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Die Erfindung betrifft eine Glühkerze mit
einem Verbrennungsdrucksensor, der zur Erfassung des Verbrennungsdrucks
in einer Verbrennungskammer eines Motors dient.
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Die Schnittansicht in 7 zeigt eine herkömmliche
Glühkerze
mit Verbrennungsdrucksensor, wie sie in der JP 2001-124336 A offenbart
ist (vgl. Seiten 3-5 in Verbindung mit 1).
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Die in 7 gezeigte
Glühkerze
J100 hat ein zylinderförmiges
Gehäuse 201,
das mit Hilfe eines an der Außenfläche des
Gehäuses 201 befindlichen
Gewindes 201b in einen Motorkopf 1 eingeschraubt wird,
so dass sich ein Ende von ihm in einer Verbrennungskammer 1a des
Motors befindet.
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Darüber hinaus ist innerhalb des
Gehäuses 201 ein
Rohrbauteil 202 befestigt, von dem ein Ende aus dem einen
Ende des Gehäuses 201 herausragt und
das an einem Befestigungsabschnitt K1 an dem einen Ende des Gehäuses 201 durch
Schweißen oder
Presspassung befestigt ist. Innerhalb des Rohrbauteils 202 befindet
sich ein Heizbauteil 203, wobei zwischen dem Rohrbauteil 202 und
dem Heizbauteil 203 ein Isolierpulver 205 eingefüllt ist,
wodurch sich ein Heizelement 206 ergibt.
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Innerhalb des Gehäuses 201 befindet
sich außerdem
eine als Metallelektrode dienende Innenachse 204, von der
ein Ende elektrisch mit dem Heizbauteil 203 verbunden ist,
während
ihr anderes Ende aus dem anderen Ende des Gehäuses 201 herausragt.
Das eine Ende der Innenachse 204 ist dabei an dem Rohrbauteil 202 befestigt,
während
das andere Ende der Innenachse 204 über einen zylinderförmigen Ring 207 (Dichtungsbauteil)
an dem Gehäuse 201 befestigt
ist.
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Schließlich befindet sich an dem
anderen Ende des Gehäuses 201 ein
Verbrennungsdrucksensor 300, der durch eine an dem anderen
Ende der Innenachse 204 vorgesehene Mutter 211 an
dem Gehäuse 201 befestigt
wurde. Der Verbrennungsdrucksensor 300 besteht aus einer
piezoelektrischen Vorrichtung, die, wenn in dem Motor ein Verbrennungsdruck
erzeugt wird, auf Grundlage der Übertragung einer
auf das Rohrbauteil 202 wirkenden Kraft den Verbrennungsdruck
erfasst.
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Die Glühkerze J100 wird durch eine
durch den Verbrennungsdruck (den Druck innerhalb der Verbrennungskammer 1a)
bedingte Axiallast in sehr kleine Schwingungen versetzt. Die an
dem Rohrbauteil 202 befestigte Innenachse 204 wird
durch die Verschiebung des Rohrbauteils 202 ebenfalls in Schwingungen
versetzt, wodurch sich die von der Mutter 211 auf den Verbrennungsdrucksensor 300 ausgeübte Last ändert und
auf Grundlage eines Signals von dem Verbrennungsdrucksensor 300 der Verbrennungsdruck
erfasst werden kann.
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In letzter Zeit setzt sich bei Dieselmotoren aufgrund
des geringeren Kraftstoffverbrauchs und von Regulierungen zur Abgasemission
die Direkteinspritzung durch. Durch diese Änderungen im Motorsystem kommt
es auch zu Änderungen
der Glühkerze.
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Genauer gesagt wird nicht nur der
Motorkopf dicker, sondern kommen auch Vier-Ventil-Motoren zum Einsatz,
die den Einbauplatz für
die Glühkerze verringern,
so dass die Glühkerze
verglichen mit einer herkömmlichen
Glühkerze für herkömmliche
Motoren ungefähr
zweimal so lang sein muss.
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Demzufolge ist auch die Innenachse 204 etwa
zweimal länger,
so dass der Stützabstand "t" zwischen den beiden Befestigungspunkten
der Innenachse 204 zum Beispiel etwa 80 mm betragen kann.
Daher verschiebt sich die Resonanzfrequenz der Innenachse 204 zu
einem niedrigeren Frequenzbereich von beispielsweise weniger als
5 kHz hin und wird die Schwingungsamplitude größer, weshalb die mechanischen
Schwingungen der Innenachse 204 auch bis zum Verbrennungsdrucksensor 300 übertragen
werden und das Verbrennungsdrucksignal von einem mechanischen Schwingungsrauschen überlagert
wird, das das Signal-Rausch-Verhältnis (SRV) des
Sensorsignals senkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Rauschen, das durch die Schwingung einer Innenachse einer Glühkerze mit
Verbrennungsdrucksensor hervorgerufen wird und das Sensorausgangssignal überlagert,
zu unterdrücken,
und zwar auch dann, wenn die Innenachse länger wird.
