EP1637806A2 - Druckmessglühkerze für einen Dieselmotor - Google Patents

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EP1637806A2
EP1637806A2 EP05015804A EP05015804A EP1637806A2 EP 1637806 A2 EP1637806 A2 EP 1637806A2 EP 05015804 A EP05015804 A EP 05015804A EP 05015804 A EP05015804 A EP 05015804A EP 1637806 A2 EP1637806 A2 EP 1637806A2
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plug body
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bellows
pressure sensor
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Michael Haussner
Frank Pechhold
Hans Houben
Friedrich Mayr
Ulf Wyrwich
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BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Sensata Technologies Holland BV
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Beru AG
Texas Instruments Holland BV
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    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F23Q2007/002—Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Definitions

  • the invention relates to a Druckmessglühkerze for a diesel engine according to the preamble of claim 1.
  • a seal between the heating element and the plug body is provided in such a pressure measuring glow plug, which is formed of a metal membrane or of an elastomeric seal.
  • a metal diaphragm as a seal has the disadvantage of a stiff spring characteristic and a small spring travel, resulting in a component load.
  • An elastomeric seal on the other hand, is temperature sensitive.
  • a seal in the form of a bellows-type component is provided in the Druckmessglühkerze of the type mentioned between the heating element and the plug body.
  • a bellows-type seal has the advantage that an absolute tightness of the Druckmessglühkerze is guaranteed in the range of the heating element to the plug body relative to the applied combustion pressure.
  • the spring line can be influenced, that is to say selected in the desired manner.
  • Another advantage is that influences on the pressure sensor due to thermal stress during annealing and at different engine load conditions are minimal.
  • a pressure measuring glow plug for a diesel engine consists essentially of a plug body 3, 4, a heating rod 1 with a metallic or ceramic structure, which is arranged so as to be slidable in the plug body in the axial direction relative to the plug body 3, 4.
  • a pressure sensor 7, which may be arranged under a bias voltage by means of a sensor unit 5 between the heating element 1 and the plug body 3, 4 and is acted upon by the pressure prevailing in the combustion chamber of the cylinder pressure, wherein the heating element 1, the pressure in the combustion chamber of the cylinder to the pressure sensor 7 transmits.
  • the heating element 1 is slidably disposed in the axial direction relative to the plug body 3, 4, such that the pressure in the combustion chamber leads to an axial movement of the heating element 1 relative to the plug body 3, 4, through which the pressure sensor 7 is acted upon by a force.
  • the heating element 1 is mechanically fixedly connected via an extension tube with the pressure sensor 7 and a bellows 2, which is arranged as a sealing element between the heating element 1 and the glow plug body 3, 4 and ensures that the heating element 1 can move without friction in the plug body 3, 4 in the axial direction.
  • the bellows 2 which preferably consists of a metal material, mechanically connected to the heating element 1, for example, characterized in that on the front side of the cylindrical part of the bellows 2 to the heating element 1 towards a radially encircling Fillet weld or in the cylindrical part of the bellows 2 a radially encircling through-welding is provided.
  • the connection can be achieved in this area to the heating element by laser welding, crimping, swaging, soldering, pressing on, etc.
  • the plug body 3, 4 consists of two parts, namely a body upper part 3 and a body lower part 4, which are mechanically connected to one another.
  • the body lower part 4 is provided on the combustion chamber side with a sealing cone, via which the glow plug to the cylinder head seals the combustion pressure.
  • the bellows 2 is mechanically connected on the connection side to the body upper part 3. Also at this point, the bellows 2 may be formed with a cylindrical part which is pushed onto the outside of the shaft of the body shell 3 and is mechanically connected thereto. Other connection options are the same as in the connection of the bellows 2 to the heating element. 1
  • the front seal thus consists of a bellows-like component, which may be formed as a metal bellows.
  • the axial displaceability of the heating element 1 is ensured with extensive linearity of the force path characteristic.
  • the heating element 1 is thermally decoupled from the plug body 3, 4 and the heating element 1 is elastically supported in the plug body 3, 4 via the bellows 2.
