WO2006120049A1

WO2006120049A1 - Glühstiftkerze mit brennraumdrucksensor

Info

Publication number: WO2006120049A1
Application number: PCT/EP2006/060579
Authority: WO
Inventors: Peter Boehland; Sebastian Kanne; Tobias Reiser; Godehard Nentwig; Michael Bauer; Markus Jungemann
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2005-05-09
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2006-11-16
Also published as: JP2008541075A; US20080264373A1; DE102005021229A1; EP1882170A1

Abstract

Zum Messen von Brennraumdrücken, insbesondere für eine brennraumdrucksignalbasierte Motorsteuerung, wird eine Glühstiftkerze (110) für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welche einen integrierten Brennraumdrucksensor aufweist. Die Glühstiftkerze (110) weist einen Heizkörper (112) und ein Kerzengehäuse (114) sowie eine Kerzenachse (124) auf. Das Kerzengehäuse (114) weist einen Aufnahmebereich (116) zur Aufnahme des Heizkörpers (112), einen Gehäusekörper (120) und mindestens einen zwischen dem Gehäusekörper (120) und dem Aufnahmebereich (116) angeordneten Flexibilitätsbereich (118) auf. In das Kerzengehäuse (114) ist mindestens ein Kraftmesselement (136) aufgenommen.

Description

Glühstiftkerze mit Brcnnraumdruckscnsor

Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze mit integriertem Brennraumdrucksensor. Derartige Glühstiftkerzen werden insbesondere in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen zur Messung eines Brennraumdrucks eingesetzt.

Stand der Technik

Im Zuge der stetigen Verschärfung der gesetzlichen Abgasvorschriften, insbesondere für Dieselmotoren, verschärfen sich die Anforderungen an eine verringerte Schadstoffemission von selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen. Moderne Motormanagementsys- teme sollen neben einer geringen Schadstoffemission einen niedrigen Kraftstoffverbrauch gewährleisten und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer aufweisen. Eine Verbrennungsoptimierung im Brennraum eines Dieselmotors lässt sich insbesondere durch den Einsatz einer geregelten Einspritzung von Kraftstoff erzielen. Diese geregelte Einspritzung kann insbesondere gesteuert werden durch elektronische Motorsteuerungsgeräte, welche sich bereits in modernen Kraftfahrzeugen etabliert haben. Die erfolgreiche Ausführung einer brennraumdrucksignalbasierten Motorregelung (combustion signal-based control System, CSC) hängt jedoch von der Verfügbarkeit produktionstauglicher Drucksensoren ab, welche hohen Anforderungen bezüglich Preis, Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Bauraum genügen müssen. Derzeit sind Messvorrichtungen weit verbreitet, welche so genannte „Stand alone- Sensoren" aufweisen. Für deren Einsatz muss jedoch eine separate Bohrung in der Zylinderkopfwand vorgesehen werden, was sich aus Platzgründen nicht immer realisieren lässt und weiterhin einen zusätzlichen Montageaufwand mit zusätzlichen Arbeitsgängen bedeutet. Insbesondere an modernen Vier- Ventil- Verbrennungskraftmaschinen ist die Anbringung zusätzlicher Bohrungen aufgrund der äußerst beengten Platzverhältnisse in der Praxis kaum realisierbar. Weiterhin ist in der Regel der Preis derartiger Systeme vergleichsweise hoch, und die Lebensdauer derartiger Systeme ist, zumeist bedingt durch die hohen Betriebstemperaturen, deutlich kürzer als eine typische Fahrzeuglebensdauer. Dementsprechend gibt es im Stand der Technik Ansätze, Brennraumdrucksensoren in bereits existierende Komponenten des Zylinderkopfes zu integrieren. So existieren beispielsweise Ansätze, Brennraumdrucksensoren in Glühstiftkerzen zu integrieren. Beispielsweise offenbart die DE 196 80 912 C2 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren des Zylinderdrucks in einem Dieselmotor. Die Vorrichtung weist einen Drucksensor, einen Heizabschnitt einer Glühkerze, welcher im Innenraum eines Zylinders des Dieselmotors aufgenommen ist und durch den Zylinderdruck beaufschlagbar ist, sowie ein Fixierglied zum Fixieren des Heizabschnitts in einem Körper der Glühkerze auf. Dabei ist der Drucksensor zwischen dem Heizabschnitt und dem Fixierglied der Glühker- ze angeordnet. Über den Heizabschnitt wird der Zylinderdruck auf den Drucksensor ü- bertragen.

