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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze, mit einem Glühelement, welches über eine mechanisch stabile elektrische Verbindungseinheit mit einer Steckereinheit verbunden ist, wobei wenigstens die elektrische Verbindungseinheit von einem Gehäuse umgeben ist, und einem als Mikrochip ausgebildeten elektronischen Bauteil.
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Um einem Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, ein verbessertes Startverhalten zu ermöglichen, werden in den Zylindern des Verbrennungsmotors Glühstiftkerzen eingesetzt, welche vor dem Start des Verbrennungsmotors durch das Anlegen einer Glühspannung vorgeglüht werden. Dieser Einsatz der Glühstiftkerzen bedingt neben der Verbesserung des Zündverhaltens des Verbrennungsmotors gleichzeitig noch eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs bzw. der Schadstoffemission.
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Aus der
EP 1 001 220 A2 ist eine Stabglühkerze bekannt, die einen Heizstab mit innenliegender Heizwendel aufweist, wobei der Heizstab vom Glühkerzenkörper isoliert ist und mit einem Steck- oder Schraubanschluss zum Versorgungsspannungsanschluss ausgebildet ist. Der Steckanschluss trägt dabei ein elektronisches Bauteil, vorzugsweise einen Chip, und weist einen Anschluss zur Versorgungsspannung, einen Anschluss zum Glührohr und einen Anschluss zum Glühkerzenkörper auf. Das elektronische Bauteil ist als Regel-/Steuerelement der Funktionen der Glühkerze zum Heizen oder zum Messen des Ionenstroms im brennraumseitigen Raum des Heizstabes ausgebildet.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühstiftkerze anzugeben, welche mittels eines kostengünstigen elektronischen Bauteils mit einem Steuergerät kommunizieren kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das elektronische Bauteil als Speichereinheit ausgebildet ist, welche zur Spannungsversorgung und zur Kommunikation mit einem Steuergerät nur eine elektrische Leitung aufweist. Die Verwendung einer kostengünstigen Speichereinheit erlaubt den Eintrag von glühkerzenspezifischen Daten in Form eines Glühprofils sowohl in der Fertigung als auch während der Betriebsdauer in die Glühstiftkerze. Zu solchen Fertigungsdaten können beispielsweise die gemessene Temperatur an der Spitze der Glühstiftkerze, das Herstellungsdatum, eine Identifizierungsnummer oder weitere Temperaturdaten gehören. Während des Einsatzes der Glühstiftkerze in einem Kraftfahrzeug kann ein mit der Glühstiftkerze verbundenes Glühzeitsteuergerät das in der Fertigungsphase in der Glühstiftkerze abgelegte Glühprofil auslesen, wobei diese Daten zur Ansteuerung der Glühstiftkerze zur Einstellung einer gewünschten Glühtemperatur genutzt werden. Streuungen der Fertigung, die zu stark unterschiedlichen Glühtemperaturen führen können, können somit ausgeglichen werden. Darüber hinaus verhindert ein solches Glühprofil den Einsatz von Glühstiftkerzen mit einem nicht passenden Glühprofil in eine Glühzeitsteuerung. Somit kann eine Lebensdauer der Glühstiftkerzen verlängert werden und gleichzeitig ein Beitrag zur Verringerung des Kraftstoffverbrauchs geleistet werden. Die in der Speichereinheit abgespeicherten Betriebsdaten, wie Lebensdauer, Glühzeit und Glühhäufigkeit, können bei der Untersuchung von defekten Glühstiftkerzen zur Eingrenzung der Ursache des Defektes herangezogen werden. Gleichzeitig können durch Auslesen einer Identifizierungsnummer korrekte Ersatzglühstiftkerzen bereitgestellt werden.
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Aufgrund des Vorhandenseins nur einer einzigen elektrischen Leitung, über welche sowohl die Spannungsversorgung der Speichereinheit erfolgt als auch eine Kommunikation mit dem die Glühstiftkerze steuernden Steuergerät ausgeführt wird, vereinfacht sich die Montage der Speichereinheit in der Glühstiftkerze. Die Nutzung einer solchen als bidirektionale Datenleitung ausgebildeten elektrischen Leitung ist außerdem platzsparend, weshalb die Speichereinheit einfach in der Glühstiftkerze positioniert werden kann. Die Speichereinheit hat somit nicht nur die Aufgabe, Daten zu speichern, sondern erlaubt gleichzeitig über nur eine elektrische Leitung das Senden und das Empfangen von Daten.
