DE19622651B4

DE19622651B4 - Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19622651B4
Application number: DE19622651A
Authority: DE
Inventors: Naoki Atsugi Tomisawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-06-09
Filing date: 1996-06-05
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2016-06-06
Also published as: JPH0953483A; JP3809919B2; DE19622651A1

Abstract

Zylinderdruckerfassungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Drucksensor in Form einer Unterlegscheibe, der ein piezoelektrisches Element aufweist, und mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4), die sich in einen Innenraum des Zylinders (1) erstreckt und dem Zylinderinnendruck ausgesetzt ist und einen Gewindeabschnitt zur Verbindung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) mit einem Zylinderkopf aufweist, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) den Drucksensor (6) auf einer Sitzfläche um eine Öffnung in dem Zylinderkopf hält, der Drucksensor (6) zwischen dem Gewindeabschnitt und der Sitzfläche angeordnet ist, und der Drucksensor (6) über einen Spalt (30), der zwischen der Befestigungsöffnung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) und der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) vorgesehen ist, direkt mit dem Innenraum des Zylinders (1) in Verbindung steht, um den Zylinderinnendruck zu erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor. Eine derartige Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung wird zum Messen des Zylinderinnendrucks (Verbrennungsdrucks) in einem Verbrennungsmotor verwendet, um beispielsweise eine Verbrennungsbegrenzungssteuerung oder eine Fehlzündungsdiagnose in einem Verbrennungsmotor auszuführen.
Eine herkömmliche Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung ist beispielsweise aus der JP 3-18906-A (GM) bekannt.
Bei dieser Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung wird ein Motorzylinderinnendruck unter Verwendung eines Zylinderdrucksensors (Drucksensor) in Form einer Zündkerzen-Befestigungsscheibe erfaßt, wobei dieser Drucksensor ein piezoelektrisches Element enthält.
Zwischen der Zündkerze und dem Drucksensor ist eine aus einem Kupferwerkstoff hergestellte Dichtung angeordnet, wobei der Drucksensor und die Dichtung zwischen die Zündkerze und den Zylinderkopf eingeklemmt werden, wenn die Zündkerze eingeschraubt wird.
Wenn zum Zeitpunkt der Verbrennung im Zylinder ein Druck erzeugt wird, wird die Zündkerze aufgrund dieses Drucks leicht verschoben. Durch diese Verschiebung verändert sich die Druckkraft auf den Drucksensor. Der Drucksensor erfaßt diese Druckänderung und gibt über eine Leitung an eine externe Meßschaltung ein Signal aus. Mit dieser herkömmlichen Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung werden die Verbrennungsbedingungen im Motorzylinder überwacht.
Um bei einer solchen herkömmlichen Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung den Drucksensor und die hiervon wegführende Ausgangsleitung einzupassen, muß die Aussparung im Zylinderkopf für die Aufnahme der Zündkerze erweitert werden. Da sich jedoch die Aussparung für die Aufnahme der Zündkerze zwischen der Verbren nungskammer und dem Kühlungswassermantel befindet, ist der verfügbare Raum begrenzt, so daß die Ausbildung dieser Aussparung schwierig ist.
Da darüber hinaus die Verschiebung der Zündkerze nur klein ist, ist der Rauschabstand des Drucksensors bei der Erfassung der Verschiebung gering. Da ferner der Drucksensor durch ein Rauschen von der hohen Zündenergie der Zündkerze leicht beeinflußt wird, müssen der Drucksensor und die Ausgangsleitung mit einer Abschirmung versehen sein, um dieses Problem zu beseitigen.
Weiterhin wird die Zündkerze während der Motorwartung ersetzt. Wenn daher der Drucksensor zwischen der Zündkerze und dem Zylinderkopf angeordnet ist, ist es schwierig, die anfängliche Einstellung (Einschraubkraft usw.) nach dem Ersetzen der Zündkerze beizubehalten, da sie von der Wartungsperson abhängt. Mit anderen Worten, es ist schwierig, die Eigenschaften des ausgelieferten Drucksensors zu gewährleisten.
