DE102005016464A1

DE102005016464A1 - Glühstiftkerze mit einem integrierten temperaturstabilen Brennraumdrucksensor

Info

Publication number: DE102005016464A1
Application number: DE200510016464
Authority: DE
Inventors: Christoph Kern; Steffen Schott; Pavlo Saltikov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-12

Abstract

Insbesondere für brennraumdrucksignalbasierte Motorregelung sind integrierte Brennraumdrucksensoren von Vorteil Es wird daher eine Glühstiftkerze (112) für eine selbstzündende Verbrennungkraftmaschine vorgeschlagen. Die Glühstiftkerze (112) weist einen Heizkörpe (126) und ein Kerzengehäuse (122) auf. In das Kerzengehäuse (122) sind mindestens ein Kraftmesselement (114) und mindestens ein Temperierelement (116) integriert. Das mindestens eine Kraftmesselement (114) erzeugt in Abhängigkeit vom Brennraumdruck ein elektrisches Signal. Das mindestens eine Temperierelement (116) ist derart im Kerzengehäuse (122) aufgenommen, dass eine Temperatur des mindestens Kraftmesselements (114) einstellbar ist. Auf diese Weise wird die Abhängigkeit der Signale des Kraftmesselements (114) von den Temperaturen im Kerzengehäuse (122) minimiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze mit einem integrierten temperaturstabilen Brennraumdrucksensor, mittels dessen Brennraumdruckmessungen insbesondere in Dieselmotoren vorgenommen werden können. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennraumdrucksensorsystem, welches mindestens eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze und eine Temperaturkompensationsschaltung aufweist.
Im Zuge der stetigen Verschärfung der gesetzlichen Abgasvorschriften, insbesondere für Dieselmotoren, verschärfen sich die Anforderungen an eine verringerte Schadstoffemission von selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen. Moderne Motormanagementsysteme sollen einen niedrigen Kraftstoffverbrauch gewährleisten und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer gewährleisten.
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 brennraumdruckspezialisierten 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.
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. Daneben benötigen Stand-Alone Sensoren zusätzliche Bohrungen im Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine, was insbesondere bei Vierventilmotoren heutiger Bauweise aufgrund der sehr beengten Platzverhältnisse erhebliche Probleme aufwirft. Weiterhin ist in der Regel der Preis derartiger Systeme vergleichsweise hoch, und die Lebensdauer derartiger Sys teme ist, zumeist bedingt durch die hohen Betriebstemperaturen, deutlich kürzer als eine typische Fahrzeuglebensdauer.

Dementsprechend gibt es im Stand der Technik Ansätze, Brennraumdrucksensoren in bereits 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.

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.

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 angeordnet ist, da er einerseits eine Stromzufuhr zum Heizabschnitt der Glühkerze blockiert oder erschwert. Weiterhin weist das in der DE 196 80 912 C2 beschriebene System aufgrund hoher thermischer Belastung und hoher mechanischer Schockbelastung, insbesondere des Drucksensors, in der Regel keine lange Lebensdauer auf. Zudem 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. Die thermischen Schwankungen und die hohen Temperaturen, welchen der in der DE 196 80 912 C2 eingesetzte Drucksensor ausgesetzt ist, führen zudem dazu, dass die Signalqualität aufgrund der Abhängigkeit der Sensoreigenschaften von der Umgebungstemperatur im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine hohen Schwankungen ausgesetzt ist.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung schlägt einen integrierten Brennraumdrucksensor vor, welcher die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Systeme vermeidet. Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Brennraumdruckmessung an selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen mittels eines integrierten Sensors vorzunehmen, welcher in eine bereits vorhandene Zylinderkopfkomponente, nämlich eine Glühstiftkerze, integriert ist. Dabei wird die in die Glühstiftkerze neben mindestens einem Kraftmesselement weiterhin mindestens ein Temperierelement in ein Kerzengehäuse der Glühstiftkerze integriert. Mittels des Temperierelements ist eine Temperatur des mindestens einen Kraftmesselements einstellbar.

Das mindestens eine Kraftmesselement ist ausgestaltet, um ein elektrisches Signal, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom, in Abhängigkeit von einer Kraft zu erzeugen, welche auf das mindestens eine Kraftmesselement ausgeübt wird. Beispielsweise kann das Kraftmesselement ein piezoelektrisches Bauelement aufweisen. Auch andere Kraftmesselemente zur Umwandlung einer mechanischen Kraft in ein elektrisches Signal sind denkbar.

