DE102018105182A1

DE102018105182A1 - Kammerkerze mit Piezodrucksensor

Info

Publication number: DE102018105182A1
Application number: DE102018105182.4A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Scentec & Co KG GmbH; Scentec & CoKg GmbH
Current assignee: Sparkx De GmbH
Priority date: 2018-03-07
Filing date: 2018-03-07
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2038-03-08
Also published as: DE102018105182B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kammerkerze 1 für eine Brennkraftmaschine, aufweisend eine Klemmhülse 2 mit einer Mittelachse M, wobei die Klemmhülse 2 einen Boden 21 und eine Seitenwand 22 aufweist, wobei der Boden 21 und die Seitenwand 22 einen Innenraum 24 der Klemmhülse 2 begrenzen, einen zumindest teilweise leitenden Grundkörper 4 zur Festsetzung der Kammerkerze 1 an einer Brennkammer der Brennkraftmaschine, wobei an dem Grundkörper 4 eine Masseelektrode 6 vorgesehen ist, die in die Brennkammer ragt, wobei der Grundkörper 4 an der Klemmhülse 2 festgesetzt ist, einen Isolator 3 mit einer Mittelelektrode 7, der im Innenraum 24 platziert ist und über eine in radialer Richtung zur Mittelachse M vorstehende erste Anlagefläche 31 des Isolators 3 am Grundkörper 4 zumindest mittelbar anliegt und über eine in radialer Richtung der Mittelachse M vorstehende zweite Anlagefläche 32 des Isolators 3 am Boden 21 zumindest mittelbar anliegt, wobei der Isolator 3 in axialer Richtung der Mittelachse M zwischen dem Grundkörper 4 und der Klemmhülse 2 gelagert ist, wobei die Mittelelektrode 7 durch den Isolator 3 zu der Masseelektrode 6 geführt ist und beide zusammen eine Luftfunkstrecke bilden, wobei der Isolator 3 in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und dass zwischen dem Isolator 3 und der Klemmhülse 2 und/oder zwischen dem Isolator 3 und dem Grundkörper 4 ein in axialer Richtung der Mittelachse M wirkendes Piezoelement 5 vorgesehen ist, wobei ein Explosionsdruck in der Brennkammer über den Isolator 3 auf das Piezoelement 5 übertragbar und messbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kammerkerze für eine Brennkraftmaschine, aufweisend eine Klemmhülse mit einer Mittelachse M, wobei die Klemmhülse einen Boden und eine Seitenwand aufweist, wobei der Boden und die Seitenwand einen Innenraum der Klemmhülse begrenzen, einen zumindest teilweise leitenden Grundkörper zur Festsetzung der Kammerkerze an einer Brennkammer der Brennkraftmaschine, wobei an dem Grundkörper eine Masseelektrode vorgesehen ist, die in die Brennkammer ragt, wobei der Grundkörper an der Klemmhülse festgesetzt ist, einen Isolator mit einer Mittelelektrode, der im Innenraum platziert ist und über eine in radialer Richtung zur Mittelachse M vorstehende erste Anlagefläche des Isolators am Grundkörper zumindest mittelbar anliegt und über eine in radialer Richtung der Mittelachse M vorstehende zweite Anlagefläche des Isolators am Boden zumindest mittelbar anliegt, wobei der Isolator in axialer Richtung der Mittelachse M zwischen dem Grundkörper und der Klemmhülse gelagert ist, wobei die Mittelelektrode durch den Isolator zu der Masseelektrode geführt ist und beide zusammen eine Luftfunkstrecke bilden.
Zur Auswertung des Verbrennungsdrucks einer Brennkraftmaschine wird häufig der Zylinderkopf angebohrt. Diese Bohrung ist konstruktiv sehr kompliziert, da häufig gleichsam Kühlwasserraum und Ölraum durchquert werden müssen. Ferner sind dabei separate Bauteile nötig. Eine weitere Möglichkeit zur Auswertung des Verbrennungsdrucks stellt die Präparation der Kammerkerze selbst dar.
Aus der DE 10 2013 109 278 A1 ist bereits eine Kammerkerze für eine mit Gas betriebene Brennkraftmaschine bekannt. Die Kammerkerze weist einen keramischen Isolator auf, durch den eine Mittelelektrode geführt ist, die in einer von einer Kappe und einem Grundkörper gebildeten Vorkammer mündet und dort mit einer Masseelektrode, die an dem Grundkörper vorgesehen ist, eine Luftfunkstrecke bildet. Zur Messung des Verbrennungsdrucks der Brennkraftmaschine ist ein Drucksensor in der Vorkammer vorgesehen, der über eine Anschlussleitung, die in Längsrichtung zwischen einer Hülse und dem Isolator bis in die Vorkammer geführt ist, angeschlossen ist.