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Vorteilhafterweise ist die elektrische Leitung über einen Vorwiderstand mit einer elektrisch leitenden Komponente der Glühstiftkerze kontaktiert. Der Vorwiderstand ermöglicht eine aufwandsarme elektrische Anpassung der elektrischen Leitung der Speichereinheit an die leitende Komponente, über welche sowohl die Spannungsversorgung als auch die bidirektionale Kommunikation mit dem Steuergerät realisiert wird.
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Vorzugsweise ist das Glühelement als Glühwendel ausgebildet, welches von einem Glührohr umgeben ist. Eine solche auch als metallische Glühstiftkerze bezeichnete Glühstiftkerze weist genügend Raum innerhalb der Glühstiftkerze auf, um die Speichereinheit aufzunehmen.
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In einer Variante ist die Speichereinheit im Glührohr angeordnet, wobei die elektrische Leitung der Speichereinheit an die, als elektrisch leitende Komponente ausgebildete Glühwendel angebunden ist und eine Masseleitung vorzugsweise mit dem Glührohr verbunden ist. Da die Glühwendel direkt über die elektrische Verbindungseinheit mit der Steckereinheit verbunden ist, die an das Steuergerät führt, sind für die Kommunikation der Speichereinheit mit dem Steuergerät keine Modifikationen am Stecker, an der Verkabelung oder an dem Steuergerät notwendig. Dadurch wird die Herstellung der Glühstiftkerze mit der Speichereinheit vereinfacht, wobei gleichzeitig Kosten reduziert werden.
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In einer Weiterbildung ist die Speichereinheit in einem Hohlraum zwischen der elektrischen Verbindungseinheit und dem Gehäuse angeordnet, wobei die Masseleitung der Speichereinheit mit dem Gehäuse und die elektrische Leitung der Speichereinheit mit der, als elektrisch leitende Komponente dienenden elektrischen Verbindungseinheit verbunden ist. Der zwischen der elektrischen Verbindungseinheit und dem Gehäuse vorhandene Hohlraum eignet sich besonders, eine Speichereinheit, welches als Mikrochip ausgebildet ist, aufzunehmen.
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In einer Ausführungsform ist diese Speichereinheit in ein Kunststoffelement integriert, welches die elektrische Verbindungseinheit umgibt und vorzugsweise den Abstand zwischen Gehäuse und elektrischer Verbindungseinheit annähernd vollständig ausfüllt. Dieses Kunststoffelement übernimmt dabei die Aufgabe des Trägers für die Speichereinheit und gewährleistet gleichzeitig eine elektrische Isolierung zwischen der Speichereinheit, dem Gehäuse und der elektrischen Verbindungseinheit.
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In einer weiteren Variante ist die Speichereinheit in oder an einem Isolationselement angeordnet, welches die elektrische Verbindungseinheit an einem, dem Glühelement abgewandten Ende umgibt, wobei das Isolationselement zwischen der Steckereinheit und der elektrischen Verbindungseinheit angeordnet ist und die Steckereinheit an der elektrischen Verbindungseinheit fixiert ist. Durch die Nutzung des Isolationselementes als Trägerelement für die Speichereinheit entfällt die Notwendigkeit der Anordnung eines Kunststoffelementes in dem Gehäuse der Glühstiftkerze. Die Steckereinheit drückt gleichzeitig auf das Isolationselement und fixiert dieses. Dadurch wird die Montage der Glühstiftkerze weiter vereinfacht.
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Vorteilhafterweise ist die Speichereinheit in das Isolationselement integriert, wobei die elektrische Leitung der Speichereinheit an die elektrische Verbindungseinheit als elektrisch leitende Komponente angeschlossen ist, während die Masseleitung an das Gehäuse geführt ist. Somit sind die Speichereinheit sowie die elektrische Leitung als auch die Masseleitung durch das Isolationselement elektrisch ausreichend isoliert, so dass Kurzschlüsse innerhalb der Glühstiftkerze vermieden werden.