Dabei ist das mindestens eine Kraftmesselement derart mit dem in den Brennraum der Verbrennungskraftmaschine hineinragenden Heizkörper verbunden, dass über den Heizkörper eine Kraft auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragbar ist. Somit wird der Brennraumdruck in eine Kraft auf das Heizelement umgewandelt, welche wiederum vollständig oder teilweise auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragen wird. Somit kann aus dem Signal, welches von dem mindestens einen Kraftmesselement generiert wird auf den Brennraumdruck zurückgeschlossen werden.

Die Kraftübertragung zwischen dem Heizelement und dem mindestens einen Kraftmesselement kann erfindungsgemäß direkt oder auch indirekt erfolgen, indem mindestens ein in die Glühstiftkerze integriertes Kraftübertragungselement eingesetzt wird. Dieses Kraftübertragungselement kann beispielsweise eine Stange oder eine Hülse aufweisen, mittels derer die auf den Heizkörper wirkende Kraft vollständig oder teilweise auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragen wird.

Diese Weiterbildung der Erfindung hat insbesondere den Vorteil, dass das Kraftmesselement entfernt von dem Heizkörper angeordnet werden kann, wodurch das Kraftmesselement nicht den hohen Temperaturen oder Temperaturschwankungen am Ort des Heizkörpers ausgesetzt sein muss. Vielmehr kann das mindestens eine Kraftmesselement innerhalb der Glühstiftkerze an einem Ort eingesetzt werden, welcher geringstmöglichen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Zu diesem Zweck weist das mindestens eine Kraftübertra gungselement vorteilhafterweise Materialien auf, welche eine hohe mechanische Steifigkeit, jedoch eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Hierbei bieten sich beispielsweise Metalle, hochtemperaturfeste Kunststoffe oder auch Keramiken an.

Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, dass mindestens eine Kraftmesselement nicht mehr, wie aus dem Stand der Technik bekannt, den durch die Betriebsbedingungen aufgezwungenen Temperaturschwankungen auszusetzen, wodurch auch, wie oben beschrieben, Materialparameter und Sensitivität des mindestens einen Kraftmesselements Schwankungen unterworfen wären, welche aufwändig korrigiert werden müssten, beispielsweise mittels einer Auswerteelektronik. Vielmehr kann mittels des mindestens einen Temperierelements die Temperatur am Ort des mindestens einen Kraftmesselements eingestellt und insbesondere konstant gehalten werden. Beispielsweise kann während des gesamten Betriebes der Glühstiftkerze die Temperatur am Ort des mindestens einen Kraftmesselements auf einem erhöhten Niveau gehalten werden, so dass auch Temperaturspitzen im Betrieb der Glühstiftkerze nicht zu einer nennenswerten Temperaturerhöhung am Ort des mindestens einen Kraftmesselements führen.

Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn das Temperierelement derart eingesetzt wird, dass die Temperaturschwankungen am Ort des mindestens einen Kraftmesselements nicht mehr als 20%, vorteilhafterweise sogar nicht mehr als 10% und besonders vorteilhaft nicht mehr als 5% betragen. Insbesondere kann das mindestens eine Temperierelement auf einer Temperatur gehalten werden, welche die höchste normalerweise im Betrieb der Glühstiftkerze am Ort des mindestens einen Kraftmesselements zu erwartende Temperatur mindestens erreicht oder sogar überschreitet.

Das mindestens eine Temperierelement kann insbesondere mindestens ein Peltierelement und/oder mindestens eine Heizmatte, beispielsweise eine durch mindestens einen ohmschen Heizwiderstand beheizte Heizmatte und/oder mindestens ein Bauelement mit positivem Temperaturkoeffizienten (positive temperature coefficient, PTC-Element) aufweisen. Derartige Bauelemente sind kommerziell kostengünstig verfügbar. Beispielsweise lassen sich auch Temperierelemente einsetzen, welche nicht nur Heizleistung abgeben können, sondern auch kühlen können, beispielsweise die genannten Peltierelemente. Dabei ist jedoch darauf hinzuweisen, dass eine Kühlung auf eine konstante Temperatur in der Praxis in der Regel Probleme bereitet, da Wärme nach außen abgeführt werden muss. Daher ist es bevorzugt, die genannten Elemente als heizende Temperierelemente einzusetzen. Auch eine Kombination mehrerer Temperierelemente, unter anderem auch heizender und kühlender Temperierelemente, ist denkbar.

Das mindestens eine Temperierelement und das mindestens eine Kraftmesselement sollten vorzugsweise räumlich zueinander fixiert sein, um eine konstante Wärmeübertragung von dem mindestens einen Temperierelement auf das mindestens eine Kraftmesselement zu gewährleisten. Zu diesem Zweck können beispielsweise das mindestens eine Temperierelement und das mindestens eine Kraftmesselement miteinander verschraubt sein oder vorzugsweise miteinander verklebt sein. Dabei kann ein Hochtemperatur-Kleber eingesetzt werden, welcher bereits heute bei der Montage von Glühstiftkerzen zum Verkleben des Heizkörpers mit dem Glühstiftkerzengehäuse eingesetzt wird oder ein Hochtemperatur-Harz.

