Die Erfindung betrifft Stabglühkerzen mit elektrischer Ansteuerung zur
Ionenstrommessung, Taktung und zur Sensorfunktionalisierung.
Es ist bekannt, konventionelle Glühkerzen mit externem konventionellen
Steuergerät zu betreiben; hierdurch kann die Funktion einer üblichen Stabglühkerze über
das eigentliche Glühen hinaus auf Ionenstrommessung und/oder auf Sensoren
funktionen erweitert werden; dadurch werden weitere Anschlüsse, beispielsweise
aufwendige Steckanschlüsse mit mehrpoligem Koaxialstecker zur Ansteuerung nötig;
Folgeschwierigkeiten ergeben sich aus der Verlegung der zusätzlichen Leitungen, da
beispielsweise die Masseleitung von jeder Glühkerze mit verlegt werden muß. Hierbei
sind die engen Platzverhältnisse im Motorraum überaus erschwerend; gleichzeitig tritt
erhöhte Gefahr des Auftretens von Übergangswiderständen sowie von
Spannungsverlust durch die notwendige Länge der Kabel auf.
Schließlich können konventionelle Glühkerzen mit konventionellem Steuergerät nicht
ohne weiteres an Bordnetzen höherer Spannung (z. B. 42 Volt) betrieben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten und
aufgeführten Nachteile zu überwinden; insbesondere gilt es auch im Fall einer
massefreien Glühkerze, beispielsweise zur Ionenstrommessung eine Masseleitung
zurück zum Steuergerät entbehrlich zu machen; gleichermaßen soll eine für
Bordnetzspannung von beispielsweise 14 Volt ausgelegte Glühkerze an einer
Bordnetzspannung von beispielsweise 42 Volt betrieben werden können; gleichzeitig soll
der Glühkerzenanschluß in bekannter Weise erhalten bleiben, insbesondere das
einpolige Stecksystem; schließlich soll ermöglicht werden, den Strompfad zum Betrieb
der Glühkerze zur Weiterleitung von Sensorsignalen zu benutzen. Hierbei soll der
Aufbau der Glühkerze so ausgelegt sein, daß eine kostengünstige Serienfertigung auf
den existierenden Anlagen möglich ist, wobei dem Zusammenbau ähnlicher Bauteile mit
weitgehend gleichen Verfahren unter Beibehaltung der Taktzeit besondere Bedeutung
zukommt.
Diese Aufgabe wird durch die Glühkerze gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden
Ansprüchen 2 bis 6.
Die Glühkerze gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von
konventionellen Glühkerzen dadurch, daß in der neuen Glühkerze ein elektronisches
Bauteil integriert ist, in dem Schaltkreise unterschiedlichster Art realisiert sein können.
Durch diese in der Kerze integrierte Elektronik kann beispielsweise bei der
Anwendung als Ionenstromkerze (isolierter Aufbau zwischen konventionellem Heizstab
und Motormasse; z. B. Zylinderkopf) die für einen Betrieb sonst notwendige
Masserückleitung zum Steuergerät entfallen, indem über die anliegende Spannung
entschieden wird, ob gemessen werden soll (Isolierung gegen Masse) oder
Glühbetrieb gewünscht wird (Überbrückung der Isolierung innerhalb der Glühkerze und
damit Masseschluß).
Außerdem kann mit Hilfe des integrierten Schaltkreises beispielsweise auch
eine periodes Durchschalten bzw. Sperren des Strompfades geschehen z. B. um eine
für z. B. 11 V Betriebsspannung ausgelegte Glühkerze, bzw. für diese Spannung
ausgelegtes Heiz-/Regelelement, auch an höheren Bordnetzspannungen zu
betreiben. Durch das periodische Schalten wird dann eine Spannung erzeugt die in
ihrem Effektivwert wieder der Nennbetriebsspannung der Auslegung entspricht.
Weiterhin kann z. B. auch eine Schaltung in der Art realisiert werden, daß ein in
die Glühkerze integrierter Sensor über denselben Versorgungsanschluß der Heiz- bzw.
Regelelemente versorgt bzw. das Meßsignal abgegriffen werden kann.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher erläutert.
