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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Zündkerzen
für Verbrennungskraftmaschinen
sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen
bekannt. In jüngster
Zeit werden zur Optimierung der Funktion moderner Verbrennungskraftmaschinen
hinsichtlich Wirkungsgrad, Laufruhe und Schadstoffemission verbrennungsrelevante
Parameter beim laufenden Betrieb erfasst. Hierbei wird es immer
wichtiger, nicht nur allgemeine Informationen über den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
zu erhalten, sondern gezielte Informationen aus jedem einzelnem
Zylinder. Dies würde
jedoch zu einer Vielzahl von Sensoren führen. Von daher wurde in der
EP 0 581 067 B1 vorgeschlagen,
einen Drucksensor in eine Zündkerze
zu integrieren, um Druckinformationen aus einem Zylinder zu erhalten.
Zur Aufnahme von Schwingungen weist der Drucksensor ein Piezoelement
auf, so dass beispielsweise ein Klopfen eines einzelnen Zylinders
sicher erfasst werden kann. Der Drucksensor ist dabei jedoch außerhalb
des Gehäuses
auf eine Standardzündkerze
aufgesetzt. Auch bei der aus der
DE 102 27 371 A1 bekannten Zündkerze
ist ein Drucksensor mittels eines Halters außerhalb der Zündkerze
angeordnet. Durch die bekannten Anordnungen eines Drucksensors außerhalb
einer Zündkerze
wird jedoch ein notwendiger Bauraum für die Zündkerze vergrößert. Da
in jüngster
Zeit jedoch vermehr Verbrennungskraftmaschinen mit einer Vielzahl
von Ein- und Auslässen
sowie mit Direkteinspritzung verwendet werden, ist ein vorhandener
Bauraum für
eine Zündkerze
an einem Zylinder limitiert.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Zündkerze
für eine Verbrennungskraftmaschine
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie
ein integriertes Piezoelement umfasst, ohne dass dabei ein notwendiger
Bauraum für
die Zündkerze
vergrößert werden
muss. Somit kann erfindungsgemäß eine Druckmessung
durchgeführt
werden, ohne dass ein einzelner separater Drucksensor an der Verbrennungskraftmaschine
vorgesehen werden muss. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein
Piezoelement zwischen einem Isolator und einem Gehäuse der
Zündkerze
angeordnet ist. Das Gehäuse
der Zündkerze
ist dabei an einem zum Brennraum gerichteten Teil der Zündkerze
angeordnet und umfasst einen Fixierbereich zum Fixieren der Zündkerze
an der Verbrennungskraftmaschine. Ferner ist erfindungsgemäß ein elektrisches
Kontaktelement des Piezoelements zwischen der Isolation und dem
Gehäuse
zur Außenseite
der Zündkerze geführt. Durch
die erfindungsgemäße Anordnung werden
beispielsweise Druckwellen o.Ä. über den Isolator
zum Piezoelement geführt,
wobei die Zündkerze über das
Gehäuse
fest an der Verbrennungskraftmaschine gehalten ist. Die erfindungsgemäße Ausbildung
der Zündkerze
macht es möglich,
dass äußere Abmessungen
der Zündkerze
nicht verändert werden
müssen.
Das Piezoelement ist dabei in einem Hohlraum zwischen dem Isolator
und dem Gehäuse
angeordnet.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist das elektrische Kontaktelement des Piezoelements am Isolator
angeordnet bzw. in diesen integriert.