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Die Erfindung sieht hierzu eine Glühkerze für einen
Motor vor, die die folgenden fünf
Elemente enthält:
(1) ein Gehäuse,
von dem ein Ende an einem Motorkopf zu befestigen ist; (2)
ein Rohrbauteil, das innerhalb des Gehäuses gehalten wird und aus
dem einen Ende des Gehäuses
herausragt; (3) ein Heizelement, das sich innerhalb des
Rohrbauteils befindet; (4) eine Innenachse, die innerhalb
des Gehäuses
gehalten wird, von der ein Ende in das Rohrbauteil eingeführt ist
und die elektrisch mit dem Heizelement verbunden ist; und (5)
einen Verbrennungsdrucksensor, der an dem anderen Ende des Gehäuses innerhalb
des Gehäuses
gehalten wird und einen über
die Innenachse übertragenen
Verbrennungsdruck erfasst. Diese Elemente hängen miteinander wie folgt zusammen:
Während
das eine Ende der Innenachse an dem Rohrbauteil befestigt ist, ist
das andere Ende der Innenachse an dem Gehäuse befestigt; und zwischen
dem einen und dem anderen Ende der Innenachse befindet sich um die
Innenachse herum mindestens ein Schwingungsdämpfer, um eine Schwingung der
Innenachse zu dämpfen.
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Durch den Schwingungsdämpfer kann
die Schwingung der Innenachse auch dann unterdrückt werden, wenn eine längere Innenachse
gewählt
wird, um sich den vom Motor vorgegebenen Bedingungen anzupassen.
Daher kann auch das durch die Schwingung der Innenachse bedingte
Rauschen beim Verbrennungsdruck unterdrückt werden.
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Darüber hinaus ergaben die Versuchsergebnisse
der Erfinder, dass es vorzuziehen ist, wenn der Abstand zwischen
dem mindestens einen Schwingungsdämpfer und dem einen Ende der
Innenachse kleiner oder gleich 40 mm ist; bei mehreren Schwingungsdämpfern der
Abstand zwischen den Schwingungsdämpfen kleiner oder gleich 40
mm ist; und der Abstand zwischen dem mindestens einen Schwingungsdämpfer und
dem anderen Ende der Innenachse kleiner oder gleich 40 mm ist.
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Wenn also der Stützabstand (Länge des
unbefestigten Abschnitts der Innenachse) kleiner oder gleich 40
mm ist, kann der Rauschpegel des Verbrennungsdrucksignals auf das
für den
praktischen Einsatz erforderliche Niveau gedrückt werden.
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Darüber hinaus ergaben die Versuchsergebnisse
der Erfinder, dass es vorzuziehen ist, wenn die Härte des
Schwingungsdämpfers
größer oder
gleich einem Durometerwert von A10 und kleiner oder gleich einem
Durometerwert von D90 ist.
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Wenn der Schwingungsdämpfer zu
weich ist, ist die die Innenachse haltende Kraft zu schwach. Wenn
er dagegen zu hart ist, wird die Innenachse zu stark festgehalten,
wodurch verhindert wird, dass der Verbrennungsdruck über die
Innenachse auf den Drucksensor übertragen
wird. Daraus ergibt sich der oben angegebene geeignete Bereich für die Schwingungsdämpferhärte.
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Schließlich werden für den Schwingungsdämpfer vorzugsweise
Gummi oder Harz eingesetzt.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen folgt
nun eine Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Es zeigen:
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1 im
Schnitt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Glühkerze mit einem Verbrennungsdrucksensor,
die an einem Motorkopf eines Dieselmotors befestigt ist;
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2 vergrößert im
Schnitt den Verbrennungsdrucksensor;
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3 einen
Teilschnitt der erfindungsgemäßen Glühkerze,
anhand dem ein vereinfachtes Modell der Übertragungswege des Verbrennungsdrucks erläutert wird;
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4A und 4B die Wellenform des Verbrennungsdrucks,
wie sie von einem Drucksensor und einem Druckmessstreifen erfasst
wird;
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5 den
experimentellen Zusammenhang zwischen einem Rauschverhältnis in
Prozent und der Härte
des Schwingungsdämpfers,
wobei das Rauschverhältnis
dem Verhältnis
der Rauschbreite zur Peakhöhe "h" in der in
4A gezeigten Sensordruckwellenform entspricht;
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6 eine
abgewandelte erfindungsgemäße Glühkerze,
bei der sich zwischen dem ersten und zweiten Befestigungsabschnitt
der in das Gehäuse der
Glühkerze
eingeführten
Innenachse mehrere Schwingungsdämpfer
befinden; und
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7 im
Schnitt eine herkömmliche
Glühkerze
mit einem Verbrennungsdrucksensor, wie sie in der JP 2001-124336
A offenbart ist.
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Glühkerzenaufbau
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1 zeigt
im Schnitt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Glühkerze mit
einem Verbrennungsdrucksensor, die an einem Motorkopf eines Dieselmotors
befestigt ist.
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Die Glühkerze 100 enthält: einen
Kerzenkörper 200,
der mit einem Heizelement versehen ist und den Verbrennungsdruck überträgt; und
einen Verbrennungsdrucksensor 300, der einen Verbrennungsdruck
erfasst, indem eine aufgrund des Verbrennungsdrucks auf den Kerzenkörper 200 aufgebrachte
Kraft in ein piezoelektrisches Signal umgewandelt wird.
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Der Kerzenkörper 200 umfasst:
ein zylinderförmiges
Metallgehäuse 201,
das so in einen Motorkopf 1 eingeschraubt ist, dass sein
eines Ende (Unterseite) in der Verbrennungskammer 1a angeordnet ist,
während
sein anderes Ende (Oberseite) außerhalb des Motorkopfes 1 angeordnet
ist; ein zylinderförmiges
Rohrbauteil (Mantelrohr) 202, das so in dem Gehäuse 201 befestigt
ist, dass sein eines Ende aus dem Gehäuse 201 herausragt,
während
sein anderes Ende innerhalb des Gehäuses 201 befestigt ist; ein
Heizbauteil (Heizspirale) 203, die an dem einen Ende des
Rohrbauteils 202 befestigt ist; und eine als Stabelektrode
dienende Innenachse 204, die so innerhalb des Gehäuses 201 befestigt
ist, dass ihr eines Ende in das Rohrbauteil 202 eingeführt und
elektrisch mit dem Heizbauteil 203 verbunden ist, während ihr
anderes Ende aus dem anderen Ende des Gehäuses 201 herausragt.
