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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze für einen Verbrennungsmotor mit einem integrierten Drucksensor zur Messung des Brennraumdrucks des Verbrennungsmotors.
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Stand der Technik
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Gesetzliche Vorgaben erfordern die Einhaltung von Abgasgrenzwerten sowie die Überwachung der entsprechenden Systeme und Komponenten. Daher wird bei neuen Brennverfahren unter anderem der Brennraumdruck gemessen, um einen geregelten Betrieb des Verbrennungsprozesses in den Zylindern des Verbrennungsmotors zu realisieren und so die Leistung des Motors und dessen Emissionen zu optimieren. Dabei kann ein Brennraumdrucksensor bei einem Dieselmotor in eine Glühstiftkerze integriert sein. Hierbei muss zum einen die Hauptfunktion der Glühstiftkerze, den Brennraum lokal aufzuheizen und ein zünden des Kraftstoffs insbesondere nach dem Kaltstart zu ermöglichen sichergestellt werden. Zum anderen muss ein Drucksensor in die Glühstiftkerze integriert werden, der von den heißen Brenngasen abgeschirmt werden muss. Aus dem Stand der Technik sind bereits Glühstiftkerzen mit einem integrierten Drucksensor bekannt. So offenbart die
DE 10 2008 009 429 A1 eine Glühkerze mit einem Drucksensor, bei der ein Glühstift der Glühstiftkerze aus einer Öffnung im Gehäuse über das Gehäuseende der Glühstiftkerze hervorragt, wobei er Glühstift von einem Stützrohr umgeben ist. Zur Abdichtung gegenüber dem Brennraum wird in der Regel ein Faltenbalg oder eine verschweißte Metallmembran als Dichtelement verwendet. Bei der Verbindung des Dichtelements mit dem Gehäuse bzw. dem Stützrohr kann es jedoch durch die zyklische thermische Belastung zu lokalen Thermospannungen kommen, welche die Messergebnisse der Druckmessung verfälschen können und somit zu ungenauen Messergebnissen führen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bietet demgegenüber den Vorteil, dass durch eine Isolierung der Dichtmembran die auf die Dichtmembran wirkenden thermischen Kräfte und somit auch die Thermospannungen reduziert sind. Durch die Isolierung wird zusätzlich die thermische Belastung auf den Drucksensor gesenkt, was ebenfalls die Messgenauigkeit verbessert und die Dauerhaltbarkeit erhöht.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Glühstiftkerze möglich.
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Eine erste vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die Mittel zur Isolierung der Dichtmembran einen Luftspalt umfassen. Ein solcher Luftspalt zwischen der Gehäuseöffnung der Glühstiftkerze und der Dichtmembran reduziert den Wärmeeintrag auf die Dichtmembran, welcher durch heiße Gase im Brennraum, welche durch die Gehäuseöffnung eindringen können, verursacht wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Luftspalt durch eine Abschirmung gebildet wird, welche zwischen der Öffnung des Gehäuses und der Dichtmembran angeordnet ist. Eine solche Abschirmung kann beispielsweise durch eine zweite Membran gebildet werden und ist ein einfaches, effektives und kostengünstiges Mittel, um einen solchen Luftspalt auszubilden. Damit wird einen weitestgehend abgeschlossenen Raum geschaffen, welcher die Dichtmembran thermisch isoliert.
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Abschirmung ausschließlich mit dem Glühstift verbunden ist. Durch eine Fixierung der Abschirmung am Glühstift ohne eine weitere Befestigung an dem Gehäuse oder dem Stützrohr kann sich die Abschirmung bei thermischer Belastung mit dem Glühstift ausdehnen und es entstehen keine Thermospannungen. Beispielsweise durch einen schleifenden Kontakt der Abschirmung am Gehäuse oder am Stützrohr wird ein Luftspalt ausgebildet, der weitestgehend dicht ist und einen weitestgehend abgeschlossenen Raum zwischen der Abschirmung und der Dichtmembran schafft.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Abschirmung ausschließlich mit dem Gehäuse verbunden ist. Durch eine Fixierung der Abschirmung am Gehäuse ohne eine zusätzliche Fixierung am Glühstift kann sich die zweite Membran bei thermischer Belastung mit dem Gehäuse ausdehnen und es entstehen keine Thermospannungen. Beispielsweise durch einen schleifenden Kontakt der Abschirmung am Glühstift wird ein Luftspalt ausgebildet, der weitestgehen dicht ist und einen weitestgehend abgeschlossenen Raum zwischen der Abschirmung und der Dichtmembran schafft.
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In einer Weiterbildung der Glühstiftkerze ist vorgesehen, dass die Dichtmembran eine keramische Beschichtung zur Isolation aufweist. Durch eine keramische Beschichtung wird der Wärmeeintrag in die Dichtmembran reduziert, wodurch die thermische Belastung auf die Dichtmembran reduziert wird. Durch die geringere thermische Belastung treten auch weniger Thermospannungen auf, was die Messgenauigkeit sowie die Dauerhaltbarkeit erhöht. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die keramische Beschichtung Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid aufweist.