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Um
einen möglichst
einfachen Abgriff eines Signals des Piezoelements zu ermöglichen,
weist das elektrische Kontaktelement des Piezoelements an einem
vom Gehäuse
nicht überdeckten,
außenseitigen
Bereich des Isolators eine ringförmig
ausgebildete Kontaktstelle auf. Die ringförmige Kontaktstelle läuft dabei
um den gesamten Umfang des Isolators, so dass ein Signal an einer
beliebigen Stelle abgenommen werden kann. Diese Maßnahme ermöglicht es,
dass beispielsweise für
Verbrennungskraftmaschinen verschiedener Hersteller jeweils eine
gleiche Zündkerze
verwendet werden kann, wobei ein Signalabgriff entsprechend den
bauraumlichen Vorgaben des Herstellers an unterschiedlichen Stellen erfolgen
kann. Dadurch können
erfindungsgemäß standardisierte
Zündkerzen
bereitgestellt werden, welche verschiedenste Anforderungen unterschiedlicher
Hersteller erfüllen
können.
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Um
die erfindungsgemäße Zündkerze
besonders kostengünstig
bereitstellen zu können,
ist das elektrische Kontaktelement des Piezoelements vorzugsweise
eine auf den Isolator aufgedruckte Leiterbahn. Die aufgedruckte
Leiterbahn weist dabei besonders bevorzugt eine Schutzschicht auf.
Die Schutzschicht ist beispielsweise eine Glasurschicht, welche
zusätzlich
noch isolierende Eigenschaften aufweist.
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Besonders
bevorzugt umfasst ein Zündkerzenstecker,
welcher für
einen Kontakt mit einem elektrischen Anschlussmittel der Zündkerze
auf die Zündkerze
aufsteckbar ist, einen weiteren Kontakt, um eine Kontaktierung mit
dem elektrischen Kontaktelement des Piezoelements zu ermöglichen.
Hierdurch kann in einem bereits zur Kontaktierung der Zündkerze
verwendeten Zündkerzenstecker
ein zusätzlicher Kontakt
für das
Piezoelement integriert werden, so dass keine separate Leitung o.Ä. für das Piezoelement
notwendig ist. Insbesondere bei Vorsehen der ringförmigen Kontaktstelle
kann durch einfaches Aufsetzen des Zündkerzensteckers eine elektrische Kontaktierung
des Piezoelements ermöglicht
werden.
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Weiter
bevorzugt ist das Piezoelement ringförmig ausgebildet und das Kontaktelement
des Piezoelements weist ferner einen zweiten ringförmigen Kontaktbereich
auf, welcher mit dem ringförmigen
Piezoelement in Kontakt ist.
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Um
eine Vorspannung auf das Piezoelement ausüben zu können, ist vorzugsweise ein
Federelement vorgesehen, wobei das Federelement benachbart zum Piezoelement
zwischen der Isolation und dem Gehäuse der Zündkerze angeordnet ist.
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Weiter
bevorzugt erfolgt eine weitere elektrische Kontaktierung des Piezoelements über das
Federelement und das Gehäuse.
Dadurch kann auf einfache Weise eine Spannungsänderung über dem Piezoelement zwischen
dem elektrischen Kontaktelement und dem Gehäuse abgenommen werden.
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Besonders
bevorzugt ist das Piezoelement an einem sich verjüngenden
Bereich des Isolators angeordnet. Der sich verjüngende Bereich bildet dabei
eine Abstützfläche für das Piezoelement.
Zur Aufnahme eines Signals des Piezoelements ist das elektrische
Kontaktelement ebenfalls am sich verjüngenden Bereich angeordnet.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Zündkerze
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung,
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2 eine
schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten
Zündkerze
in einer von einer Mittelebene der Zündkerze versetzten Ebene,
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3 eine
vergrößerte Teilansicht
von 2 und
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4 eine
schematische Ansicht des elektrischen Kontaktelements des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein
Ausführungsbeispiel
einer Zündkerze 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Wie
in 1 gezeigt, umfasst die Zündkerze einen Isolator 2 und
ein aus einem Metall hergestelltes Gehäuse 3. Das Gehäuse 3 ist
im zum Brennraum gerichteten Bereich der Zündkerze 1 angeordnet
und umfasst in bekannter Weise einen Werkzeugangriffsbereich 4 (Sechskant)
sowie ein Gewinde 5 zur Befestigung der Zündkerze
in einem Motorblock. Am brennraumseitigen Ende der Zündkerze
ist eine Mittelelektrode 12 und eine Massenelektrode 13 zugeordnet.
Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen elektrischen Anschluss
der Zündkerze.
Ein nicht dargestellter Zündkerzenstecker
wird über
den elektrischen Anschluss 14 ausgesteckt oder aufgeschraubt.
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Wie
insbesondere aus den 2 und 3 ersichtlich
ist, ist im Inneren der Zündkerze
zwischen dem Isolator 2 und dem Gehäuse 3 ein Hohlraum 6 gebildet.
Wie aus 3 ersichtlich ist, verläuft der Hohlraum
ringförmig
um den Isolator 2 und ist in Axialrichtung X–X der Zündkerze 1 zwischen
einem sich verjüngenden
Bereich 2a des Isolators 2 und einem sich verjüngenden
Bereich 3a des Gehäuses 3 angeordnet.
Der Hohlraum 6 liegt dabei ringförmig zwischen dem Isolator 2 und
der Innenfläche
des Gehäuses 3.
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Der
sich verjüngende
Bereich 2a des Isolators 2 und der sich verjüngende Bereich 3a des
Gehäuses 3 sind
somit in Axialrichtung X–X
der Zündkerze
versetzt zueinander angeordnet. Dadurch entsteht ein im Schnitt
im Wesentlichen parallelogrammartig ausgebildeter, ringförmiger Hohlraum 6.
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In
diesen Hohlraum 6 ist ein ringförmiges Piezoelement 7 sowie
ein ringförmiges
Federelement 8 zur Vorspannung des Piezoelements 7 angeordnet. Das
Federelement 8 stützt
sich dabei am sich verjüngenden
Bereich 3a des Gehäuses 3 ab.
Das Piezoelement 7 wird durch das Federelement 8 gegen
den sich verjüngenden
Bereich 2a des Isolators 2 vorgespannt.
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Wie
insbesondere in 4 gezeigt, ist am Isolator 2 ein
elektrisches Anschlusselement 9 angeordnet. Das elektrische
Anschlusselement 9 ist eine auf den Isolator 2 aufgedruckte
Leiterbahn. Das elektrische Anschlusselement 9 umfasst
dabei einen ersten ringförmigen
Bereich 9a, einen zweiten ringförmigen Bereich 9c und
einen den ersten und zweiten ringförmigen Bereich 9a, 9c verbindenden
Verbindungsbereich 9b. Der Verbindungsbereich 9b ist
in diesem Ausführungsbeispiel
eine parallel zur Mittelachse X–X
der Zündkerze 1 angeordnete,
gerade Leiterbahn. Der erste ringförmige Bereich 9a ist
am sich verjüngenden
Bereich 2a des Isolators 2 angeordnet und befindet
sich mit dem Piezoelement 7 in Kontakt, um vom Piezoelement 7 abgegebene
Signale aufzunehmen. Der zweite ringförmige Bereich 9c ist
an einer nicht vom Gehäuse 3 bedeckten,
freien Fläche
des Isolators 2 angeordnet und stellt einen Kontaktbereich
für eine
Kontaktierung mit einem im Zündkerzenstecker
angeordneten Kontakt bereit. Da der zweite ringförmige Bereich 9c um
den gesamten Außenumfang
des Isolators 2 herum verläuft, kann das vom Piezoelement 7 erzeugte
Signal an einer beliebigen Stelle abgenommen werden. Dies ermöglicht es,
dass eine standardisierte Zündkerze
mit integriertem Piezoelement 7 für verschiedene Verbrennungskraftmaschinen
unterschiedlicher Hersteller verwendet werden kann, da ein Signalabgriff
an einer beliebigen Stelle am Isolator 2 erfolgen kann.
