DE102005026074A1

DE102005026074A1 - Glühstiftkerze mit einem integrierten Brennraumdrucksensor

Info

Publication number: DE102005026074A1
Application number: DE200510026074
Authority: DE
Inventors: Christoph Kern; Steffen Schott; Pavlo Saltikov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2006-12-14
Also published as: EP1891375A1; JP4644282B2; WO2006131410A1; JP2008545918A

Abstract

Für eine effiziente und schadstoffarme Motorsteuerung wird eine Information über den Brennraumdruck im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine benötigt. Es wird daher ein integrierter Brennraumdrucksensor in Form einer Glühstiftkerze (110) für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Die Glühstiftkerze (110) weist einen Heizkörper (112) und ein Kerzengehäuse (116) auf. Weiterhin weist die Glühstiftkerze (110) mindestens ein Kraftmessfolienelement (126) auf, wobei das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) derart mit dem Heizkörper (112) verbunden ist, dass über den Heizkörper (112) eine Kraft (124) auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) übertragbar ist. Insbesondere kann das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) mindestens eine Piezofolie (134), beispielsweise eine Piezofolie (134) aus hochpolarisiertem Polyvinylidenfluorid (PVDF), aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen mit einem in die Glühstiftkerze integrierten Brennraumdrucksensor. Die Glühstiftkerze weist als Brennraumdrucksensor mindestens ein Kraftmessfolienelement auf. Mit derartigen integrierte Brennraumdrucksensoren lassen sich insbesondere brennraumdrucksignalbasierte Motorregelungen für Verbrennungskraftmaschinen realisieren.

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 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 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, zu meist 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.

Auch aus dem Bereich der Dieselmotoren sind derartige Integrationsansätze bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 196 80 912 C2 eine Glühkerze mit integriertem Drucksensor. Dabei ist der Drucksensor zwischen einem Fixierglied und einem Heizabschnitt der Glühkerze angeordnet. Die in der DE 196 80 912 C2 offenbarte Vorrichtung weist jedoch für die praktische Realisierung zahlreiche Nachteile auf. Insbesondere bestehen diese Nachteile darin, dass der eingesetzte Drucksensor technisch an einer ungünstigen Stelle angeordnet ist, da er einerseits eine Stromzufuhr zum Heizabschnitt der Glühkerze blockiert und andererseits aufgrund hoher thermischer Belastung und hoher mechanischer Schockbelastung in der Regel keine lange Lebensdauer aufweist. Weiterhin ist die Fixierung des Drucksensors mittels des Fixiergliedes aufwändig und kann bei einer Montage leicht zu einer Fehlpositionierung des Drucksensors und damit verbunden zu einer Fehlfunktion führen.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß wird daher eine Glühstiftkerze für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welche die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, mindestens ein Kraftmessfolienelement, insbesondere ein Kraftmessfolienelement, welches mindestens eine Piezofolie aufweist, zur Messung eines Brennraumdrucks einer Verbrennungskraftmaschine einzusetzen. Dabei kann das Kraftmessfolienelement in integrierten Brennraumdrucksensoren verwendet werden, beispielsweise bei in Glühstiftkerzen oder in Zündkerzen integrierten Brennraumdrucksensoren, oder es kann auch in so genannten Stand-alone-Brennraumdrucksensoren eingesetzt werden.

Ein weiterer Grundgedanke besteht darin, in eine Glühstiftkerze, welche einen Heizkörper und ein Kerzengehäuse aufweist, mindestens ein Kraftmessfolienelement zu integrieren. Dieses Kraftmessfolienelement soll derart mit dem Heizkörper verbunden sein, dass über den Heizkörper eine Kraft auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement übertragbar ist. Insbesondere kann dieses mindestens eine Kraftmessfolienelement ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Kraft erzeugen, welche über den Heizkörper auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement ausgeübt wird. Somit wird, wenn die Glühstiftkerze in den Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine integriert ist, durch den Brennraumdruck der Verbrennungskraftmaschine eine Kraft auf den Heizkörper der Glühstiftkerze ausgeübt. Über den Heizkörper wird diese Kraft auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement übertragen, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt werden kann, aus welchem auf die Kraft und somit auf den Druck im Brennraum rückschließbar ist.