Die in der DE 196 80 912 C2 offenbarte Vorrichtung weist jedoch in der Praxis zahlreiche Nachteile auf. Insbesondere ist in der offenbarten Vorrichtung das Gehäuse der Glühstiftkerze im Wesentlichen fest mit dem Zylinderkopf verbunden, während der Heizabschnitt die Kraft einleitet und dabei eine - wenn auch vergleichsweise geringe - Relativbewegung gegenüber dem Gehäuse ausführt. Dies wiederum kann jedoch zu Reibung und damit zu einer Signalverfälschung des Brennraumdrucksignals führen, zumal zusätzlich die Gefahr einer Verrußung der Führung zwischen dem feststehenden (d. h. fest mit dem Zylinderkopf verbundenen) und dem bewegten Teil der Glühstiftkerze besteht. Ein weiterer Nachteil der in der DE 196 80 912 C2 offenbarten Vorrichtung besteht darin, dass unterschiedliche Ausdehnungen von Gehäuse und kraftübertragenden Komponenten auftreten. Diese unterschiedlichen Ausdehnungen, welche infolge von Temperaturunterschieden beim Einsatz der Verbrennungskraftmaschine und unterschiedlichen Wärmeaus- dehnungseigenschaften der beteiligten Komponenten bedingt sind, bewirken starke Schwankungen in der Vorspannung des eingesetzten Sensors, welche wiederum zu Dauerhaltbarkeitsproblemen führen können. Weiterhin weist die in der DE 196 80 912 C2 offenbarte Vorrichtung den Nachteil auf, dass der Drucksensor unmittelbar mit dem Heizabschnitt in Verbindung steht und somit hohen Temperaturbelastungen und Tempe- raturschwankungen ausgesetzt ist. Außerdem ist eine Montage der beschriebenen Vorrichtung vergleichsweise aufwändig.

Vorteile der Erfindung

Es wird daher eine Glühstiftkerze für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welche einen integrierten Brennraumdrucksensor aufweist und welche die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen vermeidet. Insbesondere ermöglicht die erfindungsgemäße Glühstiftkerze eine Minimierung der temperaturbedingten Schwankungen der Sensorvorspannung sowie der mechanischen Reibung ein- zelner Komponenten der Glühstiftkerze im Betrieb, welche, wie oben beschrieben, bei vergleichbaren Vorrichtungen des Standes der Technik zu Problemen fuhren können. Die vorgeschlagene erfindungsgemäße Glühstiftkerze für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine weist einen Heizkörper, ein Kerzengehäuse und eine Kerzenachse auf. Ein Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass eine feste und vorzugsweise vollständig gasdichte Verbindung von Kerzengehäuse und Heizkörper hergestellt wird. Die Funktionalität des Brennraumdrucksensors wird durch Nachgiebigkeit des Kerzengehäuses im Bereich zwischen seinem brennraumseitigen Ende und seiner Verschraubung im Zylinderkopf erzielt.

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze weist daher einen Aufnahmebereich zur Aufnahme des Heizkörpers sowie einen Gehäusekörper und mindestens einen zwischen dem Gehäusekörper und dem Aufnahmebereich angeordneten Flexibilitätsbereich auf. Vorzugsweise ist der Flexibilitätsbereich derart ausgestaltet, dass er wiederum mindestens einen Bereich aufweist, in welchem das Kerzengehäuse eine geringere Steifigkeit parallel zur Kerzenachse aufweist als im Bereich des Gehäusekörpers. In dem Kerzengehäuse ist mindestens ein Kraftmesselement vorgesehen, insbesondere ein Kraftmesselement, welches ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer auf das mindestens eine Kraftmesselement ausgeübten Kraft erzeugen kann. Grundsätzlich können dabei beliebige, dem Fachmann be- kannte Kraftmesselemente beliebiger Prinzipien eingesetzt werden, beispielsweise piezoelektrische Kraftmesselemente von nahezu beliebiger Gestalt oder auch kapazitive Kraftmesselemente oder Kraftmessung mittels Dehnungsmessstreifen. Vorzugsweise ist das mindestens eine Kraftmesselement in dem Gehäusekörper aufgenommen.

Der im Brennraum herrschende Druck muss als Kraft auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragen werden. Diese Kraftübertragung kann beispielsweise direkt vom Heizkörper auf das mindestens eine Kraftmesselement oder indirekt, beispielsweise über das Kerzengehäuse oder Abschnitte des Kerzengehäuses erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Glühstiftkerze zum Zweck der Druckübertragung auch mindestens ein separates Kraftübertragungselement zur Übertragung des Brennraumdrucks auf das mindestens eine Kraftmesselement, insbesondere zur Übertragung einer Kraft von dem Heizkörper auf das mindestens eine Kraftmesselement, aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei diesem mindestens einen separaten Kraftübertragungselement um eine Druckstange, vorzugsweise eine im Wesentlichen zylinderförmige Druckstange, und/oder eine Druckhülse, vorzugsweise eine im Wesentlichen zylinderhül- senförmige Druckhülse, handeln. Dabei ist unter „im Wesentlichen" zu verstehen, dass auch eine leichte Abweichung von einer Zylinderform bzw. Zylinderhülsenform möglich ist, beispielsweise ein leicht konischer Verlauf, welcher beispielsweise der Gestalt der Glühstiftkerze oder eines Innenraums der Glühstiftkerze angepasst ist. Der Heizkörper ragt in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hinein und wird dort auf einer Druckfläche, beispielsweise einer Stirnfläche, mit einem Druck entsprechend dem Brennraumdruck beaufschlagt. Dieser Druck wird durch den Heizkörper in eine Kraft umgewandelt, welche vom Heizkörper auf die Glühstiftkerze übertragen wird. Das mindestens eine Kraftübertragungselement wiederum überträgt diese Kraft direkt oder indirekt (d. h. mit oder ohne zusätzliche Zwischenelemente) von dem Heizkörper auf das mindestens eine Kraftmesselement, wo diese Kraft in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, was wiederum von einer entsprechenden Elektronik ausgelesen und beispielsweise einer Motorsteuerung zur Verfügung gestellt werden kann. Auf diese Weise kann eine aktuelle Information über den Brennraumdruck generiert werden.