  • About the bellows 2 can continue to be exercised a bias.
  • the heating element 1 is displaced in the axial direction to the sensor element 7, which sits at the connection end of the heating element 1 and in the form of a piezoelectric sensor, a strain gauge or a is formed similar measuring element.
  • the heating element 1 presses with a certain force on the sensor element 7, whereby a change in the sensor element lying force or voltage is effected, which is further processed via a suitable evaluation electronics to a measurement signal.
  • the advantage of the bellows 2 is that by a small spring characteristic, that is, a small spring force in a long way, the influence due to thermal stresses on the sensor element can be kept very small.
  • a small spring characteristic that is, a small spring force in a long way
  • the influence due to thermal stresses on the sensor element can be kept very small.
  • the glow operation of the Druckmessglühkerze or at different load and speed ranges continues to warm the heating element 1 between the two contact points on the sensor element and the combustion chamber, which would mean that too high a voltage is transmitted to the sensor element in a too rigid combustion chamber seal and thus a faulty measurement is the result.
  • the combustion chamber seal is designed to be too stiff, that is to say if the spring force is too high for a small distance, no measurable change would occur at the sensor element and thus no measurement signal would result.

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Abstract

Druckmessglühkerze für einen Dieselmotor mit einem Kerzenkörper (3, 4) zum Einsetzen in einen Zylinder des Dieselmotors, einem Heizstab (1), der im Kerzenkörper (3, 4) angeordnet ist, und einem Drucksensor (7), der unter einer Vorspannung zwischen dem Heizstab (1) und dem Kerzenkörper (3, 4) angeordnet ist, derart, dass der Drucksensor (7) durch den im Brennraum des Zylinders herrschenden Druck beaufschlagt wird. Der Heizstab (1) überträgt den Druck im Brennraum des Zylinders auf den Drucksensor (7) und ist in axialer Richtung relativ zum Kerzenkörper (3, 4) gleitend verschiebbar angeordnet. Zwischen dem Heizstab (1) und dem Kerzenkörper (3, 4) ist eine Dichtung in Form eines faltenbalgartigen Bauteils (2) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Druckmessglühkerze für einen Dieselmotor nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei einer derartigen Druckmessglühkerze wird der Verbrennungsdruck direkt über den Heizstab auf den Drucksensor übertragen, ohne dass die Geometrie und die Festigkeit des Kerzenkörpers einen Einfluss haben oder eingebunden sind. Dabei werden alle üblichen Funktionen der Glühkerze beibehalten.
  • Vorzugsweise wird bei einer solchen Druckmessglühkerze eine Abdichtung zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper vorgesehen, die aus einer Metallmembran oder aus einer Elastomerdichtung gebildet ist.
  • Eine Metallmembran als Dichtung hat jedoch den Nachteil einer steifen Federkennlinie und eines geringen Federweges, was zu einer Bauteilbelastung führt. Eine Elastomerdichtung ist andererseits temperaturempfindlich.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei der Druckmessglühkerze der eingangs genannten Art zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper eine Dichtung in Form eines faltenbalgartigen Bauteils vorgesehen.
  • Eine faltenbalgartige Dichtung hat den Vorteil, dass eine absolute Dichtheit der Druckmessglühkerze im Bereich des Heizstabes zum Kerzenkörper gegenüber dem anliegenden Verbrennungsdruck gewährleistet ist.
  • Durch die Anzahl und Form der Falten des faltenbalgartigen Bauteils kann darüber hinaus die Federlinie beeinflusst, das heißt in der gewünschten Weise gewählt werden.
  • Auf Grund des mehrlagigen Aufbaus des faltenbalgartigen Bauteils kann eine kleine Federrate und die geforderte Druckbelastung gewährleistet werden.
  • Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass Einflüsse auf den Drucksensor infolge einer thermischen Belastung beim Glühbetrieb und bei den verschiedenen Motbrlastzuständen minimal sind.
  • Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Druckmessglühkerze sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.
