DE102007049971A1

DE102007049971A1 - Glühstiftkerze

Info

Publication number: DE102007049971A1
Application number: DE200710049971
Authority: DE
Inventors: Michael Kleindl; Steffen Schott; Christoph Kern; Christian Doering; Pavlo Saltikov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2009-04-23
Also published as: WO2009053170A1

Abstract

Eine Glühstiftkerze (1) dient zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine. Die Glühstiftkerze (1) weist ein Gehäuse (3), ein stabförmiges Heizelement (2), das teilweise aus dem Gehäuse (3) ragt, und einen Drucksensor (11) auf, der in einem Innenraum (22) des Gehäuses (3) angeordnet ist. Dabei steht der Drucksensor (11) einerseits mit dem stabförmigen Heizelement (2) in Wirkverbindung, um eine auf Grund eines in der Kammer herrschenden Druckes bedingte Beaufschlagung des Heizelements (2) zum Bestimmen des in der Kammer herrschenden Druckes zu erfassen. Ferner stützt sich der Drucksensor (11) andererseits an einem mit dem Gehäuse (3) verbundenen Fixierelement ab. Eine Federmembran (13) dichtet den Innenraum (22) des Gehäuses (3) gegenüber der Kammer der Brennkraftmaschine ab. Dabei ist die Federmembran (13) als S-förmige Federmembran (13) ausgestaltet. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine druckausgeglichene Auslegung erreicht werden, so dass die Genauigkeit einer Druckmessung mittels des Drucksensors (11) verbessert ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine. Speziell betrifft die Erfindung eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Vor-, Wirbel- oder Brennkammer einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine.
Aus der DE 103 43 521 A1 ist eine Druckmessglühkerze für einen Dieselmotor bekannt. Die bekannte Druckmessglühkerze weist einen Kerzenkörper und einen im Kerzenkörper angeordneten Heizstab auf. Ferner ist zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper ein Drucksensor angeordnet, wobei der Drucksensor durch den Druck im Brennraum des Zylinders beeinflusst wird, der vom Heizstab übertragen wird. Ferner ist eine Membran vorgesehen, die den Drucksensor gegenüber dem Brennraum abdichtet.
Die aus der DE 103 43 521 A1 bekannte Druckmessglühkerze hat den Nachteil, dass die Membran im Kraftpfad zwischen dem Heizstab und dem Drucksensor liegt, so dass die Druckmessung beeinflusst wird.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Beeinträchtigung der Druckmessung durch die Federmembran verringert oder verhindert werden kann. Dadurch ist eine zuverlässige Messung des in der Kammer herrschenden Druckes möglich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Glühstiftkerze möglich.
In vorteilhafter Weise ist die zumindest im Wesentlichen S-förmig ausgestaltete Federmembran als druckausgeglichene Federmembran ausgestaltet. Der in der Kammer herrschende Druck kann ganz oder zumindest teilweise auf die Federmembran einwirken, wodurch sich insbesondere eine Kraftkomponente auf das stabförmige Heizelement in axialer Richtung ergibt. Diese Kraftkomponente führt zu einer Verfälschung bei der Messung des in der Kammer herrschenden Druckes. Durch die Ausgestaltung der Federmembran als druckausgeglichene Federmembran kann dieser Einfluss verringert oder ganz eliminiert werden, da durch den auf die Federmembran einwirkenden Druck keine oder nur eine vernachlässigende, die Druckmessung verfälschende zusätzliche Kraft hervorgerufen wird.
In vorteilhafter Weise ist ein mit dem Gehäuse verbundener Sensorkäfig vorgesehen, wobei der Drucksensor innerhalb des Sensorkäfigs angeordnet ist. Die Federmembran kann dann einerseits den Sensorkäfig mit dem stabförmigen Heizelement verbinden, während der Sensorkäfig andererseits mit dem Fixierelement verbunden ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht zum einen eine Vormontage der für die Druckmessung relevanten Bauteile und zum anderen einen vorteilhaften Einbau in das Gehäuse der Glühstiftkerze, wobei bei der Montage der Glühstiftkerze Verspannungen innerhalb eines solchen Druckmessmoduls verhindert sind.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Federmembran einen ersten Verbindungsabschnitt, an dem die Federmembran mit dem stabförmigen Heizelement verbunden ist, einen zweiten Verbindungsabschnitt, an dem die Federmembran mit dem Sensorkäfig verbunden ist, und einen mittleren Abschnitt aufweist, wobei eine Orientierung des mittleren Abschnitts der Federmembran so vorgegeben ist, dass die Federmembran in Bezug auf den in der Kammer herrschenden Druck druckausgeglichen ist. Dadurch kann zum einen die Funktion der zuverlässigen Abdichtung durch die Federmembran erfüllt werden und zum anderen auf einfache Weise eine Herstellung und Montage eines Druckmessmoduls erfolgen, bei der die Federmembran im druckausgeglichenen Zustand eingebaut ist.
Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, bei der die Federmembran einerseits mit dem stabförmigen Heizelement und andererseits mit dem Gehäuse verbunden ist, wobei eine Orientierung eines mittleren Abschnitts der Federmembran so vorgegebenen ist, dass die Federmembran in Bezug auf den in der Kammer herrschenden Druck druckausgeglichen ist. Dadurch kann auch bei anderen Ausgestaltungen als mit einem Sensorkäfig eine druckausgeglichene Federmembran zum Einsatz kommen, sodass die Genauigkeit der Druckmessung verbessert ist.
Die Federmembran ist in vorteilhafter Weise zumindest im Wesentlichen aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet, wobei durch das Metall oder die Metalllegierung eine federelastische Ausgestaltung der Federmembran ermöglicht ist. Die Federmembran kann zusätzlich mit einem geeigneten Werkstoff beschichtet sein.
Ferner hat eine federelastische Ausgestaltung der Federmembran, bei der die Federmembran auf das stabförmige Heizelement eine Rückstellkraft in seine Ausgangsstellung ausübt, den Vorteil, dass die Federmembran neben der Dichtfunktion auch die Rückstellfunktion übernimmt und außerdem die druckausgeglichene Stellung der Federmembran über die Lebensdauer der Glühstiftkerze beibehalten wird.
In vorteilhafter Weise beaufschlagt das stabförmige Heizelement den Drucksensor über einen rohrförmigen Stützkörper des Heizelements. Dadurch kann der Drucksensor beabstandet zu dem stabförmigen Heizelement angeordnet werden, um die Temperaturbelastung zu reduzieren.
Zeichnung
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
1 eine Glühstiftkerze in einer schematischen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2, 3 und 4 unterschiedliche Einbausituationen einer Federmembran im Bereich eines Dichtkonus entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei der gezeigte Ausschnitt dem in der 1 mit II bezeichneten Ausschnitt entspricht.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Glühstiftkerze 1 in einer axialen Schnittdarstellung. Die Glühstiftkerze 1 kann insbesondere als Glühstiftkerze 1 für eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine ausgestaltet sein. Ein stabförmiges Heizelement 2 der Glühstiftkerze 1 ragt bei Vor- und Wirbelkammermotoren in die Kammer der Brennkraftmaschine und bei Motoren mit Direkteinspritzung in eine Kammer des Motors. Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Die Glühstiftkerze 1 weist ein Gehäuse 3 auf. An dem Gehäuse 3 ist ein Dichtkonus 4 ausgebildet. Das stabförmige Heizelement 2 ragt an einer kammerseitigen Öffnung 5 des Gehäuses 3 im Bereich des Dichtkonus 4 aus dem Gehäuse 3 in die Kammer der Brennkraftmaschine. Das stabförmige Heizelement 2 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen keramischen Heizkörper 6 und einen metallischen Stützkörper 7 auf, der den keramischen Heizkörper 6 abschnittsweise umfänglich umschließt. Dabei ragt eine Spitze 8 des keramischen Heizkörpers 6 des stabförmigen Heizelements 2 aus dem rohrförmigen Stützkörper 7, so dass die Spitze 8 frei liegt. Durch diese Ausgestaltung wird zum einen eine vorteilhafte Erwärmbarkeit eines im Bereich der Spitze 8 vorgesehenen Mediums, insbesondere eines Gemisches aus Brennstoff und Luft, ermöglicht und zum anderen eine stabile Ausgestaltung des stabförmigen Heizelements 2, das insbesondere gegenüber mechanischer Beschädigung geschützt ist, erreicht.
