DE102005016462A1 - Glühstiftkerze mit integriertem temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor - Google Patents

Glühstiftkerze mit integriertem temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor Download PDF

Info

Publication number
DE102005016462A1
DE102005016462A1 DE200510016462 DE102005016462A DE102005016462A1 DE 102005016462 A1 DE102005016462 A1 DE 102005016462A1 DE 200510016462 DE200510016462 DE 200510016462 DE 102005016462 A DE102005016462 A DE 102005016462A DE 102005016462 A1 DE102005016462 A1 DE 102005016462A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
force
temperature compensation
glow plug
measuring element
temperature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE200510016462
Other languages
English (en)
Inventor
Thomas Ludwig
Christoph Kern
Steffen Schott
Pavlo Saltikov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE200510016462 priority Critical patent/DE102005016462A1/de
Publication of DE102005016462A1 publication Critical patent/DE102005016462A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/028—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs the glow plug being combined with or used as a sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/22—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines
    • G01L23/221—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines for detecting or indicating knocks in internal combustion engines
    • G01L23/222—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines for detecting or indicating knocks in internal combustion engines using piezoelectric devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
    • G01L9/085—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor with temperature compensating means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/40—Sparking plugs structurally combined with other devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/023—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining the cylinder pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/025—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions by determining temperatures inside the cylinder, e.g. combustion temperatures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F23Q2007/002—Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Measuring Fluid Pressure (AREA)