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Alternativ ist die Speichereinheit in das Isolationselement integriert, wobei die elektrische Leitung der Speichereinheit mit einem, als elektrisch leitende Komponente ausgebildeten Steckelement der Steckereinheit kontaktiert ist, während die Masseleitung am Gehäuse angeschlossen ist. Auch diese Anordnung der elektrischen Leitung der Speichereinheit an dem Steckelement unterbindet vorteilhaft weitere Modifikationen der Glühstiftkerze zur Kontaktierung der Speichereinheit, da lediglich die an sich in der Glühstiftkerze vorhandenen elektrisch leitenden Komponenten genutzt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung besteht das Glühelement aus einem Heizleiter, welcher in einem keramischen Material eingebettet ist. Somit kann die Speichereinheit auch einfach in eine Keramikglühstiftkerze integriert werden.
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In einer Variante ist die Speichereinheit innerhalb des keramischen Materials angeordnet und die elektrische Leitung der Speichereinheit mit einem spannungsführenden Kontakt des Heizleiters und die Masseleitung mit einem Massekontakt des Heizleiters verbunden. Dadurch ist sowohl die elektrische Leitung als auch die Masseleitung des Speicherelementes in dem keramischen Material eingebettet und entsprechend isoliert.
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Alternativ ist die Speichereinheit außerhalb des keramischen Materials in einem Stützrohr angeordnet, welches einen Anschlussdraht umgibt, der den spannungsführenden Kontakt des Heizleiters mit der elektrischen Verbindungseinheit verbindet, wobei die elektrische Leitung der Speichereinheit an den Anschlussdraht kontaktiert ist, während die Masseleitung an das Stützrohr geführt ist. Bei dieser Ausgestaltung ist eine besonders einfache Montage der Speichereinheit in der Glühstiftkerze möglich, da innerhalb des Stützrohrs ausreichend Raum für die Speichereinheit vorhanden ist.
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In einer Weiterbildung ist die Speichereinheit mit einem in der Glühstiftkerze positionierten Sensorelement über eine Datenleitung verbunden. Mittels solcher zusätzlicher Sensorelemente, die Informationen über den Betriebszustand der Glühstiftkerze während des Einsatzes im Kraftfahrzeug liefern, können die aktuellen, in die Speichereinheit abgespeicherten Betriebsdaten ständig aktualisiert werden. Es ist somit nur eine Datenleitung notwendig, um das Steuergerät in die Lage zu versetzen, alle relevanten Daten über die Glühstiftkerze aus der nur einen Speichereinheit auszulesen und für die Ansteuerung der Glühstiftkerze zu nutzen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Einige davon sollen anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden. Es zeigt:
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1: Prinzipdarstellung eines Glühsystems in einem Kraftfahrzeug
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2: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einer Speichereinheit
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3: ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einer Speichereinheit
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4: ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einer Speichereinheit
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5: ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einer Speichereinheit
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6: ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einer Speichereinheit
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7: ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einer Speichereinheit.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Kalte Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren, benötigen bei Umgebungstemperaturen von < 40°C eine Starthilfe zur Zündung des in den Verbrennungsmotor eingeleiteten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Als Starthilfe werden Glühsysteme eingesetzt, welche aus Glühstiftkerzen, einem Glühzeitsteuergerät und einer Glühsoftware, die in einem Motorsteuergerät oder dem Glühzeitsteuergerät abgelegt ist, besteht. Außerdem werden Glühsysteme auch zur Verbesserung der Emission von Kraftfahrzeugen genutzt. Weitere Einsatzgebiete des Glühsystems bestehen in Brennerabgassystemen, bei der Standheizung, bei der Vorwärmung von Kraftstoff oder der Vorwärmung des Kühlwassers.