Der mindestens eine Flexibilitätsbereich kann auf unterschiedliche Weise ausgestaltet sein. Seine Funktion besteht im Wesentlichen darin, dass sich bei einer Beaufschlagung des Heizelements mit einem Druck durch den Brennraumdruck der gesamte vordere, d. h. dem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zugewandte Teil der Glühstiftkerze, welcher den Aufnahmebereich und den Heizkörper umfasst, entlang der Kerzenachse verschieben kann und somit das mindestens eine Kraftübertragungselement entsprechend mit einer Kraft und somit mit einer Vorspannung beaufschlagen kann. Der Gehäusekörper hingegen wird dabei nicht oder nur unwesentlich gedehnt und verbleibt während die- ser Einfederung im Wesentlichen starr. Somit kann die Druckkraft, welche über das mindestens eine Kraftübertragungselement in die Glühstiftkerze eingeleitet wird, von dem mindestens einen Kraftmesselement detektiert werden. Diese Druckkraft unterscheidet sich von der insgesamt über den Brennraumdruck in die Glühstiftkerze eingeleiteten Kraft nur durch einen im Wesentlichen konstanten Faktor, welcher abhängig ist von der Steifigkeit des Kerzengehäuses im Aufnahmebereich und im Bereich des Flexibilitätsbereichs des Kerzengehäuses. Auch die Steifigkeit des mindestens einen Kraftübertragungselements geht in diesen im Wesentlichen konstanten Faktor ein.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Flexibilitätsbereich eine Wellung oder einen FaI- tenbalg mit mindestens einer ins Innere des Kerzengehäuses oder nach außen aufgeworfenen Falte aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann der mindestens eine Flexibilitätsbereich auch mindestens einen Bereich mit einer geringen Wandstärke des Kerzengehäuses aufweisen, insbesondere einer geringeren Wandstärke als in benachbarten Bereichen des Kerzengehäuses oder geringer als im gesamten übrigen Kerzengehäuse. Auch diese Aus- gestaltung führt wiederum zu einer verringerten Steifigkeit des Kerzengehäuses parallel zur Kerzenachse im Flexibilitätsbereich. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein elastisches Element, beispielsweise ein Federelement, insbesondere eine Spiralfeder oder ein ähnliches Federelement oder auch ein elastisches Element aus metallischem Werkstoff oder einem Kunststoff (z. B. einem Elastomer), eingesetzt werden, welches eine Flexibili- tät im mindestens einen Flexibilitätsbereichs parallel zur Kerzenachse gewährleistet. Allgemein kann auch ein Element, insbesondere ein Material, mit einem kleinen Elastizitätsmodul eingesetzt werden. Dabei ist unter einem kleinen Elastizitätsmodul insbesondere ein Elastizitätsmodul zu verstehen, welches geringer ist als die Elastizitätsmodule der umgebenden Wandbereiche oder des gesamten Kerzengehäuses.

Der Heizkörper ist vorzugsweise fest und druckdicht im Aufhahmebereich mit dem Kerzengehäuse verbunden, vorzugsweise durch eine Presspassung. Das Kerzengehäuse wiederum wird mit dem Zylinderkopf verbunden, vorzugsweise durch eine Verschraubung. Zu diesem Zweck weist die Glühstiftkerze vorzugsweise zusätzlich mindestens ein Außengewinde zum Verbinden der Glühstiftkerze mit dem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine auf. Dieses mindestens eine Außengewinde ist vorzugsweise Bestandteil des Gehäusekörpers der Glühstiftkerze. Zwischen dem Aufnahmebereich zur Aufnahme des Heizkörpers und dem Anschluss an den Zylinderkopf ist der mindestens eine Flexibi- litätsbereich angeordnet, beispielsweise, in Form eines Metallfaltenbalgs, in welchem das Kerzengehäuse eine möglichst geringe Steifigkeit parallel zur Kerzenachse aufweist.