Abstract

Für eine brennraumdruckstabilisierte Motorsteuerung selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen ist eine Erfassung eines Brennraumdrucks erforderlich. Zu diesem Zweck wird eine Glühstiftkerze (112) mit integriertem temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor (130) sowie ein entsprechendes Brennraumdrucksensorsystem (110) mit mindestens einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze (112) und einer Temperaturkompensationsschaltung (114) vorgeschlagen. Die Glühstiftkerze (112) weist mindestens ein Kraftmesselement (130) auf, welches ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Kraft (126) auf einen Heizkörper (116) der Glühstiftkerze (112) erzeugen kann. Weiterhin weist die Glühstiftkerze (112) mindestens ein Temperaturkompensationselement (140) auf, welches derart in der Glühstiftkerze (112) aufgenommen ist, das die Kraft (126) infolge des Brennraumdruckes lediglich auf das Kraftmesselement (130) übertragen wird, wohingegen im Wesentlichen keine Kraft auf das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) übertragen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen. Die Glühstiftkerze weist einen integrierten, temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor auf. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennraumdrucksensorsystem, welches eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze sowie zusätzlich mindestens eine Temperaturkompensationsschaltung aufweist.
  • Im Zuge der stetigen Verschärfung der gesetzlichen Abgasvorschriften, insbesondere für Dieselmotoren, verschärfen sich die Anforderungen an eine verringerte Schadstoffemission von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen. Moderne Motormanagementsysteme sollen 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 brennraumdruckspezialisierten 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 eine separate Bohrung in der Zylinderkopfwand vorgesehen werden, was einen zusätzlichen Montageaufwand bedeutet. Ferner sind für Stand-alone Sensoren zusätzliche Bohrungen im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine erforderlich, was insbesondere bei Vierventilmotoren aufgrund der beengten Platzverhältnisse ein erhebliches Problem darstellt. 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. Ein Beispiel einer derartigen Integration sind Zündkerzen mit integriertem piezoelektrischem Kraftmesselement, welche beispielsweise aus DE 694 05 788 T2 bekannt sind. Diese Druckschrift offenbart eine Zündkerze mit eingebautem Drucksensor, wobei der Drucksensor mindestens einen Druckeinführungskanal aufweist, der die Verbrennungskammer eines zugehörigen Zylinders des Verbrennungsmotors mit dem Drucksensor verbindet.
  • Eine derartige Sensorintegration in bereits existierende Komponenten des Zylinderkopfs bringt einen deutlichen Preisvorteil mit sich und macht auch einen Großserieneinsatz wirtschaftlich möglich. Bei derartigen Systemen entfällt die Notwendigkeit des direkten Zugriffs zum Brennraum. Andererseits hängt die Signalgüte derartiger Brennraumdrucksensoren stark vom Kraftverlauf im gesamten mechanischen Verbund ab und genügt in der Regel den gestellten Anforderungen nicht. Speziell für Dieselmotoren ist bislang keine zuverlässige, kostengünstige Serienlösung bekannt. Insbesondere macht sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen auch der Einfluss der Betriebstemperaturschwankungen auf die Sensoreigenschaften negativ bemerkbar, da die Empfindlichkeit und die Güte der Sensoren typischerweise stark von der Umgebungstemperatur abhängt.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Es wird daher eine Glühstiftkerze mit integriertem temperaturkompensiertem Brennraumdrucksensor vorgeschlagen, welche die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten integrierten Brennraumdrucksensoren vermeidet und eine zuverlässige und kostengünstige Zylinderdruckmessung im Dieselmotor bei verschiedenen Betriebsbedingungen ermöglicht.
  • Ein Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, mindestens ein Kraftmesselement und mindestens ein Temperaturkompensationselement gleichzeitig in eine Glühstiftkerze zu integrieren, um auf diese Weise eine einfache Temperaturkompensation zu ermöglichen. Es wird daher eine Glühstiftkerze für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen vorgeschlagen, welche einen Heizkörper und ein Kerzengehäuse aufweist. In das Kerzengehäuse sind mindestens ein Kraftmesselement und mindestens ein Temperaturkompensationselement integriert, welche ausgestaltet sind, um ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer ausgeübten Kraft zu erzeugen. Das mindestens eine Kraftmessele ment soll dabei (direkt oder auch indirekt) derart mit dem Heizkörper verbunden sein, dass über den Heizkörper eine Kraft auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragbar ist. Gleichzeitig ist das mindestens eine Temperaturkompensationselement derart in dem Kerzengehäuse aufgenommen, dass über den Heizkörper im Wesentlichen keine Kraft auf das mindestens eine Temperaturkompensationselement übertragen wird.
  • Auf diese Weise kann im Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine ein Druck auf den in den Brennraum hineinragenden Heizkörper ausgeübt werden. Dieser Druck wird durch den Heizkörper in eine Kraft, welche vollständig oder teilweise auf das mindestens eine Kraftmesselement ausgeübt wird, umgesetzt. Somit kann aus dem von dem mindestens einen Kraftmesselement erzeugten elektrischen Signal auf den Druck im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zurückgeschlossen werden.