Das vorgeschlagene Kraftmessfolienelement zeichnet sich insbesondere durch seine geringe Dicke und seine hohe Flexibilität gegenüber herkömmlichen Kraftmesselementen, wie beispielsweise herkömmlichen Drucksensoren (z.B. Piezokeramiken) aus. Insbesondere kann das mindestens eine Kraftmessfolienelement mindestens eine Kraftmessfolie aufweisen, welche vorteilhafterweise eine Foliendicke im Bereich von 3-50 μm, bevorzugt im Bereich von 5-100 μm und besonders bevorzugt im Bereich von 8-30 μm aufweist. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Piezofolie handeln, vorzugsweise eine Piezofolie, welche Polyvinylidenfluorid aufweist. Derartige Piezofolien sind typischerweise mit einer Stärke bis hinunter zu ca. 8-9 μm kommerziell erhältlich. Es sind jedoch auch beliebige andere Materialien entsprechender piezoelektrischer und mechanischer Eigenschaften einsetzbar. Auch andere Arten von Kraftmessfolien sind prinzipiell einsetzbar, welche nicht auf einem Piezoeffekt beruhen und welche dem Fachmann bekannt sind, beispielsweise Kraftmessfolien mit Dehnungsmessstreifen.

Das mindestens eine Kraftmessfolienelement kann erfindungsgemäß auf verschiedene Weise eingesetzt werden, wobei vorzugsweise ein transversaler piezoelektrischer Effekt und/oder ein longitudinaler piezoelektrischer Effekt und/oder ein piezoelektrischer Schereffekt eingesetzt wird. Diese Effekte können auf verschiedene Weise ausgenutzt werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn mindestens ein Kraftübertragungselement zur Kraftübertragung zwischen dem Heizkörper und dem mindestens einen Kraftmessfolienelement eingesetzt wird. Beispielsweise kann dieses Kraftübertragungselement im Wesentlichen als Zylinderhülse ausgestaltet sein. Das mindestens eine Kraftmessfolienelement kann dabei auf einer Fläche des mindestens einen Kraftübertragungselements parallel zu einer Achse der Glühstiftkerze oder auch auf einer Stirnfläche senkrecht zu dieser Achse eingesetzt werden, wobei beispielsweise unterschiedliche piezoelektrische Effekte (z. B. longitudinaler und transversaler Piezoeffekt) ausgenutzt werden. Die Ausgestaltung des mindestens einen Kraftmessfolienelements hat insbesondere den Vorteil, dass Bauraum im Inneren der Glühstiftkerze optimal ausgenutzt wird, wodurch beispielsweise genügend Bauraum für eine Stromzufuhr zum Heizkörper der Glühstiftkerze verbleibt.

Weiterhin kann zwischen dem Heizkörper und der mindestens einen Kraftmessfolie mindestens ein Isolierelement angeordnet sein, beispielsweise mindestens eine Isolierhülse, wobei das mindestens eine Isolierelement gegenüber einer Konstruktion ohne ein derartiges Isolierelement eine Wärmeübertragung zwischen dem Heizkörper und dem mindestens einen Kraftmessfolienelement reduziert. Insbesondere kann dieses mindestens eine Isolierelement ein thermisch isolierendes Material aufweisen. Beispielsweise kann das mindestens eine Isolierelement zwischen den Heizkörper und das mindestens eine Kraftübertragungselement eingebettet sein.

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze weist gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen erhebliche Vorteile auf. So kann insbesondere das mindestens eine Kraftmessfolienelement in nahezu beliebigen Abmessungen und Geometrien hergestellt werden. Weiterhin ist das mindestens eine Kraftmessfolienelement flexibel und kann daher als Kraftsensor auf nahezu beliebig geformten Oberflächen eingesetzt werden. Generell sind derartige Kraftmessfolienelemente, insbesondere Piezofolien, für die Messung von Kräften, Drücken, Biegungen, Dehnungen, Beschleunigungen, Schwingungen und/oder Scherungen geeignet. Dabei kann auf Erfahrungen aus anderen Bereichen der Technik zurückgegriffen werden, so dass insbesondere beispielsweise elektronische Schaltungen zur Ansteuerung und Auswertung derartiger Kraftmessfolienelemente ohne großen Entwicklungsaufwand adaptiert werden können.