Das mindestens eine Kraftübertragungselement stützt sich vorzugsweise möglichst weit vorne zum Brennraum hin an dem Kerzengehäuse oder sogar unmittelbar an dem Heiz- körper ab. An seinem entgegengesetzten Ende stützt sich das mindestens eine Kraftübertragungselement direkt oder indirekt an dem mindestens einen Kraftmesselement ab, so dass, wie oben beschrieben, eine Kraft von dem mindestens einen Heizkörper auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragbar ist. Im Einbauzustand ist vorzugsweise das Kerzengehäuse auf Zug belastet, und das mindestens eine Kraftübertragungselement ist auf Druck belastet. Diese Belastung (Vorspannung) kann beispielsweise mittels einer Verschraubung oder einer Verstemmung des mindestens einen Kraftmesselements im Kerzengehäuse, vorzugsweise im Gehäusekörper, erfolgen. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Flexibilitätsbereichs besteht darin, dass unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Kerzengehäuses und des mindestens einen Kraftübertragungselements durch die Nachgiebigkeit des Gehäuses im Bereich des mindestens einen Flexibilitätsbereichs ausgeglichen werden und somit nur eine vergleichsweise geringe Schwankung der Vorspannungskraft, welche auf das mindestens eine Kraftmesselement ausgeübt wird, bewirken. Dies führt zu einer Verbesserung der Signalqualität und vermeidet eine Signalkorrektur in den verschiedenen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine, welche übli- cherweise auch zu entsprechenden Temperaturschwankungen führen. Auch Schwankungen der Außentemperaturen werden zumindest teilweise ausgeglichen. Vorzugsweise wirken im Ruhebetrieb der Verbrennungskraftmaschine keine axialen Kräfte auf den Heizkörper, wobei die Verbindung zwischen Heizkörper und Kerzengehäuse im Ruhebetrieb unbelastet ist. Wie oben beschrieben, ist es bevorzugt, wenn sich das mindestens eine Kraftübertragungselement an einem Ende direkt oder indirekt (z. B. über ein Zwischenelement) an dem mindestens einen Kraftmesselement abstützt. An einem anderen Ende kann sich das mindestens eine Kraftübertragungselement beispielsweise unmittelbar am Heizkörper abstützen oder, alternativ oder zusätzlich, an dem mindestens einen Flexibilitätsbereich. Beispielsweise kann sich das mindestens eine Kraftübertragungselement an einer ins Innere des Kerzengehäuses gerichteten Wellung des Flexibilitätsbereichs abstützen. Alternativ oder zusätzlich kann sich das mindestens eine Kraftmesselement auch an einem Bereich des Kerzengehäuses abstützen, welcher zwischen dem mindestens einen Flexibilitätsbereich und dem mindestens einen Heizkörper angeordnet ist. Beispielsweise kann hierfür mindestens ein zusätzliches Abstützelement eingesetzt werden, welches zum Abstützen des mindestens einen Kraftübertragungselements an dem Kerzengehäuse im Bereich zwischen dem Flexibilitätsbereich und dem Heizkörper dient. Beispielsweise kann dabei eine Kreisringscheibe eingesetzt werde, welche umfangsseitig mit der Wand des Kerzengehäuses verbunden, beispielsweise verschraubt oder verstemmt, ist. Diese Möglichkeiten der Abstützung des mindestens einen Kraftübertragungselements bewirken, dass das Kraftübertragungselement sich, wie oben beschrieben, möglichst weit vorne zum Brennraum hin abstützt, wodurch möglichst wenig Spannungen im starren Bereich des Kerzengehäuses, welcher dem Brennraum abgewandt ist, auftreten. Vorzugsweise schließt sich der mindestens eine Flexibilitätsbereich dabei unmittelbar an den Heizkörper im Kerzengehäuse an, oder es wird, alternativ oder zusätzlich, ein Zwischenraum zwischen dem Heizkörper und dem Flexibilitätsbereich zusätzlich mit einem Füllmaterial aufgefüllt. Diese Weiterbildung bewirkt, dass keine zu große Nachgiebigkeit vor der Krafteinleitung von dem Heizkörper auf das mindestens eine Kraftübertragungselement entsteht. Zu diesem Zweck kann das Füllmaterial beispielsweise ein Material hoher Steifigkeit und vorzugsweise geringer Wärmeleitfähigkeit sein. Diese Weiterbildung bewirkt eine möglichst unmittelbare Kraftübertragung von dem Heizkörper auf das mindestens eine Kraftübertragungselement. Dadurch wird die Kraftübertragungsfunktion des Brenn- raumdrucks auf das mindestens eine Kraftmesselement weiter verbessert.