Innerhalb des Gehäuses sind ein Fixierelement 10, ein Drucksensor 11, ein Sensorkäfig 12 und eine Federmembran 13 vorgesehen. Ferner ist eine Kontaktierung 14 vorgesehen, die sich zumindest teilweise innerhalb des rohrförmigen Stützkörpers 7 des stabförmigen Heizelements 2 befindet. Die Kontaktierung 14 ist dabei mit einer Glühstromleitung 15 verbunden, die durch den Drucksensor 11 und das Fixierelement 10 geführt ist. Das Fixierelement 10 ist teilweise innerhalb des Sensorkäfigs 12 angeordnet und mit diesem verbunden, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Ferner ist der Drucksensor 11 innerhalb des Sensorkäfigs 12 angeordnet, wobei ein gewisses Spiel zwischen dem Sensorkäfig 12 und dem Drucksensor 11 besteht. Ferner ist der Sensorkäfig 12 über die Federmembran 13 mit dem metallischen Stützkörper 7 des stabförmigen Heizelements 2 verbunden. Außerdem ist der Sensorkäfig 12 durch eine einzige, umlaufende Schweißnaht 16 beziehungsweise durch mehrere in Umfangsrichtung angeordnete Schweißpunkte mit dem Gehäuse 3 verbunden.
Durch einen in der Kammer der Brennkraftmaschine herrschenden Druck wird eine Beaufschlagung des stabförmigen Heizelements 2 in einer axialen Richtung bedingt, so dass eine Kraft F in axialer Richtung auf das stabförmige Heizelement 2 einwirkt. Die dabei auf das Heizelement 2 einwirkende Kraft F wird über den rohrförmigen Stützkörper 7 auf den Drucksensor 11 übertragen. Dabei kommt es auch zu einer geringfügigen Einfederung der Federmembran 13, so dass nach dem Auftreten des Druckimpulses eine Rückstellung des Heizelements 2 in die Ausgangslage erfolgt, in der der Drucksensor 11 wieder entlastet beziehungsweise nur mit einer vorgegebenen Vorspannung beaufschlagt ist. Der Drucksensor 11 kann ein piezoelektrisches Element oder dergleichen aufweisen, das eine Messladung erzeugt, die über Messleitungen 20, 21 aus dem Gehäuse 3 zu einer geeigneten Auswertungsschaltung oder innerhalb des Gehäuses 3 zu einer in dem Gehäuse 3 vorgesehenen Auswertungsschaltung geführt sind, so dass über die Messung der Kraft F der in der Kammer momentan herrschende Druck oder der auftretende Druckimpuls gemessen werden kann.
Der Drucksensor 11 steht einerseits mit dem stabförmigen Heizelement 2 in Wirkverbindung, um eine auf Grund eines in der Kammer herrschenden Druckes bedingte Beaufschlagung des Heizelements 2 zum Bestimmen des in der Kammer herrschenden Druckes zu erfassen. Andererseits stützt sich der Drucksensor 11 an einem über den Sensorkäfig 12 mit dem Gehäuse 3 verbundenen Fixierelement 10 ab. Die Kraft F wirkt sich dadurch zumindest im Wesentlichen in einer Beaufschlagung oder Änderung der Beaufschlagung des Drucksensors 11 aus. Ferner kommt es zu einer gewissen, elastischen Verformung der Federmembran 13.
Die elastische Federmembran 13 ist zumindest im Wesentlichen S-förmig ausgestaltet. Im montierten Zustand der Glühstiftkerze 1 kann über die kammerseitige Öffnung 5 ein Medium in das Gehäuse 3 der Glühstiftkerze 1 eindringen. Durch die Federmembran 13 ist eine Abdichtung eines Innenraums 22 des Gehäuses 3 der Glühstiftkerze 1 gewährleistet. Da über die kammerseitige Öffnung 5 ein relativ heißes Medium, insbesondere ein Verbrennungsgas, in das Gehäuse 3 gelangen kann, ist die Federmembran 13 vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet, die eine ausreichende thermische Widerstandsfähigkeit aufweist. Ferner weist eine metallische Federmembran 13 eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischer Belastung auf.