Insbesondere kann das mindestens eine Temperierelement die gleiche Geometrie wie das mindestens eine Kraftmesselement aufweisen. Beispielsweise kann dabei eine Ring- oder Lochscheibengeometrie eingesetzt werden. Eine identische oder ähnliche Geometrie des mindestens einen Kraftmesselements und des mindestens einen Temperierelements bringt insbesondere den Vorteil, dass beide Elemente gleich oder ähnlich auf Umgebungseinflüsse reagieren, so dass sich insbesondere ihre Temperaturen gleichzeitig oder nur wenig zeitversetzt ändern. Sind das mindestens eines Kraftmesselement und das mindestens eine Temperierelement ringförmig ausgestaltet, so können diese insbesondere mindestens eine Drahtglühstromzuleitung ringförmig umschließen, wodurch Bauraum in der Glühstiftkerze nahezu optimal ausgenutzt wird.

Wie oben beschrieben, kann das mindestens eine Temperierelement beispielsweise passiv genutzt werden, um die Temperatur am Ort des mindestens einen Kraftmesselements konstant auf hohem Niveau zu halten. Beispielsweise kann die Glühstiftkerze Bestandteil eines Brennraumdrucksensorsystems sein, welche neben mindestens einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze weiterhin mindestens eine Temperaturkompensationsschaltung aufweist, welche ausgestaltet ist, um mittels des mindestens einen Temperierelements die Temperatur am Ort des mindestens einen Temperierelements und somit indirekt auch am Ort des mindestens einen Kraftmesselements im Wesentlichen konstant zu halten. Dadurch kann beispielsweise das mindestens eine Temperierelement konstant auf hoher Temperatur gehalten werden.

Neben dieser passiven Schaltung kommt jedoch beispielsweise auch eine aktive Temperaturkontrolle in Betracht. Zu diesem Zweck kann die Glühstiftkerze weiterhin zusätzlich mindestens einen in das Kerzengehäuse integrierten Temperaturfühler aufweisen. Dieser Temperaturfühler kann Bestandteil des mindestens einen Kraftmesselements und/oder Bestandteil des mindestens einen Temperierelements sein, insbesondere auch mit diesen identisch sein oder es können auch separate Temperaturfühler eingesetzt werden. So lässt sich beispielsweise aus einer Strom-Spannungs-Charakteristik des mindestens einen Temperier elements auf eine Temperatur am Ort des mindestens einen Temperierelements schließen. Werden separate Temperaturfühler eingesetzt, beispielsweise temperaturabhängige Messwiderstände, so kann ebenfalls beispielsweise aus einer Strom-Spannungs-Charakteristik derartiger Bauelemente auf eine Temperatur geschlossen werden. Diese Temperatur kann insbesondere von der Temperaturkompensationsschaltung genutzt werden, um die Temperatur entsprechend zu regeln. Derartige Temperaturkompensationsschaltungen und Regelschaltungen sind dem Fachmann bekannt.

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze und das erfindungsgemäße Brennraumdrucksensorsystem in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen bietet gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen zahlreiche Vorteile. So wird eine zuverlässige und störungsfreie Zylinderdruckmessung in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in Dieselmotoren, bei den verschiedenen auftretenden Betriebsbedingungen gewährleistet. Dabei ist der Temperatureinfluss auf die Eigenschaften der Druckmessung signifikant reduziert bzw. vollständig vernachlässigbar. Da Temperaturschwankungen weitgehend ausgeglichen werden, werden insbesondere beim Einsatz von piezoelektrischen Kraftmesselementen die bekannten temperaturabhängigen Schwankungen der piezoelektrischen Eigenschaften und somit der Signalcharakteristik praktisch vollständig eliminiert.

Zwar kann erfindungsgemäß ein Temperaturfühler im Glühstiftkerzengehäuse eingesetzt werden. Der Einsatz eines derartigen Temperaturfühlers, beispielsweise eines Thermoelements oder Ähnlichem, zur Ermittlung der Temperatur am Einbauort des mindestens einen Kraftmesselements, ist jedoch, wie oben beschrieben, nicht erforderlich. Es kann vielmehr allein mittels des mindestens einen Temperierelements die Temperatur am Ort des mindestens einen Kraftmesselements konstant, insbesondere auf konstant hohem Niveau gehalten werden. Dadurch wird einerseits die Konstruktion und Montage einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze stark vereinfacht. Andererseits werden die Fertigungskosten durch den Wegfall eines zusätzlichen Bauelements stark vereinfacht. Auch eine entsprechende Auswerteelektronik für das Signal des mindestens einen Temperaturfühlers und eine entsprechende Regelelektronik werden somit überflüssig, wodurch die elektronischen Schaltungen stark vereinfacht werden können.

