DE102006018606B4

DE102006018606B4 - Messglühkerze

Info

Publication number: DE102006018606B4
Application number: DE102006018606A
Authority: DE
Inventors: Martin Allgaier; Martin Eller; Helmut Müller; Hans Houben
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2006-01-04
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2026-04-22
Also published as: DE102006018606A1

Abstract

Messglühkerze zum Einbau in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit
– einem Kerzenkörper (5), der in die Zylinderwand einzusetzen ist,
– einem Heizstab (9), der vom Kerzenkörper (5) axial vorsteht, koaxial dazu angeordnet ist und einen Kanal in Form einer zentralen axialen Bohrung (1.1, 13) aufweist und
– einem Sensor (7, 8, 15),
– wobei der Sensor (7, 8) koaxial in der zentralen axialen Bohrung (1.1, 13) des Heizstabes (9) oder auf der zentralen axialen Bohrung (1.1, 13) des Heizstabes (9) oder
– mit einem Polzuleiter oder Innenpol (11), der mit dem Heizstab (9) verbunden ist, koaxial im Kerzenkörper (5) angeordnet ist und eine zentrale axiale Bohrung (12) aufweist, in dem der Sensor (15) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messglühkerze zum Einbau in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine.
Eine Messglühkerze mit diesem Aufbau kann als Glühzündungselement bei Brennern, z.B. Kraftfahrzeugzuheizungen verwandt werden oder in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine eingebaut werden.
Eine derartige Messglühkerze dient einerseits zum Vorwärmen des Gasgemisches, der angesaugten Luft oder des Zylinderbrennraumes und andererseits zum Messen eines Parameters, beispielsweise eines optischen Parameters, des Druckes oder der Temperatur im Zylinderbrennraum.
Das Messen optischer Parameter dient beispielsweise zur Flammüberwachung in Brennern oder im Brennraum einer Brennkraftmaschine. Es können auch optische Drucksensoren vorgesehen sein, bei denen die Verformung der integrierten Messmembran optisch gemessen wird.
Messglühkerzen dieser Art sind aus der DE 103 42 487 A1 , der DE 103 45 140 A1 , der DE 103 47 216 A1 , der DE 103 53 972 A1 und der DE 10 2004 002 485 A1 bekannt.
Insbesondere die DE 103 45 140 A1 zeigt eine Glühstiftkerze mit einem integrierten Brennraumdrucksensor, bei dem der Glühstift einen Hohlraum aufweist, in den der Drucksensor integrierbar ist. Der Drucksensor wird beispielsweise in diesen Hohlraum eingebettet und dadurch den Hohlraum ausgefüllt.
Die bekannten Messglühkerzen sind allerdings im Aufbau und der Herstellung aufwändig, wobei durch den relativ steifen Heizstab Verluste des Messsignales auftreten können. Es ist weiterhin nachteilig, dass die Plazierung und der Einbau des Messelementes von der Bauform des Heizstabes bzw. seines Herstellungsverfahrens abhängig sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, eine Messglühkerze der eingangs genannten Art zu schaffen, die weniger aufwändig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Messglühkerze gelöst, die im Patentanspruch 1 angegeben ist.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Messglühkerze sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 15.
Die erfindungsgemäße Messglühkerze hat den Vorteil, dass sie einen sehr stabilen Aufbau hat und die Signale des Messelementes nicht durch den Aufbau des Heizstabes gedämpft sind.
Im Folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnungen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Messglühkerze näher beschrieben.
Es zeigt
1 eine Schnittansicht eines Heizstabes eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messglühkerze mit der darin vorgesehenen zentralen Bohrung für das Messelement,
2 eine Schnittansicht eines Heizstabes eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messglühkerze mit integriertem Messelement, insbesondere Temperaturmesselement,
3 eine Schnittansicht eines Heizstabes eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messglühkerze mit integriertem am brennraumfernen Ende eingebauten Messelement, insbesondere Drucksensor,
4 eine Schnittansicht eines Heizstabes eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messglühkerze mit in einem Polzuleiter angeordnetem Messelement,
5 eine Schnittansicht des brennraumseitigen Teils des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels,
6 eine Schnittansicht des Übergangsbereiches zwischen dem Polzuleiter und dem Heizstab bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel,
7 die brennraumseitige Spitze des Heizstabes des in 4 dargestellten Ausführungsbeispiels in einer vergrößerten Ansicht,
8 eine Schnittansicht noch eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messglühkerze,
