WO2006131410A1 - Sheathed-element glow plug having an integrated combustion chamber pressure sensor - Google Patents

Sheathed-element glow plug having an integrated combustion chamber pressure sensor Download PDF

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WO2006131410A1
WO2006131410A1 PCT/EP2006/061440 EP2006061440W WO2006131410A1 WO 2006131410 A1 WO2006131410 A1 WO 2006131410A1 EP 2006061440 W EP2006061440 W EP 2006061440W WO 2006131410 A1 WO2006131410 A1 WO 2006131410A1
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WO
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force
glow plug
combustion chamber
measuring
force measuring
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/061440
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German (de)
French (fr)
Inventor
Christoph Kern
Steffen Schott
Pavlo Saltikov
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23QIGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001Glowing plugs for internal-combustion engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02PIGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/028Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs the glow plug being combined with or used as a sensor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23QIGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F23Q2007/002Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Definitions

  • the invention relates to a glow plug for self-igniting internal combustion engines with a combustion chamber pressure sensor integrated in the glow plug.
  • the glow plug has as combustion chamber pressure sensor at least one force measuring foil element.
  • a combustion optimization in the combustion chamber of a diesel engine can be achieved in particular by the use of a regulated injection of fuel.
  • this controlled injection can be controlled by electronic engine control devices which have already been established in modern motor vehicles.
  • CSC combustion chamber pressure signal-based engine control
  • measuring devices are widely used that have so-called "stand-alone" sensors, which require a separate hole in the cylinder head wall, which means additional installation effort which is a considerable problem, especially in the case of four-valve engines, owing to the limited space available, and the price of such systems is generally comparatively high, and the lifetime of such systems is usually due to the high operating temperatures, significantly shorter than a typical vehicle life.
  • spark plugs with integrated piezoelectric force measuring element which are known for example from DE 694 05 788 T2.
  • This document discloses a spark plug with built-in pressure sensor, wherein the pressure sensor has at least one pressure introduction channel, which connects the combustion chamber of an associated cylinder of the internal combustion engine with the pressure sensor.
  • DE 196 80 912 C2 discloses a glow plug with integrated pressure sensor.
  • the pressure sensor between a fixing member and a heating portion of the glow plug is arranged.
  • the device disclosed in DE 196 80 912 C2 has numerous disadvantages for practical implementation.
  • these disadvantages consist in the fact that the pressure sensor used is technically located at an unfavorable position, since on the one hand it blocks a power supply to the heating section of the glow plug and on the other hand generally has no long service life due to high thermal load and high mechanical shock load.
  • the fixation of the pressure sensor by means of the fixing member is complex and can easily lead to a malpositioning of the pressure sensor and thus to a malfunction during assembly.
  • a basic idea of the present invention is to use at least one force measuring foil element, in particular a force measuring foil element which has at least one piezo foil, for measuring a combustion chamber pressure of an internal combustion engine.
  • the force measuring foil element can be used in integrated combustion chamber pressure sensors, for example in combustion glow pressure sensors integrated in glow plugs or in spark plugs, or it can also be used in so-called stand-alone combustion chamber pressure sensors.
  • Another basic idea is to integrate at least one force measuring foil element into a glow plug which has a heating element and a plug housing.
  • This force measuring foil element should be connected to the heating element in such a way that a force can be transmitted to the at least one force measuring foil element via the heating element.
  • this at least one force measuring foil element can generate an electrical signal as a function of a force which is exerted on the at least one force measuring foil element via the heating body.
  • the proposed force sensing foil element is characterized by its small thickness and high flexibility over conventional force sensing elements such as conventional pressure sensors (e.g., piezoceramics).
  • the at least one force-measuring foil element may have at least one force measuring foil, which advantageously has a foil thickness in the range of 3-50 ⁇ m, preferably in the range of 5-100 ⁇ m and particularly preferably in the range of 8-30 ⁇ m.
  • this may be a piezo film, preferably a piezo film which has polyvinylidene fluoride.
  • Such piezo films are typically commercially available with a thickness down to about 8-9 ⁇ m.
  • any other materials of appropriate piezoelectric and mechanical properties can be used.
  • Other types of force measuring foils can also be used in principle, which are not based on a piezo effect and which are known to the person skilled in the art, for example force measuring foils with strain gauges.
  • the at least one force measuring foil element can be used according to the invention in various ways, wherein preferably a transverse piezoelectric effect and / or a longitudinal piezoelectric effect and / or a piezoelectric shear effect is used. These effects can be exploited in various ways.
  • at least one force transmission element is used for transmitting power between the radiator and the at least one force measuring foil element.
  • this power transmission element can essentially chen be configured as a cylinder sleeve.
  • the at least one force-measuring foil element can be used on a surface of the at least one force transmission element parallel to an axis of the glow plug or even on an end face perpendicular to this axis, whereby, for example, different piezoelectric effects (eg longitudinal and transverse piezoelectric effect) are utilized .
  • the design of the at least one force-measuring foil element has the particular advantage that space inside the glow plug is optimally utilized, whereby, for example, sufficient space for a power supply to the radiator of the glow plug remains.
  • At least one insulating element may be arranged between the heating element and the at least one force measuring foil, for example at least one insulating sleeve, the at least one insulating element reducing heat transfer between the heating element and the at least one force measuring foil element relative to a construction without such an insulating element.
  • this at least one insulating element may comprise a thermally insulating material.
  • the at least one insulating element between the radiator and the at least one force transmission element to be embedded.
  • the glow plug according to the invention has considerable advantages over the devices known from the prior art.
  • the at least one force measuring foil element can be produced in virtually any dimensions and geometries.
  • the at least one force measuring foil element is flexible and can therefore be used as a force sensor on almost any desired shaped surfaces.
  • such force measuring foil elements in particular piezo foils, are suitable for the measurement of forces, pressures, bends, strains, accelerations, vibrations and / or shears.
  • the proposed construction of a glow plug thus also allows a simple design and installation taking advantage of the small space within a glow plug.
  • development and / or production costs are significantly reduced.
  • the reliability of the glow plugs over conventional integrated pressure sensors is considerably improved, since in particular no fracture-prone pressure measuring elements made of piezoelectric ceramics or single crystals must be used.
  • the sensitivity of the pressure measurement compared to most known from the prior art solutions for Brennraumdruckmess- technology, such as quartz pressure sensing elements, significantly increased.
  • the use of Force measuring foil elements further avoids or reduces the need for costly electrical and thermal insulation measures. Due to the advantageous use of space can also be dispensed with a construction with extremely thin-walled steel components with high tolerance requirements.
  • the proposed solution in which one or more sleeves, such as a sleeve made of steel or other metals, is used as a force transmission element, offers numerous advantages.
  • the construction space is optimally utilized in particular by this construction.
  • the Glühstromzutechnisch can be passed through the inner opening of the sleeve.
  • a steel connection pin used in the prior art can be used, or it can be used according to the invention, a thin or flexible Drahtglühstromzutechnisch.
  • the sleeve-shaped force transmission element offers the advantage that due to a shielding effect through the sleeve, in particular the metallic sleeve (Faraday cage), the at least one force measuring foil element is protected against influences by electromagnetic fields of the glow current feed line. As a result, the signal characteristic and the susceptibility of the integrated combustion chamber pressure sensor is significantly improved.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a glow plug according to the invention, in which a transverse piezoelectric effect is utilized;
  • FIG. 2 shows a perspective detailed representation of a force-measuring foil element of the exemplary embodiment according to FIG. 1;
  • Figure 2 A is a sectional view of the layer structure in the area A in Figure 2;
  • Figure 2B is a sectional view of the layer structure in region B in Figure 2;
  • FIG. 2C is a sectional view of the layer structure in region C in FIG. 2;
  • FIG. 2D is a sectional view of the layer structure in region D in FIG. 2;
  • Figure 3 shows a second embodiment of a glow plug according to the invention, in which a longitudinal piezoelectric effect is utilized;
  • FIG. 4 shows a detailed representation of the force-measuring foil element used in the exemplary embodiment according to FIG. 3;
  • Figure 4A is a sectional view of the layer structure in the region E in Figure 4;
  • Figure 4B is a sectional view of the layer structure in the area F in Figure 4;
  • FIG. 4C is a sectional view of the layer structure in region G in FIG. 4.
  • FIG. 4D is a sectional view of the layer structure in the region H in FIG. 4.
  • FIG. 1 shows a first, preferred exemplary embodiment of a glow plug 110 according to the invention.
  • the glow plug 110 has a ceramic heater 112 which is mounted in a sealing cone 114 of a housing 116 of the glow plug 110.
  • This attachment can preferably be carried out by soldering, but also by other attachment methods, such as gluing, welding or screwing.
  • an inner space 118 of the glow plug 110 is sealed against a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the ceramic heater 112 has a combustion chamber facing the pressure surface 120, which is flat and perpendicular to an axis 122 of the glow plug 110 in this embodiment.
  • a pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine is converted into a force F (reference number 124 in FIG. 1) parallel to the axis 122 on the ceramic heating element 112.
  • F reference number 124 in FIG. 1
  • a linear-elastic deflection of the parts of the glow plug 110 located in the force path is effected, which is typically in the range of a few micrometers for the occurring combustion chamber pressures.
  • the force 124 and the associated with this force deflection of the glow plug 110 thus correlates directly with the combustion chamber pressure.
  • piezoelectric force measuring elements may be both ferroelectric piezoceramics (eg lead zirconate titanate, PZT) and monocrystalline materials such as quartz, langasite, lithium niobate, gallium orthophosphate or the like.
  • ferroelectric piezoceramics eg lead zirconate titanate, PZT
  • monocrystalline materials such as quartz, langasite, lithium niobate, gallium orthophosphate or the like.
  • a force-measuring foil element 126 is used to detect the force 124.
  • This force measuring element 126 generates an electrical signal which can be supplied via signal lines 128 via a plug connector 130 at the end of the glow plug 110 facing away from the combustion chamber to a corresponding evaluation electronics (not shown).
  • this electrical signal can be supplied to an engine control unit in order to realize a combustion chamber pressure signal-based engine control (combustion signal based control system, CSC).
  • the force-measuring foil element 126 is used in such a way that it is connected to an element of the glow plug 110 via which the force 124 can be transmitted (in whole or in part) to the force-measuring foil element 126.
