EP1780468A2 - Druckmessheizstab, insbesondere für eine Druckmessglühkerze - Google Patents

Druckmessheizstab, insbesondere für eine Druckmessglühkerze Download PDF

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EP1780468A2
EP1780468A2 EP06021416A EP06021416A EP1780468A2 EP 1780468 A2 EP1780468 A2 EP 1780468A2 EP 06021416 A EP06021416 A EP 06021416A EP 06021416 A EP06021416 A EP 06021416A EP 1780468 A2 EP1780468 A2 EP 1780468A2
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pressure sensor
druckmessheizstab
pressure
support tube
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BorgWarner Ludwigsburg GmbH
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    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F23Q2007/002—Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Definitions

  • the invention relates to a Druckmesswstab, in particular for a Druckmessglühkerze with an electric heating element and a pressure sensor to which a lying on the heating element pressure is transmitted.
  • a Druckmesswstab or Druckmessglühkerze with such a heating element is used in self-igniting internal combustion engines and in addition to the usual annealing function has a pressure measurement function, on the example of the pressure prevailing in the cylinder of the engine pressure can be determined.
  • the object underlying the invention is therefore to provide a Druckmesswstab, especially for a Druckmessglühkerze, which has a simple structure and is associated accordingly with low costs.
  • the pressure measuring device is integrated into the heating element, no special seals and guides are needed, which reduces the cost, and can be avoided by miniaturization, the natural frequency problem.
  • the invention furthermore relates to the use of the pressure-measuring heating element according to the invention in a pressure-measuring glow device and a pressure-measuring glow plug according to claims 7 to 10.
  • the single FIGURE shows a sectional view of the combustion chamber side part of a Druckmessglühkerze with the embodiment of the invention DruckmessSWstabes.
  • the Druckmessglühkerzenteil shown in the drawing essentially comprises a heating element 1, 2, 3, 4, which is arranged in a plug body 5 so that it projects axially thereof from the combustion chamber side.
  • the plug body 5 is sealed by a sealing seat 8 to the cylinder head of the internal combustion engine.
  • the heating rod 1, 2, 3, 4 consists of a heating element 1, which is preferably formed of a ceramic material, and a heating element 1 outside and in the combustion chamber side part with a certain play surrounding support tube 2.
  • a pressure sensor 3, for example, a piezoelectric Element may be and generates an electrical signal responsive to a mechanical stress, is arranged with a certain play between the heating element 1 and the support tube 2 such that a combustion chamber side lying on the heating element pressure is transmitted to the pressure sensor 3.
  • the support tube 2 may be made of a metal material, i. an electrically conductive material, so that it contacts the heating element 1, which is electrically contacted on the one hand via an inner pole 6, on the other hand via an outer pole 7 and thereby ensures the current return at the outer pole 7.
  • the support tube 2 is axially stretchable, clamped with the heating element 1 in the axial direction and forms together with the pressure sensor 3, a power circuit responsive to external pressures, such as the combustion pressures inside the cylinder of the internal combustion engine.
  • the axial extensibility of the support tube 2 can be adapted to the particular needs of the measurement task, that provided on the support tube 2 one or more bellows-like deformations are. Due to the formation of these bellows-like deformations, the elasticity in the axial direction can be adjusted as desired.
  • a press-in sleeve 4 is provided on the connection side in the support tube 2 so that it closes the power circuit.
  • the support tube 2 is crimped on the press-in sleeve 4, wherein the press-in sleeve 4 serves as a stable element, which makes it possible to compress the entire assembly of heating element 1, support tube 2, press-fit 4 and pressure sensor 3 tight in the plug body 5. This can be done by pressing the heating element 1 into the press-fit sleeve 4 or by radial force in the region of the press-in sleeve 4.
  • the contacting of the heating element 1 is effected by means of suitable lines which are integrated in the press-fit sleeve 4 or via a contact between the heating element 1 and the press-in sleeve 4.
  • the support tube 2 is arranged under an axial bias directly on the heating element 1 and is the pressure sensor 3 in the space between the heating element 1 and the support tube. 2
  • the support tube 2 has several functions, namely the construction of a bias voltage on the heating element 1, the power transmission to the pressure sensor 3 by the aforementioned support tube 2 is relieved, the support of the heating element 1, the power transmission of heating element 1 and the seal in the plug body fifth
  • the heating element 1 runs axially continuously from the combustion chamber side to the connection side to the inner pole 6 located there, it is also possible that the heating element 1 ends on the combustion chamber side of the pressure sensor 3 and this not as in the illustrated Embodiment in the form of a ring but as a solid, for example, cuboid or solid cylindrical element formed is.
  • the electrical connection is achieved instead of via the inner pole 6 in the illustrated embodiment via an external power supply.
  • the pressure sensor 3 consists for example of a temperature-stable piezoelectric quartz element or of an element of a piezoelectric functional ceramic.
  • a linear pressure / charge conversion can be set, which can be converted via a suitable electronics in a conventional voltage signal as the sensor output signal. Due to the thermally exposed mounting position, it is preferable to provide a temperature compensation of the measurement signal in the electronics.
  • the heating element according to the invention can be used in any Druckmessglü issued having a corresponding support for the heating element.
  • the heating element according to the invention in the connection-side region, in particular in the region of the press-in sleeve 4 in the holder fixedly arranged, for example, is press-fitted. It is also possible to weld the heating element in such a holder, in which case the press-in sleeve 4 does not necessarily have to be provided.
  • the pressure sensor of deformations of the holder e.g. the cylinder head of an internal combustion engine, in which the heating element is arranged, is decoupled.
  • the heater according to the invention operates in the following manner: Due to the axially strained arrangement of the support tube 2 on the heating element 1 is located on the pressure sensor 3, an axial bias. If the heating element is subjected to an external pressure, this is added to the already existing on the pressure sensor 3 bias in Form of an additional force. The resulting voltage signal is tapped and processed to a pressure applied to the heating element 1 reproducing pressure signal.