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Der Motorkopf 1 hat ein
Innengewinde, in das in Kerzenachsenrichtung (Kerzenlängsrichtung) das
Außengewinde
des Kerzenkörpers 200 eingeschraubt
wird.
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Das Gehäuse 201 besteht aus
einem schwefelfreien Automatenstahl oder Kohlenstoffstahl. Der Radius
des einen Endes (unteres Ende oder Verbrennungskammerseite) des
Gehäuses 201 ist
kleiner als der seines gestuften anderen Endes. Das eine Ende des
Gehäuses 201 ist
mit einem Gewinde 201b versehen.
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Um die Außenfläche des anderen Endes des Gehäuses 201 herum
ist ein Sechskantkopf 201a ausgebildet, um den Kerzenkörper 200 in
den Motorkopf 1 einschrauben zu können. Ein Teil jeder Ecke des
Sechskantkopfes 201 kann teilweise entfernt werden, um
die Größe seiner
Außenform
zu verringern.
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Des weiteren ist an dem einen Ende
(unteren Ende) des Gehäuses 201 eine
konisch zulaufende Sitzfläche 201c ausgebildet,
die in eng mit einer weiteren Sitzfläche des Innengewindes des Motorkopfs 1 abschließt, um dadurch
das Entweichen von Gas zu verhindern.
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Das Rohrbauteil (Mantelrohr) 202 besteht aus
einer wärmebeständigen und
korrosionsbeständigen
Legierung wie dem Edelstahl SUS310. Die Spitze des einen Endes des
Rohr- Bauteils 202,
das mit dem aus NiCr und CoFe bestehenden Heizelement (Heizspirale) 203 versehen
ist, ist geschlossen und ragt aus dem einen Ende des Gehäuses 201 heraus,
während
sein anderes, innerhalb des Gehäuses 201 gelegenes
Ende offen ist.
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Das eine Ende (unteres Ende) der
Innenachse 204 ist in das andere Ende (oberes Ende) des Rohrbauteils 202 eingeführt. Das
andere Ende (oberes Ende) des Heizbauteils 203 ist an dem
einen Ende (unteres Ende) des Rohrbauteils 202 befestigt, während das
eine Ende (unteres Ende) des Heizbauteils 203 an dem einen
Ende (unteres Ende) der Innenachse 204 befestigt ist. Darüber hinaus
ist zwischen dem Heizbauteil 203 bzw. der Innenachse 204 und
dem Rohrbauteil 202 ein Isolierpulver 205 wie Magnesiumoxid
eingefüllt.
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Die Innenfläche des Rohrbauteils 202 wurde durch
Gesenkschmieden bearbeitet, um die Fülldichte des Isolierpulvers 205 zu
erhöhen,
wodurch nicht nur die Wärmeleitfähigkeit
gesteigert, sondern auch die Kraft erhöht wird, mit der die Innenachse 204 und das
Heizelement 203 gehalten werden.
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Das Rohrbauteil 202, das
Heizbauteil 203 und das Isolierpulver 205 bilden
dabei ein Heizelement 206, das innerhalb des einen Endes
des Gehäuses 201 befestigt
ist. Die Spitze des Heizelements 206 (das eine Ende des
Rohrbauteils 202) befindet sich dabei in der Verbrennungskammer 1a.
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Die Außenfläche des Heizelements 206 (Außenfläche des
Rohrbauteils 202) befindet sich mit der Innenfläche des
Gehäuses 201 in
Presspassung oder ist mit dieser verschweißt, wodurch sich der Befestigungsabschnitt
K1 ergibt. Daher kann das Kraftstoffverbrennungsgas aus der Verbrennungskammer 1a nicht
in das Innere des Gehäuses 201 eindringen. Der
Befestigungsabschnitt K1 bedeckt die Innenumfangsfläche des
Heizelements 206 und des Gehäuses 201 in Axialrichtung.
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Abgesehen davon befindet sich zwischen dem
anderen Ende des Rohrbauteils 202 und der Innenachse 204 ein
Dichtungsbauteil 205a, um die Bewegung des Isolationspulvers 205 während des
Gesenkschmiedens einzuschränken.
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Darüber hinaus wurde von dem anderen Ende
(oberes Ende) der Innenachse 204 aus an der Innenseite
des anderen Endes (oberes Ende) des Gehäuses 201 ein zylinderförmiger Ring 207 aus
beispielsweise Silikongummi, fluorhaltigem Gummi, EPDM, NBR oder
H-NBR eingeführt.
Der zylinderförmige
Ring 207 dient zum Zentrieren und Unterdrücken von
Schwingungen der Innenachse 204 und soll die Wasser- und Luftdichtheit
des Gehäuses 201 sicherstellen.
Wenn die Innenfläche
des Gehäuses 201,
die den zylinderförmigen
Ring 207 berührt,
konisch zuläuft,
können
beide einen noch engeren Kontakt eingehen, was die Wasser- und Luftdichtheit
verbessert.
