DE102010035422B4

DE102010035422B4 - Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102010035422B4
Application number: DE201010035422
Authority: DE
Inventors: Dr. Sackmann Martin; Dr. Last Bernd; Karsten Volland
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: DE102010035422A1; US20120053818A1; CN102384002A

Abstract

Beschrieben wird eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern (1), welcher jeweils eine Zündeinrichtung (3, 23, 30, 31) zugeordnet ist und einen Sensor (5) aufweist, welcher auf eine Messgröße anspricht, die von einem in der jeweiligen Brennkammer (1) ablaufenden Verbrennungsvorgang beeinflusst ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Sensor (5) ein Beschleunigungssensor ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern, welchen jeweils eine Zündeinrichtung zugeordnet ist und einen Sensor aufweist, welcher auf eine Messgröße anspricht, die von einem in der jeweiligen Brennkammer ablaufenden Verbrennungsvorgang beeinflusst ist. Sie betrifft weiterhin den Verbrennungsmotor mit der Zündeinrichtung sowie die Verwendung der Zündeinrichtung. Eine solche Zündeinrichtung ist bekannt aus dem Aufsatz von Hans Houben et al. mit dem Titel „Drucksensor-Glühkerze (PSG) für Dieselmotoren”, Zeitschrift MTZ 11/2004. Aus dieser Veröffentlichung ist eine Glühkerze für Dieselmotoren bekannt, in welche ein Drucksensor integriert ist, welcher es erlaubt, den Druck in einer Brennkammer zu messen, in welche die Glühkerze hineinragt. Der in der Brennkammer herrschende Druck wird von dem Heizstab der Glühkerze auf eine im Gehäuse der Glühkerze angeordnete Edelstahlmembrane übertragen, auf welche mikromechanische, monokristalline Silizium-Dehnmessstreifen gebonded sind, die eine Wheatstone'sche Brücke bilden. Der Heizstab der Glühkerze ist zu diesem Zweck elastisch beweglich im Glühkerzengehäuse gelagert. Die Wheatstone'sche Brücke ist mit einem Motorsteuergerät verbunden. Das Motorsteuergerät kann den Verbrennungsvorgang in Abhängigkeit von der Größe und vom zeitlichen Verlauf des Drucks in der Brennkammer regeln. Allerdings wird dieser Vorteil durch eine aufwendige Konstruktion der Glühkerze mit ihrem beweglichen Heizstab erkauft. Eine solche als Glühkerze gestaltete Zündeinrichtung ist auch aus der DE 10 2008 020 510 B4 bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, nach einem Weg zu suchen, wie man mit weniger Aufwand eine Messgröße erfassen kann, die sich für eine Regelung des Verbrennungsvorgangs eignet.
Diese Aufgabe wird durch eine Zündeinrichtung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Zündeinrichtung nach Anspruch 14 sowie die Verwendung dieser Zündeinrichtung nach Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist der Sensor, welcher auf eine Messgröße anspricht, die von einem in der jeweiligen Brennkammer eines Verbrennungsmotors ablaufenden Verbrennungsvorgang beeinflusst ist, ein Beschleunigungssensor, und dieser ist für jede Brennkammer des Verbrennungsmotors in der Zündeinrichtung vorgesehen, welche der jeweiligen Brennkammer des Verbrennungsmotors zugeordnet ist.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass mit Beschleunigungssensoren eine Messgröße gewonnen werden kann, die für den Ablauf des Verbrennungsvorganges in jeder einzelnen Brennkammer eines Verbrennungsmotors charakteristisch ist und deshalb individuell zur Regelung des Verbrennungsvorganges in den einzelnen Brennkammern herangezogen werden kann, wenn es die der jeweiligen Brennkammer zugeordnete Zündeinrichtung ist, welche den Beschleunigungssensor aufweist.
Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:

• Anders als bei einer Druckmessglühkerze wird bei Verwendung eines Beschleunigungssensors in der Zündeinrichtung kein bewegliches Bauteil benötigt, welches den Verbrennungsdruck aufnimmt und auf einen Sensor überträgt.
• In eine Glühkerze kann ein Beschleunigungssensor eingebaut werden, ohne dass es erforderlich wäre, wie bei einer Druckmessglühkerze den Heizstab der Glühkerze beweglich zu lagern.
• Der Aufwand, um einen Beschleunigungssensor in eine Glühkerze zu integrieren, ist wesentlich geringer als der Aufwand, um einen Drucksensor in eine Glühkerze zu integrieren.
• Die Erfindung eignet sich nicht nur für Dieselmotoren, sondern auch für Ottomotoren und für Gasmotoren.
• Ein Beschleunigungssensor kann auch in eine Zündkerze oder in das Gehäuse einer Zündspule eingebaut oder an dem Gehäuse einer Zündspule angebracht werden. Er kann ferner in eine Zündeinrichtung eingebaut werden, durch welche zwischen einer in die Brennkammer ragenden Elektrode und einer die Brennkammer begrenzenden Wand eine Koronaentladung erzeugt wird, durch welche ein Brennstoff-Luft-Gemisch gezündet werden kann. Zündeinrichtungen, mit welchen eine Koronaentladung erzeugt wird, sind in der WO 2004/063560 A1 und in der WO 2010/011838 A1 offenbart.
• Mit einem erfindungsgemäß in einer Zündeinrichtung angeordneten Beschleunigungssensor kann der Verbrennungsdruck nicht direkt gemessen werden. Da der Verbrennungsdruck jedoch keine statische, sondern eine dynamische, sich ständig ändernde Größe ist, beeinflussen die zeitlichen Änderungen des Verbrennungsdrucks in charakteristischer Weise den zeitlichen Verlauf des vom Beschleunigungssensor gelieferten Beschleunigungssignals, so dass das Beschleunigungssignal immerhin Aufschluss über den zeitlichen Verlauf des Verbrennungsdrucks in der Brennkammer liefert. Das macht die erfindungsgemäße Verwendung eines Beschleunigungssensors besonders geeignet, mit Hilfe des vom Beschleunigungssensor gelieferten Beschleunigungssignals den Verbrennungsvorgang in der jeweiligen Brennkammer mit Hilfe eines Motorsteuergerätes zu regeln.
• Ein Motorsteuergerät kann mit Hilfe der von den Beschleunigungssensoren gewonnenen Signale die im Motor ablaufenden Verbrennungsvorgänge so steuern, dass vorgegebene Ziele wie z. B. eine Emissionsverminderung, eine Brennstoffverbrauchsverminderung und/oder eine Geräuschverminderung erreicht werden.