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Abstract

Druckmessheizstab insbesondere für eine Druckmessglühkerze mit einem elektrischen Heizelement (1) und einem Drucksensor (3), auf den ein am Heizstab (1) liegender Druck übertragen wird. Der Heizstab weist ein Stützrohr (2) auf, das das Heizelement (1) außen unter einer axialen Vorspannung umgibt. Ein Drucksensor (3) ist zwischen dem Heizelement (1) und dem Stützrohr (2) angeordnet und wird von einem Druck beaufschlagt, der am Heizstab liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckmessheizstab, insbesondere für eine Druckmessglühkerze mit einem elektrischen Heizelement und einem Drucksensor, auf den ein am Heizelement liegender Druck übertragen wird.
  • Ein Druckmessheizstab oder eine Druckmessglühkerze mit einem derartigen Heizstab wird bei selbstzündenden Brennkraftmaschinen verwandt und hat neben der üblichen Glühfunktion eine Druckmessfunktion, über die beispielsweise der im Zylinder der Brennkraftmaschine herrschende Druck ermittelt werden kann.
  • Übliche Druckmessglüheinrichtungen weisen einen Heizstab und einen Drucksensor auf, der durch den im Zylinder der Brennkraftmaschine herrschenden Druck beaufschlagt wird, der über den Heizstab auf den Drucksensor übertragen wird.
  • Druckmessglüheinrichtungen oder Druckmessglühkerzen, die einen Heizstab und einen Drucksensor umfassen, sind beispielsweise aus der DE 103 43 521 A1 , DE 10 2004 044 727 A1 , der DE 10 2004 024 341 A1 , der W02005/043039 A1 und der W02005/040681 A1 bekannt.
  • Aufgrund der voluminösen Geometrie und des Gewichtes der Druck- oder Kraftübertragungseinrichtungen zum Drucksensor liegt bei diesen bekannten Einrichtungen oft eine Störungen hervorrufende Eigenfrequenzsituation innerhalb des Messbandes vor.
  • Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, einen Druckmessheizstab, insbesondere für eine Druckmessglühkerze zu schaffen, der einen einfachen Aufbau hat und dementsprechenden mit geringen Kosten verbunden ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Druckmessheizstab der im Anspruch 1 angegebenen Art gelöst.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Druckmessheizstab ist die Druckmesseinrichtung in den Heizstab integriert, werden keine speziellen Dichtungen und Führungen benötigt, was die Kosten herabsetzt, und kann durch Miniaturisierung die Eigenfrequenzproblematik vermieden werden.
  • Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Druckmessheizstabes sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 6.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin die Verwendung des erfindungsgemäßen Druckmessheizstabes bei einer Druckmessglüheinrichtung und einer Druckmessglühkerze nach den Ansprüchen 7 bis 10.
  • Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckmessheizstabes näher beschrieben.
  • Die einzige Figur zeigt in einer Schnittansicht den brennraumseitigen Teil einer Druckmessglühkerze mit dem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Druckmessheizstabes.
  • Der in der Zeichnung dargestellte Druckmessglühkerzenteil umfasst im Wesentlichen einen Heizstab 1, 2, 3, 4, der in einem Kerzenkörper 5 so angeordnet ist, dass er davon brennraumseitig axial vorsteht. Der Kerzenkörper 5 ist durch einen Dichtsitz 8 zum Zylinderkopf der Brennkraftmaschine abgedichtet.
  • Der Heizstab 1, 2, 3, 4 besteht aus einem Heizelement 1, das vorzugsweise aus einem keramischen Material gebildet ist, und einem das Heizelement 1 außen und im brennraumseitigen Teil mit einem gewissen Spiel umgebenden Stützrohr 2. Ein Drucksensor 3, der beispielsweise ein piezoelektrisches Element sein kann und auf eine mechanische Spannung ansprechend ein elektrisches Signal erzeugt, ist mit einem gewissen Spiel zwischen dem Heizelement 1 und dem Stützrohr 2 derart angeordnet, dass ein brennraumseitig am Heizstab liegender Druck auf den Drucksensor 3 übertragen wird.
  • Das Stützrohr 2 kann aus einem Metallmaterial, d.h. einem elektrisch leitenden Material bestehen, so dass es das Heizelement 1, das zum einen über einen Innenpol 6 elektrisch kontaktiert ist, zum anderen über einen Außenpol 7 kontaktiert und dabei für die Stromrückführung am Außenpol 7 sorgt.