  • the force measuring foil element 126 thus acts as a piezoelectric transducer.
  • the force-measuring foil element 126 is applied to an outer circumferential surface 133 of a rigid cylindrical transmission element 132 designed in the form of a cylindrical sleeve. Due to the flexibility of the force measuring foil element 126, this application to a curved surface 133 is easily possible.
  • FIG. 2 shows the force-measuring film element 126 in a perspective detail view.
  • the force measuring foil element 126 has a piezo foil 134 as an essential element.
  • This thin piezo foil 134 can have, for example, highly polarized polyvinylidene fluoride (PVDF) as the piezoelectric material.
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • This material is commercially available in many embodiments and for many printing ranges, for example perpendicular to the film surface for a printing range of 10 "8 N / cm 2 to 10 5 N / cm 2 , as well as in a frequency range for applications from 0.001 Hz to the gigahertz range
  • Such piezo foils 134 are usually applicable at operating temperatures between -200 ° C and 160 ° C.
  • This available cross-sectional area with a diameter of 5 mm should be used for the Kraftmessfolienelement 126, its electrically insulated signal lines 128, and a Glühstromzutechnisch 136 for charging the ceramic heater 112 with a glow current, and optionally for further required insulation and shielding measures, for example, for vibration isolation ,
  • a need for a centered positioning of a sensor element in the housing 116 of the glow plug 110 would make particularly disadvantageous, since such design variants often require the production of extremely thin-walled steel components and corresponding electrical insulation with costly coating processes required.
  • the piezo foil 134 in this exemplary embodiment is a central element of the force measuring foil element 126.
  • This piezo foil 134 is sandwiched between two electrode layers 138, for example in the form of corresponding metallization layers 138, of which the perspective structure according to FIG 2, only the outermost electrode layer 138 is visible.
  • These electrode layers 138 are contacted by means of the electrical signal lines 128.
  • the sandwich of the electrode layers 138 and the piezo foil 134 is surrounded by a dielectric protective lamination 140, which protects the component against mechanical stresses and environmental influences, such as moisture. Part of the electrical signal lines 128 is also covered and protected by the dielectric protective lamination 140.
  • FIGS. 2A to 2D Shown in FIGS. 2A to 2D are layer constructions of the structure according to FIG. 2 in the regions indicated by A, B, C, D in FIG. 2, in a sectional representation.
  • FIG. 2A shows that in region A the force transmission element 132 is covered only by the dielectric protective lamination.
  • this area A serves only to mechanically stabilize and protect the edges of the force sensing foil member 126, but has no electrical function.
  • the area B shown in FIG. 2B is the actual force measuring area.
  • the electrode layer 138 - piezo film 134 - electrode layer 138 is applied to the force measuring element 132 of the sandwich structure described above, the sandwich structure being separated from the force measuring element 132 by the dielectric protective lamination 140.
  • FIG. 2C shows the contacting region C, which fundamentally corresponds in construction to the region shown in FIG. 2B.
  • the electrode layers 138 are electrically contacted by means of the electrical signal lines 128 in order to attack the piezoelectric signal and to move it outwards as a measuring signal.
  • the electrical signal lines 128 are each covered on their side remote from the piezo foil 134 by the dielectric protective lamination 140 and thus electrically insulated.
  • FIG. 2D shows how, in the area D (see FIG. 2), the electrical signal lines 128 embedded in the dielectric protective lamination 140 are led out of the force measuring element 126 perpendicular to the plane of the drawing.
  • Such force measuring foil elements 126 can be adapted to three-dimensionally curved surfaces, for example with the aid of hot drawing techniques. As a result, the space within the glow plug 110 can be optimally utilized.
  • the force-measuring foil element 126 is applied to the outer circumferential surface 133 of the sleeve-shaped, rigid force-transmitting element 132.
  • the force transmission element 132 has, for example, steel or ceramic as the material.
  • the force transmission element 132 is arranged in the force path of the force 124 and thus exposed to a dynamic force by the combustion chamber pressure.
  • the sleeve-shaped geometry of the force transmission element 132 has the advantage that the Glühstromzutechnisch 136 can be performed centrally in the housing 116 of the glow plug 110 to the ceramic heating element 112, which currently makes commercially used manufacturing process for glow plugs 110 continue to use (with minor modifications).
  • the use of steel as a material for the force transmission element 132 has the advantage that the probability of fracture is negligibly small in comparison with the prior art pressure measuring elements made of piezoelectric ceramics or single crystals.
  • an insulating sleeve 144 or an insulating disk is used according to the invention in this embodiment shown in FIG. This may be, for example, a ceramic insulating sleeve 144 or a plastic sleeve.
  • a further advantage of the arrangement according to FIG. 1 is that the contacts 142 are not in line with the force path of the force 124. Thus, the contacts 142 are not directly exposed to the pressure effects, which could lead to impairment of the contact properties.
  • the force transmission element 132 which, as described above, may for example comprise metallic materials, shields the glow current feed line 136. This minimizes the effect of the electromagnetic fields emanating from the glow current lead 136 on the force sensing foil element 126.
  • FIGS. 3 and 4 show an alternative embodiment to the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, in which a longitudinal piezoelectric effect is utilized.
  • a longitudinal piezoelectric effect is utilized.
  • the glow plug 110 again has a ceramic heating body 112 and a housing 116, both components 112 and 116 basically being identical or identical to the exemplary embodiment according to FIG 2, a force measuring foil element 126 is used, which is arranged as an annular disc on an end face 146 of the force transmission element 132. This end face 146 is oriented perpendicular to the force 124 and thus to the axis 122.
  • slight deviations from the Verticals are conceivable, for example deviations of up to 10 °.
  • FIG. 4 shows in perspective the force-measuring foil element 126 in detail.
  • the Kraftmessfolienelement 126 has a piezoelectric film 134 as a core element which is embedded on the end face 146 of the force transmission element 132 between two metallic electrode layers 138 in this embodiment, and is protected and insulated by a dielectric protective lamination 140 accordingly.
  • the electrode layers can in turn be contacted by means of two contacts 142 and the electrical signal lines 128.
  • the force measuring foil element 126 which is designed in the form of a circular ring, can be glued onto the end face 146, for example.
  • the insulated electrical signal lines 128 are guided axially on the mantle surface of the sleeve-shaped force transmission element 132 to the plug connection 130.
  • FIGS. 4A to 4D layer structures of the structure according to FIG. 4 are shown in a sectional view in the regions indicated by E, F, G, H in FIG.
  • E which lies in the region of the end face 146 of the force transmission element 132
  • sandwich structure analogous to the layer structure described above in FIG. 2B, in which a piezo film 134 is embedded between two electrode layers 138 and from Power transmission element 132 is separated by the dielectric protective lamination 140.
  • FIGS. 4B and 4C show the contacts 142 of the electrode layers 138 through the electrical signal lines 128.
  • FIG. 4B shows the contacting of the upper electrode layer 138 (ie facing away from the force transmission element 132) in FIG 4 referred to as area G contacting the lower (ie the power transmission element 132 facing) electrode layer 138.
  • the e- lektrischen signal lines 128 each on their side facing away from the piezoelectric film 134 side of the dielectric protective lamination 140 covered and thus electrically isolated .
  • the contacts 142 that is to say the regions F, G, lie in the region of the edges of the force transmission element at which the end face 146 merges into the lateral surface 133.
  • FIG. 4D the regions marked H in FIG. 4 are shown in section. In these areas, analogous to FIG. 2D, the electrical signal lines 128 are embedded in the dielectric protective lamination 140 and led out of the force measuring film element 126 perpendicular to the plane of the drawing.
  • the force-measuring foil element 126 is embedded between the insulating sleeve 144 and the sleeve-shaped force transmission element 132, which in turn is counteracted by a corresponding counter bearing 148 on the side of the glow plug 110 facing away from the combustion chamber.
  • the force sensing foil member 126 is compressed between the force transmitting member 132 and the insulating sleeve 144.
  • the insulating sleeve 144 thus forms in this embodiment, a part of the power transmission path from the ceramic heater 112 to the Kraftmessfolienelement 126.
  • the piezoelectric coefficient of said piezo film 134 of highly polarized polyvinylidene fluoride (PVDF) is, for example, for the longitudinal piezoelectric film.
  • the longitudinal piezoelectric effect is used.
  • the insulating sleeve 144 and also the force transmission element 132 can be segmented from be designed, between a plurality of these segments force measuring foil elements 126 are embedded, the signals of which can be averaged, for example.
  • a configuration is possible in which the force sensing foil member 126 is located farther from ceramic heater 112 to minimize thermal effects on the force sensing foil member 126.
  • the force measuring foil element 126 could be arranged in the region of a thread 150, via which the glow plug 110 is screwed into a combustion chamber wall. There are comparatively low temperatures and temperature fluctuations.

Abstract

Information about the combustion chamber pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine is required for efficient and low-pollutant engine control. An integrated combustion chamber pressure sensor is therefore proposed in the form of a sheathed-element glow plug (110) for a compression-ignition internal combustion engine. The sheathed-element glow plug (110) has a heating body (112) and a plug housing (116). Furthermore, the sheathed-element glow plug (110) has at least one force-measuring film element (126), the at least one force-measuring film element (126) being connected to the heating body (112) in such a way that a force (124) can be transmitted to the at least one force-measuring film element (126) via the heating body (112). In particular, the at least one force-measuring film element (126) can have at least one piezoelectric film (134), for example a piezoelectric film (134) made from highly polarized polyvinylidene fluoride (PVDF).

Description

Glühstiftkerze mit einem integrierten BrennraumdrucksensorGlow plug with integrated combustion chamber pressure sensor
Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen mit einem in die Glühstiftkerze integrierten Brennraumdrucksensor. Die Glühstiftkerze weist als Brennraumdrucksensor mindestens ein Kraftmessfolienelement auf. Mit derartigen integrierte Brennraumdrucksensoren lassen sich insbesondere brennraumdrucksignalbasierte Motorregelungen für Verbrennungskraftmaschinen realisieren.The invention relates to a glow plug for self-igniting internal combustion engines with a combustion chamber pressure sensor integrated in the glow plug. The glow plug has as combustion chamber pressure sensor at least one force measuring foil element. With such integrated combustion chamber pressure sensors, in particular combustion chamber pressure signal-based engine controls for internal combustion engines can be realized.
