WO2001020229A1 - Glühstiftkerze - Google Patents

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WO2001020229A1
WO2001020229A1 PCT/DE2000/002730 DE0002730W WO0120229A1 WO 2001020229 A1 WO2001020229 A1 WO 2001020229A1 DE 0002730 W DE0002730 W DE 0002730W WO 0120229 A1 WO0120229 A1 WO 0120229A1
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WO
WIPO (PCT)
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glow plug
control circuit
glow
switch
housing
Prior art date
Application number
PCT/DE2000/002730
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Peter Bauer
Albrecht Geissinger
Johannes Locher
Werner Teschner
Jochen Neumeister
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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Priority to JP2001523573A priority patent/JP4605735B2/ja
Priority to EP20000967518 priority patent/EP1216384B1/de
Priority to HU0202564A priority patent/HU224254B1/hu
Priority to BR0014006-6A priority patent/BR0014006A/pt
Priority to PL00353996A priority patent/PL195184B1/pl
Priority to US10/088,551 priority patent/US7122764B1/en
Priority to SK353-2002A priority patent/SK286219B6/sk
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines

Definitions

  • the present invention relates to a glow plug as it is used in glow systems consisting of control unit and glow plug for self-igniting internal combustion engines.
  • Glow plugs are known for example from DE-OS 28 02 625.
  • Such a glow plug consists of a tubular metallic housing which has a thread on its outer circumference, with the aid of which the glow plug is screwed into the cylinder.
  • a glow plug is cantilevered from the housing so that it projects into the combustion chamber when a glow plug is installed in the engine.
  • a heating device is arranged in the glow plug, which is in contact with the supply voltage on the combustion chamber side for the ground connection to the closed bottom of the glow plug and away from the combustion chamber via a contact bolt.
  • Ceramic glow plugs are also known in which the part protruding into the combustion chamber consists of ceramic.
  • the current through the heating device is switched on or off by a glow time control device via a switch (relay, power transistor) in the control device.
  • the glow plug with the characterizing features of the main claim has the advantage over the known arrangement that the switch for switching the glow current on and off is integrated in the housing of the glow plug. Since this switch only switches the current of a single candle, it can be made relatively small. Due to the arrangement in the vicinity of the candle thread and the good coupling to the cylinder head, good cooling is also guaranteed for the operation of the candle when the engine is cold before starting or in the warm-up phase. At the
  • Circuit breaker built-in an integrated circuit part also reduces the total number of electrical lines required.
  • a separate glow time control device can be completely dispensed with under certain circumstances or a more compact design is possible. If the control is integrated into the glow plug housing, there is also the option of recording and evaluating the glow temperature directly on site. In this way, changes in operating conditions can be reacted to very quickly and in the best possible way.
  • the glow time control device ensures the regulation of the glow temperature
  • the control coil which ensures due to its positive resistance coefficient that the glow temperature does not reach impermissibly high values, can be dispensed with in the glow plug.
  • Another The advantage results from the use of a semiconductor chip as switching means. By installing in the housing of the glow plug, the chip is adequately protected from external influences, so that when the semiconductor switch is installed in the glow plug, the commercially available transistor housing can be omitted and costs can be reduced.
  • FIG. 1 shows a first embodiment
  • FIG. 2 shows a second embodiment
  • FIG. 3 shows a third embodiment
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment
  • FIG. 5 shows a fifth embodiment of the glow plug according to the invention
  • FIGS. 7 and 9 electrical equivalent circuit diagrams for glow plug according to the invention
  • FIG. 10 a sixth embodiment of the glow plug according to the invention.
  • the basic structure of a glow plug according to FIGS. 1 to 5 consists of a tubular metallic housing 10, in the longitudinal bore of which a glow plug 11 is inserted with part of its length in a sealing manner.
  • the glow plug 11 consists of a glow tube 12 which is closed at the end on the combustion chamber side and in which there is an axially
  • Extends heating device which consists of a heating coil 14 arranged on the combustion chamber side and a control coil 15 arranged remote from the combustion chamber.
  • the known heating coils are shown here for simplicity as resistors.
  • the heating device is embedded in insulating material 16 and thus insulated from the wall of the glow tube 12.
  • the structure and mode of operation of such a glow plug are already sufficiently known from the prior art cited at the beginning and are not to be explained in more detail here.
  • the glow tube 12 with the heating coils 14 represents a heating element protruding into the combustion chamber.
  • the housing 10, together with the insulation material 16 and the control coil 15, represents an electrical feedthrough for supplying electrical energy to the combustion chamber. Since in FIGS the same basic structure of the glow plug is assumed, the same components have been given the same reference numerals.
  • a switching unit is arranged in a housing 300 on the side facing away from the combustion chamber in the glow plug according to the invention.