  • Insbesondere kann die Kraftübertragung zwischen dem Heizelement und dem mindestens einen Kraftmesselement indirekt erfolgen, so dass die am Heizelement herrschenden hohen Temperaturen nicht unmittelbar auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragen werden. Zu diesem Zweck kann die Glühstiftkerze beispielsweise ein zusätzliches Kraftübertragungselement zur indirekten Kraftübertragung vom Heizkörper auf das mindestens eine Kraftmesselement aufweisen. Vorteilhafterweise kann dieses mindestens eine Kraftübertragungselement ein Element mit geringer thermischer Leitfähigkeit aufweisen. Beispielsweise kann das mindestens eine Kraftübertragungselement als Hülse ausgestaltet sein.
  • Sowohl das mindestens eine Kraftmesselement als auch das mindestens eine Temperaturkompensationselement können mindestens ein piezoelektrisches Bauelement aufweisen. Dabei können sowohl ferroelektrische Piezokeramiken (z. B. Bleizirkonattitanat, PZT) als auch einkristalline Materialien (z. B. Quarz, Langasit, Lithiumniobat, Galliumorthophosphat) als solche oder in Kombination mit anderen Werkstoffen und Bauelementen eingesetzt werden.
  • Zum Zwecke einer Temperaturkompensation werden also die elektrischen Signale des mindestens einen Kraftmesselements und des mindestens einen Temperaturkompensationselements verglichen. Das Signal des mindestens einen Temperaturkompensationselements indiziert dabei das „Nullsignal", also das Signal, welches lediglich durch die Temperaturbedingungen, nicht hingegen durch Krafteinwirkungen, bedingt ist. Um eine Temperaturkompensation einfach und kostengünstig durchführen zu können, ist es von besonderem Vorteil, wenn das mindestens eine Temperaturkompensationselement im Wesentlichen eine gleiche elektrische Signalcharakteristik bezüglich Kraft und Temperatureinfluss aufweist wie das mindestens eine Kraftmesselement. Insbesondere können das mindestens eine Temperaturkompensationselement und das mindestens eine Kraftmesselement im Wesentlichen baugleiche Bauelemente aufweisen. Beispielsweise können in beiden Fällen Piezokeramiken eingesetzt werden oder auch andere Bauelemente, welche die oben genannten Werkstoffe aufweisen. Werden baugleiche Bauelemente eingesetzt, so lässt sich eine Temperaturkompensation beispielsweise durch eine einfache Differenzschaltung zwischen dem elektrischen Signal des mindestens einen Kraftmesselements und dem elektrischen Signal des mindestens einen Temperaturkompensationselements herstellen. Auf diese Weise wird das „Nullsignal" kompensiert. Bei komplexeren Zusammenhängen als einem linearen Zusammenhang zwischen ausgeübter Kraft und elektrischem Signal können andere Kompensationsschaltungen eingesetzt werden, mittels derer aus dem Kompensationssignal des mindestens einen Temperaturkompensationselements eine Temperaturkompensation des elektrischen Signals des mindestens einen Kraftmesselements durchgeführt werden kann. Derartige Schaltungen sind dem Fachmann bekannt.
  • Um eine möglichst effiziente Temperaturkompensation durchführen zu können, ist es von Vorteil, das mindestens eine Kraftmesselement und das mindestens eine Temperaturkompensationselement im Kerzengehäuse an Stellen mit im Wesentlichen gleicher thermischer Belastung im Betrieb der Glühstiftkerze aufzunehmen. Beispielsweise können das mindestens eine Temperaturkompensationselement und das mindestens eine Kraftmesselement benachbart im Kerzengehäuse untergebracht sein. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn das mindestens eine Kraftmesselement und das mindestens eine Temperaturkompensationselement in einem Abstand zueinander angeordnet sind, welcher die maximalen Abmessungen eines der genannten Elemente um nicht mehr als das Dreifache, vorzugsweise um nicht mehr als das Doppelte, überschreitet.
  • Weiterhin kann, um zu verhindern, dass über das Heizelement eine Kraft auch auf das mindestens eine Temperaturkompensationselement ausgeübt wird, die Glühstiftkerze zusätzlich mindestens ein Entlastungselement aufweisen. Beispielsweise kann dieses Entlastungselement als Entlastungshülse ausgestaltet sein, auf welcher beispielsweise ein ringförmiges Temperaturkompensationselement mit mechanischem Spiel entlanggleiten kann, wobei zwei Hülsenenden das mindestens eine Temperaturkompensationselement vor mechanischen Krafteinwirkungen schützen. Insbesondere ist diese Ausgestaltung von Vorteil bei einer Weiterbildung der Erfindung, bei welcher der Heizkörper mittels mindestens einer mit dem Heizkörper verbundenen Drahtglühstromzuleitung mit Strom versorgt wird, wobei das mindestens eine Kraftmesselement und das mindestens eine Temperaturkompensationselement die mindestens eine Drahtglühstromzuleitung ringförmig umschließen.
  • Weiterhin wird ein Brennraumdrucksensorsystem vorgeschlagen, welches mindestens eine Glühstiftkerze gemäß der obigen Beschreibung sowie mindestens eine Temperaturkompen sationsschaltung aufweist, welche die Ausgangssignale des mindestens einen Kraftmesselements und des mindestens einen Temperaturkompensationselements gemäß der obigen Beschreibung verarbeitet. Somit kann ein temperaturkorrigiertes Ausgangssignal erzeugt werden. Beispielsweise kann mittels der Temperaturkompensationsschaltung auch direkt ein zum Druck im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine korreliertes, beispielsweise proportionales, elektrisches Ausgangssignal erzeugt werden, welches temperaturkorrigiert ist, und beispielsweise einem elektronischen Motorsteuerungsgerät für eine brennraumdrucksignalbasierte Motorregelung (CSC, siehe oben) zugeführt werden.