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Herr Stein, was sind die Vorteile einer solchen Beschichtung mit Yttiurm stabilisiertem Zirkoniumoxid?
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Weiterhin ist mit Vorteil vorgesehen, dass die keramische Beschichtung der Dichtmembran eine Dicke von 1µm bis 100µm aufweist.
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Herr Stein, gibt es hier eine bevorzugte Beschichtungsdicke? 1–100µm ist ein relativ weiter Bereich...
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen der Dichtmembran und der keramischen Beschichtung eine Haftvermittlungsschicht aufgebracht ist. Durch eine Haftvermittlungsschicht kann eine besonders stabile Beschichtung erreicht werden, bzw. es können auch Dichtmembrane beschichtet werden, auf denen eine stabile, direkte Beschichtung nicht möglich ist. Als besonders geeignet haben sich dabei Schichten aus Nickel-Chrom-Aluminium-Yttrium (NiCrAlY) oder Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium (CoCrAlY) erwiesen, welche in einer Hochtemperaturumgebung eine hohe Schutzwirkung vor Oxidationen bzw. Korrosion bieten.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, die Vorteile einer keramisch beschichteten Dichtmembran mit den Vorteilen des isolierenden Luftspaltes zu kombinieren. Durch einen Luftspalt zusätzlich zur keramischen Beschichtung wird die Temperaturbelastung auf die beschichtete Dichtmembran reduziert, wodurch eine Gefahr der Beschädigung der Beschichtung, beispielsweise ein Abplatzen durch thermische Wechselbelastung weiter reduziert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Glühstiftkerze besteht darin, dass die Dichtmembran gewölbt ausgeführt ist. Durch die gewölbte Dichtmembran wird die Krafteinleitung in Längsrichtung der Glühstiftkerze reduziert, was zu geringeren Messfehlern am Drucksensor führt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Dichtmembran konvex in Richtung der Öffnung im Gehäuse der Glühstiftkerze ausgeführt ist.
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Herr Stein, welchen Vorteil hat eine konvexe Dichtmembran gegenüber einen konkaven Dichtmembran?
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einem Drucksensor und einer luftspaltisolierter Dichtmembran.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einem Drucksensor, wobei die Dichtmembran mit einer Wärmedämmschicht beschichtet ist.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einem Drucksensor, wobei die Dichtmembran gewölbt ausgeführt ist und über einen Luftspalt isoliert wird.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze mit einem Drucksensor, wobei die Dichtmembran gewölbt ausgeführt ist und mit einer Wärmedämmschicht beschichtet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
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In 1 ist der brennraumseitige Abschnitt einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze dargestellt. Die Glühstiftkerze 10 weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein Drucksensor 5 angeordnet ist. Der Drucksensor 5 ist an einem Widerlager 6 fixiert. Auf der dem Drucksensor 5 abgewandten Seite des Widerlagers 6 ist in dem Gehäuse eine Auswerteeinheit 7 angeordnet, welche über einen Steckeranschluss 8 am Gehäuse 1 kontaktierbar ist. Das Gehäuse 1 weist an seinem dem Steckeranschluss 8 abgewandten Ende 3 eine Öffnung 2 auf, durch welche ein Heizstift 20 über das Ende 3 des Gehäuses 1 hinausragt. Der Heizstift 20 ist zumindest mittelbar an dem Drucksensor 5 fixiert, so dass eine auf den Heizstift 20 wirkende Kraft auf den Drucksensor 5 übertragen wird, welcher beispielsweise als Piezosensor ausgeführt ist. Zwischen der Öffnung 2 am Ende 3 des Gehäuses 1 und dem Drucksensor 5 ist eine Dichtmembran 12 angeordnet. Zwischen der Dichtmembran 12 und der Öffnung 3 ist ein Luftspalt 15 ausgebildet, welcher in axialer Richtung der Glühstiftkerze durch die Dichtmembran 12 und die Abschirmung 14, und in radialer Richtung durch den Heizstift 20 und das Gehäuse 1 begrenzt wird. Die Glühstiftkerze weist an dem Ende 3 ferner eine Dichtkante 33 auf, über welche eine Abdichtung zwischen dem Gehäuse 1 und einem Verbrennungsmotor erreicht wird, wenn die Glühstiftkerze 10 in den Verbrennungsmotor eingeschraubt ist. Dass Gehäuse 1 weist ferner an seiner Außenseite ein Gewinde auf, über welches die Glühstiftkerze 10 in den Verbrennungsmotor, insbesondere in einen Zylinderkopf des Verbrennungsmotors, eingeschraubt werden kann.