  • a switch is provided in the switching unit 300, by means of which the current flow through the heating device 13 can be switched on or off.
  • the switching unit 300 is over Plug contacts 301 are connected to leads 19, via which a supply voltage and signals of a control device, not shown here, are supplied. It is essential that a temperature suitable for the use of semiconductor circuits prevails inside the housing 10. This results from the fact that the housing represents a passage of current through the wall of a cylinder of an internal combustion engine and such cylinders are cooled (as a rule by water cooling). Since the housing is in direct contact with the wall of the cylinder, the housing 10 and the interior of the housing are also cooled. Semiconductor circuits can thus be used for the switches according to the invention in the area or interior of the housing.
  • the control coil 15 is contacted on the side facing away from the combustion chamber by means of a metallic connecting element 120.
  • a metallic connecting element 120 is now shown, which on the side of the candle facing away from the combustion chamber, i.e. towards the connecting lines 19 has a flattened area.
  • the switching unit 300 is now arranged on this flattened area and is coated with the flattened side of the surface using a metallically conductive layer, for example a solder or a conductive adhesive
  • the switching unit 300 consists, for simplification, of a transistor which has a metallic drain connection on the underside and two connection lugs 301 which are then connected to the source and the gate of the transistor.
  • a semiconductor switch transistor
  • any combination of a semiconductor switch (transistor) with an "intelligent" circuit can of course also be used.
  • the advantage of a packaged component is that it Components in the manufacture of the glow plugs are particularly easy to handle.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment in which the switching unit is designed as an unencapsulated silicon chip 302.
  • the silicon chip 302 is arranged on an insulating layer 304, so that the underside of the silicon chip is electrically insulated from the flattened region of the connecting element 120.
  • the connection to the connecting lines 19 is established by bonding wires 303.
  • An electrical connection to the connecting element 120 is likewise produced from the top side of the silicon chip 302 by means of bonding wires 303. It is advantageous here that unencapsulated silicon elements are generally cheaper than packaged components, require less space and that the housing of the glow plug itself is sufficient packaging for the silicon chip 302.
  • FIG. 1 A further exemplary embodiment of the glow plug according to the invention is shown in FIG.
  • the connecting element 120 is designed as it was already described for FIG. 1 with a round part for contacting the control coil 15 and with a flattened part to the rear on which a semiconductor chip 302 without a housing is applied according to FIG. Contacting the
  • the connecting line 19 is here again made by bonding wires 303 which are fastened on the upper side of the semiconductor chip 302 and thus create a connection to the connecting lines 19.
  • the electrical contact to the metallic connecting element 120 is made simply by the fact that the
  • Semiconductor chip 302 is applied with its rear side directly to the area of the metallic connecting element 120 flattened to the rear.
  • the semiconductor chip 302 contains a power transistor whose drain connection is formed by the rear side of the semiconductor chip 302.
  • the example according to FIG. 4 differs from the example according to FIG. 3 only in that the last piece of the feed lines 19 is designed such that it can be attached directly to the surface of the chip 302. This can take place, for example, in that the last piece of the supply lines 19 is designed as thin sheets which can be soldered directly to the surface of a semiconductor chip 302 by means of corresponding soldering points 305.
  • a connecting element 120 is used in FIG. 5, which is completely rotationally symmetrical and has a completely flattened side on the side facing away from the combustion chamber.
  • the semiconductor chip 302 is applied on this flattened side, so that electrical contact is again established between the underside of the semiconductor chip 302 and the connecting element 120.
  • Solder balls 305 are again provided on the upper side of the semiconductor chip 302 and are used for contacting the leads 19.
  • FIG. 6 shows a block diagram of the entire glow system consisting of control unit 60 and glow plugs 61.
  • Control unit 60 is connected to glow plug 61 with a common line 19.
  • the glow plugs are connected to the supply voltage 200 via a further line 19.
  • FIG. 7 shows the equivalent circuit diagram of a glow plug according to FIG. 6.
  • a switch 70 is connected with one connection to the supply voltage 200 and on the other side in series with the control coil 15 and the heating coil 14 against a ground connection 201.
  • the switch 70 is opened or closed by a control circuit 73 via a corresponding line, the control circuit 73
  • Corresponding signals from control unit 60 are received via line 19.
  • the control circuit 73 receives an operating current from the supply connection 200.
  • the glow plugs described in FIGS. 1 to 7 thus have three electrical connections, the ground connection 201 generally being realized by the housing 10.
  • the supply connection 200 provides the electrical current, which supplies the electrical energy for heating via the switch 70.
  • the switching state of the switch 70 is ultimately determined via a third electrical connection.
  • Commercially available p- or n-channel power MOS fets can usually be used for the switches 70.
  • the drive circuit 73 and the switch 70 are integrated on a semiconductor chip.
