DE4010609A1 - Zuendkerze mit temperatur- und druckerfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Zündkerze der Bauart, die eine Temperatur- und Druckerfassung ermöglicht und die zum Ausführen eines Anpaßtestes zwischen einer Brennkraftmaschine und einer Zündkerze eingesetzt wird.

Um zu bestimmen, welche Zündkerzenart die geeignetste für eine gewisse Bauart einer Brennkraftmaschine ist, werden verschiedene Arten von Zündkerzen jeweils fest an der Brennkraftmaschine angebracht, und die Brennkraftmaschine wird unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses, der Temperatur eines Zylinders, der Temperatur der Ansaugluft, der Zündzeitpunktsteuerung, der Umdrehungszahl (l/min), des Ansaug­ drucks, des Auslaßluftdrucks und dgl. betrieben.

Bei der Durchführung dieses Anpaß- bzw. Abgleichtests ist es wichtig, daß eine Temperatur einer Mittelelektrode erfaßt wird, um eine Kompatibilität der zu testenden Zündkerze bestimmen zu können. Eine niedrige Temperatur der Elektrode bewirkt eine Kohlenstoffablagerung, wodurch die Zündung nachteilig beeinflußt wird.

Eine hohe Temperatur in der Elektrode kann zu einer Frühzündung führen, bei der eine Zündung in zufälliger Weise vor dem normalerweise zu erwartenden Zeitpunkt auftritt.

Es wurde eine Zündkerze vorgeschlagen, welche eine Temperatur einer Mittelelektrode bei der Ausführung des Anpaßtests erfassen kann.

Eine solche Zündkerze hat eine Mittelelektrode, deren innerer Abschnitt einen axialen Hohlraum hat. An dem vorderen Ende des Hohlraums ist ein Thermoelement zur Bildung eines Thermosensors vorgesehen, welcher eine Temperatur des vorderen Endes der Mittelelektrode feststellt.

Das Thermoelement ist aus einer geeigneten Kombination von drahtförmigen Teilen hergestellt, von denen ein Verbindungspunkt einen Temperaturdetektor bildet.

Das Thermoelement ist in dem Hohlraum eingeschlossen, so daß die Zündkerze im Vergleich zu einem Gegenstück im wesentlichen kompakt bleibt, bei dem ein Thermosensor nicht vorgesehen ist.

Die Zündkerze ist derart ausgelegt, daß ermöglicht wird, daß eine Temperatur einer Zündkerze (der Mittelelektrode) genau erfaßt und festgestellt wird und daß man hieraus die Information über den Verbrennungszustand in einer Brennkammer ableiten kann, welcher auch die Frühzündung mit umfaßt.

In den letzten Jahren jedoch sind die Betriebsbedingungen der Zündkerze bei hoher Abgabeleistung der Brennkraftmaschine äußerst kritisch, so daß die Temperatur der Mittelelektrode ungewöhnlich aufgrund einer abnormalen Verbrennung oder dgl. ansteigen kann. Es ist schwierig, zu bestimmen, ob die abnormale Verbrennung durch Klopfen, eine Frühzündung oder eine Spätzündung verursacht wird, so daß eine Fehlanpassung zwischen der Zündkerze und der Brennkraftmaschine möglich ist.

Die Erfindung zielt daher darauf ab, eine Zündkerze mit einer Temperatur- und Druckerfassung bereitzustellen, welche die Fähigkeit hat, eine Temperatur einer Mittelelektrode festzustel­ len und zugleich ein Klopfen einer Brennkraftmaschine durch Vorsehen eines Drucksensors und eines Thermosensors festzustel­ len, ohne daß sich hierbei Nachteile hinsichtlich eines kompakten Aufbaus ergeben. Ferner soll die Zündkerze eine genaue Bestimmung der Ursache für einen Temperaturanstieg der Mittelelektrode ermöglichen.

Nach der Erfindung wird eine Zündkerze mit einer Temperatur- und Druckerfassung bereitgestellt, welche ein zylindrisches, metallisches Mantelgehäuse, das einen Haltesitz um eine äußere Fläche des Mantelgehäuses derart hat, daß das Mantelgehäuse an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine festgelegt werden kann, einen Isolator, der konzentrisch in dem metallischen Mantelgehäuse angeordnet ist und eine Axialbohrung in Längsrich­ tung hat, eine Mittelelektrode, die konzentrisch in der Axialboh­ rung des Isolators derart angeordnet ist, daß sich ein Entla­ dungsspalt in Verbindung mit einer äußeren Elektrode bildet, die von dem metallischen Mantelgehäuse herabhängend vorgesehen ist, einen hohlen Abschnitt, der axial wenigstens in einem vorderen Ende der Mittelelektrode vorgesehen ist, um ein Thermoelement zu umschließen, welches einen Thermosensor bildet, um eine Tempera­ tur des vorderen Endes der Mittelelektrode festzustellen, und einen ringförmigen Drucksensor aufweist, der an dem Haltesitz des metallischen Mantelgehäuses vorgesehen ist, um einen Druck in einer Brennkammer im Zylinderkopf zu erfassen, wobei der Drucksensor in Zwischenlage zwischen dem Haltesitz und dem Zylinderkopf liegt, wenn die Zündkerze an dem Zylinderkopf befestigt ist.