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Darüber hinaus befindet sich an
dem anderen Ende der Innenachse 204 eine Isolierbuchse 210 aus
beispielsweise Harz (Phenolharz, PPS, Schichtmika bzw. Mikanat)
oder einer Keramik wie Aluminiumoxid. Davon abgesehen ist in dem
Sechskantkopf 201a ein Loch 201d und zwischen
dem Loch 201d und der Außenfläche der Innenachse 204 ein
Aufnahmeabschnitt 201e ausgebildet.
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Der zylinderförmige Verbrennungsdrucksensor 300 wird
demzufolge vom Aufnahmeabschnitt 201e aufgenommen. Nach
dem Befestigen des Verbrennungsdrucksensors 300, wird die Isolierbuchse 210 über die
Innenachse 204 geschoben und die Mutter 211 an
einem Gewinde 204a festgezogen, so dass der Verbrennungsdrucksensor 300 durch
eine Axialkraft der Mutter 211 nach unten gedrückt wird.
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Darüber hinaus wird zwischen der
Innenfläche
des Lochs 201d und einer Außenfläche des Verbrennungsdrucksensors 300 ein
O-Ring 208 angeordnet und ein zylinderförmiger Ring 209 zwischen die
Innenfläche
des Verbrennungsdrucksensors 300 und die Außenfläche der
Innenachse 204 gesetzt. Der O-Ring 208 und der
zylinderförmige
Ring 209 bestehen beispielsweise aus Silikongummi, fluorhaltigem
Gummi, EPDM, NBR oder H-NBR. Der O-Ring 208 dient dazu,
die Wasser- und Luftdichtheit des Gehäuses 201 zu gewährleisten,
während
der zylinderförmige
Ring 209 dazu dient, sowohl die Wasser- und Luftdichtheit
des Gehäuses 201 zu
gewährleisten
als auch die Schwingungen der Innenachse 204 zu unterdrücken. Wenn
die Innenumfangsfläche
des Verbrennungsdrucksensors 300, die den zylinderförmigen Ring 209 berührt, konisch
zuläuft,
können
beide in noch engeren Kontakt treten, was die Wasser- und Luftdichtheit
verbessert.
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Darüber hinaus ist der Verbrennungsdrucksensor 300 durch
die Isolierbuchse 210 elektrisch von der Mutter 211 und
durch den zylinderförmigen Ring 209 elektrisch
von der Innenachse 204 isoliert.
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Schließlich wird durch eine Mutter 212 eine Verbindungsschiene 2 an
dem Gewinde 204a befestigt, die elektrisch mit einer nicht
gezeigten Stromversorgung und über
die Innenachse 204, das Heizbauteil 203, das Rohrbauteil 202 und
das Gehäuse 201 mit
dem Motorkopf 1 verbunden ist. Der Motorkopf 1 ist
dabei geerdet.
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Die oben beschriebene Glühkerze 100 erzeugt
durch das Heizelement 206 Wärme, um die Zündung des
Dieselmotors zu unterstützen.
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Es ist vorzuziehen, wenn für die Verbindungen
zwischen den Motorzylindern hochflexible Leitungsdrähte (Kraftfahrzeugdrähte) eingesetzt
werden, die es den Rohrbauteilen 202 in jedem Zylinder ermöglichen,
voneinander unabhängig
zu schwingen.
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Schwingungsdämpfer
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Der untere (erste) Befestigungsabschnitt 204m der
Innenachse 204 ist in dem Rohrbauteil 202 eingeführt und
ist dort durch Gesenkschmieden des Rohrbauteils 202 und
mit Hilfe des Isolierpulvers 205 befestigt. Der obere (zweite)
Befestigungsabschnitt 204n der Innenachse 204 ist
dagegen über
den zylinderförmigen
Ring 207 an dem Gehäuse 201 befestigt.
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Die Länge zwischen den beiden Befestigungsabschnitten 204m und 204n beträgt mit beispielsweise
etwa 80 mm etwa das Zweifache der herkömmlichen Länge.
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Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Glühkerze 100 dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen den Befestigungsabschnitten 204m und 204n um
die Innenachse herum ein Schwingungsdämpfer 230 vorgesehen
ist. Der Schwingungsdämpfer 230 dient
zur Dämpfung
der Schwingungen der Innenachse 204.
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Der Schwingungsdämpfer 230 besteht
aus Gummi oder Harz, dessen Härte
vorzugsweise größer oder
gleich einem Durometerwert von A10 und kleiner oder gleich einem
Durometerwert von D90 ist. Darüber
hinaus kann der Schwingungsdämpfer 230 ein
Formteil oder eine Flüssigkeit
sein, die am Ende fest werden gelassen oder geliert wurde.
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Als Gummiformteil kommt ein fluorhaltiges Gummi,
Silikongummi oder H-NBR in Frage, während als Harzformteil Epoxid-,
Phenol- oder Acrylharz in Frage kommt. Darüber hinaus kommt als Flüssiggummi
ein Silikongummi in Frage, das bei Normaltemperatur, Erwärmung oder
Zumischung eines Härtungsmittels
aushärtet,
während
als Flüssigharz
ein Epoxidharz in Frage kommt, das bei Erwärmung oder Zumischung eines
Härtungsmittels
aushärtet.
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Drucksensor
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2 zeigt
eine vergrößerte Schnittansicht des
Verbrennungsdrucksensors 300. Der Drucksensor 300 ist
eine Packung, in der eine ringförmige
piezoelektrische Keramik 302 zwischen einem ringförmigen Metallgehäuse 303 und
einer ringförmigen Elektrode 301 gehalten
wird.