Stand der TechnikState of the art
Im Zuge der stetigen Verschärfung der gesetzlichen Abgasvorschriften, insbesondere für Dieselmotoren, verschärfen sich die Anforderungen an eine verringerte Schadstoffemission von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von selbstzündenden Verbrennungskraft- maschinen. Moderne Motormanagementsysteme sollen einen niedrigen Kraftstoffverbrauch gewährleisten und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer aufweisen.In the course of the constant tightening of the statutory emission regulations, in particular for diesel engines, the requirements for a reduced pollutant emission of internal combustion engines, in particular self-igniting internal combustion engines, are becoming more stringent. Modern engine management systems are to ensure low fuel consumption and at the same time have a long service life.
Eine Verbrennungsoptimierung im Brennraum eines Dieselmotors lässt sich insbesondere durch den Einsatz einer geregelten Einspritzung von Kraftstoff erzielen. Diese geregelte Einspritzung kann insbesondere gesteuert werden durch elektronische Motorsteuerungsgeräte, welche sich bereits in modernen Kraftfahrzeugen etabliert haben. Die erfolgreiche Ausführung einer brennraumdrucksignalbasierten Motorregelung (combustion signal based control System, CSC) hängt jedoch von der Verfügbarkeit produktionstauglicher Drucksensoren ab, welche hohen Anforderungen bezüglich Preis, Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Bauraum genügen müssen.A combustion optimization in the combustion chamber of a diesel engine can be achieved in particular by the use of a regulated injection of fuel. In particular, this controlled injection can be controlled by electronic engine control devices which have already been established in modern motor vehicles. However, the successful execution of combustion chamber pressure signal-based engine control (CSC) depends on the availability of production-suitable pressure sensors, which have to meet high requirements in terms of price, reliability, accuracy and space.
Derzeit sind Messvorrichtungen weit verbreitet, welche so genannte „Stand-Alone"- Sensoren aufweisen. Für deren Einsatz muss eine separate Bohrung in der Zylinderkopfwand vorgesehen werden, was einen zusätzlichen Montageaufwand bedeutet. Ferner sind für Stand-alone Sensoren zusätzliche Bohrungen im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine erforderlich, was insbesondere bei Vierventilmotoren aufgrund der beengten Platzverhältnisse ein erhebliches Problem darstellt. Weiterhin ist in der Regel der Preis derartiger Systeme vergleichsweise hoch, und die Lebensdauer derartiger Systeme ist, zumeist bedingt durch die hohen Betriebstemperaturen, deutlich kürzer als eine typische Fahrzeuglebensdauer.At present, measuring devices are widely used that have so-called "stand-alone" sensors, which require a separate hole in the cylinder head wall, which means additional installation effort which is a considerable problem, especially in the case of four-valve engines, owing to the limited space available, and the price of such systems is generally comparatively high, and the lifetime of such systems is usually due to the high operating temperatures, significantly shorter than a typical vehicle life.
Dementsprechend gibt es im Stand der Technik Ansätze, Brennraumdrucksensoren in be- reits existierende Komponenten des Zylinderkopfes zu integrieren. Ein Beispiel einer derartigen Integration sind Zündkerzen mit integriertem piezoelektrischem Kraftmesselement, welche beispielsweise aus DE 694 05 788 T2 bekannt sind. Diese Druckschrift offenbart eine Zündkerze mit eingebautem Drucksensor, wobei der Drucksensor mindestens einen Druckeinführungskanal aufweist, der die Verbrennungskammer eines zugehörigen Zylinders des Verbrennungsmotors mit dem Drucksensor verbindet.Accordingly, there are approaches in the prior art to integrate combustion chamber pressure sensors into already existing components of the cylinder head. An example of such an integration are spark plugs with integrated piezoelectric force measuring element, which are known for example from DE 694 05 788 T2. This document discloses a spark plug with built-in pressure sensor, wherein the pressure sensor has at least one pressure introduction channel, which connects the combustion chamber of an associated cylinder of the internal combustion engine with the pressure sensor.
Eine derartige Sensorintegration in bereits existierende Komponenten des Zylinderkopfs bringt einen deutlichen Preisvorteil mit sich und macht auch einen Großserieneinsatz wirtschaftlich möglich. Bei derartigen Systemen entfällt die Notwendigkeit des direkten Zugriffs zum Brennraum. Andererseits hängt die Signalgüte derartiger Brennraumdrucksensoren stark vom Kraftverlauf im gesamten mechanischen Verbund ab und genügt in der Regel den gestellten Anforderungen nicht.Such sensor integration in already existing components of the cylinder head brings a significant price advantage and makes a large-scale production economically possible. Such systems eliminate the need for direct access to the combustion chamber. On the other hand, the signal quality of such combustion chamber pressure sensors depends strongly on the force curve in the entire mechanical composite and usually does not meet the requirements.
Auch aus dem Bereich der Dieselmotoren sind derartige Integrationsansätze bekannt. So offenbart beispielsweise die DE 196 80 912 C2 eine Glühkerze mit integriertem Drucksensor. Dabei ist der Drucksensor zwischen einem Fixierglied und einem Heizabschnitt der Glühkerze angeordnet. Die in der DE 196 80 912 C2 offenbarte Vorrichtung weist jedoch für die praktische Realisierung zahlreiche Nachteile auf. Insbesondere bestehen diese Nachteile darin, dass der eingesetzte Drucksensor technisch an einer ungünstigen Stelle an- geordnet ist, da er einerseits eine Stromzufuhr zum Heizabschnitt der Glühkerze blockiert und andererseits aufgrund hoher thermischer Belastung und hoher mechanischer Schockbelastung in der Regel keine lange Lebensdauer aufweist. Weiterhin ist die Fixierung des Drucksensors mittels des Fixiergliedes aufwändig und kann bei einer Montage leicht zu einer Fehlpositionierung des Drucksensors und damit verbunden zu einer Fehlfunktion führen.Also in the field of diesel engines such integration approaches are known. For example, DE 196 80 912 C2 discloses a glow plug with integrated pressure sensor. In this case, the pressure sensor between a fixing member and a heating portion of the glow plug is arranged. However, the device disclosed in DE 196 80 912 C2 has numerous disadvantages for practical implementation. In particular, these disadvantages consist in the fact that the pressure sensor used is technically located at an unfavorable position, since on the one hand it blocks a power supply to the heating section of the glow plug and on the other hand generally has no long service life due to high thermal load and high mechanical shock load. Furthermore, the fixation of the pressure sensor by means of the fixing member is complex and can easily lead to a malpositioning of the pressure sensor and thus to a malfunction during assembly.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Erfindungsgemäß wird daher eine Glühstiftkerze für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welche die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermeidet.According to the invention, therefore, a glow plug for a self-igniting internal combustion engine is proposed, which avoids the disadvantages of the prior art described.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, mindestens ein Kraftmessfo- lienelement, insbesondere ein Kraftmessfolienelement, welches mindestens eine Piezofolie aufweist, zur Messung eines Brennraumdrucks einer Verbrennungskraftmaschine einzuset- zen. Dabei kann das Kraftmessfolienelement in integrierten Brennraumdrucksensoren verwendet werden, beispielsweise bei in Glühstiftkerzen oder in Zündkerzen integrierten Brennraumdrucksensoren, oder es kann auch in so genannten Stand-alone- Brennraumdrucksensoren eingesetzt werden.A basic idea of the present invention is to use at least one force measuring foil element, in particular a force measuring foil element which has at least one piezo foil, for measuring a combustion chamber pressure of an internal combustion engine. Zen. In this case, the force measuring foil element can be used in integrated combustion chamber pressure sensors, for example in combustion glow pressure sensors integrated in glow plugs or in spark plugs, or it can also be used in so-called stand-alone combustion chamber pressure sensors.
Ein weiterer Grundgedanke besteht darin, in eine Glühstiftkerze, welche einen Heizkörper und ein Kerzengehäuse aufweist, mindestens ein Kraftmessfolienelement zu integrieren. Dieses Kraftmessfolienelement soll derart mit dem Heizkörper verbunden sein, dass über den Heizkörper eine Kraft auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement übertragbar ist. Insbesondere kann dieses mindestens eine Kraftmessfolienelement ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Kraft erzeugen, welche über den Heizkörper auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement ausgeübt wird. Somit wird, wenn die Glühstiftkerze in den Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine integriert ist, durch den Brennraumdruck der Verbrennungskraftmaschine eine Kraft auf den Heizkörper der Glühstiftkerze ausgeübt. Über den Heizkörper wird diese Kraft auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement übertragen, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt werden kann, aus welchem auf die Kraft und somit auf den Druck im Brennraum rückschließbar ist.Another basic idea is to integrate at least one force measuring foil element into a glow plug which has a heating element and a plug housing. This force measuring foil element should be connected to the heating element in such a way that a force can be transmitted to the at least one force measuring foil element via the heating element. In particular, this at least one force measuring foil element can generate an electrical signal as a function of a force which is exerted on the at least one force measuring foil element via the heating body. Thus, when the glow plug is integrated into the cylinder head of an internal combustion engine, exerted by the combustion chamber pressure of the internal combustion engine, a force on the radiator of the glow plug. About the radiator, this force is transmitted to the at least one force measuring foil element, whereby an electrical signal can be generated, from which on the force and thus the pressure in the combustion chamber is rückschließbar.