Die Stromzuführ zu dem Heizkörper kann beispielsweise durch einen in der Nähe der Kerzenachse mittig verlaufenden Stahlanschlussbolzen erfolgen. Auch der Einsatz von flexiblen Drahtglühstromzuleitungen ist jedoch möglich.

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit integriertem Brennraumdrucksensor weist gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Ein wesentlicher Vorteil ist die Unabhängigkeit des Brennraumdrucksignals von der Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine, welche darauf beruht, dass Tempera- turschwankungen und damit verbundene unterschiedliche Ausdehnungen der Materialien optimal ausgeglichen werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine nahezu konstante Kraftübertragungsfunktion gewährleistet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass in nahezu allen Bereichen des Brennraumdrucks und somit in nahezu allen Betriebsberei- chen der Verbrennungskraftmaschine der Brennraumdruck auf identische oder ähnliche Weise auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragen wird. Der Kraftübertragungsfaktor, mit welchem das elektrische Signal des mindestens einen Kraftmesselements zu multiplizieren ist, um aus diesem Signal auf den tatsächlichen Brennraumdruck zu schließen, ist somit vom Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine weitgehend unabhängig. Zusätzliche Korrekturen, welche rechnerisch aufwändig sind und beispielsweise entsprechende Korrekturfunktionen oder ähnliches umfassen müssten, können dadurch vermieden werden. Das elektrische Signal des mindestens einen Kraftmesselements kann somit unmittelbar oder nur unter geringer elektronischer Nachbearbeitung für eine entsprechende Motorsteuerung, beispielsweise eine brennraumdrucksignalbasierte Mo- torsteuerung, eingesetzt werden.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.

Es zeigt:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit integriertem Brennraumdrucksensor;

Figur 2 einen simulierten Verlauf eines Sensorsignals eines Kraftmesselements im

Vergleich zum Brennraumdruck bei verschiedenen Kurbelwellenstellungen;

Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennraumdruck- sensors; und

Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennraumdruck- sensors.

Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 110 mit integriertem Brennraumdrucksensor dargestellt. Die Glühstiftkerze 110 weist einen Heizkörper 112 und ein Kerzengehäuse 114 auf. Das Kerzengehäuse 114 ist dabei in drei Bereiche unterteilt: einen dem Brennraum zugewandten Aufhahmebereich 116 zur Aufnahme des Heizkörpers 114, einen Flexibilitätsbereich 118 und einen auf der dem Brennraum abgewandten Seite der Glühstiftkerze 110 angeordneten Gehäusekörper 120.

Der Heizkörper 112 ist in diesem Ausführungsbeispiel als keramischer Heizkörper 112 ausgeführt. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen von Heizkörpern 112 denkbar. Der Heizkörper 112 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Stahlanschlussbolzen 122 mit elektrischer Energie beaufschlagt. Der Stahlanschlussbolzen 122 ist in diesem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 als massiver zentraler Bolzen ausgeführt, wel- eher entlang einer Kerzenachse 124 axial durch das Kerzengehäuse 114 geführt wird. Am dem Brennraum-abgewandten Ende weist die Glühstiftkerze 110 eine Verschrau- bung 126 auf. Der Stahlanschlussbolzen 122 wird axial durch diese Verschraubung 126 aus dem Kerzengehäuse 114 herausgeführt und einer entsprechenden elektrischen Energieversorgung zugeführt. Weiterhin weist das Kerzengehäuse 114 im Gehäusekörper 120 ein Außengewinde 128 auf. Mittels dieses Außengewindes 128 kann die Glühstiftkerze 110 in einen Zylinderkopf eingeschraubt werden, dergestalt, dass der Heizkörper 112 in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hineinragt. Im Flexibilitätsbereich 118 ist das Kerzengehäuse 114 mit einer Falte 130 versehen, in welcher das Kerzengehäuse 114 eine Einschnürung nach innen aufweist. Somit wirkt diese Falte 130 ähnlich einem Me- tallfaltenbalg einer einzigen Falte und verleiht dem Kerzengehäuse 114 im Flexibilitätsbereich 118 eine geringere Steifigkeit parallel zur Kerzenachse 124 als im Gehäusekörper 120.

Der Heizkörper 112 ist im Aufhahmebereich 116 in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Presspassung 132 mit dem Kerzengehäuse 114 verbunden. Hierdurch entsteht im Aufnahmebereich 116 eine gasdichte Verbindung, so dass gewährleistet ist, dass Brennraumgase nicht in den Innenraum der Glühstiftkerze 110 eindringen können. Der Heizkörper 112 ist dabei im Aufnahmebereich 116 in das Kerzengehäuse 114 eingepresst. Dadurch entsteht zwischen dem Heizkörper 112 und der Falte 130 ein Zwischenraum 134. Es ist von Vorteil, wenn dieser Zwischenraum 134 so klein wie möglich gehalten wird, vorzugsweise verschwindet, oder wenn dieser Zwischenraum 134 mit einem Füllmaterial hoher Steifigkeit und/oder geringer Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt wird. Auf diese Weise wird die Kraftübertragung, welche unten beschrieben ist, weiter verbessert, wobei gleichzeitig eine Übertragung von Wärme vom Heizkörper 112 auf andere Kom- ponenten im Innenraum der Glühstiftkerze 110 verhindert wird.