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors ist die Glühstiftkerze 10 in den Zylinderkopf des Verbrennungsmotors eingeschraubt und dem Brennraumdruck in einem Zylinder des Verbrennungsmotors ausgesetzt. Der Brennraumdruck in dem Zylinder des Verbrennungsmotors wirkt auf den Heizstift 20 und wird von diesem Heizstift 20 auf den Drucksensor 5 der Glühstiftkerze 20 übertragen. Das heiße Gas in einem Zylinder des Verbrennungsmotors tritt ferner durch die Öffnung 2 am Ende 3 des Gehäuses 1 in das Gehäuse 1 der Glühstiftkerze 20 ein. Auch wenn der Brennraumdruck durch die Öffnung gedrosselt ist, treffen die heißen Verbrennungsgase aus dem Zylinder auf die Abschirmung 14. Um ein Austreten der Verbrennungsgase zu verhindern, ist die Dichtmembran 12 gasdicht mit dem Gehäuse 1 und dem Heizstift 20 verbunden. Der Luftspalt 15 zwischen der Abschirmung 14, welche in diesem Ausführungsbeispiel als eine zweite Membran ausgeführt ist, und der Dichtmembran 12 reduziert den Wärmeeintrag und den auf die Dichtmembran 12 wirkenden Druck. Durch diese Isolation wird der Druck, der auf die Dichtmembran wirkt, reduziert. Ferner kommt es zu einer geringeren Erwärmung der Dichtmembran 12, wodurch geringere thermische Spannungen zwischen Dichtmembran 12, Gehäuse 1 und Heizstift 20 entstehen, so dass ein aus diesen thermischen Spannungen resultierendes Störsignal für eine Druckmessung mittels des Drucksensors 5 reduziert ist. Somit ist die Messgenauigkeit für den Drucksensor 5 der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 10 erhöht.
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3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 10. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 eingegangen.
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Wie in 1 ist eine Dichtmembran 12 vorhanden, welche gasdicht mit dem Gehäuse 1 und dem Heizstift 20 verbunden ist, wobei zwischen der Dichtmembran 12 und der Abschirmung 14 ein Luftspalt ausgebildet ist. Die Dichtmembran 12 ist gewölbt ausgeführt, wobei die Dichtmembran 12 konvex in Richtung der Öffnung 2 im Gehäuse 1 ausgebildet ist. Durch die gewölbte Ausführung ist die Krafteinleitung in Längsrichtung, also in axialer Richtung der Glühstiftkerze 10 reduziert. Durch diese Maßnahme wird ein von der Dichtmembran 12 indizierte Störsignal weiter reduziert, so dass die Messgenauigkeit der Druckmessung des Drucksensors 5 weiter verbessert wird.
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In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 10 offenbart. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 eingegangen. Entgegen dem Ausführungsbeispiel in 1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel keine Abschirmung 14 vorhanden, welche zwischen Abschirmung 14 und Dichtmembran 12 einen Luftspalt 15 ausbildet. Statt dessen weist die Dichtmembran 12 eine keramische Beschichtung 25 auf, welche auf der der Öffnung 2 zugewandten Seite der Dichtmembran 12 aufgebracht ist. Die keramische Beschichtung 25 weist eine Dicke von 1µm bis 100µm, bevorzugt xxµm bis yyµm, auf und bewirkt eine thermische Isolierung der Dichtmembran 12. Um die Haftung der keramischen Beschichtung 25 zu verbessern, kann zwischen der Dichtmembran 12 und der keramischen Beschichtung 25 eine Haftvermittlungsschicht aufgebracht werden. Die Haftvermittlungsschicht ist als MCrALY-Schicht ausgebildet, wobei M für ein Metall steht, bevorzugt Nickel (Ni) oder Kobalt (Co). Die keramische Beschichtung 25 kann beispielsweise Yttrium stabilisiertes Zirkoniumoxid aufweisen. Alternativ ist neben der einseitigen keramischen Beschichtung 25 der Dichtmembran 12 auch eine beidseitige keramische Beschichtung der Dichtmembran 12 möglich.
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In 4 ist ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 10 offenbart. Bei weitestgehend gleichem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 eingegangen.
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Wie in 2 ist eine Dichtmembran 12 vorhanden, welche gasdicht mit dem Gehäuse 1 und dem Heizstift 20 verbunden ist, wobei die Dichtmembran 12 mit einer keramischen Beschichtung 25 und ggf. mit einer zusätzlichen Haftvermittlungsschicht zwischen der Membran und der keramischen Beschichtung 25 beschichtet ist. Die Dichtmembran 12 ist gewölbt ausgeführt, wobei die Dichtmembran 12 konvex in Richtung der Öffnung 2 im Gehäuse 1 ausgebildet ist. Durch die gewölbte Ausführung der Dichtmembran 12 ist die Krafteinleitung in Längsrichtung, also in axialer Richtung der Glühstiftkerze 10 reduziert. Durch diese Maßnahme wird ein von der Dichtmembran 12 indizierte Störsignal weiter reduziert, so dass die Messgenauigkeit der Druckmessung des Drucksensors 5 weiter verbessert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008009429 A1 [0002]