  • Die vorgeschlagene Glühstiftkerze mit integriertem temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor und das vorgeschlagene Brennraumdrucksensorsystem weisen gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Systemen zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere wird aufgrund eines unmittelbaren Vergleichs der elektrischen Signale des mindestens einen Kraftmesselements und des mindestens einen Temperaturkompensationselements die erforderliche elektrische Temperaturkompensationsschaltung stark vereinfacht, so dass die Systemkosten gegenüber herkömmlichen Systemen stark gesenkt werden. Die Tatsache, dass ein in eine ohnehin vorhandene Zylinderkopfkomponente, nämlich eine Glühstiftkerze, integriertes System vorgeschlagen wird, macht zusätzliche Bohrungen im Zylinderkopf überflüssig. Die erforderlichen Kraftmesselemente, beispielsweise piezoelektrische oder mechanisch-elektrische Wandlerelemente, sind einfach zu handhaben und kostengünstig verfügbar.
  • Weiterhin können mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung die Einflüsse von Temperatur bzw. Temperaturänderungen auf die Funktion des integrierten Kraftmesselements, beispielsweise des piezoelektrischen Kraftmesselements, separiert von anderen Einflüssen erfasst und anschließend kompensiert werden. In herkömmlichen Systemen müssen häufig Temperaturmessvorrichtungen (z. B. Thermoelemente oder ähnl.) zur Ermittlung der Temperatur am Einbauort eines Kraftmesselements eingesetzt werden, um anschließend aus einer bekannten Temperatur-Signal-Charakteristik ein Kraftsignal zu kompensieren (z. B. mittels aufwändiger Lookup-Tables, elektronischer Tabellen). Dies ist bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen einfachen Kompensationsmethode nicht erforderlich. Dadurch wird einerseits die Konstruktion und Montage der vorgeschlagenen Glühstiftkerze vereinfacht, andererseits wird eine Kostenreduzierung durch die vereinfachte elektronische Temperaturkompensationsschaltung und durch den Wegfall eines zusätzlichen Bauteils (insbesondere der Temperaturmessvorrichtung) erreicht.
  • Weiterhin lassen sich kostengünstige Kraftmesselemente einsetzen, insbesondere Piezokeramiken, wohingegen der Einsatz von teuren, hochtemperaturstabilen Werkstoffmodifikationen (z. B. hochtemperaturstabilen Quarzen) als Material für die Kraftmesselemente nicht erforderlich ist. Die Verwendung gleicher Bauelemente für Kraftmess- und Temperaturkompensationselement für die Druckerfassung und die Temperaturkompensation hat, neben der dargestellten vereinfachten elektronischen Schaltung, weiterhin den Vorteil, dass die Teilezahl der Anordnung verringert wird, wodurch Lagerhaltungs- und Montagekosten weiter reduziert werden.
    •
  • Zeichnung
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
  • Es zeigt:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines Brennraumdrucksensorsystems mit einer Glühstiftkerze und einer Temperaturkompensationsschaltung
  • In der einzigen Figur (1) ist ein erfindungsgemäßes Brennraumdrucksensorsystem 110 dargestellt. Das Brennraumdrucksensorsystem 110 weist eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze 112 und eine Temperaturkompensationsschaltung 114 auf. Die Glühstiftkerze 112 weist einen keramischen Heizkörper 116 auf, welcher in einem Dichtkonus 118 eines Gehäuses 120 der Glühstiftkerze 112 befestigt wird. Dadurch ist ein Innenraum 122 der Glühstiftkerze 112 gegen den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine abgedichtet.
  • Der keramische Heizkörper 116 ist mit einer hier kegelförmig ausgebildeten Spitze 124 versehen, über welche ein Druck im Brennraum in eine Kraft F (Bezugsziffer 126 in 1) parallel zu einer Symmetrieachse 128 der Glühstiftkerze 112 auf den keramischen Heizkörper 116 umgewandelt werden kann. Anstelle der Kegelform wären auch andere Geometrien denkbar. Durch diese Kraft 126 auf den Heizkörper 116 wird eine linear-elastische Einfederung der im Kraftpfad befindlichen Bauteile der Glühstiftkerze 112 bewirkt, welche typischerweise im Bereich von einigen Mikrometern liegt. Die Kraft 126 und die mit dieser Kraft verbundene Einfederung der Glühstiftkerze 112 korreliert direkt mit dem Brennraumdruck.
  • Zur Erfassung dieser Kraft 126 ist im Kraftpfad der Kraft 126 im Innenraum 122 der Glühstiftkerze 112 ein Kraftmesselement 130 angeordnet. Das Kraftmesselement 130 wird durch eine in den zylinderförmigen Innenraum 122 vom brennraum-abgewandten Ende der Glühstiftkerze 112 eingeschraubte Vorspannvorrichtung 132 vorgespannt. Insbesondere kann in diesem Ausführungsbeispiel ein piezoelektrisches Kraftmesselement 130 eingesetzt werden, wobei die oben genannten Werkstoffe zum Einsatz kommen können. Insbesondere kann es sich bei dem Kraftmesselement 130 um ein ringförmiges Kraftmesselement 130 handeln. Das Kraftmesselement 130 ist derart im Gehäuse 120 der Glühstiftkerze 112 fixiert, dass die Kraft 126 vom Heizkörper 116 auf die in Richtung des Heizkörpers 116 gerichtete Stirnfläche des Kraftmesselements übertragen wird. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Übertragung der Kraft 126 auf das Kraftmesselement 130 durch ein Kraftübertragungselement 134, welches die Form einer Zylinderhülse aufweist und zwischen den keramischen Heizkörper 116 und das Kraftmesselement 130 eingebracht ist. Anstelle eines ringförmigen Kraftmesselements 130 und eines hülsenförmigen Kraftübertragungselements 134 kommen jedoch auch andere Geometrien in Betracht, beispielsweise Kraftübertragungselemente 134 in Form von Stangen. Auch keramische Kraftübertragungselemente lassen sich einsetzen, was insbesondere den Vorteil bietet, dass ein geringer Wärmeübertrag vom keramischen Heizkörper 116 auf das Kraftmesselement 130 erfolgt.