Weiterhin ist in den Gehäusekörper 120 des Kerzengehäuses 114 ein - in diesem Ausführungsbeispiel ringförmiges - Kraftmesselement 136 in Form eines ringförmigen piezoelektrischen Elements aufgenommen. Die elektrischen Zuleitungen dieses Kraftmessele- ments 136 sind in Figur 1 nicht dargestellt und können beispielsweise axial, beispielsweise parallel zum Stahlanschlussbolzen 122, durch die Verschraubung 126 aus dem Kerzengehäuse 114 herausgeführt und einer entsprechenden elektrischen Auswerteelektronik zugeführt werden. Das Kraftmesselement 136 ist in diesem Ausführungsbeispiel von zwei Distanzhülsen 138, beispielsweise Distanzhülsen von einer zylinderhülsenförmigen Gestalt, insbesondere Distanzhülsen aus einem Material hoher Steifigkeit (z. B. Stahl) umgeben. Bei der Montage wird zuerst die brennraumseitige Distanzhülse 138 vom Brennraum-abgewandten Ende der Glühstiftkerze 110 her in das Kerzengehäuse 114 eingeführt, dann das Kraftmesselement 136 und anschließend die zweite Distanzhülse 138. Anschließend wird das Kerzengehäuse 114 durch die Verschraubung 126 verschraubt. Dadurch wird das Kraftmesselement 136 mit einer Vorspannung beaufschlagt.

Weiterhin ist in das Kerzengehäuse 114 ein Kraftübertragungselement 140 eingebracht. Das Kraftübertragungselement 140 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine hülsenförmige Gestalt und umschließt ebenfalls, wie auch das Kraftmesselement 136, den Stahlanschlussbolzen 122 umfangsseitig. Dabei ist das Kraftübertragungselement 140 in diesem Ausführungsbeispiel leicht konisch ausgestaltet und weist brennraumseitig einen leicht geringeren Außendurchmesser auf als auf der Brennraum-abgewandten Seite. Das Kraftübertragungselement 140 ist brennraumseitig auf der Falte 130 abgestützt und auf der Brennraum-abgewandten Seite auf der brennraumseitigen Distanzhülse 138. Somit ist das Kraftübertragungselement 140 in diesem Ausführungsbeispiel indirekt auf dem Kraftmesselement 136 abgestützt.

Auf seiner dem Brennraum zugewandten Seite weist der Heizkörper 112 eine hydrauli- sehe Druckfläche 142 auf. Über diese Druckfläche 142 wird der Brennraumdruck in eine Kraft F (in Figur 1 mit Bezugsziffer 144 bezeichnet) auf den Heizkörper 112 umgewandelt. Durch das Kraftübertragungselement 140 wird diese Kraft 144 auf das Kraftmesselement 136 übertragen, wo diese in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Aus diesem elektrischen Signal kann auf den Brennraumdruck zurückgeschlossen werden. Dabei ist die Kraftübertragung der Kraft 144 vom Heizkörper 112 auf das Kraftmesselement 136 jedoch nicht vollständig, sondern muss mit einem Faktor multipliziert werden, welcher kleiner ist als 1. Im Idealfall erreicht dieser Übertragungsfaktor gerade die 1. Die Tatsache, dass die Übertragung nicht vollständig ist, ist darin begründet, dass Kräfte vom Kerzengehäuse 114 aufgenommen werden. Der Vorteil der in Figur 1 dargestellten Aus- gestaltung der Glühstiftkerze 110 besteht jedoch darin, dass die Kraft 144 hier lediglich zu einer vernachlässigbaren Verformung des Kerzengehäuses 114 außerhalb des Flexibilitätsbereichs 118 führt. Im Wesentlichen wird durch die Kraft 144 lediglich der Aufnah- mebereich 116 axial zum Gehäusekörper 120 hin verschoben, wobei das Kerzengehäuse 114 im Bereich des Flexibilitätsbereichs 118 axial eingefedert wird. Hierdurch wird ge- währleistet, dass die Kraftübertragung der Kraft 144 vom Heizkörper 112 auf das Kraftmesselement 136 nahezu vollständig erfolgt. Weiterhin werden durch die Falte 130 auch thermische Spannungen aufgenommen, so dass auch bei verschiedenen Betriebstemperaturen das Kraftmesselement 136 im Wesentlichen mit einer konstanten Vorspannung beaufschlagt ist.