  • Im Folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnungen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen
    • Fig. 1 eine Schnittansicht des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Druckmessglühkerze für einen Dieselmotor und
    • Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht des Bereichs der in Fig. 1 dargestellten Druckmessglühkerze, in dem das faltenbalgartige Bauteil als Dichtung eingesetzt ist.
  • Wie es in Fig. 1 dargestellt ist, besteht eine Druckmessglühkerze für einen Dieselmotor im Wesentlichen aus einem Kerzenkörper 3, 4, einem Heizstab 1 mit metallischem oder keramischen Aufbau, der in axialer Richtung relativ zum Kerzenkörper 3, 4 gleitend verschiebbar im Kerzenkörper angeordnet ist, einem Drucksensor 7, der eventuell unter einer Vorspannung mittels einer Sensoreinheit 5 zwischen dem Heizstab 1 und dem Kerzenkörper 3, 4 angeordnet ist und durch den im Brennraum des Zylinders herrschenden Druck beaufschlagt wird, wobei der Heizstab 1 den Druck im Brennraum des Zylinders auf den Drucksensor 7 überträgt.
  • Der Heizstab 1 ist in axialer Richtung relativ zum Kerzenkörper 3, 4 gleitend verschiebbar angeordnet, derart, dass der Druck im Brennraum zu einer axialen Bewegung des Heizstabes 1 relativ zum Kerzenkörper 3, 4 führt, durch die der Drucksensor 7 mit einer Kraft beaufschlagt wird.
  • Wie es in Fig. 1 und insbesondere in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Heizstab 1 über ein Verlängungsrohr mit dem Drucksensor 7 und einem Faltenbalg 2 mechanisch fest verbunden, der als Dichtungselement zwischen dem Heizstab 1 und dem Glühkerzenkörper 3, 4 angeordnet ist und gewährleistet, dass der Heizstab 1 sich reibungsfrei im Kerzenkörper 3, 4 in axialer Richtung bewegen kann.
  • Wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ist der Faltenbalg 2, der vorzugsweise aus einem Metallmaterial besteht, mit dem Heizstab 1 mechanisch beispielsweise dadurch verbunden, dass an der Stirnseite vom zylindrischen Teil des Faltenbalgs 2 zum Heizstab 1 hin eine radial umlaufende Kehlnaht oder im zylindrischen Teil des Faltenbalgs 2 eine radial umlaufende Durchschweißung vorgesehen ist. Die Verbindung kann in diesem Bereich zum Heizstab auch durch Laserschweißen, Crimpen, Rundhämmern, Löten, Aufpressen usw. erzielt werden.
  • Bei dem in den Figuren dargestelltem Ausführungsbeispiel besteht der Kerzenkörper 3, 4 aus zwei Teilen, nämlich einem Körperoberteil 3 und einem Körperunterteil 4, die mechanisch miteinander verbunden sind. Der Körperunterteil 4 ist brennraumseitig mit einem Dichtkonus versehen, über welchen die Glühkerze zum Zylinderkopf den Verbrennungsdruck abdichtet.
  • Der Faltenbalg 2 ist anschlussseitig mit dem Körperoberteil 3 mechanisch verbunden. Auch an dieser Stelle kann der Faltenbalg 2 mit einem zylindrischen Teil ausgebildet sein, der auf die Außenseite des Schaftes des Körperoberteils 3 aufgeschoben ist und mechanisch damit verbunden ist. Weitere Verbindungsmöglichkeiten sind die Gleichen wie bei der Verbindung des Faltenbalgs 2 zum Heizstab 1.
  • Wie es in der Zeichnung dargestellt ist, besteht die Frontabdichtung somit aus einem faltenbalgartigen Bauteil, das als Metallfaltenbalg ausgebildet sein kann. Hierdurch ist die axiale Verschiebbarkeit des Heizstabes 1 bei weitgehender Linearität der Kraftwegkennlinie gewährleistet. Darüber hinaus ist der Heizstab 1 zum Kerzenkörper 3, 4 thermisch entkoppelt und wird der Heizstab 1 im Kerzenkörper 3, 4 über den Faltenbalg 2 elastisch abgestützt. Über den Faltenbalg 2 kann weiterhin eine Vorspannung ausgeübt werden.