  • Im Falle eines piezoelektrischen Kraftmesselements 130 wird bei mechanischer Belastung, d. h. bei Übertragung der Kraft 126 auf das Kraftmesselement 130, eine Ladung und somit eine Spannung erzeugt, welche von den Stirnflächen des Kraftmesselements 130 mittels einer entsprechenden Kontaktierung abgegriffen werden kann. Zu diesem Zweck sind die Stirnflächen des Kraftmesselements 130 mit Signalleitungen 136 verbunden (beispielsweise pro Stirnfläche eine Signalleitung 136), welche in diesem Ausführungsbeispiel axial, d. h. parallel zur Achse 125, durch das Vorspannelement 132 aus dem Innenraum 122 der Glühstiftkerze 112 herausgeführt werden. Diese Signalleitungen sind in diesem Ausführungsbeispiel mit einem Eingang der Temperaturkompensationsschaltung 114 verbunden und bilden einen Teil eines Eingangssignals 13S dieser Temperaturkompensationsschaltung.
  • Da das (insbesondere piezoelektrische) Kraftmesselement 130 sich im Innenraum 122 des Gehäuses 120 der Glühstiftkerze 112 befindet, welches direkt dem Druck des Brennraums ausgesetzt ist, ist das Kraftmesselement 130 auch den im Brennraum herrschenden hohen Temperaturen indirekt ausgesetzt. Die Temperatur des Gehäuses 120 und des Innenraums 122 kann sich je nach Anwendung von minus 40°C bis stellenweise 150°C ändern. Da die piezoelektrischen Konstanten der meisten piezoelektrischen Werkstoffe eine Temperaturcharakteristik aufweisen, d. h. sich mit Änderung der Betriebstemperatur ändern, ist eine Korrektur des durch die hohen Temperaturen verfälschten Signals des Kraftmesselements 130 erforderlich. Zu diesem Zweck weist die Glühstiftkerze 112 ein Temperaturkompensationselement 140 auf, welches ebenfalls in den Innenraum 122 des Gehäuses 120 der Glühstiftkerze 112 eingebracht ist. Vorteilhafterweise besteht in diesem Ausführungsbeispiel das Temperaturkompensationselement 140 aus einem Werkstoff mit geeigneten Eigen schaften, insbesondere aus dem gleichen Werkstoff oder Werkstoffen wie das Kraftmesselement 130. Vorteilhafterweise weist das Temperaturkompensationselement 140 zusätzlich die gleiche oder eine ähnliche Geometrie auf wie das Kraftmesselement 130. Insbesondere kann es sich dabei wiederum um eine Lochscheiben- oder Ringgeometrie handeln. Wiederum ist das Temperaturkompensationselement über Signalleitungen 136 kontaktiert, welche gemeinsam mit den Signalleitungen 136 des Kraftmesselements 130 aus dem Innenraum 122 herausgeführt werden und einen weiteren Bestandteil des Eingangssignals 138 der Temperaturkompensationsschaltung 114 bilden.
  • Das Temperaturkompensationselement 140 und das Kraftmesselement 130 sind in diesem Ausführungsbeispiel unmittelbar nebeneinander angeordnet, wobei jedoch die zu messende Kraft 126 lediglich auf das Kraftmesselement 130 wirkt. Die enge Anordnung der beiden Elemente 130, 140 gewährleistet insbesondere, dass diese mit gleichen oder vergleichbaren Temperaturen im Betrieb der Glühstiftkerze 112 beaufschlagt werden. Da z. B. das Temperaturkompensationselement 140 und das Kraftmesselement 130 die gleichen Werkstoffe aufweisen, ist die Änderung der Materialparameter und somit der Sensitivität dieser beiden Elemente 130, 140 in Abhängigkeit von der Temperatur vergleichbar oder vorzugsweise identisch. Das Signal des Kraftmesselements 130 hängt von dem zu messenden Druck im Brennraum und der Temperatur im Gehäuse 120 ab, wohingegen das Signal des Temperaturkompensationselements 140 lediglich von der Temperatur abhängt. Weiterhin beinhaltet eine identische Geometrie der beiden Elemente 130, 140 den Vorteil, dass die Temperaturen am Ort dieser Elemente 130, 140 sich gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig ändern. Die Wärmeflüsse durch die beiden Elemente der gleichen Geometrie sind bei gleichen Werkstoffen ebenfalls identisch. Dies ist eine wichtige Voraussetzung zur Ermöglichung einer hohen Kompensationsgenauigkeit. Außerdem hat ein Temperaturkompensationselement 140, welches mit dem Kraftmesselement 130 baugleich ist, den Vorteil, dass die Entwicklung und Fertigung eines neuen Bauteils entfällt.