Die vorgeschlagene Konstruktion einer Glühstiftkerze ermöglicht somit auch eine einfache Konstruktion und Montage unter Ausnutzung des geringen Bauraums innerhalb einer Glühstiftkerze. Dadurch werden insbesondere Entwicklungs- und/oder Herstellungskosten erheblich reduziert. Weiterhin wird auch die Zuverlässigkeit der Glühstiftkerzen gegenüber herkömmlichen integrierten Drucksensoren erheblich verbessert, da insbesondere keine bruchanfälligen Druckmesselemente aus piezoelektrischen Keramiken bzw. Einkristallen eingesetzt werden müssen. Dennoch ist die Empfindlichkeit der Druckmessung verglichen mit den meisten aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Brennraumdruckmesstechnik, beispielsweise Quarz-Druckmesselementen, erheblich erhöht. Der Einsatz von Kraftmessfolienelementen vermeidet weiterhin die Notwendigkeit kostenintensiver elektrischer und thermischer Isolationsmaßnahmen, bzw. reduziert deren Notwendigkeit. Aufgrund der vorteilhaften Raumausnutzung kann auch auf eine Konstruktion mit extrem dünnwandigen Bauelementen aus Stahl mit hohen Toleranzanforderungen verzichtet werden.

Speziell die vorgeschlagene Lösung, bei welcher als Kraftübertragungselement eine oder mehrere Hülsen, beispielsweise eine Hülse aus Stahl oder anderen Metallen, eingesetzt wird, bietet zahlreiche Vorteile. So wird insbesondere durch diese Konstruktion der Bauraum optimal ausgenutzt. Weiterhin kann die Glühstromzuleitung durch die innere Öffnung der Hülse hindurchgeführt werden. Dabei kann beispielsweise als Glühstromzuleitung ein aus dem Stand der Technik verwendeter Stahlanschlussbolzen verwendet werden, oder es kann erfindungsgemäß auch eine dünne bzw. nachgiebige Drahtglühstromzuleitung eingesetzt werden. Das hülsenförmige Kraftübertragungselement bietet dabei den Vorteil, dass aufgrund eines Abschirmeffekts durch die Hülse, insbesondere die metallische Hülse (Faradayscher Käfig), das mindestens eine Kraftmessfolienelement vor Einflüssen durch elektromagnetische Felder der Glühstromzuleitung geschützt wird. Dadurch wird die Signalcharakteristik und die Störanfälligkeit des integrierten Brennraumdrucksensors erheblich verbessert.

Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.
Es zeigt:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze, bei welcher ein transversaler piezoelektrischer Effekt ausgenutzt wird;
2 eine perspektivische Detaildarstellung eines Kraftmessfolienelements des Ausführungsbeispiels gemäß 1;
2A eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich A in 2;
2B eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich B in 2;
2C eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich C in 2;
2D eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich D in 2;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze, bei welchem ein longitudinaler Piezoeffekt ausgenutzt wird;
4 eine Detaildarstellung des im Ausführungsbeispiel gemäß 3 eingesetzten Kraftmessfolienelements;
4A eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich E in 4;
4B eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich F in 4;
4C eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich G in 4; und
4D eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich H in 4.
Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 110 dargestellt. Die Glühstiftkerze 110 weist einen keramischen Heizkörper 112 auf, welcher in einem Dichtkonus 114 eines Gehäuses 116 der Glühstiftkerze 110 befestigt wird. Dieses Befestigen kann vorzugsweise durch Löten, aber auch durch andere Befestigungsverfahren, wie beispielsweise Verkleben, Verschweißen oder Verschrauben, erfolgen. Dadurch ist ein Innenraum 118 der Glühstiftkerze 110 gegen einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine abgedichtet.
Der keramische Heizkörper 112 weist eine dem Brennraum zugewandte Druckfläche 120 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel eben und senkrecht zu einer Achse 122 der Glühstiftkerze 110 ausgebildet ist. Über die Druckfläche 120 wird ein Druck im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine in eine Kraft F (Bezugsziffer 124 in 1) parallel zur Achse 122 auf den keramischen Heizkörper 112 umgewandelt. Durch diese Kraft 124 auf den keramischen Heizkörper 112 wird eine linear-elastische Einfederung der im Kraftpfad befindlichen Beuteile der Glühstiftkerze 110 bewirkt, welche typischerweise bei den auftretenden Brennraumdrücken im Bereich von einigen Mikrometern liegt. Die Kraft 124 und die mit dieser Kraft verbundene Einfederung der Glühstiftkerze 110 korreliert somit direkt mit dem Brennraumdruck.
Grundsätzlich ist aus dem Stand der Technik bekannt, diese Kraft 124 dadurch zu messen, dass ein Kraftmesselement in der Glühstiftkerze 110 derart fixiert wird, dass diese Kraftimpulse des Heizkörpers 112 über eine dem Heizkörper 112 zugewandte Stirnfläche aufnimmt. Im Falle eines piezoelektrischen Kraftmesselements wird bei einer mechanischen Belastung dieser Stirnfläche eine Ladung und somit eine Spannung erzeugt, welche wiederum von Oberflächen des Kraftmesselements anhand einer Metallisierung und Kontaktierung abgegriffen werden kann. Dieses elektrische Signal wird über Signalleitungen zur Auswertung herausgeführt. Dabei können als piezoelektrische Kraftmesselemente sowohl ferroelektrische Piezokeramiken (z.B. Bleizirkonattitanat, PZT) als auch einkristalline Materialien, wie beispielsweise Quarz, Langasit, Lithiumniobat, Galliumorthophosphat oder ähnliches verwendet werden.
In den erfindungsgemäßen ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird hingegen eine Kraftmessfolienelement 126 zur Erfassung der Kraft 124 eingesetzt. Dieses Kraftmessfolienelement 126 erzeugt ein elektrisches Signal, welches über Signalleitungen 128 über einen Steckverbinder 130 an dem Brennraum abgewandtem Ende der Glühstiftkerze 110 einer entsprechenden Auswerteelektronik (nicht dargestellt) zugeführt werden kann. Beispielsweise kann, wie eingangs erwähnt, dieses elektrische Signal einer Motorsteuerungseinheit zugeführt werden, um eine brennraumdrucksignalbasierte Motorregelung (combustion signal based control system, CSC) zu realisieren.
Grundsätzlich wird das Kraftmessfolienelement 126 erfindungsgemäß so eingesetzt, dass es mit einem Element der Glühstiftkerze 110 in Verbindung steht, über welches die Kraft 124 (ganz oder teilweise) auf das Kraftmessfolienelement 126 übertragen werden kann. Das Kraftmessfolienelement 126 wirkt somit als piezoelektrischer Wandler. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist das Kraftmessfolienelement 126 auf eine äußere Mantelfläche 133 eines zylinderhülsenförmig ausgestalteten starren Kraftübertragungselements 132 aufgebracht. Aufgrund der Flexibilität des Kraftmessfolienelements 126 ist dieses Aufbringen auf eine gekrümmte Oberfläche 133 problemlos möglich.