  • Das Stützrohr 2 ist axial dehnfähig, mit dem Heizelement 1 in axialer Richtung verspannt und bildet zusammen mit dem Drucksensor 3 einen Kraftkreislauf, der auf äußere Drücke, wie beispielsweise die Verbrennungsdrücke im Inneren des Zylinders der Brennkraftmaschine anspricht.
  • Die axiale Dehnfähigkeit des Stützrohres 2 kann dadurch an die jeweiligen Bedürfnisse der Messaufgabe angepasst werden, dass am Stützrohr 2 ein oder mehrere faltenbalgartige Verformungen vorgesehen sind. Durch die Ausbildung dieser faltenbalgartigen Verformungen kann die Dehnfähigkeit in axialer Richtung nach Wunsch eingestellt werden.
  • Eine Einpresshülse 4 ist anschlussseitig im Stützrohr 2 so vorgesehen, dass sie den Kraftkreislauf schließt. Hierzu ist das Stützrohr 2 über die Einpresshülse 4 verbördelt, wobei die Einpresshülse 4 als stabiles Element dient, das es ermöglicht, die gesamte Baugruppe aus Heizelement 1, Stützrohr 2, Einpresshülse 4 und Drucksensor 3 dicht im Kerzenkörper 5 zu verpressen. Das kann durch Einpressen des Heizelements 1 in die Einpresshülse 4 oder durch radiale Krafteinwirkung im Bereich der Einpresshülse 4 erfolgen.
  • Die Kontaktierung des Heizelementes 1 erfolgt durch geeignete Leitungen, die in die Einpresshülse 4 integriert sind oder über eine Kontaktierung zwischen dem Heizelement 1 und der Einpresshülse 4.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Heizstab ist somit das Stützrohr 2 unter einer axialen Vorspannung direkt auf dem Heizelement 1 angeordnet und befindet sich der Drucksensor 3 im Bauraum zwischen dem Heizelement 1 und dem Stützrohr 2.
  • Das Stützrohr 2 hat mehrere Funktionen, nämlich des Aufbaus einer Vorspannung am Heizelement 1, der Kraftübertragung auf den Drucksensor 3, indem das vorgenannte Stützrohr 2 entlastet wird, der Stütze des Heizelements 1, der Stromübertragung von Heizelement 1 und der Abdichtung im Kerzenkörper 5.
  • Obwohl bei dem oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel das Heizelement 1 axial durchgehend von der Brennraumseite zur Anschlussseite zu dem dort befindlichen Innenpol 6 verläuft, ist es auch möglich, dass das Heizelement 1 brennraumseitig am Drucksensor 3 endet und dieser nicht wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines Ringes sondern als ein massives, beispielsweise quaderförmiges oder massiv zylindrisches Element ausgebildet ist. In diesem Fall wird der elektrische Anschluss statt über den Innenpol 6 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel über eine äußere Stromführung erzielt.
  • Der Drucksensor 3 besteht beispielsweise aus einem temperaturstabilen piezoelektrischen Quarzelement oder aus einem Element aus einer piezoelektrischen Funktionskeramik. Bei einem derartigen Drucksensor lässt sich eine lineare Druck/Ladungswandlung einstellen, die über eine geeignete Elektronik in ein übliches Spannungssignal als Sensorausgangssignal umgesetzt werden kann. Aufgrund der thermisch exponierten Einbaulage ist es bevorzugt, in der Elektronik eine Temperaturkompensation des Messsignals vorzusehen.
  • Obwohl im obigen die Verwendung des erfindungsgemäßen Heizstabes bei einer Druckmessglühkerze mit einem Kerzenkörper 5 beschrieben wurde, kann der erfindungsgemäße Heizstab bei einer beliebigen Druckmessglüheinrichtung verwandt werden, die eine entsprechende Halterung für den Heizstab aufweist.
  • Entscheidend ist, dass der erfindungsgemäße Heizstab im anschlussseitigen Bereich, insbesondere im Bereich der Einpresshülse 4 in der Halterung fest angeordnet beispielsweise pressgepasst ist. Es ist auch möglich, den Heizstab in eine derartige Halterung einzuschweißen, wobei in diesem Fall die Einpresshülse 4 nicht notwendigerweise vorgesehen sein muss.
  • Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass der Drucksensor von Verformungen der Halterung, z.B. des Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine, in dem der Heizstab angeordnet ist, entkoppelt ist.
  • Der erfindungsgemäße Heizstab arbeitet in der folgenden Weise:
    Aufgrund der axial verspannten Anordnung des Stützrohres 2 auf dem Heizelement 1 liegt am Drucksensor 3 eine axiale Vorspannung. Wenn der Heizstab mit einem äußeren Druck beaufschlagt wird, addiert sich dieser zu der am Drucksensor 3 bereits liegenden Vorspannung in Form einer zusätzlichen Kraft. Das daraus resultierende Spannungssignal wird abgegriffen und zu einem den am Heizelement 1 liegenden Druck wiedergebenden Drucksignal verarbeitet.