Für den erfindungsgemäß in eine Zündeinrichtung eingesetzten Beschleunigungssensor gibt es noch eine ganze Reihe weiterer vorteilhafter Anwendungen:

• Er kann zur Ermittlung der Verbrennungskenngrößen, wie z. B. AQ10 und AQ50 herangezogen werden. Dabei handelt es sich um die Winkelstellung der Kurbelwelle, bei welcher 10% (AQ10) bzw. 50% (AQ50) des Brennstoffs umgesetzt sind.
• Er kann zur Ermittlung des Geräuschpegels herangezogen werden und ungewöhnliche Veränderungen des Geräuschpegels melden, so dass diese dem Fahrer angezeigt oder im Bordcomputer für Diagnosezwecke gespeichert werden können.
• Er kann Klopfgeräusche ermitteln, und zwar anders als ein herkömmlich am Motorblock angebrachter Klopfsensor nicht nur für den Verbrennungsmotor insgesamt, sondern getrennt für jede Brennkammer.
• Er kann Vibrationen erkennen, die durch andere Bauteile wie z. B. durch Ausgleichswellen oder Turbolader erzeugt werden. Zu diesem Zweck können die Signale des Beschleunigungssensors z. B. einer Frequenzanalyse unterzogen und auf das Auftreten charakteristischer und/oder ungewöhnlicher Frequenzen und Amplituden sowie auf Resonanzen überwacht werden, die zu Schäden führen oder Schäden anzeigen können.
• Er kann während der Entwicklungsphase des Motors und seiner Zündeinrichtungen zum Durchführen eines hochbeschleunigten Lebenszyklus-Testes, dem Fachmann als HALT (Highly Accelerated Life Test) bekannt, und/oder zur Ermittlung von Kenngrößen für eine Betriebsfestigkeitsanalyse der Zündeinrichtungen herangezogen werden.

Als Beschleunigungssensor wird zweckmäßigerweise ein solcher verwendet, welcher ein elektrisches Ausgangssignal liefert. Das elektrische Ausgangssignal kann einem Steuergerät oder Regelgerät zugeführt werden, in welchem es verarbeitet, ausgewertet und für Zwecke einer Steuerung bzw. Regelung der Verbrennungsvorgänge im Motor herangezogen werden kann. Das elektrische Ausgangssignal kann aber auch bereits in der Zündeinrichtung verarbeitet und ausgewertet werden, wenn diese dafür eine entsprechende elektrische bzw. elektronische Schaltung aufweist. Eine solche Schaltung kann im hinteren, kühleren Abschnitt einer Glühkerze, einer Zündkerze, in einer Hochfrequenzzündeinrichtung für die Erzeugung einer Koronaentladung und auch im oder am Gehäuse einer Zündspule vorgesehen sein. Eine solche Schaltung zur Verarbeitung und Auswertung der Signale eines Beschleunigungssensors kann ihrerseits mit einem Eingang eines Steuer- oder Regelgerätes verbunden sein, insbesondere mit einem bei fortschrittlichen Motoren ohnehin vorgesehenen Motorsteuergerät.
Für Zwecke der Erfindung geeignet sind z. B. Beschleunigungssensoren, die eine seismische Masse aufweisen, welche durch eine Feder gegen einen piezoelektrischen Körper gedrückt wird, der unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes elektrische Signale erzeugt. Solche Beschleunigungssensoren sind dem Fachmann bekannt.
Hat die Zündeinrichtung ein Bauteil mit einer Längsachse, dann wird der Beschleunigungssensor vorzugsweise koaxial zur Längsachse dieses Bauteils in der Zündeinrichtung angeordnet, vorzugsweise in der Weise, dass der Beschleunigungssensor oder eine den Beschleunigungssensor enthaltende Baugruppe das betreffende Bauteil koaxial umgibt. Eine den Beschleunigungssensor enthaltende Baugruppe kann in vorteilhafter Weise eine elektrische Schaltung enthalten, insbesondere mit einem Mikroprozessor oder dergleichen mikroelektronischen Bauelement, in welcher die vom Beschleunigungssensor gelieferten Signale verarbeitet werden können. Für einen Dieselmotor wird der Beschleunigungssensor vorzugsweise in den Glühkerzen angeordnet. Glühkerzen haben einen Heizstab, dessen Spitze in die Brennkammer ragt. Der Beschleunigungssensor oder eine ihn enthaltende Baugruppe kann ringförmig ausgebildet und so angeordnet sein, dass er bzw. sie den Heizstab an seinem von der Brennkammer entfernten Ende umgibt. Die an diesem Ende auftretenden Temperaturen sind niedrig genug, dass Beschleunigungssensoren der vorstehend genannten Art ihnen standhalten können.
Glühkerzen haben üblicherweise ein metallisches Gehäuse, welches auch als Glühkerzenkörper bezeichnet wird, in welchem der Heizstab gehalten ist, der mit seiner Glühspitze in die Brennkammer ragt. Am hinteren Ende des Gehäuses der Glühkerze ist eine elektrische Anschlussvorrichtung vorgesehen. Von der Anschlussvorrichtung führt eine elektrische Zuleitung zum Heizstab. Diese Zuleitung wird auch als Innenpol der Glühkerze bezeichnet. Der Beschleunigungssensor kann so in dem Gehäuse der Glühkerze angeordnet werden, dass er diese elektrische Zuleitung, den Innenpol, umgibt und dabei vorzugsweise in einer Ausnehmung des Gehäuses der Glühkerze gehalten ist. Die in diesem Bereich der Glühkerze auftretenden Temperaturen sind noch niedriger als am hinteren Ende des Heizstabes. Über die elektrische Anschlussvorrichtung am hinteren Ende des Gehäuses der Glühkerze können auch die Signale des Beschleunigungssensors bzw. die Ausgangssignale einer Schaltung, welche die Signale des Beschleunigungssensors verarbeitet hat, aus der Glühkerze herausgeführt werden.
Bei einem Ottomotor kann der Beschleunigungssensor in den Zündkerzen angeordnet sein. Die Zündkerzen haben üblicherweise ein metallisches Gehäuse, eine zentrisch durch das Gehäuse hindurchführende Elektrode – die Mittelelektrode – und einen die Mittelelektrode haltenden und sie von dem Gehäuse elektrisch isolierenden Isolierkörper. Vorzugsweise umgibt der Beschleunigungssensor bzw. eine den Beschleunigungssensor enthaltende Baugruppe den Isolierkörper und ist vorzugsweise in einer zwischen der Innenseite des Gehäuses und der Außenseite des Isolierkörpers gebildeten ringförmigen Ausnehmung angeordnet und gehalten. Die Ausnehmung kann im Isolierkörper oder in der Innenseite des Gehäuses oder teils im Isolierkörper und teils in der Innenseite des Gehäuses ausgebildet sein. Soweit die Ausnehmung im Isolierkörper gebildet ist, kann sie bei dessen pulvermetallurgischer Herstellung durch entsprechende Formgebung der Pressform ohne zusätzlichen Aufwand gefertigt werden.