Es sei angemerkt, dass selbstverständlich an Stelle des zweiten
ringförmigen
Bereichs 9c auch ein anders geformter Kontaktbereich des
Anschlusselements 9 vorgesehen sein kann, welcher auch
an einer weiter in Richtung des elektrischen Anschlusses 14 liegenden
Endes des Isolators 2 angeordnet sein kann. Eine Spannungsänderung
im Piezoelement 7 kann dann über das Federelement 8 und
das metallische Gehäuse 3 sowie
das elektrische Anschlusselement 9 erfolgen.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Zündkerze 1 mit
integriertem Drucksensor ist dabei wie folgt. Wenn im Verbrennungsraum
Variationen des Brennraumdrucks auftreten, wirken diese direkt auf den
Isolator 2 ein. Daraus resultieren minimale Schwankungen
einer Position des Isolators 2 relativ zum Gehäuse 3.
Diese Schwankungen werden durch das Piezoelement 7 zwischen
dem Isolator 2 und dem Gehäuse 3 erfasst, wobei
das Piezoelement selbst Längenänderungen
erfährt.
Dadurch werden entsprechende Signale generiert, welche über das elektrische
Einschlusselement 9 an der Oberseite des Piezoelements
und über
das Federelement 7 und das Gehäuse 3 als Spannungssignal
abgegriffen werden können.
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Die
erfindungsgemäße Zündkerze 1 weist dabei
die üblichen
Außenabmessungen
auf, so dass durch die Integration des Drucksensors im Hohlraum 6 kein
zusätzlicher
Bauraum notwendig ist. Da jedem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine
wenigstens eine Zündkerze
zugeordnet ist, kann erfindungsgemäß eine individuelle Druckmessung
jedes Brennraums erfolgen.
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Die
Oberseite des Piezoelements 7 ist somit über das
elektrische Anschlusselement 9 kontaktiert und die Unterseite
des Piezoelements ist über
das Federelement 8 und das metallische Gehäuse 3 kontaktiert.
Dadurch kann ein Spannungssignalabgriff am Gehäuse 3 und am zweiten
ringförmigen
Bereich 9c erfolgen und einem Steuergerät zugeführt werden.
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Zur
Montage der Zündkerze
wird der Isolator 2, auf welchen das elektrische Kontaktelement 9 aufgedruckt
wurde, zusammen mit dem Federelement 8 und dem Piezoelement 7 in
das Gehäuse 3 eingeführt. Ein
Bördel-
und Schrumpfprozess erzeugt eine Einspannkraft zwischen dem Isolator
und dem Gehäuse.
Dadurch wird eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem
aus unterschiedlichen Materialien hergestellten Isolator 2 (Keramik)
und dem Gehäuse 3 (Metall)
bei üblichen
Betriebstemperaturen im Motor ausgeglichen. Somit kann eine Gasdichtheit
der Zündkerze
auch im heißen
Betriebszustand sichergestellt werden.
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Da,
wie aus 3 ersichtlich ist, die Stauch- und
Warmschrumpfzone in Axialrichtung der Zündkerze über dem Piezoelement 7 in
Richtung des elektrischen Einschlusses 14 angeordnet ist,
ist eine Gefahr einer Beschädigung
des Piezoelements deutlich reduziert.
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Die
erfindungsgemäße Zündkerze 1 umfasst damit
einen integrierten Drucksensor, ohne dass äußere Abmessungen und damit
ein notwendiger Bauraum der Zündkerze
verändert
wurde. Obwohl der Drucksensor zwischen den Isolator 2 und
dem Gehäuse 3 im
Inneren der Zündkerze
angeordnet ist, kann ein Signalabgriff auf einfache Weise an den
Außenseiten
der Zündkerze
erfolgen. Die erfindungsgemäße Zündkerze
mit integriertem Drucksensor kann dabei weiterhin besonders einfach
und kostengünstig bereitgestellt
werden.