  • Um zu verhindern, dass die Kraft 126, welche über das Kraftübertragungselement 134 auf das Kraftmesselement 130 ausgeübt wird, gleichzeitig auch auf das Temperaturkompensationselement 140 ausgeübt wird, sind das Kraftmesselement 130 und das Temperaturkompensationselement 140 in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Entlastungselement 142 getrennt. Dieses Entlastungselement 142 ist als Hohlzylinder ausgebildet und weist einen Einschnürungsbereich 144 mit verringertem Außendurchmesser auf. In diesem Einschnürungsbereich 144 ist das Temperaturkompensationselement 140 auf das Entlastungselement 142 aufgebracht. Zur einfacheren Montage kann das Entlastungselement 142 zu diesem Zweck beispielsweise zweiteilig ausgeführt sein, wobei beide Teile miteinander verschraubt werden können. Vom größten Außendurchmesser her entspricht in diesem Ausführungsbeispiel das Entlastungselement 142 dem Innendurchmesser des Innenraums 122, so dass dieses mit aufgebrachtem Temperaturkompensationselement 140 im Wesentlichen spielfrei in den Innenraum 122 eingeschoben werden kann. Das Temperaturkompensationselement 140 kann sich im Bereich der Einschnürung 144 bewegen, wobei vorteilhafterweise durch passgenauen Sitz des Temperaturkompensationselements 140 auf dem Einschnürungsbereich 144 ungewollte Bewegungen (z. B. Vibrationen) des Temperaturkompensationselements 140 vermieden werden. Weiterhin dient in diesem Ausführungsbeispiel das Entlastungselement 142 dazu, eine Vorspannkraft vom Vorspannelement 132 auf das Kraftmesselement 130 zu übertragen. Beispielsweise kann das Entlastungselement 142 wiederum aus steifem Material wie beispielsweise Metallen oder Keramiken hergestellt werden, wobei vorteilhafterweise Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit gewählt werden, um einen besseren Temperaturausgleich zwischen dem Kraftmesselement 130 und dem Temperaturkompensationselement 140 zu ermöglichen.
  • Um die Temperaturkompensation weiter zu verbessern, ist es von Vorteil, wenn, wie in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 1, das Kraftmesselement 130 und das Temperaturkompensationselement 140 im Bereich eines Gewindes 146 des Gehäuses 120 angeordnet sind, mittels dessen die Glühstiftkerze 112 in eine Wand des Brennraums eingeschraubt wird. In diesem Bereich bleibt während eines regulären Betriebs des Verbrennungsmotors die Temperatur relativ niedrig (ca. 90°C bis 100°C maximal) und konstant, so dass eine entsprechend gute thermische Ankopplung folgen kann. Weiterhin ist aufgrund der vergleichsweise konstanten Temperatur das Signal des Kraftmesselements 130 und des Temperaturkompensationselements 140 auch bei abrupten Betriebspunktwechseln des Verbrennungsmotors vergleichsweise stabil.
  • Üblicherweise wird der keramische Heizkörper 116 in Glühstiftkerzen 112 mittels eines Stahlanschlussbolzens mit Strom versorgt. In diesem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist zum Zweck der Reduzierung von Bauraum und der Unterbringung des Kraftmesselements 130 und des Temperaturkompensationselements 140 der Stahlanschlussbolzen ersetzt worden durch eine dünne bzw. nachgiebige Drahtglühstromzuleitung 148. Diese Drahtglühstromzuleitung 148 wird, gemeinsam mit den Signalleitungen 136, entlang der Achse 128 durch das Vorspannelement 132 axial am dem Brennraum abgewandten Ende der Glühstiftkerze 112 aus dem Gehäuse 120 herausgeführt und mit einer entsprechenden Stromversorgung verbunden.
  • Aus dem Eingangssignal 138, welches sich im Wesentlichen aus den Signalen des Kraftmesselements 130 und des Temperaturkompensationselements 140 zusammensetzt, wird in der Temperaturkompensationsschaltung 114 ein temperaturkompensiertes Ausgangssignal 150 erzeugt. Dieses temperaturkompensierte Ausgangssignal 150 kann beispielsweise an eine Motorsteuerungseinheit weitergeleitet werden, um eine brennraumdruckstabilisierte Motorregelung durchzuführen. Die Ausgestaltung der Temperaturkompensationsschaltung 114 hängt stark von der Art und Weise der verwendeten Kraftmesselemente 130 und Temperaturkompensationselemente 140 ab. Insbesondere können auch Temperaturkompensationsschaltungen 114 eingesetzt werden, welche gleichzeitig oder seriell die Signale 13S mehrerer Glühstiftkerzen 112 verarbeiten. Die Temperaturkompensationsschaltung 114 kann beispielsweise Operationsverstärker, Transistoren, passive Bauelemente und/oder auch Mikrocomputer aufweisen. Handelt es sich beispielsweise um piezokeramische Kraftmesselemente 130 und Temperaturkompensationselemente 140, so kann, wie oben beschrieben, zur Temperaturkompensation in der Temperaturkompensationsschaltung 114 insbesondere eine vergleichsweise einfache Differenzschaltung (z. B. mittels eines Operationsverstärkers) eingesetzt werden, bei der ein Signal des Temperaturkompensationselements 140 vom Signal des entsprechenden Kraftmesselements 130 abgezogen wird. Gegebenenfalls können beide Signale zunächst separat verstärkt oder durch entsprechende Signalverarbeitung (beispielsweise Filter) vorverarbeitet werden. Auch eine entsprechende Nachverarbeitung des temperaturkompensierten Ausgangssignals ist möglich. Weitere Prinzipien für Temperaturkompensationsschaltungen 114 sind dem Fachmann bekannt. Auf diese diese lassen sich insbesondere temperaturkompensierte Ausgangssignale 150 erzeugen, welche, temperaturkompensiert, mit dem im Brennraum herrschenden Druck korrelieren, beispielsweise diesem proportional sind.
    • 110
    Brennraumdrucksensorsystem
    112
    Glühstiftkerze
    114
    Temperaturkompensationsschaltung
    116
    keramischer Heizkörper
    118
    Dichtkonus
    120
    Gehäuse der Glühstiftkerze
    122
    Innenraum
    124
    kegelförmige Spitze des Heizkörpers
    126
    Kraft durch Brennraumdruck
    128
    Symmetrieachse
    130
    Kraftmesselement
    132
    Vorspannelement
    134
    Kraftübertragungselement
    136
    Signalleitungen
    138
    Eingangssignal
    140
    Temperaturkompensationselement
    142
    Entlastungselement
    144
    Einschnürungsbereich
    146
    Gewinde
    148
    Drahtglühstromzuleitung
    150
    temperaturkompensiertes Ausgangs
    signal