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Die piezoelektrische Keramik 302 besteht beispielsweise
aus z.B. 0,4 mm dickem Pb-Titanat oder Pb-Titanat-Zirconat. Darüber hinaus
befindet sich zwischen dem Aufnahmeabschnitt 201e und der ringförmigen Elektrode 301 ein
Isolator 304.
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Der Isolator 304 kann beispielsweise
aus z.B. etwa 0,2 mm dickem Naturmika, aus Schichtmika bzw. Mikanat,
aus einer Keramik wie Aluminiumoxid, aus einem Polyimidfilm oder
aus einem Harz wie einem Phenolharz bestehen. Der Isolator 304 dient zur
elektrischen Isolierung der ringförmigen Elektrode 301,
damit das Ausgangssignal von dem Drucksensor 300 nicht
mit dem Gehäuse 201 kurz
geschlossen wird.
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Die Oberflächen des Metallgehäuses 303 und
der Elektrode 301, die die piezoelektrische Keramik 302 berühren, sollten
vorzugsweise geschliffen oder poliert werden, damit sich eine Oberflächenrauheit
von weniger als 6,3 Z, etwa von 3,2 Z oder 1,6 Z, ergibt, wodurch
der Kontakt zu der piezoelektrischen Keramik 302 gleichmäßig und
ein Brechen der piezoelektrischen Keramik 302 verhindert
wird. Für
das Metallgehäuse 303 und
die Elektrode 301 kann ein magnetisches Material wie SUS430
eingesetzt werden, was das Schleifen oder Polieren erleichtert.
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Im Übrigen ist es nicht einfach,
die Berührungsfläche des
Metallgehäuses 303 zu
schleifen oder zu polieren, da das Metallgehäuse einen zylinderförmigen Flansch 303a und
ein vorragendes Rohr 303d hat. Der zylinderförmige Flansch 303a kann
daher von dem vorragenden Rohr 303d getrennt und, nachdem
er geschliffen oder poliert worden ist, angeschweißt werden.
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Darüber hinaus befindet sich auf
der rechten Seite des Flansches 303a ein in Kerzenaxialrichtung verlaufendes
Durchgangsloch zum Einführen
einer Schutzröhre 303b.
Die Schutzröhre 303b ist
angeschweißt
oder angelötet.
Natürlich
befindet sich in der Isolierbuchse 210 ein weiteres Durchgangsloch 210a,
um die Schutzröhre 303b einführen zu
können.
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Die Schutzröhre 303b wird zum
Einführen und
Befestigen eines abgeschirmten Drahts 305 verwendet, der
zum Abgreifen eines Signals von dem Drucksensor 300 dient,
wobei der Kern 305a des abgeschirmten Drahts 305 mit
der ringförmigen
Metallelektrode 301 verschweißt und elektrisch verbunden wird.
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Die (elektrisch von dem Kern 305a isolierte) Abschirmung 305b des
abgeschirmten Drahts 305 wird mit der Schutzröhre 303b verstemmt,
wodurch die Abschirmung 305b elektrisch mit dem als Erdungskörper dienenden
Metallgehäuse 303 verbunden
wird.
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In dem Drucksensor 300 befindet
sich nur ein Stück
piezoelektrischer Keramik, um den Drucksensor 300 zu vereinfachen
und seinen Schwerpunkt niedrig zu halten. Dadurch kann das durch
den Drucksensor 300 selbst erzeugte Schwingungsrauschen
reduziert werden, was das Signal-Rausch-Verhältnis des Ausgangssignals verbessert.
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Allerdings könnten auch zwei Stücke piezoelektrischer
Keramik eingesetzt werden, wie in der oben angesprochenen JP 2001-124336
A (vgl. 2) offenbart
ist. In diesem Fall befindet sich anstelle des Isolators 304 eines
der beiden Stücke
piezoelektrischer Keramik unterhalb der Elektrode 301, wodurch
die beiden Stücke
parallel geschaltet werden und sich die Empfindlichkeit verdoppelt
und das Signal-Rausch-Verhältnis
verbessert.
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Drucksensormontage
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Zunächst wird um das vorragende
Rohr 303d eine Heißschrumpf-Isolierröhre 306 gelegt.
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Als nächstes werden um das vorragende Rohr 303d herum
die piezoelektrische Keramik 302 und dann die Elektrode 301 angeordnet.
Dabei verhindert die Isolierröhre 306 Kurzschlüsse zwischen der
piezoelektrischen Keramik 302, der Elektrode 301 und
dem Metallgehäuse 303.
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Als nächstes wird der Kern 305a des
abgeschirmten Drahts 305 durch Widerstandsschweißen oder
Laserschweißen
mit der Elektrode 301 verbunden.
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Als nächstes wird die Abschirmung 305b des abgeschirmten
Drahts 305 mit der Schutzröhre 303b verstemmt,
wodurch eine elektrische Verbindung zwischen der Abschirmung 305b und
dem Metallgehäuse 303 eine
Fixierung des abgeschirmten Drahts 305 und ein enger Kontakt
zwischen dem abgeschirmten Draht 305 und der Schutzröhre 303b sichergestellt
wird.
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Der Drucksensor 300, der
einen einstöckigen,
das Metallgehäuse 303,
die Elektrode 301 und den abgeschirmten Draht 305 enthaltenden
Körper darstellt,
wird dann über
den Isolator 304 in dem Aufnahmeabschnitt 201e angeordnet.
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Der Drucksensor 300 ist
von dem Metallgehäuse 303 und
dem Kerzenkörper 200 umgeben,
wodurch er vollständig
abgedichtet und elektrisch abgeschirmt wird.