Glühkerzen und Zündkerzen werden üblicherweise in eine Gewindebohrung des Motors geschraubt und müssen die jeweilige Brennkammer dicht abschließen, wozu in der Wand der Brennkammer ein Dichtsitz vorgesehen ist, welcher mit einer komplementären Dichtfläche der Glühkerze bzw. der Zündkerze zusammenarbeitet. Vorzugsweise wird der Beschleunigungssensor sowohl bei Glühkerzen als auch bei Zündkerzen in Höhe des Dichtsitzes angeordnet. Eine derartige Anordnung ist besonders günstig, denn sie gewährleistet, dass die an der Brennkammer und insbesondere die am Brennraumdach auftretenden Beschleunigungen mit einer geringen Dämpfung und in einer hohen Bandbreite auf den Beschleunigungssensor übertragen werden. Außerdem ist bei einer solchen Anordnung eine gute thermische Anbindung des Beschleunigungssensors an den gekühlten Zylinderblock bzw. Zylinderkopf des Motors gegeben, so dass gewährleistet ist, dass die Temperatur des Sensors sicher unterhalb der für elektrische Bauteile kritischen Temperatur von 150°C bleibt. Unter dem Brennraumdach wird jene Wand der Brennkammer verstanden, durch welche hindurch der Ladungswechsel (Zuführen von Luft und Brennstoff, Ausstoß des Abgases) stattfindet und durch welche die Glühkerze bzw. Zündkerze bis in den Brennraum geführt ist. Bei einem Hubkolbenmotor bildet üblicherweise ein abnehmbarer Zylinderkopf das Brennraumdach.
Es hat sich gezeigt, dass auch dann, wenn der Beschleunigungssensor in oder an einem Gehäuse einer Zündspule befestigt ist, die Ankopplung des Beschleunigungssensors an die jeweilige Brennkammer noch gut genug ist, um die in bzw. an der jeweiligen Brennkammer und insbesondere am Brennkammerdach auftretenden Beschleunigungen mit einer hinreichend geringen Dämpfung und mit einer hinreichend hohen Bandbreite auf den Beschleunigungssensor zu übertragen, so dass der Beschleunigungssensor auch bei einer derartigen Anordnung durch Vorgänge in der jeweiligen Brennkammer ausgelöste Beschleunigungen erfassen kann. Die Zündspule bzw. das Gehäuse mit der Zündspule ist vorzugsweise unmittelbar auf dem Brennraumdach befestigt.
Das Gehäuse der Zündspule weist vorzugsweise eine Befestigungsöse auf, mit welcher das Gehäuse auf einem Zapfen befestigt werden kann, der auf dem Brennraumdach des Motors ausgebildet ist. In einem solchen Fall ist der Beschleunigungssensor vorzugsweise an der Befestigungsöse des Gehäuses der Zündspule angeordnet, weil dort die mechanische Ankopplung an das Brennraumdach besonders gut ist. Insbesondere wird bevorzugt, den Beschleunigungssensor oder eine den Beschleunigungssensor enthaltende Baugruppe ringförmig auszubilden, so dass er bzw. sie den Zapfen umgibt, auf welchem die Befestigungsöse befestigt ist.
Hat der Motor eine HF-Zündeinrichtung, durch welche in den Brennkammern eine Koronaentladung erzeugt wird, dann ist der Beschleunigungssensor vorzugsweise im Gehäuse dieser Zündeinrichtung vorgesehen. Eine solche Zündeinrichtung kann eine HF-Zündkerze haben, welche ein schlankes, überwiegend zylindrisches Gehäuse ähnlich dem Gehäuse einer Glühkerze haben kann. Durch dieses Gehäuse ist vorzugsweise koaxial eine Elektrode hindurchgeführt, welche gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ist. Im hinteren Bereich des Gehäuses können eine Spule und/oder ein Kondensator eines Hochfrequenz-Schwingkreises angeordnet sein. Auch in diesem Fall einer HF-Zündkerze empfiehlt sich wie im Fall einer Glühkerze und wie im Fall einer konventionellen Zündkerze eine koaxiale Anordnung des Beschleunigungssensors oder einer den Beschleunigungssensor enthaltenden Baugruppe im Gehäuse der Hochfrequenz-Zündkerze. Die Kriterien, nach denen ein Beschleunigungssensor in der Zündkerze und in einer Glühkerze angeordnet werden und nach denen die Auswahl eines bestimmten Typs von Beschleunigungssensoren getroffen wird, gilt sinngemäß auch für die Integration eines Beschleunigungssensors in eine HF-Zündkerze. Die Vorteile, welche erfindungsgemäß mit einem Beschleunigungssensor ausgestattete Zündkerzen und Glühkerzen haben, gelten in entsprechender Weise für HF-Zündkerzen, die erfindungsgemäß mit einem Beschleunigungssensor ausgestattet sind.
Die beigefügten schematischen Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. In den Zeichnungen zeigen
1 eine Prinzipdarstellung einer Brennkammer eines Verbrennungsmotors mit einer Glühkerze und einem Steuergerät,
2 einen Ausschnitt aus einem Zylinderkopf,
3 eine erste Glühkerze mit integriertem ringförmigem Beschleunigungssensor im Längsschnitt,
4 eine zweite Glühkerze mit integriertem ringförmigem Beschleunigungssensor in einem Längsschnitt,
5 eine dritte Glühkerze mit integriertem ringförmigem Beschleunigungssensor in einem Längsschnitt,
6 einen vergrößerten Detailausschnitt aus 3,
7 eine vierte Glühkerze mit einem MEMS-Beschleunigungssensor in einem Längsschnitt,
8 einen Detailausschnitt aus 7,
9 eine Prinzipdarstellung einer Brennkammer mit erfindungsgemäßer Zündkerze und mit einem Steuergerät,
10 eine erste Zündkerze mit integriertem Beschleunigungssensor in einem Längsschnitt,
11 eine zweite Glühkerze mit integriertem Beschleunigungssensor in einem Längsschnitt
12 eine Prinzipdarstellung einer Brennkammer mit Zündkerze und Zündspule und mit einem integrierten Beschleunigungssensor,
13 ein Gehäuse mit eingebauter Zündspule und mit integriertem Beschleunigungssensor in einer Schrägansicht,
14 das Gehäuse aus 13 in einer Seitenansicht mit längs geschnittener Befestigungsöse,
15 als Detail die Befestigungsöse aus 14 im Längsschnitt mit integriertem Beschleunigungssensor, und
16 eine Abwandlung der in 15 dargestellten Anordnung.