In 2 ist das Kraftmessfolienelement 126 in perspektivischer Detaildarstellung abgebildet. Das Kraftmessfolienelement 126 weist als wesentliches Element eine Piezofolie 134 auf. Diese dünne Piezofolie 134 kann als piezoelektrischen Werkstoff beispielsweise hochpolarisiertes Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweisen. Dieses Material ist kommerziell in zahlreichen Ausführungsformen und für viele Druckbereiche, beispielsweise senkrecht zur Folienfläche für einen Druckbereich von 10^–8 N/cm² bis 10⁵ N/cm², sowie in einem Frequenzbereich für Anwendungen von 0,001 Hz bis in den Gigahertz-Bereich herstellbar. Derartige Piezofolien 134 sind üblicherweise bei Betriebstemperaturen zwischen –200°C und 160°C anwendbar.
Mit modernen Herstellungsverfahren sind kommerziell PVDF-Folien bis hinunter in den Bereich von ca. 9 μm herstellbar. Derartig geringe Foliendicken gewähren einen großen Spielraum beim Einsatz in extrem engen Einbauverhältnissen. Dies ist, wie oben beschrieben, für den Einsatz in einem Kraftmessfolienelement 126 in einer Glühstiftkerze 110 aufgrund des geringen zur Verfügung stehenden Bauraums im Innenraum 118 der Glühstiftkerze 110 von besonderem Vorteil. Typischerweise weist der Innenraum 118 der Glühstiftkerze 110 einen Durchmesser von nur ca. 5 mm auf. Diese verfügbare Querschnittsfläche mit einem Durchmesser von 5 mm soll genutzt werden für das Kraftmessfolienelement 126, dessen elektrisch isolierte Signalleitungen 128, und eine Glühstromzuleitung 136 zur Beaufschlagung des keramischen Heizkörpers 112 mit einem Glühstrom, sowie gegebenenfalls für weitere erforderliche Isolations- und Schirmungsmaßnahmen, beispielsweise zur Schwingungsisolation. Dabei würde sich eine Notwendigkeit einer zentrierten Positionierung eines Sensorelements im Gehäuse 116 der Glühstiftkerze 110 besonders nachteilig bemerkbar machen, da derartige Konstruktionsvarianten häufig die Herstellung extrem dünnwandiger Bauelemente aus Stahl sowie entsprechende elektrische Isolationen mit kostenintensiven Beschichtungsverfahren erforderlich machen. Der Einsatz von Piezofolien 134, insbesondere der genannten PVDF-Folien, vermeidet diese Nachteile.
Gemäß dem in 2 dargestellten Aufbau des Kraftmessfolienelements 126 ist also die Piezofolie 134 in diesem Ausführungsbeispiel ein zentrales Element des Kraftmessfolienelements 126. Diese Piezofolie 134 ist sandwichartig eingebettet zwischen zwei Elektrodenschichten 138, beispielsweise in Form entsprechender Metallisierungsschichten 138, von denen im perspektivischen Aufbau gemäß 2 lediglich die äußerste Elektrodenschicht 138 sichtbar ist. Diese Elektrodenschichten 138 werden mittels der elektrischen Signalleitungen 128 kontaktiert. Zum Schutz des Kraftmessfolienelements 126 ist schließlich der Sandwich aus den Elektrodenschichten 138 und der Piezofolie 134 noch von einer dielektrischen Schutzlaminierung 140 umgeben, welche das Bauelement vor mechanischen Belastungen und Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, schützt. Auch ein Teil der elektrischen Signalleitungen 128 wird durch die dielektrische Schutzlaminierung 140 noch mit abgedeckt und geschützt.
In den 2A bis 2D sind Schichtaufbauten des Aufbaus gemäß 2 in den in 2 mit A, B, C, D bezeichneten Bereichen in Schnittdarstellung dargestellt. Es ist dabei in 2A zu erkennen, dass im Bereich A das Kraftübertragungselement 132 lediglich von der dielektrischen Schutzlaminierung bedeckt ist. Dieser Bereich A dient somit lediglich der mechanischen Stabilisierung und dem Schutz der Ränder des Kraftmessfolienelements 126, hat jedoch keine elektrische Funktion. Der in 2B dargestellte Bereich B ist hingegen der eigentliche Kraftmessbereich. Hier ist auf das Kraftmesselement 132 der oben beschriebene Sandwichaufbau Elektrodenschicht 138 – Piezofolie 134 – Elektrodenschicht 138 aufgebracht, wobei der Sandwichaufbau vom Kraftmesselement 132 durch die dielektrische Schutzlaminierung 140 getrennt ist. In 2C ist der Kontaktierungsbereich C dargestellt, welcher vom Aufbau her grundsätzlich dem in 2B dargestellten Bereich entspricht. Zusätzlich ist hier jedoch dargestellt, wie die Elektrodenschichten 138 mittels der elektrischen Signalleitungen 128 elektrisch kontaktiert werden, um das piezoelektrische Signal anzugreifen und als Messsignal nach außen zu führen. Die elektrischen Signalleitungen 128 werden dabei jeweils auf ihrer der Piezofolie 134 abgewandten Seite von der dielektrischen Schutzlaminierung 140 bedeckt und somit elektrisch isoliert. In 2D ist schließlich dargestellt, wie im Bereich D (vgl. 2) die elektrischen Signalleitungen 128, eingebettet in die dielektrische Schutzlaminierung 140, senkrecht zur Zeichenebene aus dem Kraftmessfolienelement 126 herausgeführt werden.