Vergleichbare Zylinderdruckerfassungsvorrichtungen für einen Verbrennungsmotor sind aus den Druckschriften DE 34 00 473 A1 , DE 30 25 808 A1 , DE 29 02 305 A1 sowie DE-PS 746 666 bekannt. Diese Druckschriften zeigen einen Drucksensor in Form einer Unterlegscheibe, wobei eine Haltevorrichtung in den Zylinderkopf eingeschraubt wird, um den Drucksensor an einer äußeren Sitzfläche des Zylinderkopfes zu halten. Als Haltevorrichtung wird eine Zündkerze, eine Einspritzdüse oder eine Schraube vorgeschlagen. Gemäß dieser Druckschriften wird eine Druckveränderung im Zylinderinnenraum durch eine Verschiebung der Haltevorrichtung erfaßt.
Aus der Druckschrift US 3,201,972 ist eine Druckerfassungseinrichtung zum Messen von Druckimpulsen in einer Druckkammer in einer Verbrennungsmaschine bekannt. Diese Druckmeßeinrichtung weist einen Kanal- oder Rohrabschnitt auf, der in einen Zylinderkopf verschraubt ist und in Verbindung mit einem Verbrennungsraum des Zylinders steht. In diesem Rohrabschnitt ist ein piezoelektrischer Kristall angeordnet, der direkt dem Druck innerhalb des Rohrs ausgesetzt ist, um die Druckimpule zu erfassen.
Aus der Druckschrift JP 3-293534 (A) ist eine weitere Einrichtung zur Druckerfassung des Verbrennungsdruckes in einem Verbrennungsmotor bekannt. Gemäß dieser Einrichtung wird ein Drucksensor in einem Sensorgehäuse aufgenommen. Dieses Sensorgehäuse wird in ein Sensorgehäuseloch eingesetzt, das in dem Zylinderkopf benachbart zu einer Zündkerze ausgebildet ist. Dieses Sensorgehäuseloch ist über einen Kanal mit dem Verbrennungsraum verbunden. Das Sensorgehäuse wird durch ein Halteelement gehalten. Dieses Halteelement wird durch die eingeschraubte Zündkerze am Zylinderkopf gehalten.
Aus der Druckschrift DE 40 26 418 C2 ist ein Brennkammerdrucksensor bekannt. Dieser Brennkammerdrucksensor wird in den Zylinderkopf im Bereich der Zündkerzenöffnung eingesetzt und erfaßt die Druckimpulse in dem Verbrennungsraum indirekt über Verformungen des Zylinderkopfes.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Zylinderdruckerfassungvorrichtung für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, die hinsichtlich ihrer Meßgenauigkeit verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung, die die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt. Die abhängigen Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen gerichtet.
Bei der Zylinderdruck-Erfassungseinrichtung erfaßt der Drucksensor den Zylinderinnendruck direkt über einen mit dem Zylinderinnenraum in Verbindung stehenden Spalt, der zwischen der Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Befestigungsöffnung und der Kraftstoffeinspritzeinrichtung vorhanden ist.
Bei diesem Aufbau erfaßt der Drucksensor direkt die Druckschwankungen im Zylinder, so daß die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden kann.
Der Drucksensor und seine Ausgangsleitung sind in einem Abstand von der Zündkerze, welche eine starke Rauschquelle bildet, angeordnet. Dadurch wird der Einfluß durch elektrisches Rauschen minimiert. Im Ergebnis kann der Zylinderinnendruck genau erfaßt werden und außerdem ist der Aufbau des Drucksensors vereinfacht.
Ferner wird die Kraftstoffeinspritzeinrichtung im Gegensatz zur Zündkerze vom Benutzer nicht verändert. Daher kann die anfänglich eingestellte Einschraubkraft selbst dann beibehalten werden, wenn die Motoreinheit ausgeliefert worden ist. Der Drucksensor wird durch die Kraftstoffeinspritzeinrichtung am Zylinderkopf mit einem vorgegebenen Drehmoment befestigt. Dadurch wird der Drucksensor unter einem vorgegebenen Druck gehalten.