  • the connecting line 19 between the control unit 60 and the glow plugs 61 can also be used for the backflow of information from the glow plugs 61 to the control unit 60.
  • the control circuit 73 is then to be equipped with correspondingly more intelligence, ie it must then be able to transmit certain information from the individual glow plug back to the control unit 60.
  • This function can also be activated, for example, only for diagnostic purposes, ie an individual query is made in a special operating state individual glow plugs 61 with regard to the functions they perform.
  • FIG. 8 shows a further connection of a control device 60 with glow plugs 61.
  • the glow plugs 61 have only a single connection with which they are then connected to the control device 60 via the line 19.
  • the control unit 60 provides the operating energy necessary for the operation of the glow plugs 61 via the line 19.
  • the control signal for the circuit is additionally modulated onto line 19.
  • both the switch 70 and the evaluation circuit 73 are connected to the one connecting line. There is then always a voltage level on line 19 which is sufficient for the operation of glow plugs 61, with additional ones
  • Voltage pulses the control circuit 73 recognizes that the switch 70 should now be operated. This can be done, for example, by bit sequences or frequency signals, which are then recognized by the control circuit 73.
  • a simple example can consist in that a higher-frequency signal is simply superimposed on the usual voltage level, which signal is then recognized by the control circuit 73 and leads to the switch 70 being closed.
  • FIG. 9 shows a further advantageous circuit example which is based on a connection 200 for the operating voltage and a line 19 for the control signals from the control unit 60.
  • the switching unit 73 receives the control signals from the control unit 60 and a supply voltage from the connection 200 here.
  • the switch 70 is arranged here in series with the voltage supply 200 to the heating coil 14 and the ground connection 201.
  • the use of a control coil is dispensed with and only one heating coil 14 is used intended.
  • the function of the control coil is to limit the current flow through the heating coil 14 after a certain warm-up period. This is done by choosing a material for the control coil, the resistance of which increases with increasing temperature.
  • a temperature measuring element can then be arranged on the semiconductor chip, which measures the temperature of the glow plug.
  • the temperature of the glow plug at the location of the semiconductor chip depends on the temperature at the tip of the glow plug, so that the temperature at the tip of the glow plug can be inferred from the temperature measured on the semiconductor chip.
  • Another way of determining the temperature of the glow plug is to measure the temperature of the heating pin.
  • the temperature of the heating pin can be measured if the heating resistor has a temperature dependence of the resistance.
  • the temperature of the glow plug can then be determined by measuring the resistance of the heating element.
  • other temperature-sensitive measuring elements can be provided, which can be arranged in the area of the heating element.
  • the drive circuit is then designed so that it in
  • the current flow through the heating coil 14 is limited. This can be done for example by pulse modulation, ie the control circuit 73 will open or close the switch 70 depending on the temperature profile in order to set a desired temperature on the heating coil 14. This measure would significantly simplify the construction of the glow plug.
  • the current flow through the heating coil can also be integrated via the current flow through the heating coil the time, resistance of the heating coil or other methods can be inferred indirectly from the temperature of the glow plugs. These methods are therefore technically equivalent.
  • FIG. 10 A further embodiment of the glow plug according to the invention is shown in FIG. 10, a so-called ceramic glow plug being shown in FIG.
  • the glow tube 11 consists of a first and a second conductive ceramic layer 501, 502 between which an insulating ceramic layer 503 is arranged.
  • the first and second conductive ceramic layers 501, 502 are connected to one another with a thinned tip region 504, so that a current flow from the ceramic conductive layer 501 over the thinned one
  • Tip area 504 to the second conductive ceramic layer 502 is possible.
  • the glow tube 11 is in turn held at the end facing away from the combustion chamber by a housing 10.
  • the first ceramic conductive layer 501 extends further to the right in the housing 10 and a chip 302 is then applied to this area, which is connected to a lead 19 by means of a bonding wire 303.
  • a vertical transistor is again arranged in the chip 202, which allows a current to flow from the upper side of the chip 202 to the lower side of the chip 202, so that an electrical current can be fed into the first conductive layer 501 via the chip 202.
  • the entire ceramic layers are covered here with a superficial thin glass layer, which is only in the area under the silicon chip 302 and in one

Abstract

Es wird eine Glühstiftkerze für selbstzündende Brennkraftmaschinen mit einem in einen Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragenden elektrischen Heizelement und mit einer Stromdurchführung, mit der ein Heizstrom für das Heizelement durch eine Öffnung im Brennraum hindurchgeführt wird, vorgeschlagen. Im Bereich der Stromdurchführung ist ein Schalter angeordnet und durch Öffnen-und Schliessen des Schalters ist der Heizstrom steuerbar.