Das vorgeschlagene Kraftmessfolienelement zeichnet sich insbesondere durch seine geringe Dicke und seine hohe Flexibilität gegenüber herkömmlichen Kraftmesselementen, wie beispielsweise herkömmlichen Drucksensoren (z.B. Piezokeramiken) aus. Insbesondere kann das mindestens eine Kraftmessfolienelement mindestens eine Kraftmessfolie aufweisen, welche vorteilhafterweise eine Foliendicke im Bereich von 3-50 um, bevorzugt im Bereich von 5-100 um und besonders bevorzugt im Bereich von 8-30 um aufweist. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Piezofolie handeln, vorzugsweise eine Piezofolie, welche Polyvinyl- idenfluorid aufweist. Derartige Piezofolien sind typischerweise mit einer Stärke bis hinunter zu ca. 8-9 um kommerziell erhältlich. Es sind jedoch auch beliebige andere Materialien entsprechender piezoelektrischer und mechanischer Eigenschaften einsetzbar. Auch andere Arten von Kraftmessfolien sind prinzipiell einsetzbar, welche nicht auf einem Piezoeffekt beruhen und welche dem Fachmann bekannt sind, beispielsweise Kraftmessfolien mit Dehnungsmessstreifen.In particular, the proposed force sensing foil element is characterized by its small thickness and high flexibility over conventional force sensing elements such as conventional pressure sensors (e.g., piezoceramics). In particular, the at least one force-measuring foil element may have at least one force measuring foil, which advantageously has a foil thickness in the range of 3-50 μm, preferably in the range of 5-100 μm and particularly preferably in the range of 8-30 μm. For example, this may be a piezo film, preferably a piezo film which has polyvinylidene fluoride. Such piezo films are typically commercially available with a thickness down to about 8-9 μm. However, any other materials of appropriate piezoelectric and mechanical properties can be used. Other types of force measuring foils can also be used in principle, which are not based on a piezo effect and which are known to the person skilled in the art, for example force measuring foils with strain gauges.
Das mindestens eine Kraftmessfolienelement kann erfindungsgemäß auf verschiedene Weise eingesetzt werden, wobei vorzugsweise ein transversaler piezoelektrischer Effekt und/oder ein longitudinaler piezoelektrischer Effekt und/oder ein piezoelektrischer Schereffekt eingesetzt wird. Diese Effekte können auf verschiedene Weise ausgenutzt werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn mindestens ein Kraftübertragungselement zur Kraftübertragung zwischen dem Heizkörper und dem mindestens einen Kraftmessfolienelement eingesetzt wird. Beispielsweise kann dieses Kraftübertragungselement im Wesentli- chen als Zylinderhülse ausgestaltet sein. Das mindestens eine Kraftmessfolienelement kann dabei auf einer Fläche des mindestens einen Kraftübertragungselements parallel zu einer Achse der Glühstiftkerze oder auch auf einer Stirnfläche senkrecht zu dieser Achse eingesetzt werden, wobei beispielsweise unterschiedliche piezoelektrische Effekte (z. B. longitu- dinaler und transversaler Piezoeffekt) ausgenutzt werden. Die Ausgestaltung des mindestens einen Kraftmessfolienelements hat insbesondere den Vorteil, dass Bauraum im Inneren der Glühstiftkerze optimal ausgenutzt wird, wodurch beispielsweise genügend Bauraum für eine Stromzufuhr zum Heizkörper der Glühstiftkerze verbleibt.The at least one force measuring foil element can be used according to the invention in various ways, wherein preferably a transverse piezoelectric effect and / or a longitudinal piezoelectric effect and / or a piezoelectric shear effect is used. These effects can be exploited in various ways. To be particularly advantageous, it has been found that at least one force transmission element is used for transmitting power between the radiator and the at least one force measuring foil element. For example, this power transmission element can essentially chen be configured as a cylinder sleeve. The at least one force-measuring foil element can be used on a surface of the at least one force transmission element parallel to an axis of the glow plug or even on an end face perpendicular to this axis, whereby, for example, different piezoelectric effects (eg longitudinal and transverse piezoelectric effect) are utilized , The design of the at least one force-measuring foil element has the particular advantage that space inside the glow plug is optimally utilized, whereby, for example, sufficient space for a power supply to the radiator of the glow plug remains.
Weiterhin kann zwischen dem Heizkörper und der mindestens einen Kraftmessfolie mindestens ein Isolierelement angeordnet sein, beispielsweise mindestens eine Isolierhülse, wobei das mindestens eine Isolierelement gegenüber einer Konstruktion ohne ein derartiges Isolierelement eine Wärmeübertragung zwischen dem Heizkörper und dem mindestens einen Kraftmessfolienelement reduziert. Insbesondere kann dieses mindestens eine Isolierelement ein thermisch isolierendes Material aufweisen. Beispielsweise kann das mindestens eine Isolierelement zwischen den Heizkörper und das mindestens eine Kraftübertragungselement eingebettet sein.Furthermore, at least one insulating element may be arranged between the heating element and the at least one force measuring foil, for example at least one insulating sleeve, the at least one insulating element reducing heat transfer between the heating element and the at least one force measuring foil element relative to a construction without such an insulating element. In particular, this at least one insulating element may comprise a thermally insulating material. For example, the at least one insulating element between the radiator and the at least one force transmission element to be embedded.
Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze weist gegenüber den aus dem Stand der Technik be- kannten Vorrichtungen erhebliche Vorteile auf. So kann insbesondere das mindestens eine Kraftmessfolienelement in nahezu beliebigen Abmessungen und Geometrien hergestellt werden. Weiterhin ist das mindestens eine Kraftmessfolienelement flexibel und kann daher als Kraftsensor auf nahezu beliebig geformten Oberflächen eingesetzt werden. Generell sind derartige Kraftmessfolienelemente, insbesondere Piezofolien, für die Messung von Kräften, Drücken, Biegungen, Dehnungen, Beschleunigungen, Schwingungen und/oder Scherungen geeignet. Dabei kann auf Erfahrungen aus anderen Bereichen der Technik zurückgegriffen werden, so dass insbesondere beispielsweise elektronische Schaltungen zur Ansteuerung und Auswertung derartiger Kraftmessfolienelemente ohne großen Entwicklungsaufwand adaptiert werden können.The glow plug according to the invention has considerable advantages over the devices known from the prior art. Thus, in particular, the at least one force measuring foil element can be produced in virtually any dimensions and geometries. Furthermore, the at least one force measuring foil element is flexible and can therefore be used as a force sensor on almost any desired shaped surfaces. In general, such force measuring foil elements, in particular piezo foils, are suitable for the measurement of forces, pressures, bends, strains, accelerations, vibrations and / or shears. In this case, it is possible to make use of experiences from other areas of technology, so that in particular, for example, electronic circuits for controlling and evaluating such force measuring film elements can be adapted without great development effort.
Die vorgeschlagene Konstruktion einer Glühstiftkerze ermöglicht somit auch eine einfache Konstruktion und Montage unter Ausnutzung des geringen Bauraums innerhalb einer Glühstiftkerze. Dadurch werden insbesondere Entwicklungs- und/oder Herstellungskosten erheblich reduziert. Weiterhin wird auch die Zuverlässigkeit der Glühstiftkerzen gegenüber her- kömmlichen integrierten Drucksensoren erheblich verbessert, da insbesondere keine bruchanfälligen Druckmesselemente aus piezoelektrischen Keramiken bzw. Einkristallen eingesetzt werden müssen. Dennoch ist die Empfindlichkeit der Druckmessung verglichen mit den meisten aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zur Brennraumdruckmess- technik, beispielsweise Quarz-Druckmesselementen, erheblich erhöht. Der Einsatz von Kraftmessfolienelementen vermeidet weiterhin die Notwendigkeit kostenintensiver elektrischer und thermischer Isolationsmaßnahmen, bzw. reduziert deren Notwendigkeit. Aufgrund der vorteilhaften Raumausnutzung kann auch auf eine Konstruktion mit extrem dünnwandigen Bauelementen aus Stahl mit hohen Toleranzanforderungen verzichtet wer- den.The proposed construction of a glow plug thus also allows a simple design and installation taking advantage of the small space within a glow plug. As a result, in particular development and / or production costs are significantly reduced. Furthermore, the reliability of the glow plugs over conventional integrated pressure sensors is considerably improved, since in particular no fracture-prone pressure measuring elements made of piezoelectric ceramics or single crystals must be used. Nevertheless, the sensitivity of the pressure measurement compared to most known from the prior art solutions for Brennraumdruckmess- technology, such as quartz pressure sensing elements, significantly increased. The use of Force measuring foil elements further avoids or reduces the need for costly electrical and thermal insulation measures. Due to the advantageous use of space can also be dispensed with a construction with extremely thin-walled steel components with high tolerance requirements.
Speziell die vorgeschlagene Lösung, bei welcher als Kraftübertragungselement eine oder mehrere Hülsen, beispielsweise eine Hülse aus Stahl oder anderen Metallen, eingesetzt wird, bietet zahlreiche Vorteile. So wird insbesondere durch diese Konstruktion der Bauraum optimal ausgenutzt. Weiterhin kann die Glühstromzuleitung durch die innere Öffnung der Hülse hindurchgeführt werden. Dabei kann beispielsweise als Glühstromzuleitung ein aus dem Stand der Technik verwendeter Stahlanschlussbolzen verwendet werden, oder es kann erfindungsgemäß auch eine dünne bzw. nachgiebige Drahtglühstromzuleitung eingesetzt werden. Das hülsenförmige Kraftübertragungselement bietet dabei den Vorteil, dass auf- grund eines Abschirmeffekts durch die Hülse, insbesondere die metallische Hülse (Faraday- scher Käfig), das mindestens eine Kraftmessfolienelement vor Einflüssen durch elektromagnetische Felder der Glühstromzuleitung geschützt wird. Dadurch wird die Signalcharakteristik und die Störanfälligkeit des integrierten Brennraumdrucksensors erheblich verbessert.Specifically, the proposed solution, in which one or more sleeves, such as a sleeve made of steel or other metals, is used as a force transmission element, offers numerous advantages. Thus, the construction space is optimally utilized in particular by this construction. Furthermore, the Glühstromzuleitung can be passed through the inner opening of the sleeve. In this case, for example, as the Glühstromzuleitung a steel connection pin used in the prior art can be used, or it can be used according to the invention, a thin or flexible Drahtglühstromzuleitung. The sleeve-shaped force transmission element offers the advantage that due to a shielding effect through the sleeve, in particular the metallic sleeve (Faraday cage), the at least one force measuring foil element is protected against influences by electromagnetic fields of the glow current feed line. As a result, the signal characteristic and the susceptibility of the integrated combustion chamber pressure sensor is significantly improved.
Zeichnungdrawing
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend näher erläutert.Reference to the drawings, the invention will be explained in more detail below.