Die Federmembran 13 weist einen ersten Verbindungsabschnitt 23, an dem die Federmembran 13 mit dem Stützkörper 7 des stabförmigen Heizelements 2 verbunden ist, einen zweiten Verbindungsabschnitt 24, an dem die Federmembran 13 mit dem Sensorkäfig 12 verbunden ist, und einen mittleren Abschnitt 25 auf, der zwischen dem ersten Verbindungsabschnitt 23 und dem zweiten Verbindungsabschnitt 24 der Federmembran 13 angeordnet ist.
Die S-förmige Federmembran 13 ist so ausgestaltet, dass sie druckausgeglichen ist. Dies lässt sich insbesondere durch eine Orientierung des mittleren Abschnitts 25 der Federmembran 13 erreichen. Die Vorgabe der Orientierung des mittleren Abschnitts 25 der Federmembran 13 zum Erreichen einer druckausgeglichenen Ausgestaltung ist im Folgenden anhand der 2 bis 4 im Detail weiter erläutert.
2 bis 4 zeigen jeweils den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt einer Glühstiftkerze 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung bei unterschiedlichen Ausgestaltungen der Federmembran 13. Dabei zeigt die 2 eine druckausgeglichene Ausgestaltung der Federmembran 13, die 3 zeigt eine druck- oder kraftverstärkende Auslegung der Federmembran 13 und die 4 zeigt eine druck- oder kraftmindernde Ausgestaltung der Federmembran 13.
Der erste Verbindungsabschnitt 23 der Federmembran 13 ist mittels einer umlaufenden Schweißnaht 30 mit dem metallischen Stützkörper 7 des stabförmigen Heizelements 2 verschweißt.
Ferner ist der zweite Verbindungsabschnitt 24 der Federmembran 13 mittels einer umlaufenden Schweißnaht 31 direkt mit dem Gehäuse 3 der Glühstiftkerze 1 verschweißt. Somit ist der Innenraum 22 gegenüber von der kammerseitigen Öffnung 5 her in das Gehäuse 1 eindringenden Medien abgedichtet. Der kammerseitige Druck pflanzt sich allerdings über das im Bereich der kammerseitigen Öffnung 5 vorhandene Medium in einen Zwischenraum 32 fort. In Abhängigkeit von dem Druck im Brennraum besteht dadurch ein gewisses Druckgefälle zwischen dem Zwischenraum 32 und dem Innenraum 22 des Gehäuses 3 der Glühstiftkerze 1.
Bei der in der 2 dargestellten druckausgeglichen Ausgestaltung der Federmembran 13 ist ein Abstand s zwischen den Schweißnähten 30, 31 der Federmembran 13 so vorgegeben, dass sich ein Winkel 33 zwischen dem mittleren Abschnitt 25 der Federmembran 13 und einer radialen Richtung ergibt, der eine mittlere Größe im Vergleich zu den in den 3 und 4 dargestellten, extremen Auslegungen hat. Bei solch einem mittleren Winkel 33 erzeugt das Druckgefälle zwischen dem Zwischenraum 32 und dem Innenraum 22 keine zusätzliche Kraft auf die Federmembran 13.
3 zeigt eine Ausgestaltung, bei der ein sehr kurzer Abstand s zwischen den Schweißnähten 30, 31 gewählt ist, so dass der mittlere Abschnitt 25 der Federmembran 13 fast in radialer Richtung orientiert ist, wodurch sich ein sehr kleiner Winkel 33 ergibt. In diesem Fall ergibt das Druckgefälle zwischen dem Zwischenraum 32 und dem Innenraum 22 eine zusätzliche, über die Federmembran 13 auf den Stützkörper 7 des stabförmigen Heizelements 2 wirkende Kraftkomponente, die parallel zu der Kraft F ist. Somit wird die Kraft F verstärkt, so dass der Drucksensor 11 einen in Bezug auf den Druck in der Kammer zu großen Druck anzeigt.