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Glühkerzenmontage
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Die Montage der den Verbrennungsdrucksensor
enthaltenden Glühkerze
wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erläutert.
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Zunächst wird das metallisierte
Gehäuse 201 zusammen
mit dem mit der Innenachse 204 verbundenen Heizelement 206 angefertigt.
Der Außendurchmesser
des Rohrbauteils 202 wird um 60 μm bis 140 μm größer als der Innendurchmesser
des Gehäuses 201 eingestellt.
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Das Rohrbauteil 202 wird
dann in das Gehäuse 201 hineingepresst,
wodurch das Gehäuse 201,
die Innenachse 204 und das Heizelement 206 zu
einer Einheit zusammengefasst werden. Um für perfekte Luftdichtheit zu
sorgen, kann das Heizelement 206 verschweißt oder
mit einem Silberlot verlötet
werden.
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Als nächstes wird der Schwingungsdämpfer 230 zwischen
dem Gehäuse 201 und
der Innenachse 204 eingebracht, bevor dann der zylinderförmige Ring 207 von
der oberen Seite der Innenachse 204 aus eingeführt wird.
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Der Schwingungsdämpfer 230 wird, wenn
er beispielsweise aus einem z.B. 5 mm breiten Gummi- oder Harzformteil
besteht, von der oberen Öffnung des
Gehäuses 201 eingebracht
und zwischen dem Gehäuse 201 und
der Innenachse 204 angeordnet.
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Die Querstauchung des Schwingungsdämpfers 230 wird
auf 10-30% eingestellt, um dadurch seine Fixierung an der Innenachse 204 und
dem Gehäuse 201 sicherzustellen.
Als nächstes
werden die Innen- und Außenumfangsflächen des
Schwingungsdämpfers 230 mit
einem Schmieröl überzogen.
Auf diese Weise wird der Schwingungsdämpfer 230 von der
Oberseite der Innenachse 204 aus nach unten in eine vorgeschriebene
Position hineingepresst. Dabei kann die Anzahl der Schwingungsdämpfer, falls
notwendig, erhöht
werden. Wenn der Schwingungsdämpfer 230 ein
Formteil ist, lässt
er sich effizient in das Gehäuse 201 einführen.
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Dagegen wird der Schwingungsdämpfer, wenn
er beispielsweise aus einem Flüssiggummi oder
-harz besteht, von der oberen Öffnung
des Gehäuses
aus über
die Düse
eines zur Mengenbestimmung geeigneten Ausgebers eingespritzt. Dabei
können
abhängig
von der Viskosität
des Flüssiggummis oder
-harzes durch Unterdruck Blasen entfernt werden, wodurch eine hohe
Fülldichte
erreicht wird. Dann wird die Flüssigkeit
wie vorgeschrieben ausgehärtet.
Auf diese Weise lässt
sich das Flüssiggummi oder
-harz leicht in den Spalt zwischen der Innenachse 204 und
dem Gehäuse 201 einführen. Das
Flüssiggummi
oder -harz ist insbesondere bei größerem Motorhubraum zweckmäßig, bei
dem größere Schwingungen
auftreten.
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Nach dem Einbringen des Schwingungsdämpfers 230 werden
von der Oberseite der Innenachse 204 aus der zylinderförmige Ring 207 und dann
der Isolator 304 übergeworfen.
Nachdem dann der O-Ring 208 auf der im Sechskantkopf 201a ausgebildeten
Stufe angeordnet wurde, wird der Drucksensor 300 in dem
Aufnahmeabschnitt 201e angeordnet.
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Als nächstes wird der zylinderförmige Ring 209 von
der Oberseite der Innenachse aus übergeworfen. Dann wird der
O-Ring 309 von der Oberseite des abgeschirmten Drahts 305 übergeworfen. Schließlich wird
die Isolierbuchse 210 von der Oberseite der Innenachse 205 aus übergeworfen,
während
gleichzeitig der abgeschirmte Draht 305 durch das Durchgangsloch 210a hindurch
nach außen
geführt
wird.
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Der Wasser- und Luftdichtheit verleihende O-Ring 309,
der aus einem Material wie Silikongummi, fluorhaltigem Gummi, EPDM,
NBR oder H-NBR besteht, wird dadurch zwischen dem Durchgangsloch 210a in
der Isolierbuchse 210 und einer oberen Endfläche der
Schutzröhre 303b festgepresst.
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Die Isolierbuchse 210 besteht
beispielsweise aus Phenolharz, PPS, Schichtmika bzw. Mikanat oder
Aluminiumoxidkeramik und grundsätzlich
vorzugsweise aus einem Material mit geringer spezifischer Dichte,
hohem E-Modul und geringem Kriechen.
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Hat die Isolierbuchse 210 ein
geringes Gewicht, senkt dies den Schwerpunkt des Drucksensors 300,
wodurch sich der Schwingungsrauschpegel verringert. Ein geringes
Kriechen unterdrückt
dagegen eine mit der Zeit erfolgende Formänderung der Isolierbuchse 210,
was die Änderung
des Ausgangssignal minimiert, die durch die Änderung des durch die Mutter 211 auf
den Drucksensor 300 wirkenden Drucks hervorgerufen wird.
Das Kriechen lässt
sich weiter verringern, wenn ein mit Glasfasern vermischtes Phenolharz
3 bis 20 Stunden lang bei 175-205°C erwärmt wird.