Solche Kammerkerzen finden im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine, mithin außerhalb des Motorprüfstands keine Anwendung. Die Kammerkerzen auf dem Motorprüfstand entsprechen somit nicht den Kammerkerzen, die im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kammerkerze derart auszubilden und anzuordnen, dass eine konstruktiv einfache und kostengünstige Ausgestaltung gewährleistet ist.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass der Isolator in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und dass zwischen dem Isolator und der Klemmhülse und/oder zwischen dem Isolator und dem Grundkörper ein in axialer Richtung der Mittelachse M wirkendes Piezoelement vorgesehen ist, wobei ein Explosionsdruck in der Brennkammer über den Isolator auf das Piezoelement übertragbar und messbar ist. Der Isolator ist dabei bewegbar in dem Sinne, dass die durch den Verbrennungsdruck generierte Axialkraft des Isolators zumindest teilweise von dem Piezoelement aufgenommen werden kann. Im festgesetzten Zustand von Grundkörper und Klemmhülse ist insbesondere eine relative axiale Bewegung zwischen dem Grundkörper und der Klemmhülse nicht möglich. Das Piezoelement ist zwischen der Klemmhülse und dem Isolator platziert und leicht vorgespannt. Mit zunehmendem Verbrennungsdruck nimmt die durch das Piezoelement aufzunehmende Axialkraft zu, sodass der Verbrennungsdruck ermittelt wird. Auf eine Lagerung des Piezoelements unter Vorspannung könnte in Bezug auf diese Druckmessung verzichtet werden. Insbesondere wenn das Piezoelement aber zwischen dem Isolator und dem Grundkörper angeordnet ist, muss das Piezoelement unter axial wirkender Vorspannung stehen, sodass der Zylinderdruck, mithin der Verbrennungsdruck über die Abnahme des Drucks resultierend aus der Vorspannung erfassbar ist.
Der Piezodrucksensor kann dabei auch im Sinne eines Vibrationssensors eingesetzt werden. Somit ist es möglich, das Piezoelement auch zur Klopferkennung zu nutzen. Die Auswertung der Drucksensordaten unterscheidet sich dahingehend von der Verbrennungsdruckmessung, dass eine Fast Hartley Transformation mit angepasstem Frequenzfilter durchzuführen ist.
Die Festsetzung zwischen dem Grundkörper und der Klemmhülse kann dabei lösbar sein. Eine lösbare Verbindung im Sinne der Erfindung ist keine stoffschlüssige Verbindung wie etwa Verschweißen oder Verkleben. Vielmehr sind lösbare Verbindungen im Sinne der Erfindung formschlüssige Verbindungen, wie sie insbesondere durch Verschraubungen oder kraftschlüssige Verbindungen, insbesondere durch Klemmen, erzielt werden.
Aufgrund der optionalen lösbaren Verbindung kann das Piezoelement einfach montiert durch einen kostengünstigeren Dummyring ausgetauscht werden, der im Normalbetrieb der Kammerkerze Verwendung findet. Auf diese Weise werden Kosten gespart. Die Verkabelung, die zum Anschließen des Piezoelements benötigt wird, kann insbesondere entlang des Isolators aus der Klemmhülse herausgeführt werden.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn der Grundkörper an einem dem Boden gegenüberliegenden Endbereich der Seitenwand der Klemmhülse mit der Klemmhülse verbunden ist. Mit einer solch einfachen Ausbildung wird die Kammerkerze entsprechend kompakt und einfach montierbar, insbesondere mit Blick auf die Montage des Piezoelements.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn der Grundkörper eine Kappe aufweist, die zusammen mit dem Grundkörper zur Ausbildung einer Vorkammer dient, wobei die Kappe zumindest eine Öffnung aufweist, über die das zu zündende Gemisch zwischen der Vorkammer und dem Brennkammerbereich außerhalb der Vorkammer austauschbar ist, wobei die Masseelektrode und die Mittelelektrode in die Vorkammer ragen. Die Kammer optimiert den Zündungsvorgang dahingehend, dass sie einen Abtrieb des zu zündenden Gemischs aufgrund der Gasbewegung im Zylinder verhindert und für jede Zündung damit vergleichbare Bedingungen vorliegen.
Es zeigt:

1 eine Schnittdarstellung der Kammerkerze mit Piezoelement;
2 eine Schnittdarstellung der Kammerkerze mit Piezoelement an alternativer Position.

Nach 1 weist eine Kammerkerze 1 eine Klemmhülse 2 mit einer Mittelachse M, einen Isolator 3 und einen metallischen Grundkörper 4 auf. Die Klemmhülse 2 ist gebildet aus einem Boden 21 mit einer Bodenöffnung 23 und einer Seitenwand 22. Der Boden 21 und die Seitenwand 22 bilden einen Innenraum 24.
In dem Innenraum 24 ist der Isolator 3 platziert. Der Isolator 3 ist im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist einen oberen Bereich 33, einen mittleren Bereich 34 und einen unteren Bereich 35 auf. Der obere Bereich 33 ist durch die Bodenöffnung 23 geführt, wobei der mittlere Bereich 34 von der Seitenwand 22 umgeben ist und der untere Bereich 35 in den Grundkörper 4 geführt ist. Der Durchmesser des mittleren Bereichs 34 ist größer als der Durchmesser des oberen Bereichs 33 und des unteren Bereichs 35, womit eine untere Schulter 31 bzw. eine obere Schulter 32 ausgebildet sind. Somit kommt es zur Ausbildung einer in axialer Richtung zu der Mittelachse M verlaufenden ersten Anlagefläche 31 und einer entsprechend verlaufenden zweiten Anlagefläche 32. Zudem ist ein Piezoelement 5 vorgesehen, das zwischen der Schulter 32 und dem Boden 21 platziert ist. Die Klemmhülse 2 ist am Grundkörper 4 festgesetzt. Die erste Anlagefläche 31 bzw. Schulter 31 des Isolators 3 liegt dabei an dem Grundkörper 4 an. Die zweite Anlagefläche 32 bzw. Schulter 32 liegt unmittelbar an einem Piezoelement 5 und mittelbar über das Piezoelement 5 an dem Boden 21 der Klemmhülse 2 an. Damit ist der Isolator 3 in axialer Richtung zur Mittelachse M axial gespannt. Innerhalb der Klemmhülse 2 ist der Isolator 3 bewegbar gelagert, sodass eine auf den Isolator 3 wirkende Axialkraft auf das Piezoelement 5 ableitbar ist.
An dem Grundkörper 4 ist eine Kappe 8 vorgesehen, die zusammen mit dem Grundkörper 4 eine Vorkammer 82 begrenzt. Diese Kappe 8 weist Öffnungen 81 auf, durch die ein zu zündendes Gemisch in die Vorkammer 82 gelangt. Ferner weist der Grundkörper 4 eine Masseelektrode 6 auf, die in der Vorkammer 82 platziert ist. Diese Masseelektrode 6 bildet mit einer Mittelelektrode 7, die ebenfalls in die Vorkammer 82 mündet, eine Luftfunkstrecke.
Das Ausführungsbeispiel nach 2 entspricht im Wesentlichen dem nach 1. Allerdings ist hier das Piezoelement 5 zwischen der ersten Anlagefläche 31 bzw. der unteren Schulter 31 und dem Grundkörper 4 vorgesehen. Der Isolator 3 sowie das Piezoelement 5 sind dabei unter Vorspannung zwischen die Klemmhülse 2 und den Grundkörper 4 geklemmt. Die Vorspannung des Piezoelements 5 nimmt proportional zur Axialkraft aufgrund ansteigenden Verbrennungsdrucks ab.
Bezugszeichenliste