9 in einer Schnittansicht den Übergangsbereich zwischen dem Polzuleiter und dem Messstab bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel,
10 in einer Schnittansicht die Verbindungsbohrungen zum Außenraum bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel,
11 in einer Schnittansicht die brennraumseitige Spitze des in 8 dargestellten Ausführungsbeispiels im vergrößerten Maßstab,
12 in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messglühkerze mit Querbohrungen,
13 in einer Schnittsansicht den Übergangsbereich zwischen dem Polzuleiter und dem Heizstab bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel,
14 in einer Schnittansicht die Querbohrungen bei dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel im Einzelnen und
15 in einer Schnittansicht die brennraumseitige Spitze des 12 dargestellten Ausführungsbeispiels.
In 1 ist der brennraumseitige Teil eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messglühkerze mit einem Kerzenkörper 5 dargestellt, der dazu dient, in den Zylinder einer Brennkraftmaschine eingesetzt zu werden.
Das in 1 dargestellte Heizelement in Form eines keramischen Heizstabes besteht vorzugsweise aus mehreren Werkstoffkomponenten mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, wobei mindestens eine Leitschicht und mindestens eine Isolierschicht vorgesehen sind.
Wie es in 1 dargestellt ist, umfasst der Heizstab eine keramische Leitschicht 1, einen Glühkopf 2 aus einer leitfähigen Keramik, eine zentrale axiale Bohrung 1.1, die am Glühkopf 2 nach außen mündet und einen Druckkanal bildet, eine Masseanbindung 3 aus einer leitfähigen Keramik, die mit dem Kerzenkörper 5 verbunden ist, und eine Isolierung 4 aus einer nichtleitenden Keramik. Der in dieser Weise aufgebaute Heizstab ist fest im Kerzenkörper 5 angeordnet.
Die Querschnittsform der zentralen Bohrung 1.1 kann kreisrund aber auch profiliert, d.h. unrund ausgebildet sein. Eine unrunde Ausbildung kann dann gewählt sein, wenn eine Lageorientierung oder Verdrehsicherung eines Messelementes erreicht werden soll.
Die elektrische Zuleitung erfolgt über die elektrische Leitschicht 1, die beispielsweise den positiven Pol bildet, den Glühkopf 2 aus leitfähi ger Keramik, die Masseanbindung 3 zum Kerzenkörper 5, der den negativen Pol, bzw. den Masseanschluss bildet.
Der oben beschriebene Heizstab kann nicht nur mit durchgehender an der Glühkopfseite offener Bohrung sondern auch topfförmig mit einer Sacklochbohrung ausgebildet sein.
Anstelle einer keramischen Leitschicht, die die Masseanbildung 3 bildet, kann auch eine metallische Beschichtung oder eine Wendel als Heizwiderstand vorgesehen sein.
Der Heizstab ist vorzugsweise eine Vollkeramik und durch Keramikspritzguss oder durch Koextrusion oder kaltisostatisches Pressen hergestellt.
Die zentrale Bohrung 1.1 im Heizstab lässt sich bei diesen an sich bekannten Fertigungsverfahren problemlos integrieren.
Die zentrale Bohrung des Heizstabs bildet einen Sensorkanal. Ein entsprechendes Messelement ist in der zentralen Bohrung eingesetzt oder auf der zentralen Bohrung angeordnet derart, dass die Bohrung dadurch dicht verschlossen ist.
Das Messelement kann in geeigneter Weise beispielsweise durch Löten, Glaseinschmelzen oder durch keramisches Kleben befestigt sein.
Aufgrund des Kontaktes des Messelementes zu der nicht beheizten Seite des Heizstabes wird die Brennraumwärme großflächig auf das Heizelement und von diesem über den Kerzenkörper der Messglühkerze an den Motorblock abgeleitet, so dass das Messelement nicht durch eine Überhitzung geschädigt wird.
Als Messung kommen optische Messungen, Druckmessungen oder Temperaturmessungen in Frage, wobei für diese Zwecke jeweils ein entsprechendes Messelement beispielsweise ein Piezosensor, ein optischer Sensor oder ein Sensor in Form eines Dehnungsmessstreifens zur Druckmessung oder ein Temperatursensor zur Brennraumüberwachung eingesetzt sein kann.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem im Sensorkanal über ein Verbindungsmedium oder eine Leitschicht 6 an der Spitze der Bohrung 1.1 ein Temperaturmesselement, z.B. ein Mantelthermoelement 7 vorgesehen ist. Durch diese Leitschicht 6 ist die Bohrung stirnseitig verschlossen 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem durch ein Verbindungsmedium 6 ein Messelement, z.B. ein Drucksensor 8 am brennraumfernen Ende des Heizelementes vorgesehen ist. Der Heizstab hat eine durchgehende Bohrung und dadurch eine direkte Verbindung zum Brennraum.
