anderen Seite ein Spalt vorgesehen. In ähnlicher Weise ist das Verbindungsrohr 18 so dünn, dass über seine gesamte axiale Länge zwischen seiner zylindrischen Wand, die radial nach außen zeigt, und der Innenwand 44 des Aufnahmegehäuses 14 des Kerzenkörpers 13 die ihr gegenüberliegt, ein radialer Spalt vorgesehen werden kann. Auf diese Weise kommt das Verbindungsrohr 18 mit dem Kerzenkörper 13 nicht in Kontakt.
Das Verbindungsrohr 18 verbindet auf diese Weise das proximale äußerste Ende 37 der Lastsensorhülse 17 mit dem Befestigungsring 15 und deshalb dem Kerzenkörper 13. Da jedoch diese Verbindung den Unterstützungspunkt des proximalen äußersten Endes 37 der Lastsensorhülse 17 auf den Befestigungsring 15 überträgt, sind die Druckspannungen, die an der Lastsensorhülse 17 erzeugt werden, tatsächlich repräsentativ für die Scherkräfte, die durch die axialen Bewegungen des Heizstabs 11 zwischen dem proximalen Teil 50 des Heizstabs 11 in Kontakt mit der Aufnahmehülse 16 und dem Befestigungsring 15 erzeugt werden. Außerdem werden, da die beiden axialen äußersten Enden der Lastsensorhülse 17 auf dem Heizstab 11 (genauer auf dem Metallrohr 59 des Heizstabs 11) bzw. den Kerzenkörper 13 in Zonen ruhen, die einander zumindest ungefähr gegenüberliegen, die Signale, welche die Lastsensorhülse 17 liefert, durch eine Verformung des Zylinderkopfs, des Kerzenkörpers 13 oder anderer Zwischenelemente, außer dem Verbindungsrohr, wie unten erläutert, nicht gestört.
Das Verbindungsrohr 18, das sehr dünnwandig ist, hat in der axialen Zugrichtung eine Elastizität, die das proximale äußerste Ende 37 der Lastsensorhülse 17 in der distalen Richtung mit einem vorbestimmten Steifigkeitskoeffizienten K2 zurückzieht, dessen Wert durch eine entsprechende Auswahl des das Verbindungsrohr 18 bildenden Werkstoffs und seiner Abmessungen eingestellt werden kann. Zum Beispiel wird das Verbindungsrohr 18 aus einem Werkstoff gefertigt, der aus nichtrostenden Stählen mit hoher Güte ausgewählt wird, und ist seine Dicke (Differenz zwischen dem Radius der Außenwand und demjenigen der Innenwand) in der Größenordnung von 0,2 mm. Das Verbindungsrohr 18 ist vorzugsweise aus nichtrostendem Stahl mit hohen Güteeigenschaften, mit einem Youngschen Modul größer als 150 GPa, insbesondere in der Größenordnung von 200 GPa, einer Elastizitätsgrenze größer als 600 MPa, z. B. in der Größenordnung von 800 MPa, und einer Ermüdungsfestigkeit (maximale Spannung, für welche die Anzahl von Zyklen ohne Bruch unendlich ist) von mindestens 300 MPa, z. B. in der Größenordnung von 400 MPa. Zum Beispiel ist es aus 17-4 PH-Stahl oder Inconel-Stahl.
Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen ist das proximale äußerste Ende 30 des Verbindungsrohr 18 einfach mit der Außenseite des proximalen äußersten Endes 37 des proximalen Rings 36 der Lastsensorhülse 17 verschweißt. Es wird darauf hingewiesen, dass es zum Erhalten eines ungefähren Werts dieses Steifigkeitskoeffizienten K2 möglich ist, eine Verbindung vom proximalen äußersten Ende 30 des Verbindungsrohrs 18 zum proximalen Ring 36 der Lastsensorhülse 17 mit einer Falzung zu schaffen, die einen umgestülpten Teil nach innen hin bildet, und wobei sich auf der distalen Seite dieser umgestülpte Teil um das proximale äußerste Ende 37 der Lastsensorhülse 17 erstreckt, in ähnlicher Weise zum umgestülpten Teil 26 des distalen äußersten Endes der Aufnahmehülse 16. Die allgemeine funktionale Kinematik einer erfindungsgemäßen Kerze ist im Schema von 8 dargestellt.