Die Übertragung der Kraft 144 auf das Kraftmesselement 136 in der Anordnung gemäß Figur 1 ist in Figur 2 schematisch in Form von Simulationsdaten dargestellt. Dabei bezeichnet die x-Achse, welche hier mit φ bezeichnet ist, die Kurbelwellenstellung in Grad, die linke y- Achse bezeichnet den Brennraumdruck p in beliebigen Einheiten, und die rechte y- Achse die vom Kraftmesselement 136 angezeigte Kraft F in beliebigen Einheiten. Für eine Simulation wurde ein Betriebspunkt bei 2000 U/min und einem effektiven Mitteldruck (PME) von einem bar angenommen. Dabei zeigt die obere Kurve 210, welche sich auf die linke Y-Achse bezieht, den Verlauf des Brennraumdrucks. Die untere Kurve 212, welche sich auf die rechte Y-Achse bezieht, zeigt das elektrische Signal des Kraftmesselements 136. Wie dabei aus Figur 2 hervorgeht, ist das Sensorsignal 212 mit einem entsprechenden Faktor zu multiplizieren, um aus diesem Sensorsignal 212 auf den Brennraumdruck 210 rückschließen zu können. In diesen Faktor gehen im Wesentlichen Materialeigenschaften und Ausführung der Glühstiftkerze 110 ein.

In Figur 3 ist ein bevorzugtes zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 110 dargestellt. Wiederum weist die Glühstiftkerze 110 ein Kerzengehäuse 114 auf, welches in einen Aufnahmebereich 116, einen Flexibilitätsbereich 118 und einen Gehäusekörper 120 unterteilt ist. Im Aufnahmebereich 116 ist wiederum ein Heiz- körper 112 durch eine Presspassung 132 in das Kerzengehäuse 114 eingepresst. Wie auch im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 weist auch die Glühstiftkerze 110 im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 im Flexibilitätsbereich 118 wiederum eine Falte 130 auf. Die Ausgestaltung dieser Falte 130 ist grundsätzlich vergleichbar zur Ausgestaltung der Falte 130 im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1. Wiederum ist zwischen der Falte 130 und dem Heizkörper 112 ein Zwischenraum 134 ausgebildet. Auch weist, vergleichbar zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, das Kerzengehäuse 114 wiederum ein Außengewinde 128 zum Befestigen der Glühstiftkerze 110 in einem Zylinderkopf auf.

Der Unterschied zwischen dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 und dem Ausfüh- rungsbeispiel gemäß Figur 1 besteht im Wesentlichen in der Ausgestaltung des Kraftmesselements 136 und der Ausgestaltung und der Lagerung des Kraftübertragungselements 140. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist das Kraftübertragungselement 140 in Form einer Zylinderscheibe ausgestaltet, welche am Brennraum-abgewandten Ende in den Gehäusekörper 120 eingebracht ist. Gehaltert und vorgespannt wird dieses Kraft- messelement 136 wiederum durch eine Verschraubung 126. Auf Distanzhülsen 138 wurde in diesem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 verzichtet.

Weiterhin ist in dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 das Kraftübertragungselement 140 nicht hülsenförmig, sondern stangenförmig ausgestaltet. Das Kraftübertragungselement 140 ist dabei entlang der Kerzenachse 124 in das Kerzengehäuse 114 eingebracht. An seinem Brennraum-abgewandten Ende ist das Kraftübertragungselement 140 auf dem Kraftmesselement 136 zentral auf dessen brennraumseitiger Stirnfläche abgestützt. Am Brennraum-zugewandten Ende ist das stangenförmige Kraftübertragungselement 140 an der Wand des Zwischenraums 134 abgestützt. Zu diesem Zweck ist ein zusätzliches, kreisscheibenförmiges Abstützelement 310 in den Aufnahmebereich 116 eingebracht. Dieses Abstützelement 310 kann beispielsweise mit der Wand des Kerzengehäuses 114 im Aufnahmebereich 116 verstemmt oder verschraubt sein. Auch andere Befestigungsarten sind denkbar. Das Abstützelement 310 bewirkt, dass eine Kraft von dem Heizkörper 112 über die Wand des Kerzengehäuses 114 im Aufnahmebereich 116, über das Abstützelement 310 und schließlich über das stangenförmige Kraftübertragungselement 140 auf das Kraftmesselement 136 übertragen wird. Der Vorteil einer indirekten Kraftübertragung vom Heizkörper 112 auf das Kraftübertragungselement 140 über das Abstützelement 310 besteht im Wesentlichen darin, dass keine Wärme unmittelbar von dem Heiz- körper 112 auf das Kraftübertragungselement 140 übertragen wird. Ein derartiger Wärmeübertrag, welcher durch das (beispielsweise metallische) Kraftübertragungselement 140 auch auf das Kraftmesselement 136 übertragen würde, könnte beispielsweise zu Temperaturschwankungen im Kraftmesselement 136 führen, welche die Signalqualität negativ beeinflussen würden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist die Stromzuleitung zum Heizkörper 112 nicht dargestellt. Da der Bereich entlang der Kerzenachse 124 in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen von dem stangenförmigen Kraftübertragungselement 140 ausge- iüllt wird, ist hier kein Platz für einen Stahlanschlussbolzen 122 gemäß dem Ausfüh- rungsbeispiel in Figur 1. Stattdessen wird in dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 eine Drahtglühstromzuleitung verwendet, welche durch entsprechende Bohrungen im Abstützelement oder entsprechende Bohrungen oder Nuten in der Wand des Kerzengehäuses 114 an den Elementen 310 und 136 vorbeigeführt und durch die Verschraubung 126 nach außen geführt wird.