1 und 3 zeigen Ausführungsbeispiele z.B. zur Druckmessung, bei denen die zentrale Bohrung 1.1 am Glühkopf 2 mit einer Öffnung 2.1 nach außen mündet, während 2 ein Ausführungsbeispiel z.B. zur Temperaturmessung zeigt, bei dem die zentrale Bohrung 1.1 als Sacklochbohrung ausgebildet ist. Die zentrale Bohrung 1.1 wird bei allen Ausführungsbeispielen zunächst als durchgehende Bohrung vorgesehen, die in speziellen Anwendungsformen, z.B. bei der Temperaturmessung nachträglich z.B. durch Aufspritzen einer Leitschicht 6 an der Spitze des Heizstabs verschlossen wird.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Messglühkerze ist somit das Messelement in einem koaxial extrudierten Keramikheizstab angeordnet. Die Querschnittsform der zentralen axialen Bohrung kann dabei vieleckig insbesondere sechseckig oder beliebig polygonal sein, wobei diese zentrale axiale Bohrung beim Einbau des Messelementes in den Heizstab als Entlüftung sowie zu dessen Zentrierung und Halt dienen kann.
Der Aufbau des Heizstabs kann über einen extrudierten Schichtaufbau erfolgen, wobei Platz besteht, unterschiedliche Messelemente anzuordnen.
Die Anordnung eines Temperatursensors kann an einer beliebigen Stelle am Heizstab erfolgen, um eine lokale Temperatur zu erfassen, der Temperatursensor kann aber auch durch den Heizstab in den Zylinderbrennraum hineinragen.
4 zeigt in einer Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messglühkerze, bei dem im Gegensatz zu den in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen das Messelement nicht in einer zentralen axialen Bohrung des Heizstabes sondern in einer zentralen axialen Bohrung eines Polzuleiters oder Innenpols 11 angeordnet ist.
Wie es im Einzelnen in den 4 bis 6 dargestellt ist, umfasst dieses Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messglühkerze einen Kerzenkörper 5, einen keramischen Heizstab 9, der koaxial im Kerzenkörper 5 sitzt, und den ebenfalls koaxial im Kerzenkörper 5 angeordneten Polzuleiter oder Innenpol 11.
Der Heizstab 9 weist eine zentrale axiale Bohrung 13 auf, die bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel in den Brennraum mündet, und ist außen mit einem metallischen Schutzrohr 10 versehen.
Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die elektrische Versorgung des Heizstabes 9 über die körperseitigen Anschlüsse der Messglühkerze, nämlich den elektrischen Anschluss 18 des Heizstabes und den Polzuleiter 11, wobei der elektrische Schaltkreis über den Heizstab 9, das metallische Schutzrohr 10 und den Kerzenkörper 5 zur Masse geschlossen ist.
Wie es in 4 dargestellt ist, weist der Polzuleiter oder Innenpol 11 eine zentrale axiale Bohrung 12 auf, in der das Messelement 15 angeordnet ist.
Diese axiale Bohrung 12 im Polzuleiter oder Innenpol 11 steht in Verbindung mit der axialen Bohrung 13 des Heizstabes 9, so dass das Messelement 15 in einer direkten Verbindung mit der Außenseite des Heizstabes insbesondere dem Brennraum im Zylinder steht.
Wie es im Einzelnen in 5 dargestellt ist, ist zwischen dem Polzuleiter oder Innenpol 11 und dem Heizstab 9 eine konische Kontaktfläche 14 vorgesehen, durch die der Polzuleiter oder Innenpol 11 mit dem Heizstab 9 verbunden ist. Diese Kontaktfläche 14 umfasst eine Kontaktfläche 14a für den Masseanschluss und eine Kontaktfläche 14b für den Heizstromanschluss.
Das Messelement 15 ist über Sensorleitungen 16 mit einer Auswerteelektronik 17 in der Messglühkerze verbunden, die einen Anschluss 19 für die Messsignalauswertung aufweist.
Wie es in 5 und 6 im Einzelnen dargestellt ist, hat das Messelement 15 beispielsweise der Drucksensor eine größeren Durchmesser als die zentrale Bohrung 13 im Heizstab 9, so dass er bei diesem Ausführungsbeispiel in der zentralen Bohrung 12 des Polzuleiters oder Innenpols 11 vorgesehen ist.
Die 8 bis 11 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messglühkerze, das dem in den 4 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht, bei dem allerdings die zentrale Bohrung 13 an der brennraumseitigen Spitze des Heizstabes 9 durch eine aufgespritzte Leitschicht 6 verschlossen ist und der Kontakt zwischen dem Messelement 15 in der zentralen axialen Bohrung 12 des Polzuleiters oder Innenpols 11 durch wenigstens eine Querbohrung 20 hergestellt ist, die im Bereich des Schutzrohres 10 so vorgesehen ist, dass sie die axiale innere Bohrung 13 des Heizstabes 9 mit der Außenseite der Messglühkerze verbindet.
12 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Messglühkerze, bei dem die wenigstens eine Querbohrung 20 außerhalb des Schutzrohres 10 am brennraumseitigen Teil des Heizstabes 9 vorgesehen ist.
Die Querbohrung 20 bewirkt eine direkte Verbindung zum Brennraumdruck, wobei durch die räumliche Nähe zum Messelement die Ge fahr von Pfeifenschwingungen in der zentralen Bohrung und die dadurch bewirkten Messungenauigkeiten verhindert werden.