Das Verbindungsrohr 18 hat auch mindestens eine Öffnung 56, die durch die ganze Dicke von seinem proximalen äußersten Ende 30 über einen Teil seiner Höhe bis zur mittleren Scheibe 34 der Lastsensorhülse 17 hin ausgebildet ist, um so ein Hindurchführen eines elektrischen Verbindungsstifts 57 zu ermöglichen, der auf die Außenseite der mittleren Scheibe 34 aufgeschweißt ist und sich auf der proximalen Seite erstreckt. Dieser elektrische Verbindungsstift 57 ermöglicht es, die Signale, welche die piezoelektrischen Scheiben 33, 35 auf der proximalen Seite erzeugen, zu einer elektronischen Schaltung 90 zum Verarbeiten des Signals zu leiten, welche die Lastsensorhülse 17 liefert.
Der elektrische Verbindungsstift 57 ist an dem distalen äußersten Ende eines flexiblen Verbindungselements 71, das allgemein die Form eines vielschichtigen Bands hat, das in den 11–13 dargestellt ist, ausgebildet. Dieses Verbindungselement 71 weist eine Trägerschicht 72 eines isolierenden Materials auf, das vorzugsweise biegeflexibel ist und eine erste Oberfläche 73 hat, die radial zur Außenseite der Hauptachse 41 des Heizstabs zeigt, wobei diese erste Fläche 73 eine Signalleitung 74 trägt. Die Signalleitung ist aus einer Metallleiterbahn (z. B. aus Kupfer), die auf der ersten Fläche 73 abgeschieden ist und sich in Längsrichtung entlang dem Verbindungselement zwischen einem distalen Ende 75 der Trägerschicht 72 und der elektronischen Schaltung 90 zum Verarbeiten des Signals erstreckt, das die Lastsensorhülse 17 liefert, wobei die elektronische Verarbeitungsschaltung 90 auf einem proximal äußersten Endteil der ersten Fläche 73 sitzt. Die Signalleitung 74 ist über eine leitfähige Buchse 77, welche durch die Dicke der Trägerschicht 72 und an ihrem distalen äußersten Ende 75 ausgebildet ist, mit einem Endbolzen 78 verbunden, der auf der zweiten Fläche 79 angebracht ist, die radial zur Hauptachse 71 des Heizstabs zeigt, und ist auf diese Weise der ersten Fläche 73 der Trägerschicht 72 entgegengesetzt. Die Buchse 77 ist zum Beispiel mit einem leitfähigen Kleber 76 gefüllt. Dieser Bolzen 78, der aus einem leitfähigen Material (z. B. auf der Fläche 79 abgeschiedenes Kupfer) ausgebildet ist, ist (über eine Schweißung oder einen leitfähigen Kleber) mit der mittleren Scheibe 34 verbunden, so dass die Signalleitung 74 die von der Lastsensorhülse 17 gelieferten elektrischen Signale zur elektronischen Verarbeitungsschaltung 90 überträgt.
Die Breite der Signalleitung 74 erstreckt sich nur über einen Teil der Breite der ersten Fläche 73 und auf deren Schwerelinie. Die erste Fläche 73 trägt auch zwei leitfähige Erdungsleitungen 81, die sich entlang dieser ersten Fläche 73 und jeweils seitlich von der Signalleitung 74 und um die Buchse 77 herum erstrecken, um so diese Signalleitung 74 am Rand abzuschirmen. Jede leitfähige Erdungsleitung 81 ist zum Beispiel in der Form einer Bahn aus leitfähigem Material (z. B. Kupfer), das auf der ersten Fläche 73 abgeschieden wird, und ist mit der elektrischen Erdung des Kerzenkörpers verbunden, z. B. auf der Ebene der elektronischen Verarbeitungsschaltung 90. Vorteilhafterweise bedeckt eine Schicht 83 aus einem Isolator jede Leiterbahn (Signalleitung 74 und Erdungsleitungen 81), welche von der ersten Fläche 73 getragen werden, um so jeglichen Kontakt mit der Innenwand des Kerzenkörpers, die ihr gegenüberliegt, zu vermeiden. Diese Schicht 83 kann in der Form einer Schicht isolierenden Lacks sein, der die erste Fläche 73 ganz abdeckt.