In Figur 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Glühstiftkerze 110 ohne separates Kraftübertragungselement 140 dargestellt. Hierbei wird die Kraft 144 direkt vom Heizkörper 112 auf das Kraftmesselement 136 übertragen. Diese Übertragung erfolgt bevorzugt mittels einer auf der Brennraum-abgewandten Seite des Heizkörpers 112 angeord- neten zylindrischen Verlängerung 410 des Heizkörpers 112. Ansonsten ist die Funktionalität und der Aufbau der Glühstiftkerze 110 analog zum Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3.

Claims

Patentansprüche

1. Glühstiftkerze (110) für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit einem Heizkörper (112), einem Kerzengehäuse (114) und einer Kerzenachse (124), wobei das Kerzengehäuse (114) einen Aufhahmebereich (116) zur Aufnahme des Heizkörpers (112), einen Gehäusekörper (120) und mindestens einen zwischen dem Gehäusekörper (120) und dem Aufhahmebereich (116) angeordneten Flexibilitätsbereich (118) aufweist, wobei weiterhin in dem Kerzengehäuse (114) mindestens ein Kraftmesselement (136) vorgesehen ist.

2. Glühstiftkerze (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Glühstiftkerze (110) weiterhin mindestens ein Kraftübertragungselement (140) zur Übertragung eines Brennraumdrucks auf das mindestens eine Kraftmesselement (136) aufweist.

3. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Flexibilitätsbereich (118) mindestens einen Bereich (130) aufweist, in welchem das Kerzengehäuse (114) eine geringere Steifigkeit parallel zur Kerzenachse (124) aufweist als im Bereich des Gehäusekörpers (120).

4. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Flexibilitätsbereich (118) mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: eine Wellung; einen Faltenbalg mit mindestens einer nach ins Innere des Kerzengehäuses (114) oder nach außen aufgeworfenen Falte (130); einen Bereich mit einer geringen Wandstärke des Kerzengehäuses (114); ein elastisches Element; ein Element mit einem kleinen Elastizitätsmodul.

5. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmesselement (136) in dem Gehäusekörper (120) aufgenommen ist.

6. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftübertragungselement (140) mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: eine Druckstange, vorzugsweise eine im Wesentli- chen zylinderförmige Druckstange; eine Druckhülse, vorzugsweise eine im Wesentlichen zylinderhülsenförmige Druckhülse.

7. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftübertragungselement (140) sich an einem Ende an dem mindestens einen Kraftmesselement (136) abstützt und an einem anderen Ende an mindestens einem der folgenden Elemente: dem Heizkörper (112); dem mindestens einen Flexibilitätsbereich (118); einem Bereich des Kerzengehäuses (114), welcher zwischen dem mindestens einen Flexibilitätsbereich (118) und dem mindestens einen Heizkörper (112) angeordnet ist.

8. Glühstiftkerze (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, wobei sich das mindestens eine Kraftübertragungselement (140) an einem Ende an dem mindestens einen Kraftmesselement (136) und an einem anderen Ende an einem Bereich des Kerzen- gehäuses (114), welcher zwischen dem mindestens einen Flexibilitätsbereich (118) und dem mindestens einen Heizkörper (112) angeordnet ist, abstützt, wobei die Glühstiftkerze (110) zusätzlich mindestens ein Abstützelement (310) aufweist zum Abstützen des mindestens einen Kraftübertragungselements (140) an dem Kerzengehäuse (114).

9. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet zusätzlich durch mindestens ein Außengewinde (128) zum Verbinden der Glühstiftkerze (110) mit einem Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine, wobei das mindestens eine Außengewinde (128) Bestandteil des Gehäusekörpers (120) ist.

10. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmesselement (136) mindestens eine der folgenden Ausgestaltungen aufweist: eine Ringform; eine Scheibenform.

11. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmesselement (136) derart in das Kerzengehäuse (114) eingebracht, vorzugsweise mit diesem verschraubt oder verstemmt, ist, dass das Kerzengehäuse (114) zumindest teilweise mit einer Zugvorspannung beaufschlagt ist und das mindestens eine Kraftübertragungselement (140) mit einer Druckvorspannung beaufschlagt ist.