Kommerziell erhältlich sind derartige Kraftmessfolienelemente 126 mit Piezofolien 134, welche inklusive der Elektrodenschichten 138, entsprechender Kontaktierungen 142 der Elektrodenschichten 138 und der äußeren dielektrischen Schutzlaminierung 140 eine Dicke von nur ca. 0,1 bis 0,2 mm aufweisen. Derartige Kraftmessfolienelemente 126 können beispielsweise mit Hilfe von Warmverstreckungstechniken an dreidimensional gekrümmte Oberflächen angepasst werden. Dadurch kann der Bauraum innerhalb der Glühstiftkerze 110 optimal ausgenutzt werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 ist beispielsweise das Kraftmessfolienelement 126 auf die äußere Mantelfläche 133 des hülsenförmig ausgebildeten, starren Kraftübertragungselements 132 aufgebracht. In diesem Ausführungsbeispiel weist das Kraftübertragungselement 132 als Werkstoff beispielsweise Stahl oder Keramik auf. Das Kraftübertragungselement 132 ist im Kraftpfad der Kraft 124 angeordnet und somit einer dynamischen Krafteinwirkung durch den Brennraumdruck ausgesetzt. Die hülsenförmige Geometrie des Kraftübertragungselements 132 hat den Vorteil, dass die Glühstromzuleitung 136 zentral im Gehäuse 116 der Glühstiftkerze 110 zum keramischen Heizelement 112 geführt werden kann, was derzeit kommerziell verwendete Fertigungsverfahren für Glühstiftkerzen 110 weiterhin (mit geringfügigen Modifikationen) einsetzbar macht. Die Verwendung von Stahl als Werkstoff für das Kraftübertragungselement 132 hat den Vorteil, dass die Bruchwahrscheinlichkeit im Vergleich mit dem Stand der Technik entsprechenden Druckmesselementen aus piezoelektrischen Keramiken bzw. Einkristallen verschwindend gering ist. Zur thermischen und/oder elektrischen Isolation des hülsenförmigen Kraftübertragungselements 132 gegen den keramischen Heizkörper 112 wird erfindungsgemäß in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine Isolationshülse 144 oder eine Isolationsscheibe eingesetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um eine keramische Isolationshülse 144 oder auch um eine Kunststoffhülse handeln.
Bei der in 1 dargestellten Anordnung des Kraftmessfolienelements 126 auf dem zylinderhülsenförmig ausgestalteten Kraftübertragungselement 132 wird insbesondere ein transversaler Piezoeffekt der Piezofolie 134 ausgenutzt. Bei derartigen Piezofolien, beispielsweise den oben genannten PVDF-Folien, ist dieser transversale Piezoeffekt um etwa eine Größenordnung stärker (z.B. PVDF: d₃₁ = 23 pC/N) als bei gängigen Druckmesselementen aus Quarz.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung gemäß 1 besteht darin, dass die Kontaktierungen 142 nicht in einer Linie mit dem Kraftpfad der Kraft 124 liegen. Somit sind die Kontaktierungen 142 den Druckeinwirkungen nicht unmittelbar ausgesetzt, welche zur Beeinträchtigung der Kontakteigenschaften führen könnten. Auch hierin besteht ein Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen. Weiterhin besteht ein Vorteil der Vorrichtung gemäß 1 darin, dass das Kraftübertragungselement 132, welches, wie oben beschrieben, beispielsweise metallische Werkstoffe aufweisen kann, die Glühstromzuleitung 136 abschirmt. Dadurch wird die Einwirkung der von der Glühstromzuleitung 136 ausgehenden elektromagnetischen Felder auf das Kraftmessfolienelement 126 minimiert.
In den 3 und 4 ist ein zum Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem ein longitudinaler Piezoeffekt ausgenutzt wird. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der Ausführungsbeispiele mit transversalem und longitudinalem Piezoeffekt denkbar. Auch eine Kombination von Kraftmessfolienelementen 126 mit „herkömmlichen" Kraftmesselementen ist denkbar. Wiederum weist die Glühstiftkerze 110 im Ausführungsbeispiel gemäß 3 einen keramischen Heizkörper 112 sowie ein Gehäuse 116 auf, wobei beide Bauelemente 112 und 116 grundsätzlich ähnlich oder identisch zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 ausgestaltet sein können. Allerdings wird im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ein Kraftmessfolienelement 126 eingesetzt, welches als Kreisringscheibe auf einer Stirnfläche 146 des Kraftübertragungselements 132 angeordnet ist. Diese Stirnfläche 146 ist senkrecht zur Kraft 124 und somit zur Achse 122 orientiert. Auch leichte Abweichungen von der Senkrechten sind denkbar, beispielsweise Abweichungen um bis zu 10°.