Claims

Messglühkerze zum Einbau in einen Zylinder einer Brennkraftmaschine mit – einem Kerzenkörper (5), der in die Zylinderwand einzusetzen ist, – einem Heizstab (9), der vom Kerzenkörper (5) axial vorsteht, koaxial dazu angeordnet ist und einen Kanal in Form einer zentralen axialen Bohrung (1.1, 13) aufweist und – einem Sensor (7, 8, 15), – wobei der Sensor (7, 8) koaxial in der zentralen axialen Bohrung (1.1, 13) des Heizstabes (9) oder auf der zentralen axialen Bohrung (1.1, 13) des Heizstabes (9) oder – mit einem Polzuleiter oder Innenpol (11), der mit dem Heizstab (9) verbunden ist, koaxial im Kerzenkörper (5) angeordnet ist und eine zentrale axiale Bohrung (12) aufweist, in dem der Sensor (15) angeordnet ist.
Messglühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7, 8) die zentrale axiale Bohrung (1.1, 13) des Heizstabes (9) dicht verschließt.
Messglühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale axiale Bohrung im Polzuleiter oder Innenpol (11) mit der zentralen axialen Bohrung im Heizstab in Verbindung steht.
Messglühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab ein keramischer Heizstab mit einem Schichtaufbau aus Werkstoffen mit verschiedenen elektrischen Leitfähigkeiten ist.
Messglühkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab eine Vollkeramik ist, die durch Keramikspritzguss, durch Koextrusion oder durch kaltisostatisches Pressen hergestellt ist.
Messglühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale axiale Bohrung des Heizstabes an der brennraumseitigen Spitze in einem direkten Kontakt mit dem Brennraum des Zylinders steht.
Messglühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale axiale Bohrung im Heizstab über wenigstens eine Querbohrung mit der Außenseite der Messglühkerze in Verbindung steht.
Messglühkerze nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale axiale Bohrung des Heizstabes eine Sacklochbohrung ist.
Messglühkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbohrung im Bereich eines auf dem Heizstab angeordneten leitenden Schutzrohres vorgesehen ist.
Messglühkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbohrung am brennraumseitigen Ende des Heizstabes vorgesehen ist.
Messglühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement ein Drucksensor ist.
Messglühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement ein optischer Sensor ist.
Messglühkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement ein Thermoelement ist.
Messglühkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale axiale Bohrung des Heizstabes oder des Polzuleiters oder Innenpols im Querschnitt polygonal ausgebildet ist.
Messglühkerze nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale axiale Bohrung im Querschnitt sechseckig ausgebildet ist.