In bevorzugter Weise enthält eine grundlegende Konstruktion des Drucksensors der Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung eine ringförmige, mittige Anschlußplatte, ein Paar von ringförmigen piezoelektrischen Elementen auf beiden Seiten der mittigen Anschlußplatte sowie ringförmige Masseanschlußplatten, die jeweils an den äußeren Seiten der entsprechenden piezoelektrischen Elemente angeordnet sind, wobei sämtliche dieser Platten und Elemente in einem aus Metall hergestellten hohlen, ringförmigen Gehäuse untergebracht sind, das als Befestigungsscheibe für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung ausgebildet ist, wobei zwischen dem Gehäuse und den inneren und äußeren Umfangsabschnitten der mittigen Anschlußplatte ein Isolierkörper vorgesehen ist.
Falls ein Drucksensor mit diesem Aufbau verwendet wird, kann ein hochempfindlicher Drucksensor, der ein piezoelektrisches Element verwendet, kompakt innerhalb der Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Befestigungsscheibe zusammengefügt werden. Darüber hinaus kann ein solcher hochempfindlicher Drucksensor die Druckschwankungen im Zylinder mit guter Genauigkeit erfassen.
Ferner kann der Drucksensor einteilig im Gehäuse der Kraftstoffeinspritzeinrichtung ausgeführt sein.
Bei diesem Aufbau wird die Handhabbarkeit wie etwa die Befestigung am Motor oder ein Ersetzen des Sensors verbessert. Darüber hinaus die Anzahl der Komponenten reduziert.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine Querschnittansicht eines Verbrennungsmotors, an dem eine Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung gemäß der Ausführungsformen befestigt ist;
2 eine vergrößerte Querschnittansicht einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und eines Drucksensors gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 eine Querschnittansicht, die den genauen Aufbau des Drucksensors gemäß der Ausführungsformen veranschaulicht;
4 eine Darstellung zur Erläuterung der Befestigung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und des Drucksensors an einem Zylinderkopf; und
5 eine vergrößerte Ansicht einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung und eines Drucksensor gemäß einer zweiten Ausführungsform.
1 ist eine Querschnittansicht, die ein Beispiel eines Verbrennungsmotors zeigt, an dem eine Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung befestigt ist.
In dem in 1 gezeigten Verbrennungsmotor wird die über einen Ansaugkanal 2 Luft in einen Zylinder 1 angesaugt. In die angesaugte Luft wird durch eine Kraftstoff-Direkteinspritzung durch eine an einem Zylinderkopf 3 befestigten Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 Kraftstoff eingespritzt. Das sich ergebende Gemisch wird anschließend von einer Zündkerze 5 gezündet, die in einem mittigen Abschnitt des Zylinderkopfs 3 vorgesehen ist, wodurch eine Verbrennung/Explosion erzeugt wird.
Zwischen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 und der Sitzfläche einer Öffnung im Zylinderkopf 3, die die Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufnimmt, ist ein Drucksensor 6 in Form einer Unterlegscheibe angeordnet.
Die Stelle am Zylinderkopf 3, an der die Zündkerze 5 befestigt ist, ist vom Zylinder 1 (Verbrennungskammer) und einem (nicht gezeigten) Wasserkühlmantel umgeben. Daher ist es schwierig, einen Raum für die Aufnahme des Drucksensors 6 vorzusehen. In der Nähe des Befestigungsbereichs der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 ist jedoch zusätzlicher Raum vorhanden, so daß die Befestigung des Drucksensors 6 dort vergleichsweise einfach ausgeführt werden kann.
2 ist eine vergrößerte Querschnittansicht der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und des Drucksensors 6, anhand derer eine erste Ausführungsform erläutert wird.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 enthält einen Düsenkörper 12, der ein als Ventilkörper dienendes Nadelventil 11 gleitend hält, ein zylindrisches Gehäuse 13, das den Düsenkörper 12 an einer Spitze hält, sowie eine Solenoidspule 14, die im Gehäuse 13 gehalten wird, um das Nadelventil 11 anzutreiben. Darüber hinaus ist mit der hinteren Öffnung des Gehäuses 13 ein Kern 15 verbunden.