Claims (10)

  1. Glühstiftkerze (112) für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit einem Heizkörper (116) und einem Kerzengehäuse (120), wobei mindestens ein Kraftmesselement (130) und mindestens ein Temperaturkompensationselement (140) in das Kerzengehäuse (120) integriert sind, wobei das mindestens eine Kraftmesselement (130) und das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) ausgestaltet sind, um ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Kraft (126) zu erzeugen, wobei das mindestens eine Kraftmesselement (130) derart mit dem Heizkörper (116) verbunden ist, dass über den Heizkörper (116) eine Kraft (126) auf das mindestens eine Kraftmesselement (130) übertragbar ist und wobei das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) derart in dem Kerzengehäuse (120) aufgenommen ist, dass über den Heizkörper (116) im Wesentlichen keine Kraft auf das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) übertragbar ist.
  2. Glühstiftkerze (112) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmesselement (130) ein piezoelektrisches Bauelement (130) aufweist.
  3. Glühstiftkerze (112) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) mindestens ein piezoelektrisches Bauelement (140) aufweist.
  4. Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) im Wesentlichen eine gleiche elektrische Signalcharakteristik bezüglich Kraft und Temperatureinfluss aufweist wie das mindestens eine Kraftmesselement (130).
  5. Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) und das mindestens eine Kraftmesselement (130) im Wesentlichen baugleiche Bauelemente (130, 140) aufweisen.
  6. Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein zusätzliches Kraftübertragungselement (134), wobei mittels des mindestens einen Kraftübertragungselements (134) eine Kraft (126) von dem Heizkörper (116) auf das mindestens eine Kraftmesselement (130) übertragbar ist.
  7. Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmesselement (130) und das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) im Kerzengehäuse (120) an Stellen mit im Wesentlichen gleicher thermischer Belastung im Betrieb der Glühstiftkerze (112) aufgenommen sind.
  8. Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzlich mindestens ein Entlastungselement (142), wobei das mindestens eine Entlastungselement (142) ausgestaltet ist, das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) vor Krafteinwirkungen zu schützen.
  9. Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine mit dem Heizkörper (116) verbundene Drahtglühstromzuleitung (148), wobei das mindestens eine Kraftmesselement (130) und das mindestens eine Temperaturkompensationselement (140) die mindestens eine Drahtglühstromzuleitung (148) ringförmig umschließen.
  10. Brennraumdrucksensorsystem (110), aufweisend mindestens eine Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie mindestens eine Temperaturkompensationsschaltung (114), wobei die Temperaturkompensationsschaltung (114) mit mindestens einem ersten Ausgangssignal (138) des mindestens einen Kraftmesselements (130) und mit mindestens einem Ausgangssignal (138) des mindestens einen Temperaturkompensationselements (140) beaufschlagt wird, wobei die Temperaturkompensationsschaltung (114) Mittel (114) aufweist, um aus dem mindestens einen ersten Ausgangssignal (138) und dem mindestens einen zweiten Ausgangssignal (138) mindestens ein temperaturkorrigiertes Ausgangssignal (150) zu erzeugen.
DE200510016462 2005-04-11 2005-04-11 Glühstiftkerze mit integriertem temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor Ceased DE102005016462A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510016462 DE102005016462A1 (de) 2005-04-11 2005-04-11 Glühstiftkerze mit integriertem temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510016462 DE102005016462A1 (de) 2005-04-11 2005-04-11 Glühstiftkerze mit integriertem temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102005016462A1 true DE102005016462A1 (de) 2006-10-12