Die zweite Fläche 79 der Trägerschicht 72, die radial nach innen zur Hauptachse 41 des Heizstabs zeigt, trägt eine leitfähige Erdungsschicht 82. Diese leitfähige Erdungsschicht 82 liegt zum Beispiel in der Form einer breiten Bahn eines leitfähigen Materials vor, das auf der zweiten Fläche 79 mindestens ungefähr über die ganze Breite dieser Fläche abgeschieden ist und mit der elektrischen Erde des Kerzenkörpers, z. B. auf der Ebene der elektronischen Verarbeitungsschaltung 90, verbunden ist. Die Breite der Trägerschicht 72 sowie diejenige des ganzen flexiblen Verbindungselements 71 sind gegenüber der Hauptachse 41 versetzt und erstrecken sich auf einer nicht dem Durchmesser entsprechenden Sehne des Aufnahmegehäuses. Außerdem ist die Breite der Trägerschicht 72 und daher auch der leitfähigen Erdungsschicht 82 so groß wie möglich, insbesondere größer als diejenige der Signalleitung 74 und auch größer als der Radius des zylindrischen Aufnahmegehäuses, das innerhalb des Kerzenkörpers ausgebildet ist. Auf diese Weise wird die Wirksamkeit der so gebildeten Abschirmung optimiert.
Die leitfähige Erdungsschicht 82 ist an ihrem distalen äußersten Ende 85 in einem Abstand vom Bolzen 78 unterbrochen, um jeglichen elektrischen Kontakt mit dem letzteren zu vermeiden. Vorzugsweise reicht die leitfähige Erdungsschicht 82 auf der distalen Seite nicht über den proximalen Ring 36 der Lastsensorhülse 17 hinaus. Das distale äußerste Ende 85 der leitfähigen Erdungsschicht 82 ist (durch Schweißen oder einen leitfähigen Kleber) mit dem proximalen Ring 36 der Lastsensorhülse 17 verbunden.
Die leitfähige Erdungsschicht 82 ist auf diese Weise (radial) zwischen der elektrischen Stromversorgungselektrode 12 (die auf der Hauptachse 41 axial zentriert ist) des Heizstabs 11 und der Signalleitung 47 zum Übertragen von elektrischen Signalen der Lastsensorhülse 17 angeordnet und agiert daher als eine elektrische Abschirmung, wodurch jegliche kapazitive Kopplung vermieden wird. Auf diese Weise erstreckt sich die leitfähige Erdungsschicht 82 in Längsrichtung entlang der elektrischen Stromversorgungsverbindung des Heizstabs und der Signalleitung 47, da sie zwischen der Hauptachse 41 und der Signalleitung 74 angeordnet ist.
Die Signalleitung 74 ist auf diese Weise auf allen Seiten von einer leitfähigen Abschirmung umgeben, die mit der Erde verbunden ist: der leitfähigen Erdungsschicht 82, die eine Abschirmung auf der Innenseite bildet, den leitfähigen Erdungsleitungen 82, welche die seitliche Abschirmung am Rand bilden, und dem Metallkerzenkörper auf der Außenseite. Das auf diese Weise ausgebildete vielschichte flexible Verbindungselement 71 stellt eine elektrische Verbindung dar, die als Sensorverbindung 71 bezeichnet wird, die sich in den Kerzenkörper zwischen dem Lastsensor 17 und einem proximalen Teil 84 des Kerzenkörpers 13 erstreckt, wobei die Sensorverbindung 71 vollständig abgeschirmt ist.
Die elektronische Verarbeitungsschaltung 90 ist vorteilhafterweise dazu geeignet, an einem proximalen Ausgangsanschluss des Kerzenkörpers eine Spannung zu liefern, welche die Signale, die von der Lastsensorhülse 17 geliefert werden, und daher den Zylinderdruck repräsentiert. Diese Schaltung 90 kann in der Form einer ladungsverstärkenden integrierten Schaltung vorliegen. Auf diese Weise stellt eine Glühkerze gemäß der Erfindung eine unabhängige und autonome Einheit dar, die auf Herstellerseite hergestellt, konfiguriert, geregelt und abgenommen werden kann, und bereit zum Einsatz in einem beliebigen Motor geliefert werden kann.
Zusätzlich besteht der Kerzenkörper 13 aus einer Mehrzahl eigenständiger Metallrohre, die steif zusammengesetzt sind, um einander axial fortzusetzen, das heißt ein proximales Metallrohr 95, das axial von dem distalen Metallrohr 45 fortgesetzt wird. Insbesondere bildet das proximale Rohr 95 einen proximalen Teil 84 des Kerzenkörpers 13, der die elektronische Signalverarbeitungsschaltung 90 und verschiedene Anschlüsse der Glühkerze aufnimmt. Der Gewindeteil 43 zum Anbringen der Glühkerze am Zylinderkopf des Motors ist auf der Außenwand dieses proximalen Metallrohrs 95 ausgebildet.