Ferner ist ein koaxialer Dreipolanschluß an einem hinteren Ende der Mittelelektrode vorgesehen, wobei der Anschluß einen Kontakt zur Verbindung desselben mit einer Hochspannungseinrichtung hat, und der zugleich ein Paar von Kontakten hat, die mit dem Thermoelement verbunden sind.

Nach der Erfindung sind der Drucksensor und der Thermosensor ihrerseits fest mit dem metallischen Mantelgehäuse und der Mittelelektrode verbunden, wodurch man einen konstruktiv kompakten Aufbau erhält und wodurch sich die Zündkerze auf einfache Weise an der Brennkraftmaschine anbringen und sich von dieser bei der Ausführung des Anpaßtests abnehmen läßt.

Ferner wird ermöglicht, daß das Klopfen der Brennkraftmaschine und eine Druckspitze in der Brennkammer gleichzeitig erfaßt werden, wenn eine Temperatur der Mittelelektrode bei dem Anpaßtest erfaßt wird.

Die Temperatur der Mittelelektrode ist stabil, wenn die Brenn­ kraftmaschine unter normalen Betriebsbedingungen arbeitet. Die Temperatur kann aber außergewöhnlich bei einem abnormalen Verbrennungsverhalten in der Brennkammer ansteigen.

In diesem Fall ermöglicht das Erfassen eines Druckes in der Brennkammer, daß die Klopferscheinung genau bestimmt werden kann, welche einer der Gründe des abnormalen Verbrennungsverhaltens sein kann, so daß man auf diese Weise eine bessere Analyse des Verbrennungsverhaltens der Brennkraftmaschine vornehmen kann.

Selbst in dem Fall, bei dem die Temperatur der Mittelelektrode stabil ist, kann das Klopfen an der Brennkraftmaschine auftreten, welches natürlich eine schädliche Auswirkung auf dieselbe hat. Es ist schwierig, die Art des Klopfens mittels eines auf einen Temperaturanstieg ansprechenden Systems zu bestimmen.

Der Drucksensor jedoch ermöglicht, daß die Klopferscheinung genau bestimmt werden kann, um die Brennkraftmaschine vor Beschädigun­ gen zu schützen.

Ferner wird ermöglicht, daß die Temperatur der Mittelelektrode, die Klopferscheinung und die Druckspitze in der Brennkammer gleichzeitig erfaßt werden, so daß man auf einfache Weise den Verbrennungszustand der Brennkraftmaschine überprüfen kann, welcher eine wesentliche Rolle bei den Test- und Entwicklungsar­ beiten einer verbesserten Brennkraftmaschine spielt.

Zusätzlich wird mit einem koaxialen Dreipolanschluß eine kompakte Verbindungsauslegung ermöglicht.

Bei dieser Konstruktion braucht nur eine Schutzkappe in den Anschluß eingesetzt zu werden, und diese braucht von dem Anschluß abgenommen zu werden, wenn die Zündkerze an der Brennkraftmaschi­ ne angebracht und nach dem Anpaßtest abgenommen wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Zündkerze in Teil­ schnittdarstellung,

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht zur Verdeutli­ chung eines Vorderteils einer Mittelelektrode, und

Fig. 3 eine vergrößerte Schnittansicht zur Verdeutli­ chung eines Drucksensors.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 wird eine bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung näher beschrieben. Eine Zündkerze A ist hinsichtlich ihrer Bauart derart ausgelegt, daß sie die Temperatur und den Druck erfassen kann, und sie ist derart beschaffen und ausgelegt, daß sie an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) befestigt werden kann.

Die Zündkerze A hat ein zylindrisches, metallisches Mantelgehäu­ se 1 an ihrer Außenseite. In dem metallischen Mantelgehäuse 1 ist konzentrisch ein Keramikisolator 2 angeordnet.

Der Isolator 2 ist rohrförmig ausgelegt, wobei ein innerer Abschnitt desselben als eine Axialbohrung dient.