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1 zeigt ein solches Glühsystem 1 für ein Kraftfahrzeug, welches über ein Motorsteuergerät 7 mit dem Verbrennungsmotor 12 verbunden ist. Das Glühsystem 1 weist dabei mehrere Glühstiftkerzen 2a bis 2n auf, wobei jede Glühstiftkerze 2a bis 2n in jeweils einem Zylinder eines nicht weiter dargestellten Brennraumes des Verbrennungsmotors 12 ragt. Die Glühstiftkerzen 2a bis 2n sind identisch aufgebaut. In 1 sind die Glühstiftkerzen 2a bis 2n der Einfachheit halber als Ersatzwiderstand dargestellt, welche an die Masse 3 des Verbrennungsmotors 12 führen. Die Glühstiftkerzen 2a bis 2n sind mit dem Glühzeitsteuergerät 4 verbunden. Das Glühzeitsteuergerät 4 umfasst einen Mikrocontroller und/oder ein ASIC 5 zur Verarbeitung ein- und ausgehender Signale. Weiterhin ist eine Bordnetzspannung 6 mit dem Glühzeitsteuergerät 4 verbunden, welche die Glühstiftkerzen 2a bis 2n mit der erforderlichen Effektivspannung versorgt. Das Glühzeitsteuergerät 4 führt an das Motorsteuergerät 7. Das Motorsteuergerät 7 und das Glühzeitsteuergerät 4 weisen eine Schnittstelle auf, die im vorgegebenen Fall als Zweidrahtverbindung 10, 11 ausgebildet ist, welche aber auch als Eindrahtverbindung ausgeführt werden kann. Über diese Schnittstelle werden Daten zwischen dem Motorsteuergerät 7 und dem Glühzeitsteuergerät 4 ausgetauscht, wobei darüber sowohl die Ansteuerung des Glühzeitsteuergerätes 4 erfolgt als auch die Diagnosekommunikation. Das Glühzeitsteuergerät 4 gibt an die Glühstiftkerzen 2a bis 2n ein pulsbreitenmoduliertes Ausgangssignal ab, welches an der jeweiligen Glühstiftkerze 2a bis 2n die erforderliche Glühstiftkerzenansteuerspannung und somit die Glühtemperatur einstellt.
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Die Glühstiftkerzen 2a bis 2n des Glühsystems 1 weisen dabei ein annähernd gleiches Glühprofil auf und sind gleich ausgestaltet, weshalb im Weiteren als Beispiel nur die Glühstiftkerze 2a betrachtet werden soll. In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für die Glühstiftkerze 2a dargestellt, bei welcher nur ein Ausschnitt betrachtet wird. Ein Gehäuse 13 umschließt dabei eine als Anschlussbolzen bezeichnete mechanisch stabile, elektrische Verbindungseinheit 14, an welcher eine elektronische Speichereinheit 15 über einen Vorwiderstand 16 angeschlossen ist. Die Speichereinheit 15 ist dabei über nur eine einzige elektrische Leitung 17 an die elektrische Verbindungseinheit 14 geführt, wobei über die Leitung 17 die Spannungsversorgung der Speichereinheit 15 und gleichzeitig auch ein Datenaustausch mit dem Glühzeitsteuergerät 4 erfolgt. Eine Masseleitung 18 verbindet die Speichereinheit 15 mit dem Gehäuse 13.
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In 3 ist die als Metallglühstiftkerze 19 ausgebildete Glühstiftkerze 2a dargestellt, welche ein Glührohr 20 aufweist, in dem sich eine elektrisch leitende Glühwendel 21 erstreckt. Die Glühwendel 21 ist über eine Steck-Stemm-Verbindung 22 mit der elektrischen Verbindungseinheit 14 verbunden, die von dem Gehäuse 13 umgeben ist, welches teilweise auch das Glührohr 20 umschließt. Das Gehäuse 13 weist einen Hohlraum 23 auf, welcher gegen eine Steckereinheit 24 mit einem Kunststoffstopfen 25 abgedichtet ist. Zwischen dem Kunststoffstopfen 25 und der Steckereinheit 24 ist ein Isolationselement 26 in Form einer Scheibe angeordnet. Der Kunststoffstopfen 25 sowie das Isolationselement 26 sind ringähnlich ausgebildet und nehmen die elektrische Verbindungseinheit 14 auf, welche durch den Kunststoffstopfen 25 und das Isolationselement 26 hindurch in die Steckereinheit 24 eingreift. Die Speichereinheit 15 ist im Glührohr 20 angeordnet, wobei die elektrische Leitung 17 der Speichereinheit 15 an die Glühwendel 21 geführt ist, während die Masseleitung 18 an dem Glührohr 20 anliegt. Da die elektrische Spannungsversorgung als auch die Kommunikation des Glühzeitsteuergerätes 4 mit der Glühstiftkerze 2a über die elektrisch leitenden Komponenten der Glühstiftkerze 2a, wie Glühwendel 21, elektrische Verbindungseinheit 14 und Steckereinheit 24, erfolgt, ist durch die Anbindung der elektrischen Leitung 17 der Speichereinheit 15 an die Glühwendel 21 die Kommunikation der Speichereinheit 15 mit dem Glühzeitsteuergerät 4 gewährleistet.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Anordnung der Speichereinheit 15 in der Metallglühstiftkerze 19 dargestellt. Die Speichereinheit 15 ist dabei in dem Hohlraum 23 zwischen Gehäuse 13 und elektrischer Verbindungseinheit 14 positioniert, wobei diese in einen Kunststoffring 27 integriert ist. Der Kunststoffring 27 füllt dabei den Abstand zwischen dem Gehäuse 13 und der elektrischen Verbindungseinheit 14 annähernd vollständig aus, wodurch nicht nur die Speichereinheit 15 elektrisch isoliert wird, sondern gleichzeitig das elektrische Verbindungselement 14 mechanisch stabilisiert wird. Die elektrische Kontaktierung erfolgt bei dieser Ausgestaltung hinsichtlich der Masseleitung 18 an dem Gehäuse 13, während die elektrische Leitung 17 mit der elektrischen Verbindungseinheit 14 verbunden ist.
