DE4010609C2 - Zündkerze mit Einrichtungen zur 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 (1/min), des Ansaug­ drucks, des Auslaßluftdrucks betrieben.

Bei der Durchführung dieses Anpaß- bzw. Abgleichtests ist es wichtig, daß eine Temperatur einer Mittelelektrode erfaßt wird, damit eine Kompatibilität der zu testenden Zündkerze bestimmt werden kann. 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 schon 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 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.

Aus der DE 32 17 951 A1 ist eine gattungsgemäße Zündkerze für Brennkraftmaschinen mit einer Temperatur- und Drucker­ fassung bereits bekannt. Ein zylindrisches metallisches Man­ telgehäuse mit einem Haltesitz um eine äußere Fläche des Mantelgehäuses ist derart vorgesehen, daß dieses an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine befestigbar ist. Fer­ ner ist ein Isolator konzentrisch in dem Mantelgehäuse ange­ ordnet, der eine in Längsrichtung verlaufende Axialbohrung hat. In der Axialbohrung ist konzentrisch eine Mittelelek­ trode angeordnet, so daß in Verbindung mit einer äußeren Elektrode ein Entladungsspalt ausgebildet ist.

Die DE-AS 38 28 738 betrifft eine Zündkerze mit Drucksensor. Die Zündkerze weist ein metallisches Mantelgehäuse auf, mit einer an dem Gewindeabschnitt herabhängenden äußeren Elek­ trode 6, die einen ringförmigen Drucksensor aufweist. Der Drucksensor ist als Zwischenlager zwischen dem Haltesitz und dem Zylinderkopf angeordnet, wenn die Zündkerze am Zylinder­ kopf befestigt ist.

Aus dem DE-GM 17 36 378 ist eine Zündkerze mit Thermoelement im Mittelelektrodenstift bekannt. Im vorderen Abschnitt der Mittelelektrode ist ein hohler Abschnitt vorgesehen, in dem ein Thermoelement angeordnet ist, das die Temperatur des vorderen Endes der Mittelelektrode mißt.

Die Erfindung zielt darauf ab, eine Zündkerze mit Einrichtungen zur 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 Einrichtungen zur Temperatur- und Druckerfassung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 bereitgestellt.

Nach der Erfindung sind der Drucksensor und der Thermosensor ihrerseits fest mit dem metallischen Mantelgehäuse bezw. 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 dann 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, damit die Brennkraftmaschine vor Beschädigun­ gen zu schützen ist.

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 an einer verbesserten Brennkraftmaschine spielt.

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

Weitere Einzelheiten 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, dann, 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 63 für Hochspannung, 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 Schraubab­ schnitt 14. Ein Randabschnitt zwischen dem durchmessererweiter­ ten Abschnitt 12 und dem durchmesserverminderten Abschnitt 13 bildet eine Abstufung 7a, welche als Haltesitz 12a 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 7a 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. Ein Isolierring 74, mit inneren und äußeren Umfangsseiten ist derart vorgesehen, daß er das Laminat umfaßt.

Ein Leitungsdraht 77 ist mit der 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, dann liegt das piezoelektrische Element 71 zwischen dem Zylin­ derkopf und der Abstufung 7a des Haltesitzes 12a über eine obere Fläche 76a und eine untere Fläche 76b 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 aus 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 druckempfindliches Element eingesetzt werden.

Claims (7)

1. Zündkerze mit Einrichtungen zur Temperatur- und Druckerfassung, mit:

• a) einem zylindrischen, metallischen Mantelgehäuse (1), das einen Haltesitz (12a) um eine äußere Fläche des Mantel­ gehäuses (1) derart hat, daß das Mantelgehäuse (1) an einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine befestigbar ist,
• b) einem elektrischen Isolator (2), der konzentrisch in dem metallischen Mantelgehäuse (1) angeordnet ist und eine in Längsrich­ tung verlaufende Axialbohrung (31) hat,
• c) einer 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,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die äußere Elektrode (4) in von dem metallischen Mantel­ gehäuse (1) herabhängender Anordnung vorgesehen ist,
• b) ein hohler Abschnitt (31) axial wenigstens in einem vorderen Ende der Mittelelektrode (3) derart vorgesehen ist, daß ein Thermoelement (5) umgeben wird, welches einen Thermosensor zur Feststellung der Temperatur des vorderen Endes der Mittelelektrode (3) bildet,
• c) ein ringförmiger Drucksensor (7) an dem Haltesitz (12a) des metallischen Mantelgehäuses (1) zur Erfassung des Druckes in einer Brennkammer im Zylinderkopf vorgesehen ist, wobei der Drucksensor (7) als Zwischenlage zwischen dem Haltesitz (12a) und dem Zylinderkopf angeordnet ist, dann, wenn die Zündkerze (A) am Zylinderkopf befestigt ist, und
• d) ein koaxialer Dreipolanschluß (6) mit einem hinteren En­ de der Mitteleketrode (3) verbunden ist und der Anschluß (6) einen Kontakt (63) zur Verbindung mit einer Hochspannung und zugleich ein Paar von Kontakten (61, 62) hat, die mit dem Thermoelement (5; 52, 53) elektrisch verbunden sind.

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

3. Zündkerze 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, und daß 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 (7a) kommt, der eine Grenzstelle zwischen dem durchmessererweiterten Abschnitt (12) und dem durchmes­ serverminderten Abschnitt (13) bildet.

4. Zündkerze 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 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 nach An­ spruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Schweißung eine Luftdichtigkeit zwischen dem metallischen Mantelgehäuse (1) und dem Drucksensor (7) aufrechterhalten wird.

7. Zündkerze nach An­ spruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolator­ ring (74) mit einer äußeren und inneren Umfangsseite derart vorgesehen ist, daß er das piezoelektrische Element (71) umfaßt.