Family

ID=37026355

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE200510016462 Ceased DE102005016462A1 (de) 2005-04-11 2005-04-11 Glühstiftkerze mit integriertem temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102005016462A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008017602A1 (de) * 2006-08-09 2008-02-14 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur bestimmung eines drucks im brennraum einer brennkraftmaschine

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008017602A1 (de) * 2006-08-09 2008-02-14 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur bestimmung eines drucks im brennraum einer brennkraftmaschine

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1989485B1 (de) Druckmesseinrichtung
DE102005051817B4 (de) Druckmessglüheinrichtung, insbesondere Druckmessglühkerze
EP1517086B1 (de) Druckmessglühkerze für einen Dieselmotor
WO2005085787A1 (de) Vorrichtung zur erfassung des brennraumdrucks bei einer brennkraftmaschine
EP1399665A1 (de) Ventil zum steuern von fluiden sowie verfahren zur bestimmung von drücken
DE102006008639A1 (de) Glühstiftkerze
DE102005035062A1 (de) Vorrichtung zur Erfassung des Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine
DE10346296B4 (de) Glühkerze mit Verbrennungsdrucksensor
EP0140066A1 (de) Einrichtung zum Erfassen von Kräften, Spannungen bzw. Beschleunigungen an Maschinen, Geräten oder dgl.
WO2006120049A1 (de) Glühstiftkerze mit brennraumdrucksensor
EP1875135B1 (de) Glühstiftkerze mit brennraumdrucksensor und dichtelement
DE102005026074A1 (de) Glühstiftkerze mit einem integrierten Brennraumdrucksensor
DE102008042645A1 (de) Brennraumdrucksensor
DE102005016463A1 (de) Glühstiftkerze mit integriertem Druckmesselement
WO2006128755A1 (de) Integrierter brennraumdrucksensor
DE102005016462A1 (de) Glühstiftkerze mit integriertem temperaturkompensierten Brennraumdrucksensor
WO2005114054A1 (de) Glühstiftkerze mit integriertem drucksensor
DE102005016464A1 (de) Glühstiftkerze mit einem integrierten temperaturstabilen Brennraumdrucksensor
EP1754001B1 (de) Glühstiftkerze mit einem gaskanal zur brennraumdruckmessung
DE102005043688B4 (de) Vorrichtung zur Messung eines Drucks innerhalb eines Brennraums einer Brennkraftmaschine
DE19755192A1 (de) Kapazitiver Druckaufnehmer zur Druckmessung im Brennraum von Brennkraftmaschinen
DE19802487A1 (de) Zündeinheit
DE102008041150A1 (de) Sensorelement zur Erfassung eines Brennraumsignals

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed

Effective date: 20111230

R002 Refusal decision in examination/registration proceedings
R003 Refusal decision now final