Es zeigt:It shows:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze, bei welcher ein transversaler piezoelektrischer Effekt ausgenutzt wird;Figure 1 shows a first embodiment of a glow plug according to the invention, in which a transverse piezoelectric effect is utilized;
Figur 2 eine perspektivische Detaildarstellung eines Kraftmessfolienelements des Aus- führungsbeispiels gemäß Figur 1;FIG. 2 shows a perspective detailed representation of a force-measuring foil element of the exemplary embodiment according to FIG. 1;
Figur 2 A eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich A in Figur 2;Figure 2 A is a sectional view of the layer structure in the area A in Figure 2;
Figur 2B eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich B in Figur 2;Figure 2B is a sectional view of the layer structure in region B in Figure 2;
Figur 2C eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich C in Figur 2;FIG. 2C is a sectional view of the layer structure in region C in FIG. 2;
Figur 2D eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich D in Figur 2; Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze, bei welchem ein longitudinaler Piezoeffekt ausgenutzt wird;FIG. 2D is a sectional view of the layer structure in region D in FIG. 2; Figure 3 shows a second embodiment of a glow plug according to the invention, in which a longitudinal piezoelectric effect is utilized;
Figur 4 eine Detaildarstellung des im Ausfuhrungsbeispiel gemäß Figur 3 eingesetzten Kraftmessfolienelements;FIG. 4 shows a detailed representation of the force-measuring foil element used in the exemplary embodiment according to FIG. 3;
Figur 4A eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich E in Figur 4;Figure 4A is a sectional view of the layer structure in the region E in Figure 4;
Figur 4B eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich F in Figur 4;Figure 4B is a sectional view of the layer structure in the area F in Figure 4;
Figur 4C eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich G in Figur 4; undFIG. 4C is a sectional view of the layer structure in region G in FIG. 4; and
Figur 4D eine Schnittdarstellung des Schichtaufbaus im Bereich H in Figur 4.FIG. 4D is a sectional view of the layer structure in the region H in FIG. 4.
AusfuhrungsbeispieleExemplary embodiments
In Figur 1 ist ein erstes, bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze 110 dargestellt. Die Glühstiftkerze 110 weist einen keramischen Heizkörper 112 auf, welcher in einem Dichtkonus 114 eines Gehäuses 116 der Glühstiftkerze 110 befestigt wird. Dieses Befestigen kann vorzugsweise durch Löten, aber auch durch andere Befestigungsverfahren, wie beispielsweise Verkleben, Verschweißen oder Verschrauben, erfolgen. Dadurch ist ein Innenraum 118 der Glühstiftkerze 110 gegen einen Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine abgedichtet.FIG. 1 shows a first, preferred exemplary embodiment of a glow plug 110 according to the invention. The glow plug 110 has a ceramic heater 112 which is mounted in a sealing cone 114 of a housing 116 of the glow plug 110. This attachment can preferably be carried out by soldering, but also by other attachment methods, such as gluing, welding or screwing. As a result, an inner space 118 of the glow plug 110 is sealed against a combustion chamber of an internal combustion engine.
Der keramische Heizkörper 112 weist eine dem Brennraum zugewandte Druckfläche 120 auf, welche in diesem Ausführungsbeispiel eben und senkrecht zu einer Achse 122 der Glühstiftkerze 110 ausgebildet ist. Über die Druckfläche 120 wird ein Druck im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine in eine Kraft F (Bezugsziffer 124 in Figur 1) parallel zur Achse 122 auf den keramischen Heizkörper 112 umgewandelt. Durch diese Kraft 124 auf den keramischen Heizkörper 112 wird eine linear-elastische Einfederung der im Kraftpfad befindlichen Beuteile der Glühstiftkerze 110 bewirkt, welche typischerweise bei den auftretenden Brennraumdrücken im Bereich von einigen Mikrometern liegt. Die Kraft 124 und die mit dieser Kraft verbundene Einfederung der Glühstiftkerze 110 korreliert somit direkt mit dem Brennraumdruck.The ceramic heater 112 has a combustion chamber facing the pressure surface 120, which is flat and perpendicular to an axis 122 of the glow plug 110 in this embodiment. Via the pressure surface 120, a pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine is converted into a force F (reference number 124 in FIG. 1) parallel to the axis 122 on the ceramic heating element 112. By means of this force 124 on the ceramic heating element 112, a linear-elastic deflection of the parts of the glow plug 110 located in the force path is effected, which is typically in the range of a few micrometers for the occurring combustion chamber pressures. The force 124 and the associated with this force deflection of the glow plug 110 thus correlates directly with the combustion chamber pressure.
Grundsätzlich ist aus dem Stand der Technik bekannt, diese Kraft 124 dadurch zu messen, dass ein Kraftmesselement in der Glühstiftkerze 110 derart fixiert wird, dass diese Kraftimpulse des Heizkörpers 112 über eine dem Heizkörper 112 zugewandte Stirnfläche aufnimmt. Im Falle eines piezoelektrischen Kraftmesselements wird bei einer mechanischen Belastung dieser Stirnfläche eine Ladung und somit eine Spannung erzeugt, welche wiederum von Oberflächen des Kraftmesselements anhand einer Metallisierung und Kontaktierung abgegriffen werden kann. Dieses elektrische Signal wird über Signalleitungen zur Auswertung herausgeführt. Dabei können als piezoelektrische Kraftmesselemente sowohl ferro- elektrische Piezokeramiken (z.B. Bleizirkonattitanat, PZT) als auch einkristalline Materialien, wie beispielsweise Quarz, Langasit, Lithiumniobat, Galliumorthophosphat oder ähnliches verwendet werden.In principle, it is known from the prior art to measure this force 124 by fixing a force-measuring element in the glow plug 110 in such a way that it absorbs the force pulses of the heating body 112 via an end face facing the heating body 112. In the case of a piezoelectric force element is in a mechanical Load of this end face generates a charge and thus a voltage, which in turn can be tapped from surfaces of the force measuring element by means of a metallization and contacting. This electrical signal is led out via signal lines for evaluation. In this case, piezoelectric force measuring elements may be both ferroelectric piezoceramics (eg lead zirconate titanate, PZT) and monocrystalline materials such as quartz, langasite, lithium niobate, gallium orthophosphate or the like.
In den erfindungsgemäßen ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird hingegen eine Kraftmessfolienelement 126 zur Erfassung der Kraft 124 eingesetzt. Dieses Kraftmessfo- lienelement 126 erzeugt ein elektrisches Signal, welches über Signalleitungen 128 über einen Steckverbinder 130 an dem Brennraum abgewandtem Ende der Glühstiftkerze 110 einer entsprechenden Auswerteelektronik (nicht dargestellt) zugeführt werden kann. Beispielsweise kann, wie eingangs erwähnt, dieses elektrische Signal einer Motorsteuerungseinheit zugeführt werden, um eine brennraumdrucksignalbasierte Motorregelung (combustion sig- nal based control System, CSC) zu realisieren.In contrast, in the first exemplary embodiment according to the invention according to FIG. 1, a force-measuring foil element 126 is used to detect the force 124. This force measuring element 126 generates an electrical signal which can be supplied via signal lines 128 via a plug connector 130 at the end of the glow plug 110 facing away from the combustion chamber to a corresponding evaluation electronics (not shown). For example, as mentioned above, this electrical signal can be supplied to an engine control unit in order to realize a combustion chamber pressure signal-based engine control (combustion signal based control system, CSC).
Grundsätzlich wird das Kraftmessfolienelement 126 erfindungsgemäß so eingesetzt, dass es mit einem Element der Glühstiftkerze 110 in Verbindung steht, über welches die Kraft 124 (ganz oder teilweise) auf das Kraftmessfolienelement 126 übertragen werden kann. Das Kraftmessfolienelement 126 wirkt somit als piezoelektrischer Wandler. Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist das Kraftmessfolienelement 126 auf eine äußere Mantelfläche 133 eines zylinderhülsenförmig ausgestalteten starren Kraftübertragungselements 132 aufgebracht. Aufgrund der Flexibilität des Kraftmessfolienelements 126 ist dieses Aufbringen auf eine gekrümmte Oberfläche 133 problemlos möglich.In principle, according to the invention, the force-measuring foil element 126 is used in such a way that it is connected to an element of the glow plug 110 via which the force 124 can be transmitted (in whole or in part) to the force-measuring foil element 126. The force measuring foil element 126 thus acts as a piezoelectric transducer. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the force-measuring foil element 126 is applied to an outer circumferential surface 133 of a rigid cylindrical transmission element 132 designed in the form of a cylindrical sleeve. Due to the flexibility of the force measuring foil element 126, this application to a curved surface 133 is easily possible.
In Figur 2 ist das Kraftmessfolienelement 126 in perspektivischer Detaildarstellung abgebildet. Das Kraftmessfolienelement 126 weist als wesentliches Element eine Piezofolie 134 auf. Diese dünne Piezofolie 134 kann als piezoelektrischen Werkstoff beispielsweise hoch- polarisiertes Polyvinylidenfluorid (PVDF) aufweisen. Dieses Material ist kommerziell in zahlreichen Ausführungsformen und für viele Druckbereiche, beispielsweise senkrecht zur Folienfläche für einen Druckbereich von 10"8 N/cm2 bis 105 N/cm2, sowie in einem Frequenzbereich für Anwendungen von 0,001 Hz bis in den Gigahertz-Bereich herstellbar. Derartige Piezofolien 134 sind üblicherweise bei Betriebstemperaturen zwischen -200°C und 160°C anwendbar.FIG. 2 shows the force-measuring film element 126 in a perspective detail view. The force measuring foil element 126 has a piezo foil 134 as an essential element. This thin piezo foil 134 can have, for example, highly polarized polyvinylidene fluoride (PVDF) as the piezoelectric material. This material is commercially available in many embodiments and for many printing ranges, for example perpendicular to the film surface for a printing range of 10 "8 N / cm 2 to 10 5 N / cm 2 , as well as in a frequency range for applications from 0.001 Hz to the gigahertz range Such piezo foils 134 are usually applicable at operating temperatures between -200 ° C and 160 ° C.