Gleiche und einander entsprechende Teile sind in den verschiedenen Zeichnungen mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet.
1 zeigt schematisch eine Brennkammer 1 in Form eines Zylinders mit einem Hubkolben 2 und einer daran angebrachten Pleuelstange 2a. Die Brennkammer 1 schließt nach oben mit einem Brennraumdach 7 ab. Im Raum 1a zwischen dem Kolben 2 und dem Brennraumdach 7 findet die Verbrennung statt. Der Raum 1a wird hier deshalb als Brennraum bezeichnet. In das Brennraumdach 7 ist eine Glühkerze 3 eingesetzt, welche mit einem Steuergerät 4 in Verbindung steht. Bei dem Steuergerät 4 kann es sich um ein die Motorfunktionen steuerndes Motorsteuergerät handeln, es kann sich jedoch auch um ein gesondertes Steuergerät für die Glühkerzen des Verbrennungsmotors handeln, welches auch als Glühsteuergerät bezeichnet wird. Im Gehäuse 6 der Glühkerze 3 ist zusätzlich zu den Komponenten, welche üblicherweise eine Glühkerze ausmachen, ein Beschleunigungssensor 5 vorgesehen, welcher mit einer Auswerteschaltung oder mit Teilen einer Auswerteschaltung für die vom Beschleunigungssensor 5 gelieferten Messsignale zu einer Baugruppe zusammengefasst sein kann. Soweit die Auswerteschaltung nicht in dem Gehäuse 6 der Glühkerze 3 angeordnet ist, kann sie sich im Steuergerät 4 befinden.
Der Beschleunigungssensor 3 kann einachsig, zweiachsig oder dreiachsig ausgebildet sein, d. h., er kann Beschleunigungen messen, die in einer, in zwei oder in drei unterschiedlichen Raumachsen auftreten. Durch seine Anordnung im Brennraumdach 7 oder am Brennraumdach 7 spricht der Beschleunigungssensor 5 in erster Linie auf Beschleunigungen an, die am Brennraumdach 7 und an der Glühkerze 3 auftreten und in erster Linie durch den Verbrennungsprozess in dem zugehörigen Brennraum 1a und/oder ggf. durch mit der Brennkammer 1 zusammenhängende bewegliche Bauteile angeregt wird, insbesondere durch den Kolben 2, durch zur Brennkammer 1 gehörende Ventile und deren Antriebselemente.
Eine gute mechanische Anbindung des Beschleunigungssensors 5 an das Brennraumdach 7 ist wichtig, damit die am Brennraumdach 7 auftretenden Beschleunigungen mit einer möglichst geringen Dämpfung und in einer hohen Bandbreite auf den Beschleunigungssensor 5 übertragen werden. Dafür ist eine Anordnung des Beschleunigungssensors 5 in Höhe des Brennraumdaches 7 und insbesondere im Brennraumdach 7 in der Nähe von dessen Unterseite besonders vorteilhaft. Die gute mechanische Anbindung geht mit einer guten thermischen Anbindung des Beschleunigungssensors 5 an das Brennraumdach 7 einher. Das Brennraumdach 7, welches im allgemeinen als abnehmbarer Zylinderkopf ausgebildet ist, ist üblicherweise zwangsgekühlt, d. h., es ist von Kühlkanälen 15 durchzogen, durch die eine Kühlflüssigkeit des Motors gepumpt wird. Die Temperatur des in Höhe des Brennraumdaches 7 bzw. im Brennraumdach 7 angeordneten Beschleunigungssensors 5 wird deshalb unter der für elektrische und elektronische Bauteile kritischen Temperatur von 150°C bleiben.
Die dynamischen Prozesse, die in der Brennkammer 1 ablaufen, sind die Hauptursache für die am Brennraumdach 7 und an der Glühkerze 3 auftretenden Beschleunigungen. Aus den vom Beschleunigungssensor 5 gelieferten Beschleunigungssignalen, aus ihrer Stärke und insbesondere aus ihrem zeitlichen Verlauf können Rückschlüsse auf den in der Brennkammer 1 ablaufenden Verbrennungsvorgang gezogen und z. B. der Zündzeitpunkt und nach erfolgter Zündung die Schnelligkeit der Ausbreitung der Flammenfront beobachtet werden. Der in die Zündeinrichtung integrierte Beschleunigungssensor 5 kann Messwerte liefern, die von einem Motorsteuergerät als Eingangs-Daten für eine Steuerung oder Regelung des Verbrennungsvorgangs oder von einem Glühsteuergerät als Eingangs-Daten für eine Steuerung oder Regelung des Aufheizvorganges der Glühkerze 3 verwendet werden können.
2 zeigt einen wirklichkeitsnahen Ausschnitt aus einem Vertikalschnitt durch einen Zylinderkopf, der als Brennraumdach 7 mit seiner Unterseite die Brennkammer 1 eines Hubkolben-Dieselmotors nach oben abschließt. Man sieht die Lage einer Glühkerze 3, deren überwiegend zylindrisches Gehäuse 6 mit gutem Wärmekontakt in einer schräg verlaufenden Bohrung des Zylinderkopfes 7 steckt. Aus dem Glühkerzengehäuse 6 ragt ein Heizstab 12 mit seiner Glühspitze 13 bis in den Brennraum 1a. In der Nähe der Glühspitze 13 mündet in den Brennraum 1a ein Kanal 14 für eine Einspritzdüse. Der Zylinderkopf 7 ist von einer Anzahl von Kühlkanälen 15 durchzogen.
Die 3 bis 5 zeigen drei verschiedene Möglichkeiten, an welcher Stelle ein Beschleunigungssensor 5 im Gehäuse 6 der Glühkerze 3 angeordnet werden kann.
Am vorderen Ende des Gehäuses 6 der Glühkerze 3 ist eine konische Dichtfläche 16 ausgebildet, welche mit einem umgekehrt konischen Dichtsitz 17 zusammenwirkt, welcher in der die Glühkerze 3 aufnehmenden Bohrung des Zylinderkopfes 7 ausgebildet ist.
In der in 3 dargestellten Ausführungsform der Glühkerze 3 ist der Beschleunigungssensor 5 in der Nachbarschaft der konischen Dichtfläche 16 des Gehäuses 6 der Glühkerze 3 bzw. in der Nachbarschaft des Dichtsitzes 17 im Brennraumdach 7 vorgesehen. Diese Stelle ist für die Beobachtung der Verbrennungsvorgänge mittels des Beschleunigungssensors 5 optimal, denn der Beschleunigungssensor 5 liegt direkt über dem Brennraum 1a. Durch das Zusammenwirken von Dichtsitz 17 und Dichtfläche 16 wird ein hervorragender mechanischer Kontakt mit dem Brennraumdach 7 hergestellt. Dadurch sind optimale Voraussetzungen für die Messung von Beschleunigungen gegeben, die ihre Ursache in Verbrennungsvorgängen haben, die in der Brennkammer 1 ablaufen.