Description

Glühstiftkerze
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze, wie sie in Glühsystemen, bestehend aus Steuergerät und Glühkerze, für selbstzündende Brennkraftmaschinen zum Einsatz kommt. Glühkerzen sind beispielsweise aus der DE- OS 28 02 625 bekannt. Eine solche Glühstiftkerze besteht aus einem rohrförmigen metallischen Gehäuse, das auf seinem äußeren Umfang ein Gewinde trägt, mit dessen Hilfe die Glühstiftkerze in den Zylinder eingeschraubt wird. Am brennraumseitige Ende des Gehäuses der Glühstiftkerze wird ein Glühstift vom Gehäuse freitragend umfaßt, so daß er bei einer im Motor eingebauten Glühstiftkerze in den Brennraum hineinragt. Im Glühstift ist eine Heizvorrichtung angeordnet, die brennraumseits für den Masseanschluß mit dem verschlossenen Boden des Glühstiftes und brennraumfern über einen Kontaktbolzen mit der VersorgungsSpannung kontaktiert ist. Weiterhin sind noch keramische Glühkerzen bekannt, bei denen der in den Brennraum hineinragende Teil aus Keramik besteht. Bei den bekannten Glühsystemen wird der Strom durch die Heizvorrichtung von einem Glühzeitsteuergerät über einen Schalter (Relais, Leistungstransistor) im Steuergerät ein- bzw. ausgeschaltet.
Vorteile der Erfindung Die Glühstiftkerze mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat gegenüber der bekannten Anordnung den Vorteil, daß der Schalter zum Ein- und Ausschalten des Glühstromes in das Gehäuse der Glühstiftkerze integriert ist. Da dieser Schalter nur den Strom einer einzelnen Kerze schaltet, kann er relativ klein ausgebildet sein. Durch die Anordnung in der Nähe des Kerzengewindes und der damit guten Ankopplung an den Zylinderkopf, ist für den Betriebs der Kerze bei kaltem Motor vor dem Start oder in der Warmlaufphase auch eine gute Kühlung gewährleistet. Beim
Zwischenglühen während längerem Schubbetrieb des Motors ist die Temperatur am Kerzengewinde über die Wasserkühlung den Motors sicher begrenzt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen, sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze möglich. Der Aufwand der Verkabelung mit großen Querschnitten zu den Glühstiftkerzen reduziert sich erheblich. Wird mit dem
Leistungsschalter ein integrierter Schaltungsteil eingebaut, z.B. ein SMART-Power-Chip benutzt, verringert sich auch die Anzahl der insgesamt notwendigen elektrischen Leitungen. Ein separates Glühzeitsteuergerät kann unter Umständen vollständig entfallen oder es ist eine kompaktere Bauweise möglich. Bei Integration der Ansteuerung in das Gehäuse der Glühstiftkerze, besteht ferner die Möglichkeit, die Glühtemperatur direkt vor Ort zu erfassen und auszuwerten. Somit kann sehr schnell und bestmöglich auf Veränderungen in den Betriebsbedingungen reagiert werden. Letztendlich kann, wenn das Glühzeitsteuergerät die Regelung der Glühtemperatur gewährleistet, in der Glühstiftkerze auf die Regelwendel, die aufgrund ihres positiven Widerstandskoeffizienten sicherstellt, daß die Glühtemperatur keine unzulässigen hohen Werte erreicht, verzichtet werden. Ein weiterer Vorteil ergibt sich durch den Einsatz eines Halbleiter-Chips als Schaltmittel . Durch den Einbau in das Gehäuse der Glühstiftkerze ist der Chip ausreichend vor äußeren Einflüssen geschützt, so daß beim Einbau des Halbleiter- Schalters in der Glühstiftkerze das handelsübliche Transistorgehäuse entfallen kann und damit Kosten reduziert werden.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel, Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel , Figur 4 ein viertes Ausführungsbeispiel , Figur 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze,
Figur 6 und 8 erfindungsgemäße Anordnungen eines Glühsystems mit den erfindungsgemäßen Glühkerzen als Blockschaltbild, Figur 7 und 9 elektrische Ersatzschaltbilder für erfindungsgemäße Glühstiftkerze und Figur 10 ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze .
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die Figuren 1 bis 5 zeigen jeweils in geschnittener
Darstellung eine Glühstiftkerze für eine selbstzündende Brennkraftmaschine, wobei der Grundaufbau bei allen Ausführungsbeispielen in den Figuren 1 bis 5 gleich ist, weshalb der prinzipielle Aufbau nur einmal erläutert werden soll. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der integrierten Schalteinheit, die in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 5 verschieden ist, soll dann direkt in Verbindung mit der jeweilige Figur erläutert werden.