In 4 ist in perspektivischer Darstellung das Kraftmessfolienelement 126 im Detail dargestellt. Wiederum weist das Kraftmessfolienelement 126 als Kernelement eine Piezofolie 134 auf, welche auf der Stirnfläche 146 des Kraftübertragungselements 132 zwischen zwei in diesem Ausführungsbeispiel metallischen Elektrodenschichten 138 eingebettet ist und entsprechend von einer dielektrischen Schutzlaminierung 140 geschützt und isoliert wird. Die Elektrodenschichten können wiederum mittels zweier Kontaktierungen 142 und den elektrischen Signalleitungen 128 kontaktiert werden. Das Kraftmessfolienelement 126, welches kreisringförmig ausgestaltet ist, kann beispielsweise auf die Stirnfläche 146 aufgeklebt sein. Die isolierten elektrischen Signalleitungen 128 werden axial auf der Manteloberfläche des hülsenförmigen Kraftübertragungselements 132 zur Steckverbindung 130 geführt.
In den 4A bis 4D sind Schichtaufbauten des Aufbaus gemäß 4 in den in 4 mit E, F, G, H bezeichneten Bereichen in Schnittdarstellung dargestellt. In dem in 4A dargestellten Bereich E, welcher im Bereich der Stirnfläche 146 des Kraftübertragungselements 132 liegt, findet sich ein Sandwichaufbau analog zu dem oben in 2B beschriebenen Schichtaufbau, bei welchem eine Piezofolie 134 zwischen zwei Elektrodenschichten 138 eingebettet ist und vom Kraftübertragungselement 132 durch die dielektrische Schutzlaminierung 140 getrennt ist. Die 4B und 4C zeigen die Kontaktierungen 142 der Elektrodenschichten 138 durch die elektrischen Signalleitungen 128. Dabei zeigt 4B die in 4 als Bereich F bezeichnete Kontaktierung der oberen (d. h. dem Kraftübertragungselement 132 abgewandten) Elektrodenschicht 138 und 4C die in 4 als Bereich G bezeichnete Kontaktierung der unteren (d. h. dem Kraftübertragungselement 132 zugewandten) Elektrodenschicht 138. Analog zu 2C sind auch hierbei wieder die elektrischen Signalleitungen 128 jeweils auf ihrer der Piezofolie 134 abgewandten Seite von der dielektrischen Schutzlaminierung 140 bedeckt und somit elektrisch isoliert. Die Kontaktierungen 142, also die Bereiche F, G, liegen im Bereich der Kanten des Kraftübertragungselements, an welchen die Stirnfläche 146 in die Mantelfläche 133 übergeht. In 4D sind schließlich die in 4 mit H bezeichneten Bereiche im Schnitt dargestellt. In diesen Bereichen sind, analog zu 2D, die elektrischen Signalleitungen 128, in die dielektrische Schutzlaminierung 140 eingebettet und werden senkrecht zur Zeichenebene aus dem Kraftmessfolienelement 126 herausgeführt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist das Kraftmessfolienelement 126 eingebettet zwischen die Isolationshülse 144 und das hülsenförmig ausgebildete Kraftübertragungselement 132, welches wiederum auf der dem Brennraum abgewandten Seite der Glühstiftkerze 110 durch ein entsprechendes Gegenlager 148 gegengelagert ist. Somit wird also bei Ausübung der Kraft 124 auf den keramischen Heizkörper 112 das Kraftmessfolienelement 126 zwischen dem Kraftübertragungselement 132 und der Isolationshülse 144 zusammengepresst. Die Isolationshülse 144 bildet also in diesem Ausführungsbeispiel einen Teil der Kraftübertragungsstrecke von dem keramischen Heizkörper 112 auf das Kraftmessfolienelement 126. Durch diese Krafteinwirkung auf das Kraftmessfolienelement 126 wird wiederum über den Piezoeffekt eine Spannung erzeugt, welche mittels der elektrischen Signalleitungen 128 abgegriffen werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel wird dabei der longitudinale Piezoeffekt ausgenutzt. Der piezoelektrische Koeffizient der genannten Piezofo lie 134 aus hochpolarisiertem Polyvinylidenfluorid (PVDF) liegt beispielsweise für den longitudinalen Piezoeffekt bei d₃₁ = 33 pC/N.
Es ist dabei darauf hinzuweisen, dass zahlreiche zu 3 alternative Ausführungsformen möglich sind, bei welchen der longitudinale Piezoeffekt eingesetzt wird. So kann beispielsweise die Isolationshülse 144 und auch das Kraftübertragungselement 132 segmentiert ausgestaltet sein, wobei zwischen mehreren dieser Segmente Kraftmessfolienelemente 126 eingebettet sind, deren Signale beispielsweise gemittelt werden können. Auch ist eine Ausgestaltung möglich, bei welcher das Kraftmessfolienelement 126 weiter von keramischen Heizkörper 112 entfernt angeordnet ist, um thermische Einwirkungen auf das Kraftmessfolienelement 126 zu minimieren. Beispielsweise könnte das Kraftmessfolienelement 126 im Bereich eines Gewindes 150 angeordnet sein, über welches die Glühstiftkerze 110 in eine Brennraumwand eingeschraubt wird. Dort treten vergleichsweise niedrige Temperaturen und Temperaturschwankungen auf.