Die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 weist am hinteren Ende des Kerns 15 einen Verbinder 16 auf, der mit einer Rohrleitung von einer Kraftstoffpumpe verbunden ist, über welche die Kraftstoffzufuhr erfolgt. Das Nadelventil 11 wird im Düsenkörper 12 unter der im Kern 15 auftretenden magnetischen Anziehung entsprechend dem Ein/Aus-Schalten der Leistungszufuhr an die Solenoidspule 14 bewegt, wodurch das Ventil geöffnet und geschlossen wird und die Kraftstoffeinspritzung gesteuert wird.
In einer solchen Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 ist im Unterschied zu der Zündkerze 5, die ein starkes Rauschen aufgrund der Zündenergie erzeugt, der Einfluß des elektrischen Rauschens auf den Drucksensor 6 und auf dessen Ausgangsleitung 17 minimal, obwohl ein schwaches Gegen-EMF-Rauschen von der Solenoidspule 14 vorhanden ist. Wenn daher der Drucksensor 6 am Ort der Befestigungsscheibe der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 vorgesehen ist, ist es nicht notwendig, spezielle Gegenmaßnahmen vorzunehmen, um das elektrische Rauschen zu beherrschen, so daß die Konstruktion vereinfacht werden kann.
Der Drucksensor 6 ist als Befestigungsscheibe für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 ausgebildet. Wenn der Einspritzkanal 18, der an der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 ausgebildet ist, in den Zylinderkopf 3 eingeschoben wird, ist der Drucksensor 6 zwischen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 und der Sitzfläche der Öffnung im Zylinderkopf 3, die die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 aufnimmt, angeordnet. Auf den Drucksensor 6 wird ein vorgegebener Druck ausgeübt, wenn die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 mittels Gewinde, die an der inneren Umfangsfläche der Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Befestigungsöffnung im Zylinderkopf 3 und an der äußeren Umfangsfläche des Gehäuses 13 vorgesehen sind, mit einem vorgegebenen Drehmoment festgeschraubt wird.
In 3 ist eine beispielhafte, genaue Konstruktion des Drucksensor 6 gezeigt. Bei dieser Konstruktion sind eine ringförmige mittige Anschlußplatte 22 (Leitungsplatte), ein Paar von ringförmigen piezoelektrischen Elementen 23 beiderseits der mittigen Anschlußplatte 22 sowie ringförmige Masseanschlußplatten 24, die jeweils an den äußeren Seiten der entsprechenden piezoelektrischen Elemente 23 angeordnet sind, sämtlich in ein hohles, ringförmiges Gehäuse 21 eingeschoben, das aus Metall hergestellt ist und als Befestigungsscheibe für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 ausgebildet ist. Darüber hinaus ist zwischen der Innenfläche des Gehäuses 21 und dem inneren Umfangsbereich der mittigen Anschlußplatte 22 ein ringförmiges Isolierrohr 25 angeordnet. In einen schmalen Spalt im Gehäuse 21 ist ein Dichtungsmittel 26 wie etwa Silikonharz eingefüllt. Dieses Dichtungsmittel 26 dient als Isolierkörper zwischen dem Gehäuse 21 und dem äußeren Umfangsabschnitt der mittigen Anschlußplatte 22. Das Bezugszeichen 27 bezeichnet ein Leitungsherausführungsrohr, das an einem Abschnitt des Gehäuses 21 befestigt ist. Die Ausgangsleitung 17 ist mit der mittigen Anschlußplatte 22 verbunden und wird über das Leitungsherausführungsrohr 27 herausgeführt.