  • Die in der Zeichnung dargestellte Druckmessglühkerze arbeitet in der folgenden Weise:
  • Infolge des Verbrennungsdrucks oder des Kompressionsdrucks des Kolbens wird der Heizstab 1 in axialer Richtung zum Sensorelement 7 verschoben, das am anschlussseitigen Ende des Heizstabes 1 sitzt und in Form eines Piezosensors, eines Dehnungsmessstreifens oder eines ähnlichen Messelementes ausgebildet ist. Durch diese Verschiebung drückt der Heizstab 1 mit einer gewissen Kraft auf das Sensorelement 7, wodurch eine Veränderung der am Sensorelement liegenden Kraft oder Spannung bewirkt wird, die über eine geeignete Auswerteelektronik zu einem Messsignal weiterverarbeitet wird.
  • Der Vorteil des Faltenbalgs 2 besteht dabei darin, dass durch eine kleine Federkennlinie, das heißt eine kleine Federkraft bei großem Weg, der Einfluss in Folge thermischer Belastungen auf das Sensorelement sehr klein gehalten werden kann. Im Glühbetrieb der Druckmessglühkerze bzw. bei verschiedenen Last- und Drehzahlbereichen erwärmt sich weiterhin der Heizstab 1 auch zwischen den beiden Kontaktstellen am Sensorelement und an der Brennraumabdichtung, was zur Folge hätte, dass bei einer zu steifen Brennraumabdichtung eine zu große Spannung auf das Sensorelement übertragen wird und somit eine Fehlmessung die Folge ist. Wenn die Brennraumabdichtung zu steif ausgelegt ist, das heißt eine zu hohe Federkraft bei kleinem Weg vorliegt, würde am Sensorelement keine messbare Veränderung auftreten und ergäbe sich somit kein Messsignal.
  • Durch die Ausbildung der Abdichtung in Form eines mehrlagigen Faltenbalgs wird eine kleine Federrate bei gleichzeitig ausreichender Druckbelastung erhalten. Das hat zur Folge, dass eine bessere Abdichtung gegenüber dem Verbrennungsdruck erzielt wird, dass auf Grund der kleinen Federkonstante eine Linearität im Messbereich gewährleistet ist und der Einfluss auf das Messsignal gering ist, dass die Spannungen infolge thermischer Einflüsse auf das Sensorelement gering sind, dass die Abdichtung thermisch unempfindlich ist und dass die eingesetzten Bauteile problemlos herstellbar sind.

Claims (3)

  1. Druckmessglühkerze für einen Dieselmotor mit
    - einem Kerzenkörper zum Einsetzen in einen Zylinder des Dieselmotors,
    - einem Heizstab, der im Kerzenkörper angeordnet ist, und
    - einem Drucksensor, der unter einer Vorspannung zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper angeordnet ist, derart, dass der Drucksensor durch den im Brennraum des Zylinders herrschenden Druck beaufschlagt wird, wobei
    - der Heizstab den Druck im Brennraum des Zylinders auf den Drucksensor überträgt und
    - der Heizstab in axialer Richtung relativ zum Kerzenkörper gleitend verschiebbar im Kerzenkörper angeordnet ist, derart, dass der Druck im Brennraum zu einer axialen Bewegung des Heizstabes relativ zum Kerzenkörper führt, durch die der Drucksensor mit einer Kraft beaufschlagt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper eine Dichtung in Form eines faltenbalgartigen Bauteils vorgesehen ist.
  2. Druckmessglühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das faltenbalgartige Bauteil ein mehrlagiger Metallfaltenbalg ist.
  3. Druckmessglühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kerzenkörper aus zwei Teilen, nämlich einem Körperoberteil und einem Körperunterteil besteht, die mechanisch miteinander verbunden sind, wobei das faltenbalgartige Bauteil im Bereich des Körperunterteils angeordnet ist und am anschlussseitigen Ende mit dem Körperoberteil verbunden ist.
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