Der Prinzipaufbau einer Glühstiftkerze nach den Figuren 1 bis 5 besteht aus einem rohrförmigen metallischen Gehäuse 10, in dessen Längsbohrung ein Glühstift 11 mit einem Teil seiner Länge abdichtend eingebracht ist. Der Glühstift 11 besteht aus einem am brennraumseitigen Ende verschlossenen Glührohr 12, in welchem sich in axialer Richtung eine
Heizvorrichtung erstreckt, die aus einer brennraumseits angeordneten Heizwendel 14 und einer brennraumfern angeordneten Regelwendel 15 besteht . Die bekannten Heizwendeln sind hier zur Vereinfachung als Widerstände dargestellt. Die Heizvorrichtung ist in Isoliermaterial 16 eingebettet und so gegenüber der Wand des Glührohres 12 isoliert. Aufbau und Wirkungsweise einer solchen Glühstiftkerze sind bereits hinreichend aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt und sollen hier nicht detallierter erläutert werden. Funktional stellt das Glührohr 12 mit der Heizwendeln 14 ein im Brennraum hineinragendes Heizelement dar. Das Gehäuse 10 stellt mit dem Isolationsmaterial 16 und der Regelwendel 15 eine elektrische Durchführung zur Zuleitung von elektrischer Energie in den Brennraum dar. Da in den Figuren 1 bis 5 von einem gleichen Grundaufbau der Glühstiftkerze ausgegangen wird, wurden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Bei der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze gemäß Figur 1 ist im Gehäuse 10 auf der vom Brennraum abgewandten Seite eine Schalteinheit in einem Gehäuse 300 angeordnet. In der Schalteinheit 300 ist ein Schalter vorgesehen durch den der Stromfluß durch die Heizvorrichtung 13 ein- bzw. ausgeschaltet werden kann. Die Schalteinheit 300 ist über Steckkontakte 301 mit Zuleitungen 19 verbunden, über die eine VersorgungsSpannung und Signale eines hier nicht dargestellten Steuergeräts zugeführt werden. Wesentlich ist dabei, daß innerhalb des Gehäuses 10 eine für die Verwendung von Halbleiterschaltungen geeignete Temperatur herrscht. Dies ergibt sich dadurch, daß das Gehäuse eine Stromdurchführung durch die Wand eine Zylinders einer Brennkraftmaschiene darstellt und derartige Zylinder (in der Regel durch eine Wasserkühlung) gekühlt werden. Da das Gehäuse in unmittelbarem Kontakt mit der Wand des Zylinders steht wird auch das Gehäuse 10 und der Innenraum des Gehäuses gekühlt . Es können somit Halbleiterschaltungen für die erfindungsgemäßen Schalter im Bereich bzw. Innenraum des Gehäuses verwendet werden.
Die Kontaktierung der Regelwendel 15 erfolgt auf der vom Brennraum abgewandten Seite durch ein metallisches Verbindungselement 120. In der Figur 1 wird nun ein derartiges metallisches Verbindungselement 120 gezeigt, welches auf der vom Brennraum abgewandten Seite der Kerze, d.h. hin zu den Anschlußleitungen 19 einen abgeflachten Bereich aufweist. Auf diesem abgeflachten Bereich ist nun die Schalteinheit 300 angeordnet, die mit einer metallisch leitenden Schicht, beispielsweise einem Lot oder einem leitfähigen Kleber, mit der abgeflachten Seite des
Verbindungselements 120 verbunden ist. Beim Beispiel nach der Figur 1 besteht die Schalteinheit 300 vereinfachend aus einem Transistor, der auf der Unterseite einen metallischen Drainanschluß und zwei Anschlußfahnen 301 aufweist, die dann mit dem Source und dem Gate des Transistors in Verbindung stehen. Abgesehen von einem reinen Transistor kann natürlich auch jede Kombination eines Halbleiterschalters (Transistor) mit einer "intelligenten" Schaltung verwendet werden. Der Vorteil eines verpackten Bauelements liegt darin, daß diese Bauelemente bei der Herstellung der Glühkerzen besonders einfach zu handhaben sind.
In der Figur 2 wird ein zweites Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Schalteinheit als ungekapselter Siliziumchip 302 ausgebildet ist. Der Siliziumchip 302 ist auf einer isolierenden Schicht 304 angeordnet, so daß die Unterseite des Sliziumchips gegenüber dem abgeflachten Bereich des Verbindungelements 120 elektrisch isoliert ist. Die Verbindung zu den Anschlußleitungen 19 wird durch Bonddrähte 303 hergestellt. Ebenfalls durch Bonddrähte 303 wird von der Oberseite Siliziumchip 302 eine elektrische Verbindung zum Verbindungselement 120 hergestellt. Vorteilhaft ist hier, daß ungekapselte Siliziumelemente in der Regel billiger sind, als verpackte Bauelemente, weniger Platz benötigen und daß das Gehäuse der Glühkerze selber eine ausreichende Verpackung für den Siliziumchip 302 darstellt.