Der Beschleunigungssensor 5 ist ringförmig ausgebildet, liegt in einer Ausnehmung 19 des Glühkerzengehäuses 6 und umschließt bevorzugt koaxial das hintere, kühle Ende des Heizstabes 12, welcher durch den guten Kontakt über das Gehäuse 6 und den Dichtsitz 17 mit dem gekühlten Brennraumdach 7 auf einer Temperatur unterhalb von 150°C bleibt.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Beschleunigungssensor 5 ebenfalls ringförmig ausgebildet, jedoch – verglichen mit 3 – weiter nach hinten zum kalten Ende der Glühkerze 3 hin verlegt. Er befindet sich ungefähr in der Mitte der Glühkerze 3 und umgibt bevorzugt koaxial den Innenpol 18, durch welchen der Heizstab 12 mit Strom versorgt wird.
Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Beschleunigungssensor 5 im Gehäuse 6 der Glühkerze 3 noch weiter nach hinten verlegt, er befindet sich in der Nachbarschaft eines elektrischen Glühkerzenanschlusses 9. Auch hier ist der Beschleunigungssensor 5 ringförmig ausgebildet, sodass der Innenpol 18 der Glühkerze 3 durch ihn hindurchgeführt werden kann. Ein Schraubgewinde, mit welchem die Glühkerze 3 in eine Bohrung des Brennraumdaches 7 geschraubt wird, befindet sich unmittelbar anschließend an die Lage des Beschleunigungssensors 5 zwischen dem Beschleunigungssensor 5 und dem elektrischen Glühkerzenanschluss 9. Durch die feste Schraubverbindung werden die zu messenden Beschleunigungen als Körperschall bis zu einem so angeordneten Beschleunigungssensor 5 noch optimal übertragen und nur durch die Steifigkeit des übertragenden Metalls gedampft. Eine Anordnung des Beschleunigungssensors 5 oberhalb des Gewindes des Glühkerzenanschlusses 9 ist ebenfalls möglich, würde aber zu einem erheblichen Signalverlust führen und ist deshalb nicht bevorzugt.
6 zeigt als Detail, wie der Beschleunigungssensor 5 in 3 aufgebaut sein kann: Er hat übereinander angeordnet z. B. einen ringförmigen piezoelektrischen Körper 5a, eine ringförmige seismische Masse 5b und eine ringförmige Feder 5c, welche die seismische Masse 5b gegen den piezoelektrischen Körper 5a drückt. Die Anordnung dieser drei Elemente 5a, 5b und 5c befindet sich in einer ringförmigen Ausnehmung 19 im Gehäuse 6 der Glühkerze. Die Ausnehmung 19 umgibt vorzugsweise koaxial das hintere Ende des Glühstabes 12 und die Längsachse 38 der Glühkerze 3 und ist zum Glühstab 12 hin offen.
Der piezoelektrische Körper 5a, die seismische Masse 5b und die Feder 5c könnten auch in umgekehrter Reihenfolge in der Ausnehmung 19 angeordnet sein, doch wäre der daraus gebildete Beschleunigungssensor 5 weniger empfindlich als bei der in 6 dargestellten Anordnung, in welcher die Feder 5c auf der dem Brennraum 1a abgewandten Seite der seismischen Masse 5b und der piezoelektrische Körper 5a auf der dem Brennraum 1a zugewandten Seite der seismischen Masse 5b angeordnet ist.
Elektrische Kontakte, die am piezoelektrischen Körper 5a anliegen und dort die elektrische Spannung abgreifen, die aufgrund des piezoelektrischen Effektes entsteht, sind in 6 ebensowenig dargestellt, wie die elektrischen Leitungen, die von diesen Kontakten zu einer Auswerteschaltung führen, die außerhalb oder innerhalb des Gehäuses 6 der Glühkerze liegen oder teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des Gehäuses 6 der Glühkerze liegen kann.
Der Aufbau des in 6 dargestellten Beschleunigungssensors 5 ist in entsprechender Weise auf die in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiele übertragbar.
Die elektrischen Leitungen, die vom piezoelektrischen Körper 5a zu einer Auswerteschaltung führen, können Kabel sein, insbesondere geschirmte Kabel, oder auf ein starres Substrat oder auf ein flexibles Substrat wie z. B. eine Flexfolie aufgedruckte geschirmte oder ungeschirmte Leitungen, wobei aufgedruckte Leitungen vor allem im Inneren des Gehäuses 6 und Kabel vor allem außerhalb des Gehäuses 6 der Glühkerze in Betracht kommen.
Bei der Montage der in 3 dargestellten Glühkerze 3 kann man so vorgehen, dass zunächst vom vorderen Ende des Gehäuses 6 her der Beschleunigungssensor 5 in die Ausnehmung 19 eingesetzt und anschließend vom selben Ende her der Heizstab 12 zusammen mit dem Innenpol 18, den Beschleunigungssensor 5 durchsetzend, in das Gehäuse 6 eingeführt und darin fixiert wird. Abschließend erfolgt die Montage des Glühkerzenanschlusses 9 am hinteren Ende des Gehäuses 6.
Zur Montage der in 4 dargestellten Glühkerze 3 kann man so vorgehen, dass zunächst vom Glühkerzenanschluss 9 her kommend der Beschleunigungssensor 5 in die Ausnehmung 19 des Gehäuses 6 der Glühkerze eingeführt wird. Danach wird der Heizstab 12 vom vorderen Ende des Gehäuses 6 in dieses eingeführt und dabei der Innenpol 18 durch die zentrale Öffnung im Beschleunigungssensor 5 hindurchgeschoben und durch Krimpen im Gehäuse 6 festgelegt. Anschließend erfolgt die Montage des elektrischen Glühkerzenanschlusses 9 am hinteren Ende des Gehäuses 6.
Bei dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Montage der Glühkerze 3 so erfolgen, dass zunächst vom vorderen Ende her der Heizstab 12 samt Innenpol 18 in das Gehäuse 6 eingeführt und darin durch Krimpen festgelegt wird. Anschließend wird aus Richtung des Glühkerzenanschlusses 9 der Beschleunigungssensor 5 auf den Innenpol 18 gesteckt und in das Gehäuse 6 eingeführt. Als letztes wird dann der elektrische Glühkerzenanschluss 9 montiert.