Das distale Rohr 45 hat eine Dicke (Differenz zwischen ihrem Außen- und Innenradius), die kleiner diejenige des proximalen Rohrs 95 ist. Das proximale Rohr 95 hat an seinem distalen äußersten Ende eine Verjüngung 96 ihrer Außenwand, die eine Vertiefung bildet, um das proximale äußerste Ende des distalen Rohrs 45 aufzunehmen. Vorzugsweise hat diese Aufnahmeverjüngung 96 eine Dicke, die derjenigen des distalen Rohrs 45 entspricht, so dass die Außenwände des proximalen Rohrs 95 und des distalen Rohrs 45 einander an dem Übergang der beiden Rohre 45, 95 fortsetzen, wobei das proximale Rohr 95 und das distale Rohr 45 beide denselben Außendurchmesser haben. Das distale Rohr 45 und das proximale Rohr 95 sind durch Laserschweißen stirnseitig aneinander angefügt.
Das distale Rohr 45 ist aus einer ersten Metalllegierung, das proximale Rohr 95 ist aus einer zweiten Metalllegierung, und die das distale Rohr 45 bildende erste Metalllegierung hat mechanische Eigenschaften, die denjenigen der das proximale Rohr 45 bildenden zweiten Metalllegierung überlegen sind. Insbesondere, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß hat die das distale Rohr 45 bildende erste Metalllegierung eine größere Elastizitätsgrenze als diejenige der das proximale Rohr 95 bildenden zweiten Metalllegierung. Insbesondere, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß werden die Metalllegierungen so gewählt, dass sie die Verringerung der Dicke zwischen dem proximalen Rohr 95 und dem distalen Rohr 45 kompensieren, während sie eine Kontinuität der mechanischen Eigenschaften (insbesondere der Elastizitätsgrenze) vorsehen. Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß ist die Differenz der Dicke zwischen dem distalen Rohr 45 und dem proximalen Rohr 95 derart, dass Y1 × S1 = Y2 × S2 ist, wobei Y1 die Elastizitätsgrenze der das proximale Rohr bildenden Metalllegierung ist, S1 der von der Dicke des proximalen Rohrs gebildete Querschnitt ist, Y2 die Elastizitätsgrenze der das distale Rohr bildenden Metalllegierung ist und S2 der von der Dicke des distalen Rohrs gebildete Querschnitt ist.
Zum Beispiel ist die das distale Rohr 45 bildende erste Metalllegierung ein nichtrostender Stahl mit hoher Güte, insbesondere mit einem Youngschen Modul größer als 150 GPa, insbesondere in der Größenordnung von 200 GPa, einer Elastizitätsgrenze größer als 600 MPa, z. B. in der Größenordnung von 800 MPa, und einer Ermüdungsfestigkeit (maximale Spannung, für welche die Anzahl von Zyklen ohne Bruch unendlich ist) von mindestens 300 MPa, z. B. in der Größenordnung von 400 MPa. Zum Beispiel kann sie 17-4 PH Stahl oder Inconel-Stahl sein. Vorteilhafterweise kann die das proximale Rohr 95 bildende zweite Metalllegierung ein nichtrostender Schnellstahl (Stahl zur schnellen spanabhebenden Bearbeitung), z. B. mit einer Elastizitätsgrenze in der Größenordnung von 150 MPa, sein.
Ein solches distales Rohr 45 einer verringerten Dicke ermöglicht es insbesondere, den verfügbaren Innenraum zum Ausbilden des Aufnahmegehäuses 14 zu vergrößern, während der Außendurchmesser derselbe bleibt und mechanische Eigenschaften der Einheit des Kerzenkörpers 13 im Wesentlichen unverändert bleiben.