In der Axialbohrung des Isolators 2 ist konzentrisch eine Mittelelektrode 3 derart angeordnet, daß ihr vorderes Ende geringfügig über den Isolator derart vorsteht, daß das vordere Ende der Mittelelektrode 3 zu einer Brennkammer (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine freiliegt, wenn die Zündkerze A an dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine befestigt ist. Die Mittel­ elektrode 3 bildet einen Entladungsspalt Gp in Verbindung mit einer äußeren Elektrode 4, die einstückig in hängender Anordnung an dem metallischen Mantelgehäuse 1 vorgesehen ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist ein hohler Abschnitt 31 mit der Mittelelektrode 3 in Längsrichtung versehen. In den hohlen Abschnitt 31 ist ein Thermoelement 5 eingesetzt, welches als ein Thermosensor wirkt. Das Thermoelement 5 ist aus einem Chromel- Draht 52 und einem Alumel-Draht 53 hergestellt, von denen ein Verbindungspunkt als ein Temperaturerfassungspunkt 51 dient, der an dem Ende der Mittelelektrode 3 liegt. Zu Erläuterungszwecken soll noch angegeben werden, daß Chromel eine Legierung aus Nickel (Ni) und Chrom (Cr) ist, während Alumel eine Legierung aus Nickel (Ni) und Aluminium (Al) ist.

Mit dem hinteren Ende der Mittelelektrode 3 ist ein koaxialer Dreipolanschluß 6 verbunden. Der Anschluß 6 hat einen Kontakt für einen Hochspannungscode, und zugleich hat er ein Paar von Kontakten 61, 62, die ihrerseits mit dem Chromel-Draht 52 und dem Alumel-Draht 53 verbunden sind.

Das metallische Mantelgehäuse 1 hat einen hexagonalen Kopfab­ schnitt 11, einen durchmessererweiterten Abschnitt 12, einen durchmesserverminderten Abschnitt 13 und einen Schraubmutterab­ schnitt 14. Ein Randabschnitt zwischen dem durchmessererweiter­ ten Abschnitt 12 und dem durchmesserverminderten Abschnitt 13 bildet eine Abstufung 7 a, welche als Haltesitz 12 a dient, welcher von einer äußeren Fläche des metallischen Mantelgehäuses 1 gebildet wird.

In dem durchmesserverminderten Abschnitt 13 ist ein ringförmi­ ges, metallisches Gehäuse 76 eingesetzt, dessen obere Fläche gegen eine untere Fläche der Abstufung 7 a anliegt. Das Gehäuse 76 ist im Querschnitt viereckförmig ausgelegt und bildet ein Teil eines Drucksensors 7.

Das Gehäuse 76 ist ferner an einem Tragsitz 8 abgestützt, der mit dem durchmesserverminderten Abschnitt 13 über eine Schweiß­ naht 9 derart verbunden ist, daß man einen luftdichten Abschluß zwischen dem durchmesserverminderten Abschnitt 13 und dem Gehäuse 76 erhält.

Wie in Fig. 3 gezeigt, weist der Drucksensor 7 ein ringförmiges, piezoelektrisches Element 71, eine innere Elektrodenschicht 72 und eine Isolationsschicht 73 auf, die jeweils eng aufeinander­ liegend in Form einer Packungsschicht 75 laminiert sind, die ihrerseits in das metallische Gehäuse 76 eingeschlossen ist. Die Isolierringe 74, 74 sind mit inneren und äußeren Umfangsseiten des Laminats derart versehen, daß sie als Zwischenlage des Laminats dienen.

Ein Leitungsdraht 77 ist mit einer oberen Seite der inneren Elektrodenschicht 72 verbunden.

Wenn die Zündkerze A an dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine mit Hilfe eines Werkzeuges, wie eines Schlüssels, angebracht ist, liegt das piezoelektrische Element 71 zwischen dem Zylin­ derkopf und der Abstufung 7 a des Haltesitzes 12 a über eine obere Fläche 76 a und eine untere Fläche 76 b des Gehäuses 76, welche jeweils als ein Druckaufnahmeteil wirken. Der Drucksensor 7 erfaßt einen Druck in der Brennkammer der Brennkraftmaschine durch die mechanischen Belastungen des piezoelektrischen Ele­ ments 71, welches die Belastungen in elektrische Signale umwan­ delt und diese an ein außenliegendes Instrument (nicht gezeigt) über den Leitungsdraht 77 weiterleitet.

Es ist noch zu erwähnen, daß das Thermoelement anstatt der Kombination auf Chromel und Alumel aus Kupfer (Cu) und Constan­ tan (40% Ni, 60% Cu) hergestellt sein kann.