Fig. 1 ist die schematische Wiedergabe einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Glühkerze in teilweisem Längsschnitt mit Querschnitten B-B,
A-A und die D-D;
Fig. 2 ist ein teilweiser Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Steckanschluß, gegenüber Fig. 1 um 90° gedreht, mit einer Querschnittswiedergabe
C-C;
Fig. 3 ist ein Schaltbild zur Taktung.
Im folgenden wird anhand der Figuren eine Glühkerze mit Isolation zwischen
Heizstab und Motormasse, beispielsweise zur Anwendung zur Ionenstrommessung,
beschrieben; als Heizstäbe sind die vorbekannten Heizstäbe geeignet, wie
beispielsweise solche mit Metallglührohr oder Glührohr (zumindest teilweise) aus
leitfähiger Keramik u.ä.
Der Heizstab (1) kann auf vorhandenen Serieneinrichtungen gefertigt werden,
dies gilt auch für den Zapfen (1.1), welcher den späteren Kontakt zum
Steckanschluß (4) herstellt.
Heizstab (1) kann in den Körper (3) wie bisher eingepreßt werden. Die
Isolierschicht (2) kann entweder am Körper (3) oder am Heizstab (1) aufgebracht sein.
Diese Einheit kann komplett automatisch montiert und auf Funktion geprüft werden.
Das Isolierrohr (15) dient als Berührschutz und als Bremse für die
Umspritzmasse (16) und wird als nächster Arbeitsschritt zwischen Heizstab und Körper
eingepreßt. Das Material ist vorzugsweise ein temperaturbeständiger Kunststoff.
Der Steckanschluß (4) ist im Anschlußbereich identisch zu bisherigen
Ausführungen. Entsprechend weist er anschlußseitig einen Steckerpin mit oder ohne
Gewinde auf.
Im vorderen Bereich besitzt der Steckanschluß (4) eine Aussparung als
Montageplattform (4.1) für den Keramikträger (5), auf welchem das elektronische
Bauteil (6) vormontiert ist. Diese beiden Bauteile zusammen werden auf den
Steckanschluß (4) im Bereich der Montageplattform (4.1) vorzugsweise durch
Kleben aufgebracht. Als weitere Baueinheit können die Stromschienen (11) und (12)
von einem Kunststoffgehäuse (13) umspritzt werden und als kompl. Bauteil auf den
Steckanschluß (4) aufgepreßt werden. Damit das Bauteil lagerichtig montiert werden
kann, sind ein Verdrehschutz (13.1) und der Längenanschlag (13.2) vorgesehen.
Die Anschlüsse auf dem elektronischen Bauteil - z. B. Versorgungsspannungs
anschluß (7), Anschluß zum Glührohr (8) und Masse-Anschluß (9) - werden
vorzugsweise mit dem Bondverfahren mit den jeweiligen Kontaktteilen
Steckanschluß (4), Stromschiene für Glührohr (11) und Stromschiene zu Körper (12)
verbunden.
Diese Einheit wird nun beispielsweise mit einem Harz (14) zur Stabilisierung
vergossen.
Dieses komplettierte Bauteil Stecker (4) mit Elektronik etc. kann als
schüttgutfähiges Bauteil zur Endmontage angeliefert werden.
Der Steckanschluß (4) besitzt eine Bohrung (4.2) in axialer Richtung, in welcher
der Zapfen (1.1) vom Heizstab eingepreßt wird und den elektrischen Kontakt zum
Innenpol (1.2) vom Heizstab (1) herstellt.
Des weiteren werden die Stromschiene (11) mit dem Glührohr (1.3) und die
Stromschiene (12) mit dem Körper (3) verbunden.
Diese Einheit, Heizstab (1) mit Körper (3) und dem Steckanschluß (4) wird in
ein Spritzwerkzeug eingelegt und mit Umspritzung (16) z. B. mit PA 6.6 umspritzt.
Die Umlaufende Nut (17) am Körper (3) dient als zusätzlicher Formschluß zur
sichereren Krafteinleitung in die Umspritzung (16).