Vorzugsweise ist mindestens in dieser Ausführungsform, in der die Lastsensorhülse 17 mindestens eine piezoelektrische Scheibe 33, 35 beinhaltet, die letztere mit einer Vorlast in der axialen Kompression, z. B. in der Größenordnung von 100 N, zusammengesetzt, um sicherzustellen, dass jede piezoelektrische Scheibe 33, 35 immer (durch die elastischen Zurückziehungen K1 des umgestülpten Teils 26 und K2 des Verbindungsrohrs 18, die vorgespannt sind) komprimiert wird und zwar unabhängig von der axialen Position des Heizstabs 11, einschließlich des Falls eines niedrigen Drucks in der Brennkammer. Folglich liefert die Lastsensorhülse 17 Signale, welche die Variation der axialen Kompressionskraft repräsentieren, der sie im Lauf der axialen Bewegung des Heizstabs 11 relativ zum Kerzenkörper 13 ausgesetzt ist. Diese axiale Kompressionsvorspannung kann dadurch erhalten werden, dass zwischen dem Befestigungsring 15 (der einen Absatz 58 hat, der sich radial nach außen hin erstreckt und zur distalen Seite hin zeigt) und dem proximalen äußersten Ende 30 des Verbindungsrohrs 18 zu dem Zeitpunkt des Ausführens der umlaufenden Schweißung 55 des distalen äußersten Endes 29 des Verbindungsrohrs 18 an dem proximalen äußersten Ende 28 des Befestigungsrings 15 (3) eine axiale Kompressionskraft angelegt wird.
Die 2–5 zeigen verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung einer Glühkerze gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Zuerst wird durch umlaufendes Schweißen die Aufnahmehülse um den Heizstab 11 herum befestigt, dann wird der Befestigungsring 15 eingesetzt und um die Aufnahmehülse 16 in dem umgestülpten Teil 26 herum durch umlaufendes Schweißen befestigt. Dann wird die Lastsensorhülse 17 über das proximale äußerste Ende 38 des Heizstabs 11 eingeführt (2), bis sie gegen das proximale äußerste Ende der Aufnahmehülse 16 stößt. Die umlaufende Schweißung 53 des distalen Rings 31 der Lastsensorhülse 17 auf die Aufnahmehülse 16 wird durchgeführt. Dann wird das Verbindungsrohr 18 über das proximale äußerste Ende 38 des Heizstabs 11 um die Lastsensorhülse 17 herum eingeführt. Dann wird die umlaufende Schweißung des proximalen äußersten Endes 30 des Verbindungsrohrs 18 auf das proximale äußerste Ende 37 der Lastsensorhülse 17 durchgeführt. Dann wird durch eine axiale Kompression (in der Größenordnung von 100 N) die umlaufende Schweißung des distalen äußersten Endes 29 des Verbindungsrohrs 18 auf das proximale äußerste Ende 28 des Befestigungsrings 15 durchgeführt (3). Dann werden die elektrischen Verbindungen des Heizstabs 11 (über die Elektrode 12) und der Lastsensorhülse 17 (über den Stift 57) ausgeführt und die verschiedenen Elemente in dem proximalen Teil der Glühkerze (4) zusammengebaut. Dann wird über das distale äußerste Ende des Heizstabs 11 das distale Rohr 45 des Kerzenkörpers 13, welches das Aufnahmegehäuse 14 bildet, eingeführt und dann die kegelstumpfförmige distale Endscheibe 47 eingeführt, und das Ganze durch eine umlaufende Schweißung fixiert (5).
Wenn der Zylinderdruck zunimmt, bewegt sich der Heizstab 11 geringfügig axial in einer Translationsbewegung in der proximalen Richtung, wodurch die Lastsensorhülse 17 zusammengedrückt wird, wobei deren piezoelektrische Scheiben 33, 35 die elektrischen Ladungen liefern, welche diese Kompression repräsentieren.
Der umgestülpte Teil 26 des distalen äußersten Endes der Aufnahmehülse 16 zieht den Heizstab 11 der distalen Seite gegen den Zylinderdruck gemäß dem Steifigkeitskoeffizienten K1 zurück. Dieses Zurückziehen ermöglicht es, für denselben Wert des Druckanstiegs die Druckspannungen zu verringern, denen die Lastsensorhülse 17 ausgesetzt wird, wodurch ihr Arbeitsbereich vergrößert wird. Hierdurch wird es auch möglich, die Spannungen zu begrenzen, denen das Verbindungsrohr 18 ausgesetzt wird.
Die Elastizität des Verbindungsrohrs 18 gemäß dem Steifigkeitskoeffizienten K2 ermöglicht es, auf der einen Seite die Last zu verringern, der die Lastsensorhülse 17 für denselben Zylinderdruck ausgesetzt wird, und auf der anderen Seite die Druckkräfte zu verringern, denen der umgestülpte Teil 26 ausgesetzt wird. Je größer der Wert des Steifigkeitskoeffizienten K2, desto größer ist die Belastung, der die Lastsensorhülse 17 (für denselben Zylinderdruck) ausgesetzt wird. Außerdem ermöglicht die Elastizität des Verbindungsrohrs 18 gemäß dem Steifigkeitskoeffizienten K2, eine undurchlässige Membran (die durch den umgestülpten Teil 26 gebildet wird) einer genügenden Dicke (insbesondere in der Größenordnung von 0,35 mm) festzuhalten, zu Gunsten einer guten Ableitung von Wärme durch Wärmeleitfähigkeit über diese undurchlässige Membran, während vermieden wird, dass diese undurchlässige Membran unter der Einwirkung differentieller thermischer Ausdehnung übergroßen Spannungen (mit der Gefahr von plastischen Verformungen oder eines Versagens der Membran) ausgesetzt wird.