In der Figur 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Glühkerze gezeigt. Das Verbindungselement 120 ist dabei so ausgebildet wie es bereits zur Figur 1 beschrieben wurde mit einem runden Teil zur Kontaktierung der Regelwendel 15 und mit einem nach hinten abgeflachten Teil auf dem nach der Figur 3 ein Halbleiterchip 302 ohne ein Gehäuse aufgebracht ist. Die Kontaktierung der
Anschlußleitung 19 erfolgt hier wiederum durch Bonddrähte 303 die auf der Oberseite des Halbleiterchips 302 befestigt sind und so eine Verbindung zu den Anschlußleitungen 19 schaffen. Der elektrische Kontakt zum metallischen Verbindungselement 120 erfolgt einfach dadurch, daß der
Halbleiterchip 302 mit seiner Rückseite unmittelbar auf den nach hinten abgeflachten Bereich des metallischen Verbindungselements 120 aufgebracht ist. Der Halbleiterchip 302 enthält einen Leistungstransitor dessen Drainanschluß durch die Rückseite des Halbleiterchips 302 gebildet wird. Das Beispiel nach der Figur 4 unterscheidet sich von dem Beispiel nach der Figur 3 nur darin, daß das letzte Stück der Zuleitungen 19 so ausgebildet ist, daß es unmittelbar auf der Oberfläche des Chips 302 befestigt werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß das letzte Stück der Zuleitungen 19 als dünne Bleche ausgebildet sind, die durch entsprechende Lötpunkte 305 unmittelbar mit der Oberfläche eines Halbleiterchips 302 verlötet werden können.
In der Figur 5 wird ein Verbindungselement 120 benutzt, welches vollständig rotationssymmetrisch ist und auf der vom Brennraum abgewandten Seite eine vollständig abgeflachte Seite aufweist. Auf dieser abgeflachten Seite ist der Halbleiterchip 302 aufgebracht, so daß wieder ein elektrischer Kontakt zwischen der Unterseite des Halbleiterchips 302 und dem Verbindungselement 120 hergestellt wird. Auf der Oberseite des Halbleiterchips 302 sind wiederum Lötkugeln 305 vorgesehen, die zur Kontaktierung der Zuleitungen 19 dienen.
Die Figur 6 zeigt ein Blockschaltbild des gesamten Glühsystems bestehend aus Steuergerät 60 und Glühkerzen 61. Das Steuergerät 60 ist hierbei mit den Glühstiftkerze 61 mit einer gemeinsamen Leitung 19 verbunden. Weiterhin sind die Glühkerzen über eine weitere Leitung 19 mit der Versorgungsspannung 200 verbunden.
Figur 7 zeigt das Ersatzschaltbild einer Glühstiftkerze nach Figur 6. Ein Schalter 70 ist mit dem einen Anschluß mit der VersorgungsSpannung 200 und auf der anderen Seite in Reihe mit der Regelwendel 15 und der Heizwendel 14 gegen einen Masseanschluß 201 geschaltet. Der Schalter 70 wird über eine entsprechende Leitung von einer Ansteuerschaltung 73 geöffnet oder geschlossen, wobei die Ansteuerschaltung 73 über die Leitung 19 entsprechende Signale vom Steuergerät 60 erhält. Weiterhin erhält die Ansteuerschaltung 73 von dem Versorgungsanschluß 200 einen Betriebsstrom.
Wie in Figur 6 zu sehen ist, werden alle Kerzen mit einer Leitung 19 mit dem Steuergerät 60 verbunden. Durch entsprechend kodierte Bitfolgen, Frequenzsignale usw. können vom Steuergerät 60 trotz dieser gemeinsamen Verkabelung die Glühkerzen einzeln angesteuert werden, wenn dies in einzelnen Betriebszuständen oder zu Diagnosezwecken gewünscht ist. In normalen Betrieb werden aber die Glühkerzen in der Regel alle gemeinsam angesteuert.
Die in den Figuren 1 bis 7 beschriebenen Glühstiftkerzen haben somit drei elektrische Anschlüsse, wobei der Masseanschluß 201 in der Regel durch das Gehäuse 10 realisiert ist. Der Versorgungsanschluß 200 stellt den elektrischen Strom zur Verfügung, welcher über den Schalter 70 die elektrische Energie zur Erwärmungen liefert. Der Schaltzustand des Schalters 70 wird letztendlich über einen dritten elektrischen Anschluß bestimmt. Üblicherweise können handelsübliche p- oder n-Kanal-Leistung-MOS-Fets für die Schalter 70 eingesetzt werden. Die Ansteuerschaltung 73 und der Schalter 70 werden auf einem Halbleiterchip integriert.