Mit modernen Herstellungsverfahren sind kommerziell PVDF-Folien bis hinunter in den Bereich von ca. 9 um herstellbar. Derartig geringe Foliendicken gewähren einen großen Spielraum beim Einsatz in extrem engen Einbauverhältnissen. Dies ist, wie oben beschrie- ben, für den Einsatz in einem Kraftmessfolienelement 126 in einer Glühstiftkerze 110 aufgrund des geringen zur Verfugung stehenden Bauraums im Innenraum 118 der Glühstiftkerze 110 von besonderem Vorteil. Typischerweise weist der Innenraum 118 der Glühstiftkerze 110 einen Durchmesser von nur ca. 5 mm auf. Diese verfügbare Querschnittsfläche mit einem Durchmesser von 5 mm soll genutzt werden für das Kraftmessfolienelement 126, dessen elektrisch isolierte Signalleitungen 128, und eine Glühstromzuleitung 136 zur Beaufschlagung des keramischen Heizkörpers 112 mit einem Glühstrom, sowie gegebenenfalls für weitere erforderliche Isolations- und Schirmungsmaßnahmen, beispielsweise zur Schwingungsisolation. Dabei würde sich eine Notwendigkeit einer zentrierten Positionierung eines Sensorelements im Gehäuse 116 der Glühstiftkerze 110 besonders nachteilig bemerkbar machen, da derartige Konstruktionsvarianten häufig die Herstellung extrem dünnwandiger Bauelemente aus Stahl sowie entsprechende elektrische Isolationen mit kostenintensiven Beschichtungsverfahren erforderlich machen. Der Einsatz von Piezofolien 134, insbesondere der genannten PVDF-Folien, vermeidet diese Nachteile.With modern manufacturing processes, commercial PVDF films can be produced down to the order of about 9 μm. Such low film thicknesses provide a great deal of leeway when used in extremely tight installation conditions. This is as described above. ben, for use in a Kraftmessfolienelement 126 in a glow plug 110 due to the low available installation space in the interior 118 of the glow plug 110 of particular advantage. Typically, the interior 118 of the glow plug 110 has a diameter of only about 5 mm. This available cross-sectional area with a diameter of 5 mm should be used for the Kraftmessfolienelement 126, its electrically insulated signal lines 128, and a Glühstromzuleitung 136 for charging the ceramic heater 112 with a glow current, and optionally for further required insulation and shielding measures, for example, for vibration isolation , In this case, a need for a centered positioning of a sensor element in the housing 116 of the glow plug 110 would make particularly disadvantageous, since such design variants often require the production of extremely thin-walled steel components and corresponding electrical insulation with costly coating processes required. The use of piezo films 134, in particular of the PVDF films mentioned, avoids these disadvantages.
Gemäß dem in Figur 2 dargestellten Aufbau des Kraftmessfolienelements 126 ist also die Piezofolie 134 in diesem Ausführungsbeispiel ein zentrales Element des Kraftmessfolienelements 126. Diese Piezofolie 134 ist sandwichartig eingebettet zwischen zwei Elektrodenschichten 138, beispielsweise in Form entsprechender Metallisierungsschichten 138, von denen im perspektivischen Aufbau gemäß Figur 2 lediglich die äußerste Elektrodenschicht 138 sichtbar ist. Diese Elektrodenschichten 138 werden mittels der elektrischen Signalleitungen 128 kontaktiert. Zum Schutz des Kraftmessfolienelements 126 ist schließlich der Sandwich aus den Elektrodenschichten 138 und der Piezofolie 134 noch von einer dielektrischen Schutzlaminierung 140 umgeben, welche das Bauelement vor mechanischen Belas- tungen und Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, schützt. Auch ein Teil der elektrischen Signalleitungen 128 wird durch die dielektrische Schutzlaminierung 140 noch mit abgedeckt und geschützt.According to the structure of the force measuring foil element 126 shown in FIG. 2, the piezo foil 134 in this exemplary embodiment is a central element of the force measuring foil element 126. This piezo foil 134 is sandwiched between two electrode layers 138, for example in the form of corresponding metallization layers 138, of which the perspective structure according to FIG 2, only the outermost electrode layer 138 is visible. These electrode layers 138 are contacted by means of the electrical signal lines 128. Finally, in order to protect the force measuring foil element 126, the sandwich of the electrode layers 138 and the piezo foil 134 is surrounded by a dielectric protective lamination 140, which protects the component against mechanical stresses and environmental influences, such as moisture. Part of the electrical signal lines 128 is also covered and protected by the dielectric protective lamination 140.
In den Figuren 2A bis 2D sind Schichtaufbauten des Aufbaus gemäß Figur 2 in den in Figur 2 mit A, B, C, D bezeichneten Bereichen in Schnittdarstellung dargestellt. Es ist dabei in Figur 2A zu erkennen, dass im Bereich A das Kraftübertragungselement 132 lediglich von der dielektrischen Schutzlaminierung bedeckt ist. Dieser Bereich A dient somit lediglich der mechanischen Stabilisierung und dem Schutz der Ränder des Kraftmessfolienelements 126, hat jedoch keine elektrische Funktion. Der in Figur 2B dargestellte Bereich B ist hingegen der eigentliche Kraftmessbereich. Hier ist auf das Kraftmesselement 132 der oben beschriebene Sandwichaufbau Elektrodenschicht 138 - Piezofolie 134 - Elektrodenschicht 138 aufgebracht, wobei der Sandwichaufbau vom Kraftmesselement 132 durch die dielektrische Schutzlaminierung 140 getrennt ist. In Figur 2C ist der Kontaktierungsbereich C dargestellt, welcher vom Aufbau her grundsätzlich dem in Figur 2B dargestellten Bereich entspricht. Zusätzlich ist hier jedoch dargestellt, wie die Elektrodenschichten 138 mittels der elektrischen Signalleitungen 128 elektrisch kontaktiert werden, um das piezoelektrische Signal anzugreifen und als Messsignal nach außen zu fuhren. Die elektrischen Signalleitungen 128 werden dabei jeweils auf ihrer der Piezofolie 134 abgewandten Seite von der dielektrischen Schutzlaminierung 140 bedeckt und somit elektrisch isoliert. In Figur 2D ist schließlich dargestellt, wie im Bereich D (vgl. Figur 2) die elektrischen Signalleitungen 128, eingebettet in die dielektrische Schutzlaminierung 140, senkrecht zur Zeichenebene aus dem Kraftmessfo- lienelement 126 herausgeführt werden.Shown in FIGS. 2A to 2D are layer constructions of the structure according to FIG. 2 in the regions indicated by A, B, C, D in FIG. 2, in a sectional representation. It can be seen in FIG. 2A that in region A the force transmission element 132 is covered only by the dielectric protective lamination. Thus, this area A serves only to mechanically stabilize and protect the edges of the force sensing foil member 126, but has no electrical function. The area B shown in FIG. 2B, on the other hand, is the actual force measuring area. Here, the electrode layer 138 - piezo film 134 - electrode layer 138 is applied to the force measuring element 132 of the sandwich structure described above, the sandwich structure being separated from the force measuring element 132 by the dielectric protective lamination 140. FIG. 2C shows the contacting region C, which fundamentally corresponds in construction to the region shown in FIG. 2B. In addition, however, it is shown here how the electrode layers 138 are electrically contacted by means of the electrical signal lines 128 in order to attack the piezoelectric signal and to move it outwards as a measuring signal. In this case, the electrical signal lines 128 are each covered on their side remote from the piezo foil 134 by the dielectric protective lamination 140 and thus electrically insulated. Finally, FIG. 2D shows how, in the area D (see FIG. 2), the electrical signal lines 128 embedded in the dielectric protective lamination 140 are led out of the force measuring element 126 perpendicular to the plane of the drawing.
Kommerziell erhältlich sind derartige Kraftmessfolienelemente 126 mit Piezofolien 134, welche inklusive der Elektrodenschichten 138, entsprechender Kontaktierungen 142 der Elektrodenschichten 138 und der äußeren dielektrischen Schutzlaminierung 140 eine Dicke von nur ca. 0,1 bis 0,2 mm aufweisen. Derartige Kraftmessfolienelemente 126 können beispielsweise mit Hilfe von Warmverstreckungstechniken an dreidimensional gekrümmte O- berflächen angepasst werden. Dadurch kann der Bauraum innerhalb der Glühstiftkerze 110 optimal ausgenutzt werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 1 und 2 ist beispielsweise das Kraftmessfolienelement 126 auf die äußere Mantelfläche 133 des hülsenför- mig ausgebildeten, starren Kraftübertragungselements 132 aufgebracht. In diesem Ausiüh- rungsbeispiel weist das Kraftübertragungselement 132 als Werkstoff beispielsweise Stahl oder Keramik auf. Das Kraftübertragungselement 132 ist im Kraftpfad der Kraft 124 angeordnet und somit einer dynamischen Krafteinwirkung durch den Brennraumdruck ausgesetzt. Die hülsenförmige Geometrie des Kraftübertragungselements 132 hat den Vorteil, dass die Glühstromzuleitung 136 zentral im Gehäuse 116 der Glühstiftkerze 110 zum keramischen Heizelement 112 geführt werden kann, was derzeit kommerziell verwendete Ferti- gungsverfahren für Glühstiftkerzen 110 weiterhin (mit geringfügigen Modifikationen) einsetzbar macht. Die Verwendung von Stahl als Werkstoff für das Kraftübertragungselement 132 hat den Vorteil, dass die Bruchwahrscheinlichkeit im Vergleich mit dem Stand der Technik entsprechenden Druckmesselementen aus piezoelektrischen Keramiken bzw. Einkristallen verschwindend gering ist. Zur thermischen und/oder elektrischen Isolation des hülsenförmigen Kraftübertragungselements 132 gegen den keramischen Heizkörper 112 wird erfindungsgemäß in diesem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 eine Isolationshülse 144 oder eine Isolationsscheibe eingesetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um eine keramische Isolationshülse 144 oder auch um eine Kunststoffhülse handeln.Commercially available are such Kraftmessfolienelemente 126 with piezo films 134, which, including the electrode layers 138, corresponding contacts 142 of the electrode layers 138 and the outer dielectric Schutzlaminierung 140 have a thickness of only about 0.1 to 0.2 mm. Such force measuring foil elements 126 can be adapted to three-dimensionally curved surfaces, for example with the aid of hot drawing techniques. As a result, the space within the glow plug 110 can be optimally utilized. In the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, for example, the force-measuring foil element 126 is applied to the outer circumferential surface 133 of the sleeve-shaped, rigid force-transmitting element 132. In this exemplary embodiment, the force transmission element 132 has, for example, steel or ceramic as the material. The force transmission element 132 is arranged in the force path of the force 124 and thus exposed to a dynamic force by the combustion chamber pressure. The sleeve-shaped geometry of the force transmission element 132 has the advantage that the Glühstromzuleitung 136 can be performed centrally in the housing 116 of the glow plug 110 to the ceramic heating element 112, which currently makes commercially used manufacturing process for glow plugs 110 continue to use (with minor modifications). The use of steel as a material for the force transmission element 132 has the advantage that the probability of fracture is negligibly small in comparison with the prior art pressure measuring elements made of piezoelectric ceramics or single crystals. For thermal and / or electrical insulation of the sleeve-shaped force transmission element 132 against the ceramic heater 112, an insulating sleeve 144 or an insulating disk is used according to the invention in this embodiment shown in FIG. This may be, for example, a ceramic insulating sleeve 144 or a plastic sleeve.
Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung des Kraftmessfolienelements 126 auf dem zylin- derhülsenförmig ausgestalteten Kraftübertragungselement 132 wird insbesondere ein transversaler Piezoeffekt der Piezofolie 134 ausgenutzt. Bei derartigen Piezofolien, beispielsweise den oben genannten PVDF-Folien, ist dieser transversale Piezoeffekt um etwa eine Grö- ßenordnung stärker (z.B. PVDF: d31 = 23 pC/N) als bei gängigen Druckmesselementen aus Quarz.In the arrangement of the force-measuring foil element 126 shown in FIG. 1 on the cylinder-sleeve-shaped force transmission element 132, in particular a transverse piezoelectric effect of the piezo foil 134 is utilized. In the case of such piezo foils, for example the above-mentioned PVDF foils, this transverse piezoelectric effect is increased by approximately one size. Stronger (eg PVDF: d 31 = 23 pC / N) than common quartz pressure measuring elements.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung gemäß Figur 1 besteht darin, dass die Kontaktierungen 142 nicht in einer Linie mit dem Kraftpfad der Kraft 124 liegen. Somit sind die Kontaktierungen 142 den Druckeinwirkungen nicht unmittelbar ausgesetzt, welche zur Beeinträchtigung der Kontakteigenschaften fuhren könnten. Auch hierin besteht ein Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen. Weiterhin besteht ein Vorteil der Vorrichtung gemäß Figur 1 darin, dass das Kraftübertra- gungselement 132, welches, wie oben beschrieben, beispielsweise metallische Werkstoffe aufweisen kann, die Glühstromzuleitung 136 abschirmt. Dadurch wird die Einwirkung der von der Glühstromzuleitung 136 ausgehenden elektromagnetischen Felder auf das Kraft- messfolienelement 126 minimiert.A further advantage of the arrangement according to FIG. 1 is that the contacts 142 are not in line with the force path of the force 124. Thus, the contacts 142 are not directly exposed to the pressure effects, which could lead to impairment of the contact properties. Again, there is an advantage of the proposed arrangement over arrangements known in the art. Furthermore, an advantage of the device according to FIG. 1 is that the force transmission element 132, which, as described above, may for example comprise metallic materials, shields the glow current feed line 136. This minimizes the effect of the electromagnetic fields emanating from the glow current lead 136 on the force sensing foil element 126.
In den Figuren 3 und 4 ist ein zum Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem ein longitudinaler Piezoeffekt ausgenutzt wird. Selbstverständlich sind auch Kombinationen der Ausführungsbeispiele mit transversalem und longitudinalem Piezoeffekt denkbar. Auch eine Kombination von Kraftmessfolien- elementen 126 mit „herkömmlichen" Kraftmesselementen ist denkbar. Wiederum weist die Glühstiftkerze 110 im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 einen keramischen Heizkörper 112 sowie ein Gehäuse 116 auf, wobei beide Bauelemente 112 und 116 grundsätzlich ähnlich oder identisch zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ausgestaltet sein können. Allerdings wird im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ein Kraftmessfolienelement 126 eingesetzt, welches als Kreisringscheibe auf einer Stirnfläche 146 des Kraftübertragungselements 132 angeordnet ist. Diese Stirnfläche 146 ist senkrecht zur Kraft 124 und somit zur Achse 122 orientiert. Auch leichte Abweichungen von der Senkrechten sind denkbar, beispielsweise Abweichungen um bis zu 10°.FIGS. 3 and 4 show an alternative embodiment to the exemplary embodiment according to FIGS. 1 and 2, in which a longitudinal piezoelectric effect is utilized. Of course, combinations of the embodiments with transversal and longitudinal piezoelectric effect are conceivable. A combination of force-measuring foil elements 126 with "conventional" force-measuring elements is also conceivable. In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the glow plug 110 again has a ceramic heating body 112 and a housing 116, both components 112 and 116 basically being identical or identical to the exemplary embodiment according to FIG 2, a force measuring foil element 126 is used, which is arranged as an annular disc on an end face 146 of the force transmission element 132. This end face 146 is oriented perpendicular to the force 124 and thus to the axis 122. Also slight deviations from the Verticals are conceivable, for example deviations of up to 10 °.
In Figur 4 ist in perspektivischer Darstellung das Kraftmessfolienelement 126 im Detail dar- gestellt. Wiederum weist das Kraftmessfolienelement 126 als Kernelement eine Piezofolie 134 auf, welche auf der Stirnfläche 146 des Kraftübertragungselements 132 zwischen zwei in diesem Ausführungsbeispiel metallischen Elektrodenschichten 138 eingebettet ist und entsprechend von einer dielektrischen Schutzlaminierung 140 geschützt und isoliert wird. Die Elektrodenschichten können wiederum mittels zweier Kontaktierungen 142 und den elektrischen Signalleitungen 128 kontaktiert werden. Das Kraftmessfolienelement 126, welches kreisringförmig ausgestaltet ist, kann beispielsweise auf die Stirnfläche 146 aufgeklebt sein. Die isolierten elektrischen Signalleitungen 128 werden axial auf der Manteloberfläche des hülsenfδrmigen Kraftübertragungselements 132 zur Steckverbindung 130 geführt. In den Figuren 4A bis 4D sind Schichtaufbauten des Aufbaus gemäß Figur 4 in den in Figur 4 mit E, F, G, H bezeichneten Bereichen in Schnittdarstellung dargestellt. In dem in Figur 4 A dargestellten Bereich E, welcher im Bereich der Stirnfläche 146 des Kraftübertragungselements 132 liegt, findet sich ein Sandwichaufbau analog zu dem oben in Figur 2B be- schriebenen Schichtaufbau, bei welchem eine Piezofolie 134 zwischen zwei Elektrodenschichten 138 eingebettet ist und vom Kraftübertragungselement 132 durch die dielektrische Schutzlaminierung 140 getrennt ist. Die Figuren 4B und 4C zeigen die Kontaktierungen 142 der Elektrodenschichten 138 durch die elektrischen Signalleitungen 128. Dabei zeigt Figur 4B die in Figur 4 als Bereich F bezeichnete Kontaktierung der oberen (d. h. dem Kraftüber- tragungselement 132 abgewandten) Elektrodenschicht 138 und Figur 4C die in Figur 4 als Bereich G bezeichnete Kontaktierung der unteren (d. h. dem Kraftübertragungselement 132 zugewandten) Elektrodenschicht 138. Analog zu Figur 2C sind auch hierbei wieder die e- lektrischen Signalleitungen 128 jeweils auf ihrer der Piezofolie 134 abgewandten Seite von der dielektrischen Schutzlaminierung 140 bedeckt und somit elektrisch isoliert. Die Kontak- tierungen 142, also die Bereiche F, G, liegen im Bereich der Kanten des Kraftübertragungselements, an welchen die Stirnfläche 146 in die Mantelfläche 133 übergeht. In Figur 4D sind schließlich die in Figur 4 mit H bezeichneten Bereiche im Schnitt dargestellt. In diesen Bereichen sind, analog zu Figur 2D, die elektrischen Signalleitungen 128, in die dielektrische Schutzlaminierung 140 eingebettet und werden senkrecht zur Zeichenebene aus dem Kraft- messfolienelement 126 herausgeführt.FIG. 4 shows in perspective the force-measuring foil element 126 in detail. Again, the Kraftmessfolienelement 126 has a piezoelectric film 134 as a core element which is embedded on the end face 146 of the force transmission element 132 between two metallic electrode layers 138 in this embodiment, and is protected and insulated by a dielectric protective lamination 140 accordingly. The electrode layers can in turn be contacted by means of two contacts 142 and the electrical signal lines 128. The force measuring foil element 126, which is designed in the form of a circular ring, can be glued onto the end face 146, for example. The insulated electrical signal lines 128 are guided axially on the mantle surface of the sleeve-shaped force transmission element 132 to the plug connection 130. In FIGS. 4A to 4D, layer structures of the structure according to FIG. 4 are shown in a sectional view in the regions indicated by E, F, G, H in FIG. In the region E shown in FIG. 4 A, which lies in the region of the end face 146 of the force transmission element 132, there is a sandwich structure analogous to the layer structure described above in FIG. 2B, in which a piezo film 134 is embedded between two electrode layers 138 and from Power transmission element 132 is separated by the dielectric protective lamination 140. FIGS. 4B and 4C show the contacts 142 of the electrode layers 138 through the electrical signal lines 128. FIG. 4B shows the contacting of the upper electrode layer 138 (ie facing away from the force transmission element 132) in FIG 4 referred to as area G contacting the lower (ie the power transmission element 132 facing) electrode layer 138. Again, the e- lektrischen signal lines 128 each on their side facing away from the piezoelectric film 134 side of the dielectric protective lamination 140 covered and thus electrically isolated , The contacts 142, that is to say the regions F, G, lie in the region of the edges of the force transmission element at which the end face 146 merges into the lateral surface 133. Finally, in FIG. 4D, the regions marked H in FIG. 4 are shown in section. In these areas, analogous to FIG. 2D, the electrical signal lines 128 are embedded in the dielectric protective lamination 140 and led out of the force measuring film element 126 perpendicular to the plane of the drawing.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist das Kraftmessfolienelement 126 eingebettet zwischen die Isolationshülse 144 und das hülsenförmig ausgebildete Kraftübertragungselement 132, welches wiederum auf der dem Brennraum abgewandten Seite der Glühstiftkerze 110 durch ein entsprechendes Gegenlager 148 gegengelagert ist. Somit wird also bei Ausübung der Kraft 124 auf den keramischen Heizkörper 112 das Kraftmessfolienelement 126 zwischen dem Kraftübertragungselement 132 und der Isolationshülse 144 zusammengepresst. Die Isolationshülse 144 bildet also in diesem Ausführungsbeispiel einen Teil der Kraftübertragungsstrecke von dem keramischen Heizkörper 112 auf das Kraftmessfolienelement 126. Durch diese Krafteinwirkung auf das Kraftmessfolienelement 126 wird wiederum über den Piezoeffekt eine Spannung erzeugt, welche mittels der elektrischen Signalleitungen 128 abgegriffen werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel wird dabei der longitudinale Piezoeffekt ausgenutzt. Der piezoelektrische Koeffizient der genannten Piezofolie 134 aus hochpolarisiertem Polyvinylidenfluorid (PVDF) liegt beispielsweise für den longitudinalen Piezoef-
Figure imgf000013_0001
In the exemplary embodiment according to FIG. 3, the force-measuring foil element 126 is embedded between the insulating sleeve 144 and the sleeve-shaped force transmission element 132, which in turn is counteracted by a corresponding counter bearing 148 on the side of the glow plug 110 facing away from the combustion chamber. Thus, therefore, upon application of the force 124 to the ceramic heater 112, the force sensing foil member 126 is compressed between the force transmitting member 132 and the insulating sleeve 144. The insulating sleeve 144 thus forms in this embodiment, a part of the power transmission path from the ceramic heater 112 to the Kraftmessfolienelement 126. By this force on the Kraftmessfolienelement 126 in turn via the piezoelectric effect, a voltage is generated, which can be tapped by the electrical signal lines 128. In this embodiment, the longitudinal piezoelectric effect is utilized. The piezoelectric coefficient of said piezo film 134 of highly polarized polyvinylidene fluoride (PVDF) is, for example, for the longitudinal piezoelectric film.