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Nachdem die Isolierbuchse 210 und
der abgeschirmte Draht 305 miteinander vereint wurden, wird
als nächstes
der Drucksensor 300 fest in dem Aufnahmeabschnitt 201e fixiert,
indem die Mutter 211 entlang des Gewindes 204a zugeschraubt
wird.
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Die Mutter 211 kann daran
gehindert werden, sich zu lösen,
wenn ein Teil ihrer Sechskantflächen verformt
oder verstemmt wird oder wenn auf die Gewindefläche der Mutter 211 zuvor
ein Schraubensicherungsmittel aufgebracht wird. Darüber hinaus können auch,
um die Mutter 211 festzuziehen, auf dem Umfang der Isolierbuchse 210 zwei
(voneinander abgewandte) flache Oberflächen vorgesehen werden, die
während
des Festschraubens der Mutter 211 z.B. durch einen Schraubenschlüssel festgehalten
werden. Auf diese Weise wird der Drucksensor 300 noch fester
fixiert, ohne die piezoelektrische Keramik 302 und den
Schweißabschnitt
zwischen der Elektrode und dem Kern 305a zu verdrehen.
Dadurch wird verhindert, dass die piezoelektrische Keramik 302 und
der Kern 305a zerstört
und gebrochen werden.
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Das Gehäuse 201 der fertigen
Glühkerze 100 wird
dann in den Motorkopf 1 eingeschraubt, wonach, wie in 1 gezeigt ist, die Verbindungsschiene 2 an
dem Gewinde 204a angebracht und durch die Mutter 211 befestigt
wird.
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Verbrennungsdruckerfassung
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3 zeigt
einen Teilschnitt der erfindungsgemäßen Glühkerze, anhand dem ein vereinfachtes Modell
der Übertragungswege
des Verbrennungsdrucks erläutert
wird.
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Beim Einschalten des Motors wird
dem Heizelement 206 über
die Verbindungsschiene 2 Strom zugeführt, um den Dieselmotor bei
der Zündung
zu unterstützen.
Nach dem Motorstart wird der Verbrennungsdruck, wie in 3 gezeigt ist, über einen
ersten und zweiten Weg R1 und R2 zu dem Drucksensor 300 übertragen.
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Der erste Weg R1 führt durch
das Gehäuse 201,
das durch die Schraube 201b fest mit dem Motorkopf 1 verbunden
ist, zu dem Drucksensor 300.
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Der zweite Weg R2 führt durch
das Isolierpulver 205, die Innenachse 204, die
Mutter 211 und die Isolierbuchse 210, die frei
schwingen können,
zu dem Drucksensor 300.
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Durch den entlang R2 übertragenen
Verbrennungsdruck werden entlang der Kerzenachsenrichtung auch das
Rohrbauteil 202 und die Innenachse 204 verschoben,
da sich das Rohrbauteil 202, obwohl es am Befestigungsabschnitt
K1 an dem Gehäuse 201 befestigt
ist, aufgrund der Elastizität
des Gehäuses 201 entlang
der Kerzenaxialrichtung (nach oben und unten in 3) verschieben kann.
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Deswegen ist die Verschiebung entlang
R2 größer als
die entlang R1. Entsprechend dieser Verschiebung ändert sich
die durch die Mutter 211 auf den Drucksensor 300 wirkende
Last, wodurch sich die durch die piezoelektrische Keramik
302 erzeugte elektrische
Ladung ändern.
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Die erzeugte elektrische Ladung wird
als elektrisches Signal über
die in 1 gezeigte Elektrode 301 an
den Kern 305a und gleichzeitig über das in 2 gezeigte Metallgehäuse 303 (Erdungskörper) und
die Schutzröhre 303b an
die Abschirmung 305b ausgegeben. Diese elektrische Ladung
(Ausgangssignal) wird in einen nicht gezeigten Ladungsverstärker eingespeist,
um die elektrische Ladung in eine Spannung umzuwandeln und um die
umgewandelte Spannung zu verstärken.
Die verstärkte
Signalspannung wird einer nicht gezeigten Motorsteuerungseinheit
(ECU) zugeführt,
die die Verbrennung steuert.
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Verbrennungsdruckwellenform
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4A zeigt
eine grafische Darstellung des (durch den Drucksensor und einen
Druckmessstreifen gemessenen) Verbrennungsdrucks bezogen auf den
Kurbelwinkel, wenn der Motor unter einer Last von 40 N bei 1200
U/min dreht. Der Sensordruck hat fast die gleiche Wellenform wie
der Messstreifendruck.
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4B zeigt
eine grafische Darstellung mit dem Zusammenhang zwischen dem Sensordruck und
dem Messstreifendruck. Der Sensordruck ist fast linear mit dem Messstreifendruck.
Die Laständerung an
dem Drucksensor 300 durch den Verbrennungsdruck wird durch
das Sensordrucksignal, das ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis hat,
hysteresefrei ist und hervorragend anspricht, präzise wiedergegeben.
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Versuchsergebnisse
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Obwohl die Innenachse 204 länger als üblich ist,
wird das Rauschen des Ausgangssignals von dem Verbrennungsdrucksensor 300 unterdrückt und das
Ausgangssignal stabilisiert. Das liegt daran, dass sich zwischen
den Befestigungsabschnitten 204m und 204n der
Schwingungsdämpfer 230 befindet, wodurch
sich der in 1 gezeigte
Abstand "t" zwischen dem oberen
Ende des Schwingungsdämpfers 230 und
dem Befestigungsabschnitt 204n verkürzt. Daher kommt es trotz längerer Innenachse 204 zu keiner
Verringerung der Resonanzfrequenz und wird der Schwingungspegel
unterdrückt.