Beispiel 1
Massekontaktierung im Glühbetrieb einer Glühkerze mit elektrisch
isoliertem Heizstab zur Ionenstrommessung
Bekannt ist, für den Betrieb einer Glühkerze mit isoliertem Heizstab ausser der
Stromzuleitung (Plus-Kontakt) auch die Masseleitung zurück zum Steuergerät oder zu
einem anderen Massepunkt vorzusehen. Dies bedeutet praktisch doppelten
Verkabelungsaufwand mit entsprechenden Verlusten und Fehlermöglichkeiten.
Die Glühkerze gemäß Erfindung kann nun z. B. mit Hilfe der integrierten
Elektronik aufgrund der anliegenden Spannung am Anschluß entscheiden, ob
Glühbetrieb gewünscht wird (anliegende Spannung z. B. kleiner 16 V) oder ob ein
Ionenstrom gemessen werden soll (anliegende Spannung z. B. größer 20 V). Im Falle
des Glühbetriebes schaltet dann die Elektronik z. B. das Glührohr mit dem
Glühkerzenkörper kurz, womit der für den Betrieb notwendige Masseschluß gegeben
ist. Im anderen Fall der Ionenstrommessung wird diese Verbindung getrennt, so daß
das in den Brennraum des Motors ragende Teil von diesem elektrisch isoliert ist und
somit als Elektrode fungieren kann. Der fließende Strom (z. B. über die Glühkerze und
die Ionen im Brennraum zur Masse, z. B. Zylinderkopf) kann dann über den gleichen
Anschluß im Steuergerät abgegriffen und als Meßsignal weiterverarbeitet werden.
Beispiel 2
Betrieb einer für eine bestimmte Spannung ausgelegtes
Heizelement an höherer Spannung
Mittels der integrierten Elektronik kann durch periodisches Schalten eine
anliegende Spannung so getaktet werden, daß der Effektivwert der
Ausgangsspannung der Nennspannung der Glühkerze entspricht. Dadurch ist eine
Neuauslegung für höhere Spannungen nicht notwendig. Dies hat den weiteren Vorteil,
daß die sonst für höhere Spannungen ausgelegten Glühelemente notwendigen
geringeren Querschnitte vermieden werden können, die einen negativen Einfluß auf
die Lebensdauer der Glühkerze haben (Fig. 3).
Beispiel 3
Abwechselndes Aufschalten eines Sensorsignales und der
Betriebsspannung auf den Glühkerzenanschluß
Mittels der integrierten Elektronik kann das Signal eines in die Glühkerze
integrierten Sensors auf den Anschluß zum Betrieb der Glühkerze gelegt werden,
womit ein separater Anschluß vermieden wird. Zum intermittierenden Messen/Be
treiben, kann z. B. die Fallunterscheidung, ähnlich wie im Beispiel 1 beschrieben,
greifen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das System Glühkerze-Elek
tronik 6-Anschlußstecker 4 modular aufgebaut: Zum einen kann Anschlußstecker
4 mit integrierter Elektronik 6 zum Zusammenstecken mit dem Glühkerzenkörper 3 mit
Heizstab 1 ausgebildet sein (zweiteilige Ausführung). Zum anderen kann das
elektronische Bauteil 6 mit einem Aufsteckanschluß zum Anschlußstecker 4 und einem
Aufsteckanschluß zum Glühkerzenkörper 3 mit Heizstab 1 versehen und durch
Zusammenstecken mit Anschlußstecker 4 und Körper 3 mit Heizstab 1 verbunden sein
(dreiteilige Ausführung).
Durch die erfindungsgemäße Integration der Steuerelektronik in die Glühkerze
werden die eingangs aufgezählten Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden.
Das erfindungsgemäße Steckerkonzept erlaubt automatische Serienfertigung auf
existierenden Anlagen, wobei die einzelnen Baukomponenten schüttgutfähig
sind, was für die Massenproduktion und Lagerung überaus vorteilhaft ist. Durch
Vermeidung zusätzlicher Leitungen ist das erfindungsgemäße System weniger
fehleranfällig, wobei insbesondere Übergangswiderstände und Spannungsverluste
durch Kabellänge vermieden werden. Gleichzeitig werden die Normabmessungen von
Glühkerzen (Schlüsselweite) nicht überschritten, so daß keine Sonderwerkzeuge zur
Glühkerzenmontage erforderlich sind; die erfindungsgemäßen Glühkerzen können
auch an Steuergeräten ohne Ionenstromelektronik betrieben werden.