Auch ist noch zu erwähnen, daß der Haltesitz mittels des elek­ trischen Widerstandsschweißens anstelle des Nahtschweißens 9 festgelegt werden kann.

Obgleich bei der bevorzugten Ausführungsform das piezoelektri­ sche Element als ein Drucksensorelement genutzt wird, kann jedoch auch ein Halbleiter als ein druckempfindliches Element eingesetzt werden.

Obgleich voranstehend bevorzugte Ausführungsformen nach der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert und beschrieben wurden, ist die Erfindung selbstverständlich hierauf nicht beschränkt, und es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims (8)

1. Zündkerze mit einer Temperatur- und Druckerfassung, gekennzeichnet durch:
ein zylindrisches, metallisches Mantelgehäuse (1), das einen Haltesitz (12 a) um eine äußere Fläche des Mantelge­ häuse (1) derart hat, daß das Mantelgehäuse (1) an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine befestigbar ist, ein Isolator (2), der konzentrisch in dem metallischen Mantelgehäuse (1) angeordnet ist und eine in Längsrich­ tung verlaufende Axialbohrung (31) hat,
eine Mittelelektrode (3), die konzentrisch in der Axialbohrung (31) des Isolators (2) derart angeordnet ist, daß in Verbindung mit einer äußeren Elektrode (4) ein Entladungsspalt (Gp) gebildet wird, wobei die äußere Elektrode (4) in von dem metallischen Mantelgehäuse (1) herabhängender Anordnung vorgesehen ist, und wobei ein hohler Abschnitt (31) axial mit wenigstens einem vorderen Ende der Mittelelektrode (3) derart vorgesehen ist, daß ein Thermoelement (5) umgeben wird, welches einen Thermosensor zur Feststellung einer Temperatur des vorderen Endes der Mittelelektrode (3) bildet, und
einen ringförmigen Drucksensor (7), der an dem Haltesitz (12 a) des metallischen Mantelgehäuses (1) zur Erfassung eines Druckes in einer Brennkammer im Zylinderkopf vorgesehen ist, wobei der Drucksensor (7) als Zwischenla­ ge zwischen dem Haltesitz (12 a) und dem Zylinderkopf angeordnet ist, wenn die Zündkerze (A) am Zylinderkopf befestigt ist.

2. Zündkerze mit einer Temperatur- und Druckerfassung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (5) von einem Thermosensor gebildet wird, der von einem Chromel-Alumel-Draht gebildet wird.

3. Zündkerze mit einer Temperatur- und Druckerfassung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Mantelgehäuse (1) wenigstens einen durchmes­ sererweiterten Abschnitt (12) und einen durchmesserver­ minderten Abschnitt (13) hat, der ringförmige Drucksensor (7) in dem durchmesserverminderten Abschnitt (3) derart eingesetzt ist, daß eine obere Fläche des Drucksensors (7) zur Anlage gegen eine Unterseite eines stufenförmigen Abschnittes (7 a) kommt, der eine Grenzstelle zwischen dem durchmessererweiterten Abschnitt (12) und dem durchmes­ serverminderten Abschnitt (13) bildet.

4. Zündkerze mit einer Temperatur- und Druckerfassung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Drucksensor (7) ein piezoelektrisches Element (71) ist, das in einem metallischen Gehäuse (76) eingeschlossen ist und daß das Gehäuse (76) im Quer­ schnitt viereckförmig ausgelegt ist, wobei obere und untere Seiten desselben als ein Druckaufnahmeteil wirken.

5. Zündkerze mit einer Temperatur- und Druckerfassung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Gehäuse (76) von einem metallischen Tragsitz (8) getragen wird, der mit Hilfe einer Schweißverbindung (9) fest mit dem metallischen Mantelgehäuse (1) verbunden ist.

6. Zündkerze mit einer Temperatur- und Druckerfassung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Schweißung eine Luftdichtigkeit zwischen dem metalli­ schen Mantelgehäuse (1) und dem Drucksensor (7) auf­ rechterhalten wird.

7. Zündkerze mit einer Temperatur- und Druckerfassung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolatorplatte (73) mit einer äußeren und inneren Umfangsseite des piezoelektrischen Elements (71) derart versehen ist, daß dieses Element als Zwischenlage dient.

8. Zündkerze mit einer Temperatur und Druckerfassung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein koaxialer Dreipolanschluß (6) mit einem hinteren Ende der Mittel­ elektrode (2) verbunden ist, der Anschluß (6) einen Kontakt zur Herstellung einer Verbindung mit einer Hochspannungscodierung und zugleich ein Paar von Kontak­ ten (61, 62) hat, die mit dem Thermoelement (5; 52, 53) verbunden sind.