Claims (10)

  1. Druckmessheizstab, insbesondere für eine Druckmessglühkerze mit einem elektrischen Heizelement (1) und einem Drucksensor (3), auf den ein am Heizelement (1) liegender Druck übertragen wird,
    dadurch gekennzeichnet dass,
    - das Heizelement (1) außen von einem axial dehnfähigen Stützrohr (2) umgeben ist, das unter einer axialen Vorspannung auf dem Heizelement (1) sitzt, und
    - der Drucksensor (3) im Bauraum zwischen dem Heizelement (1) und dem Stützrohr (2) angeordnet ist.
  2. Druckmessheizstab nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einpresshülse (4), die im Stützrohr (2) auf der der Druckbeaufschlagung abgewandten Seite des Drucksensors (3) angeordnet ist.
  3. Druckmessheizstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (3) ein ringförmiges Element ist, das außen auf einem stabförmigen Heizelement (1) sitzt, das an der Anschlussseite mit einem Innenpol (6) und an der Druckseite mit einem Außenpol (7) versehen ist, der das Stützrohr (2) kontaktiert, das aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist.
  4. Druckmessheizstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (3) aus einem massiven Element besteht, das druckseitig vom Heizelement (1) kontaktiert wird, wobei die elektrischen Zuleitungen über eine äußere Stromzuführung erfolgen.
  5. Druckmessheizstab nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (3) auf einer druckseitig am Heizelement (1) ausgebildeten Schulter sitzt.
  6. Druckmessheizstab nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Stützrohr (2) faltenbalgartige Verformungen ausgebildet sind.
  7. Verwendung eines Druckmessheizstabes nach Anspruch 1 bei einer Druckmessglüheinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessheizstab anschlussseitig dicht in einem Halter der Druckmessglüheinrichtung fixiert wird.
  8. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessheizstab in den Halter pressgepasst wird.
  9. Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessheizstab in den Halter geschweißt wird.
  10. Verwendung eines Heizstabes nach Anspruch 2 bei einer Druckmessglühkerze mit einem Glühkerzenkörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckmessheizstab im Bereich der Einpresshülse in den Glühkerzenkörper pressgepasst wird.
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