4 zeigt eine Ausgestaltung der Federmembran 13, bei der die Schweißnähte 30, 31 sehr weit auseinander liegen, so dass sich ein großer Abstand s ergibt. Dabei ist der mittlere Abschnitt 25 sehr flach orientiert, so dass sich ein großer Winkel 33 ergibt. Durch das Druckgefälle zwischen dem Zwischenraum 32 und dem Innenraum 22 kommt es dadurch zu einer Kraftkomponente, die antiparallel zu der Kraft F gerichtet ist. Somit wirkt die in der 4 dargestellte Ausgestaltung druck- oder kraftmindernd. Der Drucksensor 11 gibt somit einen Druck an, der gegenüber dem Druck in der Kammer zu gering ist.
Die S-förmige Federmembran 13 ermöglicht eine vorteilhafte Beeinflussung der Druckmessung mittels des Drucksensors 11. Dabei kann innerhalb gewisser Grenzen auch eine Kompensation unerwünschter Effekte, die die Druckmessung beeinflussen, erzielt werden. Vorzugsweise ist die Federmembran 13 aber so ausgestaltet, dass eine druckausgeglichene Auslegung vorliegt, bei der durch den Druck im Zwischenraum 32 zumindest im Wesentlichen keine Beeinflussung der Druckmessung durch den Drucksensor 11 erfolgt, wie es die anhand der 2 beschriebene Auslegung ermöglicht.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10343521 A1 [0002, 0003]

Claims

Glühstiftkerze (1) zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (3), einem stabförmigen Heizelement (2), das teilweise aus dem Gehäuse (3) ragt, und einem Drucksensor (11), der in einem Innenraum (22) des Gehäuses (3) angeordnet ist, wobei der Drucksensor (11) einerseits zumindest mittelbar mit dem stabförmigen Heizelement (2) in Wirkverbindung steht, um eine auf Grund eines in der Kammer herrschenden Druckes bedingte Beaufschlagung des Heizelements (2) zum Bestimmen des in der Kammer herrschenden Druckes zu erfassen, wobei sich der Drucksensor (11) andererseits zumindest mittelbar an einem mit dem Gehäuse (3) verbundenen Fixierelement (10) abstützt und wobei eine Federmembran (13) vorgesehen ist, die den Innenraum (22) des Gehäuses (3) gegenüber der Kammer der Brennkraftmaschine abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembran (13) als zumindest im Wesentlichen S-förmige Federmembran (13) ausgestaltet ist.
Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembran als druckausgeglichene Federmembran (13) ausgestaltet ist.
Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorkäfig (12) vorgesehen ist, der mit dem Gehäuse (3) verbunden ist, dass der Drucksensor (11) innerhalb des Sensorkäfigs (12) angeordnet ist und dass der Sensorkäfig (12) einerseits mittels der Federmembran (13) mit dem stabförmigen Heizelement (2) und andererseits mit dem Fixierelement (10) verbunden ist.
Glühstiftkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembran (13) einen ersten Verbindungsabschnitt (23), an dem die Federmembran (13) mit dem stabförmigen Heizelement (2) verbunden ist, einen zweiten Verbindungsabschnitt (24), an dem die Federmembran (13) mit dem Sensorkäfig (12) verbunden ist, und einen mittleren Abschnitt (25) aufweist, wobei eine Orientierung des mittleren Abschnitts (25) der Federmembran (13) so vorgegeben ist, dass die Federmembran (13) in Bezug auf den in der Kammer herrschenden Druck druckausgeglichen ist.
Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembran (13) einen ersten Verbindungsabschnitt (23), an dem die Federmembran (13) mit dem stabförmigen Heizelement (2) verbunden ist, einen zweiten Verbindungsabschnitt (24), an dem die Federmembran (13) mit dem Gehäuse (3) verbunden ist, und einen mittleren Abschnitt (25) aufweist, wobei eine Orientierung des mittleren Abschnitts (25) der Federmembran (13) so vorgegeben ist, dass die Federmembran (13) in Bezug auf den in der Kammer herrschenden Druck druckausgeglichen ist.
Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembran (13) zumindest aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist.
Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembran (13) federelastisch ausgestaltet ist, wobei bei einer durch eine Beaufschlagung des stabförmigen Heizelements (2) bedingten Verstellung des stabförmigen Heizelements (2) die Federmembran (13) auf das stabförmige Heizelement (2) eine Rückstellkraft in seine Ausgangsstellung ausübt.
Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (11) über rohrförmigen Stützkörper (7) des stabförmigen Heizelements (2) beaufschlagbar ist.