Wenn außerdem das Verbindungsrohr 18 und die Aufnahmehülse 16 aus demselben Material oder aus Materialen, welche die gleichen thermischen Eigenschaften haben, gefertigt werden, werden hierdurch die Variationen der Steifigkeitskoeffizienten K1 und K2 in Abhängigkeit von der Temperatur ausgeglichen. Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß bestehen das Verbindungsrohr 18 und die Aufnahmehülse 16 aus demselben Material, das aus nichtrostenden Stählen, vorzugsweise aus nichtrostenden Stählen hoher Güte, insbesondere mit einer hohen Elastizitätsgrenze und einer hohen Ermüdungsfestigkeit, ausgewählt. Insbesondere, vorteilhafterweise und erfindungsgemäß sind das Verbindungsrohr 18 und die Aufnahmehülse 16 aus dem gleichen nichtrostenden Stahl mit hoher Güte, insbesondere mit einem Youngschen Modul größer als 150 GPa, insbesondere in der Größenordnung von 200 GPa, einer Elastizitätsgrenze größer als 600 MPa, z. B. in der Größenordnung von 800 MPa, und einer Ermüdungsfestigkeit (maximale Spannung, für welche die Anzahl von Zyklen ohne Bruch unendlich ist) von mindestens 300 MPa, z. B. in der Größenordnung von 400 MPa, hergestellt. Zum Beispiel sind sie beide aus 17-4 PH-Stahl oder Inconel-Stahl.
Die Auswahl der beiden Steifigkeitskoeffizienten K1 und K2 ermöglicht es, den Bandpass des auf diese Weise gebildeten mechanischen Systems einzustellen, z. B. so, dass es eine erste normale Mode (Grund- oder natürliche Frequenz) mit axialen Oszillationen von größer als 10 kHz hat. Zum Beispiel war es möglich, mit K1 = K2 ≈ 40 N/μm gute Ergebnisse zu erzielen.
So ist ersichtlich, dass eine Glühkerze mit standardmäßigen Abmessungen erhalten wird, in die ein Lastsensor integriert ist, der den Zylinderdruck repräsentierende Signale in vollständig zuverlässiger und präziser Art und Weise liefert, die nicht durch normale Moden der Verformung des Heizstabs 11 oder der elektrischen Stromversorgungselektrode 12 oder durch eine Verformung des Kerzenkörpers 13 oder des Zylinderkopfs gestört ist. In der Praxis ist zu bemerken, dass die Lastsensorhülse 17 keinen Temperaturen von mehr als 170°C ausgesetzt ist.
In der in 7 gezeigten zweiten Ausführungsform ist der Heizstab 11' nicht in der Form eines einfachen Metallrohrs, sondern besteht aus einem Keramikstab 60, der in ein umgebendes Metallrohr 61, der die umgebende Wand des Heizstabs 11' und den Querschnitt eines Durchmessers von 4 mm des Heizstabs 11 bildet, eingesetzt ist (und dort durch Hartlöten oder Verpressen fixiert ist, d. h. durch eine Kraft mit einer verbleibenden elastischen radialen Spannung eingesetzt ist). Das umgebende Metallrohr 61 erstreckt sich axial nicht nur im Aufnahmegehäuse 14, sondern auch über die Scheibe 47 und den Kerzenkörper 13 hinaus, wobei es teilweise den distalen Teil des Heizstabs 11' bildet. Der Keramikstab 60 geht sowohl an seinem proximalen äußersten Ende als auch an seinem distalen äußersten Ende axial über das umgebende Metallrohr 61 hinaus. Der Keramikstab 60 enthält auch in einer Weise, die an sich bekannt ist, ein Widerstandselement, das mit elektrischem Strom versorgt wird und durch den Widerstandsheizeffekt heizt.