Figure imgf000013_0001
Es ist dabei darauf hinzuweisen, dass zahlreiche zu Figur 3 alternative Ausführungsformen möglich sind, bei welchen der longitudinale Piezoeffekt eingesetzt wird. So kann beispielsweise die Isolationshülse 144 und auch das Kraftübertragungselement 132 segmentiert aus- gestaltet sein, wobei zwischen mehreren dieser Segmente Kraftmessfolienelemente 126 eingebettet sind, deren Signale beispielsweise gemittelt werden können. Auch ist eine Ausgestaltung möglich, bei welcher das Kraftmessfolienelement 126 weiter von keramischen Heizkörper 112 entfernt angeordnet ist, um thermische Einwirkungen auf das Kraftmessfolienelement 126 zu minimieren. Beispielsweise könnte das Kraftmessfolienelement 126 im Bereich eines Gewindes 150 angeordnet sein, über welches die Glühstiftkerze 110 in eine Brennraumwand eingeschraubt wird. Dort treten vergleichsweise niedrige Temperaturen und Temperaturschwankungen auf. It should be noted that numerous alternative to Figure 3 alternative embodiments are possible in which the longitudinal piezoelectric effect is used. For example, the insulating sleeve 144 and also the force transmission element 132 can be segmented from be designed, between a plurality of these segments force measuring foil elements 126 are embedded, the signals of which can be averaged, for example. Also, a configuration is possible in which the force sensing foil member 126 is located farther from ceramic heater 112 to minimize thermal effects on the force sensing foil member 126. For example, the force measuring foil element 126 could be arranged in the region of a thread 150, via which the glow plug 110 is screwed into a combustion chamber wall. There are comparatively low temperatures and temperature fluctuations.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
110 Glühstiftkerze110 glow plug
112 keramischer Heizkörper112 ceramic radiator
114 Dichtkonus114 sealing cone
116 Gehäuse116 housing
118 Innenraum118 interior
120 Druckfläche120 printing area
122 Achse122 axis
124 Kraft124 power
126 Kraftmessfolienelement126 force measuring foil element
128 elektrische Signalleitungen128 electrical signal lines
130 Steckverbindung130 plug connection
132 Kraftübertragungselement132 power transmission element
133 Mantelfläche133 lateral surface
134 Piezofolie134 piezo film
136 Glühstromzuleitung136 Glühstromzuleitung
138 Elektrodenschicht138 electrode layer
140 dielektrische Schutzlaminierung140 dielectric protective lamination
142 Kontaktierungen der Elektrodenschichten142 contacts of the electrode layers
144 Isolationshülse144 insulation sleeve
146 Stirnfläche146 face
148 Gegenlager148 counter bearing
150 Gewinde 150 threads

Claims

Patentansprüche claims
1. Glühstiftkerze (110) für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit einem Heizkörper (112) und einem Kerzengehäuse (116) sowie mindestens einem Kraftmess- folienelement (126), wobei das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) derart mit dem Heizkörper (112) verbunden ist, dass über den Heizkörper (112) eine Kraft (124) auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) übertragbar ist.1. glow plug (110) for a self-igniting internal combustion engine having a radiator (112) and a plug housing (116) and at least one force measuring foil element (126), wherein the at least one force measuring foil element (126) is so connected to the radiator (112), a force (124) can be transmitted to the at least one force-measuring film element (126) via the heating body (112).
2. Glühstiftkerze (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) mindestens eine Piezofolie2. glow plug (110) according to the preceding claim, characterized in that the at least one Kraftmessfolienelement (126) at least one piezo film
(134) aufweist.(134).
3. Glühstiftkerze (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Piezofolie (134) Polyvinylidenfluorid aufweist.3. glow plug (110) according to the preceding claim, characterized in that the at least one piezo film (134) comprises polyvinylidene fluoride.
4. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) mindestens eine Kraftmessfolie (134) aufweist, wobei die Kraftmessfolie eine Foliendicke in einem Bereich von 3 Mikrometern bis 500 Mikrometern, vorzugsweise in einem Bereich von 5 Mikrometern bis 100 Mikrometern und besonders bevorzugt in einem Bereich von 84. glow plug (110) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one Kraftmessfolienelement (126) at least one Kraftmessfolie (134), wherein the force measuring film has a film thickness in a range of 3 microns to 500 microns, preferably in one area from 5 microns to 100 microns, and more preferably in a range of 8
Mikrometern bis 30 Mikrometern aufweist.Microns to 30 microns.
5. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Kraft (124) erzeugt, wobei mindestens einer der folgenden5. glow plug (110) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one Kraftmessfolienelement (126) generates an electrical signal in response to a force (124), wherein at least one of the following
Effekte genutzt wird: transversaler piezoelektrischer Effekt; longitudinaler piezoelektrischer Effekt; piezoelektrischer Schereffekt.Effects is used: transversal piezoelectric effect; longitudinal piezoelectric effect; piezoelectric shear effect.
6. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein Kraftübertragungselement (132), wobei das mindestens eine6. glow plug (110) according to one of the preceding claims, characterized by at least one force transmission element (132), wherein the at least one
Kraftübertragungselement (132) mit dem mindesten einen Kraftmessfolienelement (126) in Verbindung steht, wobei mittels des mindestens einen Kraftübertragungselements (132) eine Kraft (124) von dem Heizkörper (112) auf das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) übertragbar ist.Power transmission element (132) with the at least one force measuring foil element (126) is in communication, wherein by means of the at least one force transmission element (132) a force (124) from the heating body (112) on the at least one force measuring foil element (126) is transferable.
7. Glühstiftkerze (110) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftmessfolienelement (126) mit mindestens einer im Wesentlichen senkrecht zu einer Achse (122) der Glühstiftkerze (110) angeordneten Stirnfläche (146) des mindestens einen Kraftübertragungselements (132) verbunden ist. 7. glow plug (110) according to the preceding claim, characterized in that at least one Kraftmessfolienelement (126) with at least one substantially perpendicular to an axis (122) of the glow plug (110) arranged end face (146) of the at least one force transmission element (132) connected is.
8. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftmessfolienelement (126) mit mindestens einer im Wesentlichen parallel zur Achse (122) der Glühstiftkerze (110) Fläche (133) des mindestens einen Kraftübertragungselements (132) verbunden ist.8. glow plug (110) according to one of the two preceding claims, characterized in that at least one Kraftmessfolienelement (126) with at least one substantially parallel to the axis (122) of the glow plug (110) surface (133) of the at least one force transmission element (132) connected is.
9. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftübertragungselement (132) im Wesentlichen als Zylinderhülse ausgestaltet ist.9. glow plug (110) according to one of the three preceding claims, characterized in that the at least one force transmission element (132) is designed substantially as a cylinder sleeve.
10. Glühstiftkerze (110) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zusätzlich mindestens ein Isolierelement (144), insbesondere mindestens eine Isolationshülse (144), wobei das mindestens eine Isolierelement (144) zwischen dem Heizkörper (112) und dem mindestens einen Kraftmessfolienelement (126) angeordnet ist und wobei das mindestens eine Isolierelement (144) derart ausgestaltet ist, dass es eine10. glow plug (110) according to one of the preceding claims, characterized by additionally at least one insulating element (144), in particular at least one insulating sleeve (144), wherein the at least one insulating element (144) between the heating body (112) and the at least one force measuring foil element ( 126) is arranged and wherein the at least one insulating element (144) is designed such that it has a
Wärmeübertragung zwischen dem Heizkörper (112) und dem mindestens einen Kraftmessfolienelement (126) reduziert.Heat transfer between the radiator (112) and the at least one Kraftmessfolienelement (126) reduced.
11. Verwendung mindestens eines Kraftmessfolienelements (126) zur Messung eines Brennraumdrucks einer Verbrennungskraftmaschine.11. Use of at least one force measuring foil element (126) for measuring a combustion chamber pressure of an internal combustion engine.
12. Verwendung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmessfolienelement (126) mindestens eine Piezofolie (134) aufweist. 12. Use according to the preceding claim, characterized in that the at least one force measuring foil element (126) has at least one piezo foil (134).
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