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Dagegen ist der in 7 gezeigte Abstand "t" der
herkömmlichen
Glühkerze
J100 zwischen den Befestigungspunkten der Innenachse 204 länger, so dass
ihre Resonanzfrequenz geringer und ihr Schwingungspegel höher ist.
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Bei der Erfindung wird also auch
dann, wenn der Verbrennungsdruck durch die mechanische Schwingung
der Innenachse überlagert
wird, die Rauschkomponente in dem Drucksignal unterdrückt.
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Die zulässige Resonanzfrequenz der
Innenachse 204 beträgt
mehr als 5 kHz, da der Frequenzbereich des Verbrennungsdrucks kleiner
als 5 kHz ist und daher eine Schwingungsfrequenz von mehr als 5 kHz
durch einen Tiefpassfilter entfernt werden kann.
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Nach den Versuchsergebnissen der
Erfinder sollte außerdem
die Härte
des Schwingungsdämpfers 230 vorzugsweise
größer oder
gleich einem Durometerwert von A10 und kleiner oder gleich einem Durometerwert
von D90 sein.
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Wenn die Härte kleiner als ein Durometerwert
von A10 ist, ist der Schwingungsdämpfer zu weich, um die Innenachse 204 fixieren
und ihre Schwingung unterdrücken
zu können,
während
der Schwingungsdämpfer 230 bei
einer Härte
von mehr als einem Durometerwert von D90 die Innenachse 204 zu
fest fixiert, als dass die geringe, durch den Verbrennungsdruck
hervorgerufene Verschiebung zu dem Drucksensor 300 übertragen
werden könnte, wodurch
sich die Ausgangssignalempfindlichkeit und daher auch das Signal-Rausch-Verhältnis stark
verschlechtern.
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Auf den ersten Blick könnte daher
erwartet werden, dass sich die geringe Verschiebung der Innenachse 204 am
besten zu dem Sensor 300 übertragen ließe, wenn
zwischen der Innenachse 204 und dem Schwingungsdämpfer 230 oder
zwischen dem Gehäuse 201 und
dem Schwingungsdämpfer 230 ein kleiner
Spalt von z.B. 50 μm
vorhanden wäre.
Allerdings lässt
sich dieser kleine Spalt in der Praxis kaum beherrschen.
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5 zeigt
den experimentell ermittelten Zusammenhang zwischen dem Rauschverhältnis in Prozent
und der Härte
des Schwingungsdämpfers 230,
wobei das Rauschverhältnis
dem Verhältnis
der Rauschbreite zu der in 4A gezeigten
Peakhöhe "h" in der Sensordruckwellenform entspricht.
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Wie in 5 gezeigt
ist, beträgt
das Rauschverhältnis
für die
herkömmliche
Glühkerze,
deren in 7 gezeigter
Abstand "t" zwischen den beiden
Befestigungspunkten 40 mm beträgt,
etwa 4%.
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Im Gegensatz dazu stellte sich für den Abstand
zwischen den beiden Befestigungspunkten 204m und 204n der erfindungsgemäßen Glühkerze, der
80 mm betrug, heraus, dass Schwingungsdämpfer aus einem Silikongummi
mit einem Durometerwert von A10, A50, A90 und aus einem Epoxidharz mit
einem Durometerwert von D90 akzeptabel sind, da sie das Rauschverhältnis unter
das herkömmliche Niveau
von 4% drücken.
Eine Härte
von mehr als einem Durometerwert von D90 ist nicht akzeptabel, da dadurch,
wie bereits erwähnt,
die Übertragung
des Verbrennungsdrucks behindert wird.
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Obwohl der Verbrennungsdämpfer 230 auf einer
beliebigen Höhe
zwischen den in 1 gezeigten
Befestigungsabschnitten 204m und 204n der Innenachse
angeordnet werden kann, ist der Abstand "t" zwischen
dem Befestigungsabschnitt 204m (Befestigungsabschnitt an
dem Rohrbauteil 202) und dem Schwingungsdämpfer 230 bzw.
zwischen dem Befestigungsabschnitt 204n (Befestigungsabschnitt an
dem Gehäuse 201)
und dem Schwingungsdämpfer 230 vorzugsweise
kleiner oder gleich 40 mm.
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Der in 1 gezeigte
Abstand "t" zwischen dem Befestigungsabschnitt 204n und
dem Schwingungsdämpfer 230 wird
deswegen auf kleiner als 40 mm eingestellt, da der Abstand "t" der herkömmlichen Produkte etwa 40 mm
beträgt.
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Darüber hinaus können, wie
in 6 gezeigt ist, mehrere
Schwingungsdämpfer 230 eingesetzt werden.
So können
sich, wie in 6 gezeigt
ist, zwischen dem ersten Befestigungsabschnitt 204m und dem
zweiten Befestigungsabschnitt 204n zwei Schwingungsdämpfer 230 befinden.
Aus dem gleichen Grund wie oben wird der Abstand "t1" zwischen dem ersten
Befestigungsabschnitt 204m und dem unteren Dämpfer 230,
der Abstand "t2" zwischen dem unteren
Dämpfer 230 und
dem oberen Dämpfer 230 und
der Abstand "t3" zwischen dem oberen Dämpfer und
dem zweiten Befestigungsabschnitt 204n vorzugsweise auf
kleiner oder gleich 40 mm eingestellt.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Glühkerze kann
selbstverständlich
auch bei einer herkömmlichen
kurzen Glühkerze
Anwendung finden.