Die Verbindungsleitung 19 zwischen dem Steuergerät 60 und den Glühstiftkerzen 61 kann auch für den Rückfluß von Informationen von den Glühkerzen 61 zum Steuergerät 60 genutzt werden. Die Ansteuerschaltung 73 ist dann mit entsprechend mehr Intelligenz auszustatten, d.h. sie muß dann in der Lage sein bestimmte Informationen von der einzelnen Glühstiftkerze zurück an das Steuergerät 60 zu übertragen. Diese Funktion kann beispielsweise auch nur zu Diagnosezwecken aktiviert werden, d.h. in einem besonderen Betriebszustand erfolgt eine individuelle Abfrage der einzelnen Glühstiftkerzen 61 bezüglich der von ihnen wahrgenommen Funktionen.
In der Figur 8 wird eine weitere Verschaltung eines Steuergeräts 60 mit Glühstiftkerzen 61 gezeigt. In diesem Falle weisen die Glühstiftkerzen 61 nur einen einzigen Anschluß auf mit dem sie dann über die Leitung 19 mit dem Steuergerät 60 verbunden sind. Das Steuergerät 60 stellt über die Leitung 19, die für den Betrieb der Glühkerzen 61 notwendige Betriebsenergie zur Verfügung. Das Steuersignal für die Schaltung wird zusätzlich auf die Leitung 19 aufmoduliert. In diesem Fall sind sowohl der Schalter 70 wie auch die Auswerteschaltung 73 mit der einen Anschlußleitung verbunden. Auf der Leitung 19 liegt dann immer ein Spannungspegel an, der für den Betrieb der Glühstiftkerzen 61 ausreichend ist, wobei durch zusätzliche
Spannungsimpulse die Ansteuerschaltung 73 erkennt, daß nun der Schalter 70 betätigt werden soll. Dies kann beispielsweise durch Bitfolgen oder Frequenzsignale erfolgen, die dann von der Ansteuerschaltung 73 erkannt werden. Ein einfaches Beispiel kann darin bestehen, daß dem üblichen Spannungspegel einfach ein höherfrequentes Signal überlagert wird, welches dann von der Ansteuerschaltung 73 erkannt wird und zu einem Schließen des Schalters 70 führt.
In der Figur 9 wird ein weiteres vorteilhaftes Schaltungsbeispiel gezeigt, welches von einem Anschluß 200 für die Betriebsspannung und einer Leitung 19 für die Steuersignale vom Steuergerät 60 ausgeht. Die Schalteinheit 73 erhält hier die Steuersignale vom Steuergerät 60 und eine VersorgungsSpannung vom Anschluß 200. Der Schalter 70 ist hier in Reihe zur Spannungsversorgung 200 zur Heizwendel 14 und dem Masseanschluß 201 angeordnet. Im Unterschied zu den bisherigen Beispielen wird jedoch auf den Einsatz einer Regelwendel verzichtet und es wird nur eine Heizwendel 14 vorgesehen. Die Funktion der Regelwendel liegt darin den Stromfluß durch die Heizwendel 14 nach einer bestimmten Aufwärmperiode zu begrenzen. Dies erfolgt dadurch, daß für die Regelwendel ein Material gewählt wird dessen Widerstand mit steigender Temperatur steigt. Durch die unmittelbare Anordnung einer intelligenten Ansteuerschaltung 73 in unmittelbarer Nähe des eigentlichen Heizelements kann die Funktion der Regelwendel durch die Ansteuerschaltung 73 übernommen werden. Dabei kann dann auf dem Halbleiterchip ein Temperaturmeßelement angeordnet werden, welches die Temperatur der Glühstiftkerze mißt. Die Temperatur der Glühstiftkerze am Ort des Halbleiterchips hängt von der Temperatur an der Spitze der Glühkerze ab, so daß durch die am Halbleiterchip gemessene Temperatur auf die Temperatur an der Spitze der Glühkerze geschlossen werden kann. Weitere Möglichkeiten der Bestimmung der Temperatur der Glühstiftkerze bestehen in der Messung der Temperatur des Heizstiftes. Die Temperatur des Heizstiftes kann gemessen werden, wenn der Heizwiderstand eine Temperaturabhängigkeit des Widerstands aufweist. Es kann dann durch Messung des Widerstands des Heizelements die Temperatur der Glühkerze bestimmt werden. Weiterhin können auch andere Temperaturempfindliche Meßelemente vorgesehen werden, die im Bereich des Heizelements angeordnet werden können. Die Ansteuerschaltung wird dann so ausgelegt, daß sie in
Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur den Stromfluß durch die Heizwendel 14 beschränkt. Dies kann beispielsweise durch eine Pulsmodulation erfolgen, d.h. die Ansteuerschaltung 73 wird in Abhängigkeit vom Temperaturverlauf den Schalter 70 öffnen oder schließen um eine gewünschte Temperatur an der Heizwendel 14 einzustellen. Durch diese Maßnahme würde somit der Aufbau der Glühkerze entscheidend vereinfacht werden. Statt einer Temperaturmessung kann auch durch den Stromfluß durch die Heizwendel, Stromfluß durch die Heizwendel integriert über der Zeit, Widerstand der Heizwendel oder andere Methoden indirekt auf die Temperatur der Glühkerzen geschlossen werden. Diese Methoden sind somit technisch äquvalent .