Der Drucksensor 6 erfaßt die Druckschwankungen im Zylinder 1, die durch die Verbrennung/Explosion des Gemisches hervorgerufen werden, als leichte Verschiebungen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4. Genauer, wenn der Druck im Zylinder 1 ansteigt, wird die Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 leicht in einer Richtung aus dem Zylinder 1 verschoben, wodurch der auf den Drucksensor 6 im Zeitpunkt der Befestigung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 ausgeübte Druck wenigstens teilweise entlastet wird. Der Drucksensor 6 überträgt ein dem Druckschwankungsbetrag entsprechendes Signal über die Ausgangsleitung 17 an eine (nicht gezeigte) externe Meßschaltung. Auf der Grundlage dieses Signals wird eine Verbrennungsbegrenzungssteuerung oder eine Fehlzündungsdiagnose des Verbrennungsmotors ausgeführt.
Wie in 4 gezeigt, ist zwischen der Kraftstoffeinspritzeinrichtungs-Befestigungsöffnung im Zylinderkopf 3 und dem an der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 befindlichen Düsenkörper 12 ein mit dem Innenraum des Zylinders 1 in Verbindung stehender Spalt 30 vorgesehen, so daß der Druckanstieg im Zylinder 1 in einer Richtung wirkt, in der der Drucksensor 6 komprimiert wird. In diesem Fall zeigt das Ausgangssignal des Drucksensors 6, das bei Druckschwankungen im Zylinder 1 auftritt, Schwankungen in einer Richtung, die derjenigen im vorhergehenden Fall entgegengesetzt ist. Bei dieser Konstruktion erfaßt der Drucksensor 6 den Druck im Zylinder 1 direkt, so daß eine höhere Erfassungsgenauigkeit möglich ist.
Nun wird eine zweite Ausführungsform der Zylinderdruck-Erfassungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
5 ist eine vergrößerte Ansicht der Spitze der Kraftstoffeinspritzeinrichtung und des Drucksensors. Der Drucksensor 6 ist einteilig im Gehäuse 31 der Kraftstoffeinspritzeinrichtung 4 zusammengefügt. Bei dieser Konstruktion kann das Befestigen des Drucksensors 6 am Zylinderkopf 3 sowie das Ersetzen des Drucksensors 6 einfach ausgeführt werden. Darüber hinaus kann das Gehäuse für den Drucksensor 6 weggelassen werden, so daß die Anzahl der Komponenten reduziert wird.
In den obenbeschriebenen Ausführungsformen ist die Kraftstoffeinspritzeinrichtung direkt dem im Zylinder (Hauptverbrennungskammer) herrschenden Druck ausgesetzt.

Claims

Zylinderdruckerfassungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Drucksensor in Form einer Unterlegscheibe, der ein piezoelektrisches Element aufweist, und mit einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4), die sich in einen Innenraum des Zylinders (1) erstreckt und dem Zylinderinnendruck ausgesetzt ist und einen Gewindeabschnitt zur Verbindung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) mit einem Zylinderkopf aufweist, wobei die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) den Drucksensor (6) auf einer Sitzfläche um eine Öffnung in dem Zylinderkopf hält, der Drucksensor (6) zwischen dem Gewindeabschnitt und der Sitzfläche angeordnet ist, und der Drucksensor (6) über einen Spalt (30), der zwischen der Befestigungsöffnung der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) und der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) vorgesehen ist, direkt mit dem Innenraum des Zylinders (1) in Verbindung steht, um den Zylinderinnendruck zu erfassen.
Zylinderdruckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (6) eine ringförmige, mittige Anschlußplatte (22), ein Paar von ringförmigen piezoelektrischen Elementen (23) beiderseits der mittigen Anschlußplatte (22) sowie ringförmige Masseanschlußplatten (24), die jeweils an den äußeren Seiten der entsprechenden piezoelektrischen Elemente (23) angeordnet sind, aufweist, die sämtlich in ein hohles, ringförmiges Gehäuse (21) eingeschoben sind, das aus Metall besteht und als Unterlegscheibe für die Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) ausgebildet ist, wobei zwischen dem Gehäuse (21) und den inneren und äußeren Umfangsabschnitten der mittigen Anschlußplatte (22) ein Isolierkörper (25) vorgesehen ist.
Zylinderdruckerfassungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Drucksensor (6) im Gehäuse (31) der Kraftstoffeinspritzeinrichtung (4) zu einer einzigen Baueinheit zusammengefügt ist.