1: Kammerkerze
2: Klemmhülse
21: Boden
22: Seitenwand
23: Bodenöffnung
24: Innenraum
25: Endbereich
3: Isolator
31: erste Anlagefläche, untere Schulter
32: zweite Anlagefläche, obere Schulter
33: oberer Bereich
34: mittlerer Bereich
35: unterer Bereich
4: Grundkörper
5: Piezoelement
6: Masseelektrode
7: Mittelelektrode
8: Kappe
81: Öffnungen
82: Vorkammer
M: Mittelachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013109278 A1 [0003]

Claims

Kammerkerze (1) für eine Brennkraftmaschine, aufweisend - eine Klemmhülse (2) mit einer Mittelachse M, wobei die Klemmhülse (2) einen Boden (21) und eine Seitenwand (22) aufweist, wobei der Boden (21) und die Seitenwand (22) einen Innenraum (24) der Klemmhülse (2) begrenzen, - einen zumindest teilweise leitenden Grundkörper (4) zur Festsetzung der Kammerkerze (1) an einer Brennkammer der Brennkraftmaschine, wobei an dem Grundkörper (4) eine Masseelektrode (6) vorgesehen ist, die in die Brennkammer ragt, wobei der Grundkörper (4) an der Klemmhülse (2) festgesetzt ist, - einen Isolator (3) mit einer Mittelelektrode (7), der im Innenraum (24) platziert ist und über eine in radialer Richtung zur Mittelachse M vorstehende erste Anlagefläche (31) des Isolators (3) am Grundkörper (4) zumindest mittelbar anliegt und über eine in radialer Richtung der Mittelachse M vorstehende zweite Anlagefläche (32) des Isolators (3) am Boden (21) zumindest mittelbar anliegt, wobei der Isolator (3) in axialer Richtung der Mittelachse M zwischen dem Grundkörper (4) und der Klemmhülse (2) gelagert ist, wobei die Mittelelektrode (7) durch den Isolator (3) zu der Masseelektrode (6) geführt ist und beide zusammen eine Luftfunkstrecke bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (3) in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und dass zwischen dem Isolator (3) und der Klemmhülse (2) und/oder zwischen dem Isolator (3) und dem Grundkörper (4) ein in axialer Richtung der Mittelachse M wirkendes Piezoelement (5) vorgesehen ist, wobei ein Explosionsdruck in der Brennkammer über den Isolator (3) auf das Piezoelement (5) übertragbar und messbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) an einem dem Boden (21) gegenüberliegenden Endbereich (25) der Seitenwand (22) der Klemmhülse (2) mit der Klemmhülse (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (4) eine Kappe (8) aufweist, die zusammen mit dem Grundkörper (4) zur Ausbildung einer Vorkammer (82) dient, wobei die Kappe (8) zumindest eine Öffnung (81) aufweist, über die das zu zündende Gemisch zwischen der Vorkammer (82) und dem Brennkammerbereich außerhalb der Vorkammer (82) austauschbar ist, wobei die Masseelektrode (6) und die Mittelelektrode (7) in die Vorkammer (82) ragen.