In der Figur 10 wird eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Glühstiftkerze gezeigt, wobei in der Figur 10 eine sogenannte keramische Glühstiftkerze gezeigt wird. Bei einer derartigen keramischen Glühstiftkerze besteht das Glührohr 11 aus einer ersten und zweiten leitenden keramischen Schicht 501, 502 zwischen denen eine isolierende keramische Schicht 503 angeordnet ist. An der Spitze des Glührohr 11 sind die erste und zweite leitende keramische Schicht 501, 502 mit einem abgedünnten Spitzenbereich 504 miteinander verbunden, so daß ein Stromfluß von der keramischen leitenden Schicht 501 über den abgedünnten
Spitzenbereich 504 zur zweiten leitenden keramischen Schicht 502 möglich ist. Das Glührohr 11 wird wiederum am brennraumabgewandten Ende von einem Gehäuse 10 gehalten. Wie in der Figur 10 zu erkennen ist, erstreckt sich die erste keramische leitende Schicht 501 im Gehäuse 10 weiter nach rechts und auf diesem Bereich ist dann ein Chip 302 aufgebracht, der mittels eines Bonddraht 303 mit einer Zuleitung 19 verbunden ist. In dem Chip 202 ist wieder ein vertikaler Transistor angeordnet, der einen Stromfluß von der Oberseite des Chips 202 zur Unterseite des Chips 202 ermöglicht, so daß über den Chip 202 ein elektrischer Strom in die erste leitende Schicht 501 eingespeist werden kann. Die ganzen keramischen Schichten sind hier mit einer oberflächlichen dünnen Glasschicht überzogen, die nur im Bereich unter dem Siliziumchip 302 und in einem
Kontaktbereich 505, in dem ein elektrischer Kontakt zwischen der zweiten leitenden keramischen Schicht 502 und dem Gehäuse 10 hergestellt wird, entfernt ist. Aufgrund der für die Herstellung von keramischen Glühstiftkerzen verwendeten Technologien sind diese Kerzen besonders für die Aufnahme von Siliziumchips geeignet.

Claims

Ansprüche
1. Glühstiftkerze für eine selbstzündende Brennkraftmaschine, mit einem in einen Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragenden elektrischen Heizelement, mit einer Stromdurchführung (10) mit dem ein Heizstrom für das Heizelement durch eine Öffnung im Brennraum hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Stromdurchführung (10) ein Schalter angeordnet ist, und daß durch Öffnen- und Schließen des Schalters der Heizstrom steuerbar ist .
2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Stromdurchführung (10) eine Ansteuerschaltung (73) für den Schalter angeordnet ist, und daß durch die Ansteuerschaltung (73) ein Signal zum Öffnen und Schließen des Schalters erzeugbar ist.
3. Glühstiftkerze nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Zuleitungen (19) vorgesehen sind, daß eine erste Zuleitungen (19) mit einem Anschluß für eine Versorgungsspannung für den Heizstom verbindbar ist, und daß eine zweite Leitung (19) mit der Ansteuerschaltung (73) verbunden ist, und daß über die zweite Leitung (19) ein Steuersignal für die Ansteuerschaltung (73) anlegbar ist.
4. Ansteuerschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingang für eine Leitung (19) vorgesehen ist, daß der Eingang mit dem Schalter (70) und der Ansteuerschaltung (73) verbunden ist, daß über den Eingang eine Betriebsspannung und gleichzeitig ein Steuersignal für die Ansteuerschaltung (73) anlegbar ist.
5. Glühstiftkerzen nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerschaltung (73) ein Mittel zur Bestimmung der Temperatur des Heizelements enthält, und daß in Abhängigkeit vom Signal dieses Mittels der Heizstrom gesteuert wird.
6. Glühstif kerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement als metallischer oder keramischer Glühstift (11) ausgebildet ist.
7. Glühstiftkerze nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Glühstift (11) mittels eines Gehäuses (10) in der Öffnung des Brennraums befestigbar ist und daß das Gehäuse (10) gleichzeitig ein Gehäuse für den Schalter (70) bzw. die Ansteuereinheit (73) darstellt.
8. Glühstiftkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (70) und Ansteuerschaltung (73) auf einem Chip integriert sind.
9. Glühstiftkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip ohne eine Verpackung im Gehäuse (10) eingebracht ist.
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