Die Lastsensorhülse 17 erstreckt sich dann auch um den Heizstab 11' herum, d. h. um den proximalen Teil 63 des Metallrohrs 61 und den proximalen Teil 62 des Keramikstabs 60 in der möglichst distalen Position im Aufnahmegehäuse 14 herum, wobei es direkt axial an den Befestigungsring 15 und daher die Befestigungsbuchse 48 der proximalen Seite anschließt. In dieser zweiten gezeigten Ausführungsform erstreckt sich die Lastsensorhülse 17 geringfügig über das proximale äußerste Ende des umgebenden Rohrs 61 des Heizstabs 11' hinaus. Trotzdem geht die Lastsensorhülse 17 auf der proximalen Seite nicht über das proximale äußerste Ende des Heizstabs 11' hinaus, welches das proximale äußerste Ende des Keramikstabs 60 darstellt. Die elektrische Stromversorgung eines solchen Heizstabs wird über eine Wendel 70 eines leitfähigen Drahts umgesetzt, die um das proximale äußerste Ende des Keramikstabs 60 herumgewickelt ist und mit dem letzteren in elektrischem Kontakt steht. Ansonsten ist die zweite Ausführungsform mit der ersten Ausführungsform identisch.
Es ist ersichtlich, dass die Erfindung mit einem Heizstab 11 in der Form eines Metallrohrs 59 ebenso wie mit einem Heizstab 11' in der Form eines Keramikstabs 60, der in ein umgebendes Metallrohr 61 eingesetzt ist, kompatibel ist.
6 zeigt eine variierende Ausführungsform einer Lastsensorhülse 67, die in einer erfindungsgemäßen Glühkerze eingesetzt werden kann. In dieser Variante enthält die Lastsensorhülse 67 keine piezoelektrischen Scheiben, sondern mindestens einen Spannungsmesser 65 (eine Drahtspirale, deren elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Verformung variiert), dessen Anschlüsse 68 und 66 mit einem elektrischen Anschlussstift, wie dem oben beschriebenen Stift 57 verbunden sind. Bei dieser variierenden Ausführungsform kann die Lastsensorhülse 67 genauso gut bei einer axialen Druck- als auch einer axialen Zugbelastung funktionieren.
An der Erfindung können zahlreiche Abänderungen hinsichtlich der oben beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen vorgenommen werden. Insbesondere kann die Lastsensorhülse 17 eine einzige piezoelektrische Scheibe oder mehr als zwei piezoelektrische Scheiben enthalten, kann das proximale äußerste Ende der Lastsensorhülse 17 direkt auf den Heizstab aufgeschweißt werden usw. Außerdem ist es möglich vorzusehen, dass das axiale äußerste Ende der Lastsensorhülse, das mit dem Heizstab verbunden ist, sein proximales äußerstes Ende (und nicht sein distales äußerstes Ende) ist, wobei das distale äußerste Ende der Lastsensorhülse mit dem Kerzenkörper verbunden ist. Die Schweißungen können durch Laserschweißen oder mit einer anderen Methode ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7444973 [0009]
US 7581520 [0010]
US 2009/0242540 [0010]
US 20080216786 [0011]
EP 2138819 [0011]
US 20070095811 [0012]

Claims

Glühkerze, aufweisend: – einen Heizstab (11, 11`), der ein umgebendes Metallrohr (59, 61) aufweist und einen äußerstes Ende hat, das als das proximale äußerste Ende (38) bezeichnet wird, das mit einem elektrischen Stromversorgungsanschluss des Heizstabs ausgerüstet ist, – einen Kerzenkörper (13), der ein Gehäuse bildet, das als ein Aufnahmegehäuse (14) bezeichnet wird, das den Heizstab aufnimmt, wobei der letzere einen distalen Teil hat, der sich axial erstreckt und über den Kerzenkörper hinaus vorsteht, – eine Befestigungsvorrichtung (48) zum Befestigen des Heizstabs in dem Aufnahmegehäuse (14), wobei die Befestigungsvorrichtung dazu angeordnet ist: • axiale Translationsbewegungen des Heizstabs relativ zum Kerzenkörper zu erlauben und • eine Undurchlässigkeit zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper in einer solchen Weise zu garantieren, dass eine proximale Zone (51) des Aufnahmegehäuses abgegrenzt wird, die der Atmosphäre einer Brennkammer eines Motors nicht ausgesetzt ist, der die Glühkerze aufnimmt, – eine Lastsensorhülse (17, 67), die sich ganz in der proximalen Zone des Aufnahmegehäuses erstreckt, wobei die Lastsensorhülse rohrförmig ist und aufweist: • ein erstes axiales äußerstes Ende (32), das so mit dem Heizstab verbunden ist, dass es in axialer Translation durch die Bewegungen des letzteren in mindestens einer Richtung angetrieben wird, die als die proximale Richtung bezeichnet wird, wobei der Heizstab die Tendenz hat, in das Innere des Kerzenkörpers zurückzukehren, und • ein zweites axiales äußerstes Ende (37), das dem ersten axialen äußersten Ende entgegengesetzt ist, wobei dieses zweite axiale äußerste Ende in einer solchen Weise mit dem Kerzenkörper verbunden ist, dass die axialen Translationsbewegungen des Heizstabs relativ zum Kerzenkörper in der Lastsensorhülse axiale Druck- und/oder Zugspannungen erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass sich die rohrförmige Lastsensorhülse (17, 67) um einen Teil erstreckt, der als der proximale Teil (50, 63) des umgebenden Metallrohrs (59, 61) des Heizstabs (11, 11') bezeichnet wird, der sich auch in der proximalen Zone (51) des Aufnahmegehäuses (14) erstreckt, und dadurch, dass die rohrförmige Lastsensorhülse (17, 67) direkt an die Befestigungsvorrichtung (48) axial auf der proximalen Seite anschließt.
Glühkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (11') aus einem Keramikstab (60) gebildet ist, der in ein umgebendes Metallrohr (61) eingesetzt ist, wobei sich die Lastsensorhülse (17, 67) um den proximalen Teil (63) des umgebenden Metallrohrs des Heizstabs herum erstreckt.
Glühkerze gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (11) im Wesentlichen in der Form eines Metallrohrs ist, wobei sich die Lastsensorhülse (17, 67) um den proximalen Teil (50) des Metallrohrs herum erstreckt.
Glühkerze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvorrichtung eine Befestigungsbuchse (48) beinhaltet, die in dem Aufnahmegehäuse (14) und um den proximalen Teil (50, 63) des umgebenden Metallrohrs (59, 61) des Heizstabs herum befestigt ist, und dadurch, dass die Lastsensorhülse (17, 67) von der Befestigungsbuchse (48) getragen wird.
Glühkerze gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsbuchse (48) eine erste Befestigungsfläche (19) hat, die steif und undurchlässig an einer Innenwand (44), die zum Aufnahmegehäuse (14) zeigt, befestigt ist, und eine zweite Befestigungsfläche (22) hat, die steif und undurchlässig um den proximalen Teil (50, 63) des Heizstabs herum befestigt ist, und dadurch, dass die erste (19) und zweite (22) Befestigungsfläche der Befestigungsbuchse mindestens teilweise radial zueinander zeigen.
Glühkerze gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Lastsensorhülse (17, 67) axial zum proximalen äußersten Ende des Heizstabs über die Befestigungsfläche (19, 22) der Befestigungsbuchse (48) hinaus erstreckt.
Glühkerze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste axiale äußerste Ende (32) der Lastsensorhülse ein distales äußerstes Ende der letzteren ist, und dadurch, dass das zweite axiale äußerste Ende (37) der Lastsensorhülse ein proximales äußerstes Ende der letzteren ist.
Glühkerze gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsbuchse (48) ein Verbindungsrohr (18) beinhaltet, das die Lastsensorhülse (17, 67) umgibt und das zweite axiale äußerste Ende (37) der Lastsensorhülse mit der ersten Befestigungsfläche (19) verbindet.
Glühkerze gemäß einem der Ansprüche 4–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsbuchse (48) eine Aufnahmehülse (16) zum Aufnehmen des Heizstabs, die die zweite Befestigungsfläche (22) bildet, sowie einen Befestigungsring (15) beinhaltet, der die erste Befestigungsfläche (19) bildet, wobei die Aufnahmehülse (16) in einer axialen Translation in dem Befestigungsring geführt ist, wobei die Aufnahmehülse mit einem distalen äußersten Ende (25) des Befestigungsrings verbunden ist.
Glühkerze gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsrohr (18) mit einem proximalen äußersten Ende (28) des Befestigungsrings verbunden ist.
Glühkerze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastsensorhülse (17, 63) in der Form eines rohrförmigen Blocks ist, und dadurch, dass der Heizstab (11, 11') axial ganz durch die Befestigungsbuchse (48) und mindestens teilweise durch die Lastsensorhülse (17, 63) geführt ist.
Glühkerze gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lastsensorhülse mindestens eine Scheibe aus einem piezoelektrischen Material beinhaltet.