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In 5 ist die Speichereinheit 15 in dem Isolationselement 26 integriert, wobei es vorzugsweise umspritzt ist. Bei dieser Anordnung ergeben sich zwei Möglichkeiten der elektrischen Kontaktierung der Masseleitung 18 und der elektrischen Leitung 17 der Speichereinheit 15 mit den an sich in der Metallglühstiftkerze 19 vorhandenen elektrisch leitenden Komponenten. In einer ersten Ausführung erfolgt die elektrische Anbindung der elektrischen Leitung 17 der Speichereinheit 15 an die elektrische Verbindungseinheit 14, während die Masseleitung 18 an dem Gehäuse 13 kontaktiert ist. Alternativ dazu kann die elektrische Anbindung der elektrischen Leitung 17 der Speichereinheit 15 auch über ein nicht weiter dargestelltes Steckelement der Steckereinheit 24 erfolgen, welches direkt mit der elektrischen Verbindungseinheit 14 verbunden ist. Die Masseleitung 18 wiederum ist am Gehäuse 13 kontaktiert.
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6 zeigt die als Keramikglühstiftkerze 28 ausgebildete Glühstiftkerze 2a, welche einen Heizleiter 29 umfasst, der in einem keramischen Material 30 eingebettet ist. Der Heizleiter 29 weist dabei zwei Wolframdrähte 31, 32 auf, wobei ein Wolframdraht 31 den Heizleiter 29 mit einem, eine Versorgungsspannung führenden Kontakt 33 verbindet. Der zweite Wolframdraht 32 stellt eine Verbindung zwischen dem Heizleiter 29 und einem Massekontakt 34 her, welcher vorzugsweise an einem als Stützrohr 35 ausgebildeten Gehäuse aufliegt. An dem mit einer Versorgungsspannung beaufschlagten Kontakt 33 ist ein Anschlussdraht 36 kontaktiert, welcher das Heizelement 29 mit der nicht weiter dargestellten elektrischen Verbindungseinheit 14 verbindet. Die Speichereinheit 15 ist bei dieser Ausführungsform innerhalb des keramischen Materials 30 angeordnet. Dabei ist es vorteilhafterweise direkt auf dem Wolframdraht 31 positioniert, welcher den Heizleiter 29 mit dem elektrischen Kontakt 33 verbindet. Die elektrische Leitung 17 wird dabei direkt mit dem elektrischen Kontakt 33 verbunden, während die Masseleitung 18 an den zweiten elektrischen Kontakt 34 führt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anordnung der Speichereinheit 15 in der Keramikglühstiftkerze 28 ist in 7 dargestellt, bei welcher die Speichereinheit 15 innerhalb des Stützrohres 35 angeordnet ist. Zur Realisierung einer Datenverbindung mit dem Glühzeitsteuergerät 4 und der Versorgung mit elektrischer Spannung ist die elektrische Leitung 17 der Speichereinheit 15 mit dem Anschlussdraht 36 kontaktiert, während die Masseleitung mit dem Stützrohr 35 in Verbindung steht.
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Da die als Mikrochip ausgebildete Speichereinheit 15 eine geschätzte Größe von 1 bis 2 mm2 aufweist, ist es einfach, diese aufgrund der geringen Ausdehnung in den unterschiedlichsten Varianten innerhalb der Glühstiftkerze 2a unterzubringen. Für die Funktion der Speichereinheit 15 ist lediglich eine einzige elektrische Leitung 17 notwendig, über welche sowohl die Spannungsversorgung als auch die Kommunikation mit dem Glühzeitsteuergerät 4 in Form von Senden und Empfangen ausgeführt wird. Neben dieser elektrischen Leitung 17 ist lediglich noch ein Masseanschluss 18 erforderlich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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