Bei dem in den 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Glühkerze 3 ist der Beschleunigungssensor 5 in unmittelbarer Nachbarschaft des hinteren Endes des Heizstabes 12 angebracht. Der Beschleunigungssensor 5 ist auf einem Substrat 8 befestigt, welches über einen Isolatorkörper 11 mit dem keramischen Isolator 12a verbunden ist, welcher den Innenpol 18 der Glühkerze 3 gegen die Hülle des Heizstabes 12 isoliert. Über den Innenpol 18 wird der Heizstrom dem Heizstab 12 zugeführt. Im Beispiel der 7 und 8 umgibt der Beschleunigungssensor 5 den Innenpol 18 nicht. Vielmehr ist der Innenpol 18 des Heizstabes 12 an eine Versorgungsleitung 10 angeschlossen, welche den Beschleunigungssensor 5 umgeht. Vom Beschleunigungssensor 5 führt eine Signalleitung 20, bei welcher es sich z. B. um ein geschirmtes Kabel oder um eine Flexfolie handeln kann, auf welche außer elektrischen Leitungen ggf. auch ein Prozessor für die Auswertung der Beschleunigungssignale aufgebracht sein kann, zum elektrischen Glühkerzenanschluss 9. Der Beschleunigungssensor 5 ist im Beispiel der 7 und 8 ein MEMS-Sensor, z. B. von der Art, wie er weiter vorne beschrieben worden ist.
Mit einem Beschleunigungssensor 5 in einer Glühkerze 3 besteht nicht nur die Möglichkeit, aus dem Beschleunigungssignal auf den zeitlichen Verlauf des relativen Verbrennungsdrucks in der Brennkammer 1 zu schließen, es kann auch die Geräuschentwicklung im Motor beobachtet und auf Anomalien untersucht werden, es kann ein Klopfen in der jeweiligen Brennkammer 1 erkannt und durch Regelung der Verbrennung verringert oder beseitigt werden. Aus dem Verlauf des Beschleunigungssignals können der Zündzeitpunkt ermittelt und Erkenntnisse über die Ausbreitung der Flammenfront in der Brennkammer 1 gewonnen werden. Schließlich ist es möglich, die auf die Glühkerze 3 einwirkenden Beschleunigungen während des Motorlaufes zu messen und als Eingangsdaten für eine Betriebsfestigkeitsanalyse und für einen beschleunigten Lebensdauertest (Highly Accelerated Life Test, HALT) zu verwenden. Schließlich können die Beschleunigungssignale, die von einem Beschleunigungssensor 5 in der Glühkerze 3 gewonnen werden, auch verwendet werden, um die Temperatur, auf welche die Glühkerze aufgeheizt wird, in Abhängigkeit von den auftretenden Beschleunigungssignalen individuell für jede Brennkammer 1 des Motors zu steuern oder zu regeln.
Das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel darin, dass sie keinen Dieselmotor, sondern einen Ottomotor betrifft. Dementsprechend ist anstelle einer Glühkerze 3 eine Zündkerze 23 vorgesehen. Im Gehäuse 26 der Zündkerze 23 ist zusätzlich zu den Komponenten, welche üblicherweise eine Zündkerze ausmachen, ein Beschleunigungssensor 5 vorgesehen, welcher mit einer Auswerteschaltung oder mit Teilen einer Auswerteschaltung für die vom Beschleunigungssensor 5 gelieferten Messsignale zu einer Baugruppe zusammengefasst sein kann. Soweit die Auswerteschaltung nicht in dem Gehäuse 26 der Zündkerze 23 angeordnet ist, kann sie sich in einem Steuergerät 4 befinden.
Der Beschleunigungssensor 3 kann auch in diesem Fall einachsig, zweiachsig oder dreiachsig ausgebildet sein, d. h., er kann Beschleunigungen messen, die in einer, in zwei oder in drei unterschiedlichen Raumachsen auftreten. Durch seine Anordnung im Brennraumdach 7 oder am Brennraumdach 7 spricht der Beschleunigungssensor 5 in erster Linie auf Beschleunigungen an, die am Brennraumdach 7 und an der Zündkerze 3 auftreten und in erster Linie durch den Verbrennungsprozess in dem zugehörigen Brennraum 1a und/oder ggf. durch mit der Brennkammer 1 zusammenhängende bewegliche Bauteile angeregt wird, insbesondere durch den Kolben 2, durch zur Brennkammer 1 gehörende Ventile und deren Antriebselemente.
Eine gute mechanische Anbindung des Beschleunigungssensors 5 an das Brennraumdach 7 ist wichtig, damit die am Brennraumdach 7 auftretenden Beschleunigungen mit einer möglichst geringen Dämpfung und in einer hohen Bandbreite auf den Beschleunigungssensor 5 übertragen werden. Dafür ist eine Anordnung des Beschleunigungssensors 5 in Höhe des Brennraumdaches 7 und insbesondere im Brennraumdach 7 in der Nähe von dessen Unterseite besonders vorteilhaft. Die gute mechanische Anbindung geht mit einer guten thermischen Anbindung des Beschleunigungssensors 5 an das Brennraumdach 7 einher. Das Brennraumdach 7, welches im allgemeinen als abnehmbarer Zylinderkopf ausgebildet ist, ist üblicherweise zwangsgekühlt, d. h., es ist von Kühlkanälen durchzogen, durch die eine Kühlflüssigkeit des Motors gepumpt wird. Die Temperatur des in Höhe des Brennraumdaches 7 bzw. im Brennraumdach 7 angeordneten Beschleunigungssensors 5 wird deshalb unter der für elektrische und elektronische Bauteile kritischen Temperatur von 150°C bleiben.
Die dynamischen Prozesse, die in der Brennkammer 1 ablaufen, sind die Hauptursache für die am Brennraumdach 7 und an der Zündkerze 3 auftretenden Beschleunigungen. Aus den vom Beschleunigungssensor 5 gelieferten Beschleunigungssignalen, aus ihrer Stärke und insbesondere aus ihrem zeitlichen Verlauf können deshalb Rückschlüsse auf den in der Brennkammer 1 ablaufenden Verbrennungsvorgang gezogen und z. B. der Zündzeitpunkt und nach erfolgter Zündung die Schnelligkeit der Ausbreitung der Flammenfront beobachtet werden. Der in die Zündkerze 23 integrierte Beschleunigungssensor 5 kann Messwerte liefern, die von einem Motorsteuergerät als Eingangs-Daten für eine Steuerung oder Regelung des Verbrennungsvorgangs oder von einem Glühsteuergerät als Eingangs-Daten für eine Steuerung oder Regelung des Aufheizvorganges der Zündkerze 3 verwendet werden können.