110: Glühstiftkerze
112: keramischer Heizkörper
114: Dichtkonus
116: Gehäuse
118: Innenraum
120: Druckfläche
122: Achse
124: Kraft
126: Kraftmessfolienelement
128: elektrische Signalleitungen
130: Steckverbindung
132: Kraftübertragungselement
133: Mantelfläche
134: Piezofolie
136: Glühstromzuleitung
138: Elektrodenschicht
140: dielektrische Schutzlaminierung
142: Kontaktierungen der Elektrodenschichten
144: Isolationshülse
146: Stirnfläche
148: Gegenlager
150: Gewinde

Claims

Glühstiftkerze (110) für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit einem Heizkörper (112) und einem Kerzengehäuse (116) sowie mindestens einem Kraftmessfolienelement (126), wobei das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) derart mit dem Heizkörper (112) verbunden ist, dass über den Heizkörper (112) eine Kraft (124) auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) übertragbar ist.
Glühstiftkerze (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) mindestens eine Piezofolie (134) aufweist.
Glühstiftkerze (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Piezofolie (134) Polyvinylidenfluorid aufweist.
Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) mindestens eine Kraftmessfolie (134) aufweist, wobei die Kraftmessfolie eine Foliendicke in einem Bereich von 3 Mikrometern bis 500 Mikrometern, vorzugsweise in einem Bereich von 5 Mikrometern bis 100 Mikrometern und besonders bevorzugt in einem Bereich von 8 Mikrometern bis 30 Mikrometern aufweist.
Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Kraft (124) erzeugt, wobei mindestens einer der folgenden Effekte genutzt wird: transversaler piezoelektrischer Effekt; longitudinaler piezoelektrischer Effekt; piezoelektrischer Schereffekt.
Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Kraftübertragungselement (132), wobei das mindestens eine Kraftübertragungselement (132) mit dem mindesten einen Kraftmessfolienelement (126) in Verbindung steht, wobei mittels des mindestens einen Kraftübertragungselements (132) eine Kraft (124) von dem Heizkörper (112) auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) übertragbar ist.
Glühstiftkerze (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftmessfolienelement (126) mit mindestens einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse (122) der Glühstiftkerze (110) angeordneten Stirnfläche (146) des mindestens einen Kraftübertragungselements (132) verbunden ist.
Glühstiftkerze (110) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftmessfolienelement (126) mit mindestens einer im Wesentlichen parallel zur Achse (122) der Glühstiftkerze (110) Fläche (133) des mindestens einen Kraftübertragungselements (132) verbunden ist.
Glühstiftkerze (110) gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftübertragungselement (132) im Wesentlichen als Zylinderhülse ausgestaltet ist.
Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzlich mindestens ein Isolierelement (144), insbesondere mindestens eine Isolationshülse (144), wobei das mindestens eine Isolierelement (144) zwischen dem Heizkörper (112) und dem mindestens einen Kraftmessfolienelement (126) angeordnet ist und wobei das mindestens eine Isolierelement (144) derart ausgestaltet ist, dass es eine Wärmeübertragung zwischen dem Heizkörper (112) und dem mindestens einen Kraftmessfolienelement (126) reduziert.
Verwendung mindestens eines Kraftmessfolienelements (126) zur Messung eines Brennraumdrucks einer Verbrennungskraftmaschine.
Verwendung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) mindestens eine Piezofolie (134) aufweist.