Die 10 und 11 zeigen zwei verschiedene Möglichkeiten, an welcher Stelle ein Beschleunigungssensor 5 im Gehäuse 26 der Zündkerze 23 angeordnet werden kann. In beiden Fällen befindet sich im vorderen Abschnitt der Zündkerze 23 auf der Außenseite des Gehäuses 26 ein Gewinde 27, mit welchem die Zündkerze 23 in eine dazu passende Gewindebohrung des Brennraumdaches 7, der ein abnehmbarer Zylinderkopf sein kann, eingeschraubt wird. An das Außengewinde 27 schließt eine Schulter 21 an, vor welcher ein Dichtring 22 liegt. Dieser arbeitet mit einem im Brennraumdach 7 ausgebildeten Dichtsitz zusammen.
In der in 10 dargestellten Ausführungsform der Zündkerze 23 ist der Beschleunigungssensor 5 in Höhe des Außengewindes 27 und in der Nachbarschaft der Zündelektroden der Zündkerze 23 angeordnet. Diese Stelle ist für die Beobachtung der Verbrennungsvorgänge mittels des Beschleunigungssensors 5 optimal, denn der Beschleunigungssensor 5 liegt direkt über dem Brennraum 1a. Darüber hinaus wird durch das Zusammenwirken von Schulter 21, Dichtring 22 und Dichtsitz im Brennraumdach 7 ein hervorragender mechanischer Kontakt vom Beschleunigungssensor 5 zum Brennraumdach 7 hergestellt. Dadurch sind optimale Voraussetzungen für die Messung von Beschleunigungen gegeben, die ihre Ursache in Verbrennungsvorgängen haben, die im Brennraum 1a ablaufen.
Der Beschleunigungssensor 5 ist ringförmig ausgebildet bzw. Bestandteil einer ringförmigen Baugruppe, liegt vorzugsweise koaxial zur Längsachse 38 der Zündkerze 23 in einer Ausnehmung 28, die zwischen dem Gehäuse 26 und dem keramischen Isolator 25 der Zündkerze ausgebildet ist. Durch den guten Kontakt mit dem gekühlten Brennraumdach 7 bleibt der Beschleunigungssensor 5 auf einer Temperatur unterhalb von 150°C. Der Aufbau des Beschleunigungssensors 5 entspricht dem in der Glühkerze gemäß 6. Signalleitungen 20 können z. B. als geschirmte Leitungen auf einer Flexfolie in einem Spalt zwischen dem Isolator 25 und dem Gehäuse 26 zum elektrischen Zündkerzenanschluss 29 geführt werden.
Die Vorteile, die für die Anordnung eines Beschleunigungssensors in einer Glühkerze angegeben worden sind, gelten sinngemäß auch für die Anordnung eines Beschleunigungssensors in einer Zündkerze.
Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Beschleunigungssensor 5 bzw. eine ihn enthaltende Baugruppe ebenfalls ringförmig ausgebildet und vorzugsweise koaxial zur Längsachse 38 der Zündkerze 23 angeordnet, jedoch – verglichen mit 10 – näher zum kalten Ende der Zündkerze 23 hin verlegt. Er befindet sich ungefähr in der Mitte der Zündkerze 23 in einer Ausnehmung 28, welche im Gehäuse 26 der Zündkerze 23 in Höhe der ringförmigen Schulter 21 angeordnet ist. An dieser Stelle sind der mechanische Kontakt und der thermische Kontakt zwischen der Zündkerze 23 und dem gekühlten Brennraumdach 7 besonders günstig und damit auch die thermische und mechanische Ankopplung des Beschleunigungssensors 5 an das Brennraumdach 7 sehr gut. Beschleunigungssignale, die ihre Ursache in Verbrennungsvorgängen im Brennraum 1a haben, erreichen den Beschleunigungssensor 5 sowohl über das metallische Gehäuse 26 der Zündkerze 23 als auch über das metallische Brennraumdach 7.
Das in 12 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen darin, dass der Beschleunigungssensor nicht in eine Zündkerze, sondern in ein Gehäuse 30 einer Zündspule 31 eingebaut oder außen am Gehäuse 30 einer Zündspule 31 angebracht ist. Die Zündspule 31 ist mit der im Motor verbauten Zündkerze 23 verbunden. Das Gehäuse 30 der Zündspule 31 ist am Motorblock angeschraubt, insbesondere am Brennraumdach 7, z. B. an einem als abnehmbarer Zylinderkopf ausgebildeten Brennraumdach 7.
Die 13 und 14 zeigen ein Ausführungsbeispiel für die Integration eines Beschleunigungssensors 5 in ein Gehäuse 30 einer Zündspule 31. In 13 ist das Gehäuse 30 in einer Schrägansicht dargestellt, wobei ein Deckel des Gehäuses 30 abgenommen ist, so dass man die Zündspule 31 sehen kann. Außen am Gehäuse 30 ist ein elektrischer Steckanschluss 32 vorgesehen. In einem Ansatz 33 des Gehäuses 30 ist eine Öse 34 ausgebildet, mit welcher das Gehäuse 30 auf einem Zapfen 35 befestigt wird, welcher am Brennraumdach 7 vorgesehen ist.
Wie die 14 bis 16 zeigen, befindet sich der Beschleunigungssensor 5 in einer Ausnehmung 36 der Öse 34 und wird darin durch einen Stützring 37 gehalten. Der Beschleunigungssensor 5 oder eine ihn enthaltende Baugruppe umgibt den in der Öse 34 steckenden Zapfen 35 ringförmig. Bei dieser Anordnung befindet sich der Beschleunigungssensor 5 in unmittelbarer Nähe des Brennraumdaches 7 direkt über dem Brennraum 1a. Dadurch sind optimale Voraussetzungen für die Messung von Beschleunigungssignalen gegeben, die ihre Ursache in den Verbrennungsvorgängen im Brennraum 1a haben.
Die 15 und 16 zeigen zwei unterschiedliche Möglichkeiten, den Beschleunigungssensor 5 in der Öse 34 anzuordnen. In beiden Fällen ist z. B. ein piezoelektrischer Beschleunigungssensor 5 vorgegeben, wie er im Zusammenhang mit der 6 beschrieben wurde. Auf die Beschreibung der 6 wird Bezug genommen. Im Beispiel der 15 ist die Feder 5c oben angeordnet und der piezoelektrische Körper 5a unten. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 16 ist die Reihenfolge umgekehrt. Die seismische Masse 5b befindet sich in beiden Fällen zwischen der Feder 5c und dem piezoelektrischen Körper 5a.
Im Zusammenhang mit einer Zündspule sind auch Beschleunigungssensoren in anderen Bauformen verwendbar, insbesondere auch die vorne bereits erwähnten MEMS-Beschleunigungssensoren, von denen ein Beispiel im Zusammenhang mit der 8 beschrieben wurde, worauf hiermit Bezug genommen wird.
Auch in den Ausführungsbeispielen, welche in den 12 bis 16 dargestellt sind, kann die elektrische Kontaktierung und Signalausgabe des Beschleunigungssensors 5 über Kabel oder über Leitungen geschehen, welche auf ein Substart aufgedruckt sind, welches starr oder flexibel sein kann, z. B. eine Flexfolie, auf welcher auch ein Prozessor zur Signalauswertung aufgebracht sein kann. Die Leitungen sind bevorzugt geschirmt. Die elektrische Kontaktierung und die Leitungsführung ist in den 13 bis 16 der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Die Vorteile, die im Zusammenhang mit der Anordnung eines Beschleunigungssensors 5 in einer Glühkerze 3 oder in einer Zündkerze 23 geltend gemacht worden sind, gelten sinngemäß auch für die Verwendung eines Beschleunigungssensors 5 im oder am Gehäuse 26 einer Zündspule 32.
Bezugszeichenliste

1: Brennkammer
1a: Brennraum
2: Kolben
2a: Pleuelstange
3: Glühkerze
4: Steuergerät
5: Beschleunigungssensor
5a: piezoelektrischer Körper
5b: seismische Masse
5c: ringförmige Feder
6: Gehäuse der Glühkerze
7: Brennraumdach/Zylinderkopf
8: Substrat
9: elektrischer Glühkerzenanschluss
10: Versorgungsleitung
11: Isolatorkörper
12: Heizstab
12a: keramischer Isolator
13: Glühspitze
14: Kanal
15: Kühlkanäle
16: Dichtfläche
17: Dichtsitz
18: Innenpol
19: Ausnehmung
20: Signalleitung
21: Dichtsitz, als Schulter ausgebildet
22: Dichtring
23: Zündkerze
24: zentrische Elektrode
25: keramischer Isolator
26: Gehäuse der Zündkerze
27: Außengewinde auf 26
28: Ausnehmung
29: elektrischer Zündkerzenanschluss
30: Gehäuse einer Zündspule
31: Zündspule
32: elektrischer Steckanschluss
33: Ansatz von 30
34: Öse
35: Zapfen
36: Ausnehmung
37: Stützring
38: Längsachse der Zündeinrichtung

Claims

Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern (1), welchen jeweils eine Zündeinrichtung (3, 23, 30, 31) zugeordnet ist, die einen Sensor (5) aufweist, welcher ein elektrisches Ausgangssignal liefert und auf eine Messgröße anspricht, die von einem in der jeweiligen Brennkammer (1) ablaufenden Verbrennungsvorgang beeinflusst ist, wobei die Zündeinrichtung (3, 23, 30, 31) ein Bauteil (12, 18, 25, 35) mit einer Längsachse (38) hat, und der Sensor (5) koaxial zur Längsachse (38) dieses Bauteils angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5) ein eine seismische Masse (5b) aufweisender Beschleunigungssensor ist, in welchem die seismische Masse (5b) durch eine Feder (5c) gegen einen piezoelektrischen Körper (5a) gedrückt wird, der unter Einwirkung der seismischen Masse (5b) das elektrische Ausgangssignal erzeugt.
Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor das Bauteil (12, 18, 25, 35) umgibt.
Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (5) ein mehrachsiger Sensor, insbesondere ein dreiachsiger Sensor ist.
Zündeinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (5) in einer Glühkerze (3) angeordnet ist.
Zündeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühkerze (3) einen Heizstab (12) hat, dessen Glühspitze (13) in den Brennraum (1a) der Brennkammer (1) ragt, und dass der Beschleunigungssensor (5) den Heizstab (12) an seinem von der Brennkammer (1) entfernten Ende umgibt und vorzugsweise in einer Ausnehmung (19) eines Gehäuses (6) der Glühkerze (3) gehalten ist.
Zündeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühkerze (3) ein Gehäuse (6), einen im Gehäuse (6) gehaltenen Heizstab (12), welcher eine in den Brennraum (1a) der Brennkammer (1) ragende Glühspitze (13) hat, einen am hinteren Ende des Gehäuses (6) vorgesehenen elektrischen Glühkerzenanschluss (9) und eine von diesem zum Heizstab (12) führende elektrische Versorgungsleitung (10) hat und dass der Beschleunigungssensor (5) in einer Ausnehmung (19) des Gehäuses (6) gehalten ist und die elektrische Versorgungsleitung (10) umgibt.
Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (5) in einer Zündkerze (23) angeordnet ist.
Zündeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkerze (23) ein metallisches Gehäuse (26), eine zentrisch durch das Gehäuse (26) hindurchführende Elektrode (24) und einen diese Elektrode (24) haltenden und gegenüber dem Gehäuse (26) elektrisch isolierenden Isolator (25) aufweist, welchen der Beschleunigungssensor (5) umgibt.
Zündeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (5) in einer zwischen der Innenseite des Gehäuses (26) und der Außenseite des Isolators (25) gebildeten ringförmigen Ausnehmung (29) angeordnet und gehalten ist.
Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Glühkerze (3) oder an der Zündkerze (23) ein Dichtsitz (17, 21) angeordnet ist und dass der Beschleunigungssensor (5) in Höhe des Dichtsitzes (17, 21) angeordnet ist.
Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (5) in oder an einem Gehäuse (30) einer Zündspule (31) befestigt ist.
Zündeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (30) der Zündspule (31) eine Öse (34) aufweist, welche zur Befestigung des Gehäuses (30) am Verbrennungsmotor vorgesehen ist, und dass der Beschleunigungssensor (5) ringförmig ausgebildet an der Öse, vorzugsweise in der Öse (34) angeordnet ist.
Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor im Gehäuse einer Zündeinrichtung vorgesehen ist, durch welche in der Brennkammer eine Koronaentladung erzeugt wird.
Verbrennungsmotor mit einer oder mehreren Brennkammern, welchen jeweils eine Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zugeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (1) in der nahen Umgebung der Zündeinrichtung (3, 23) durch ein Brennraumdach (7) abgeschlossen ist und dass der Beschleunigungssensor (5) im oder auf dem Brennraumdach (7) befestigt ist.
Verwendung einer Zündeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Ermittlung des Zündzeitpunktes und/oder des Verbrennungsdruckes, insbesondere des zeitlichen Verlaufs des Verbrennungsdruckes und/oder der Verbrennungskenngrößen wie z. B. AQ10 und/oder AQ50 und/oder des Geräuschpegels und/oder von Klopfgeräuschen und/oder von Vibrationen, die durch andere Bauteile wie z. B. durch Ausgleichswellen oder Turbolader erzeugt werden und/oder zum Durchführen eines hochbeschleunigten Lebenszyklus-Test (HALT) und/oder zur Ermittlung von Kenngrößen für eine Betriebsfestigkeitsanalyse der Zündeinrichtung.