Da erfindungsgemäß das mindestens eine Kraftmesselement auf konstanter bzw. nahezu konstanter Temperatur gehalten wird, wird auch der Komplexitätsgrad der erforderlichen Auswerteelektronik für die Signale des mindestens einen Kraftmesselements erheblich reduziert. Insbesondere wird dabei der Komplexitätsgrad von optional eingesetzten Korrekturalgorithmen, welche das elektrische Signal des mindestens einen Kraftmesselements auswerten, verringert, wodurch beispielsweise das Design und die Ausführung entsprechender integrierter Schaltkreise, beispielsweise ASICs (Application Specific Integrated Circuits) vereinfacht werden kann. Dadurch wird einerseits Bauraum reduziert, da sich eine Chip-Fläche reduzieren lässt. Andererseits werden Entwicklungs- und Herstellungskosten dieser elektronischen Schaltungen reduziert.

Weiterhin bietet der erfindungsgemäß integrierte Sensor den Vorteil, dass das mindestens eine Kraftmesselement vergleichsweise geringen Anforderungen hinsichtlich der Temperaturstabilität unterworfen ist. Andererseits ist durch Integration des mindestens einen Kraftmesselements an einem Ort innerhalb der Glühstiftkerze, welcher keinen extremen Temperaturen ausgesetzt ist, der Einsatz hochtemperaturstabiler Materialien, wie beispielsweise hochtemperaturstabilen Quarzen nicht erforderlich. Weiterhin sind auch die Anforderungen an die Abhängigkeit der Signalcharakteristik von Temperaturschwankungen geringer, da, wie oben beschrieben, das mindestens eines Kraftmesselement geringeren Schwankungen unterworfen ist.

Zeichnung
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigt:
1 ein erfindungsgemäßes Brennraumdrucksensorsystem mit einer Glühstiftkerze mit einem Kraftmesselement und einem Heizelement.
In 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Brennraumdrucksensorsystems 110 dargestellt. Das Brennraumdrucksensorsystem 110 weist eine Glühstiftkerze 112 mit einem Kraftmesselement 114 und zwei Heizelementen 116 auf, sowie eine Auswerteelektronik 118 und eine Versorgungselektronik 120 für die Heizelemente 116. Die Glühstiftkerze 112 weist ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 122 mit einem im Wesentlichen zylinderförmigen Innenraum 124 auf. An einem im Betrieb der Glühstiftkerze 112 einem Brennraum zugewandten Ende der Glühstiftkerze 112 ist ein keramischer Heizkörper 126 in das Gehäuse 122 eingelassen. Der keramische Heizkörper 126 ist im Bereich eines Dichtkonus 128 mit dem Gehäuse 122 verbunden, insbesondere verklebt oder verschraubt, so dass der Innenraum 124 der Glühstiftkerze 112 im Wesentlichen gegen die Einflüsse des Brennraums abgedichtet ist.
An seinem dem Brennraum zugewandten Ende ist der keramische Heizkörper 126 mit einer hier kegelförmig ausgebildeten Spitze 130 versehen. Daneben sind auch andere Geo metrien der Spitze 130 denkbar. Diese kegelförmige Spitze 130 wirkt als Druckfläche, so dass ein Brennrauminnendruck in eine Kraft 132 umgewandelt wird, welche entlang einer Achse 134 der Glühstiftkerze 112 auf das Heizelement 116 wirkt. Der Druck im Brennraum wird somit in die Kraft 132 umgewandelt, welche wiederum eine linear-elastische Einfederung der im Kraftpfad befindlichen Bauteile der Glühstiftkerze 112 bewirkt. Diese Einfederung liegt typischerweise im Mikrometerbereich. Dadurch wird über das Heizelement 116 eine Kraft auf weitere Bauteile der Glühstiftkerze 112 übertragen, welche direkt mit dem Brennraumdruck korreliert.
Diese Kraft 132 wird in diesem Ausführungsbeispiel mittels des Kraftmesselements 114 erfasst, welches im Kraftpfad innerhalb des Innenraums 124 der Glühstiftkerze 112 aufgenommen ist. Als Kraftmesselement 114 können insbesondere piezoelektrische Kraftmesselemente 114 eingesetzt werden. Insbesondere bieten sich dabei ferroelektrische Piezokeramiken (z.B. Bleizirkonattitanat, PZT) als auch einkristalline Materialien (z.B. Quarz, Langasit, Lithiumniobat, Galliumorthophosphat) an. Wird das piezoelektrische Kraftmesselement 114 auf seiner Stirnfläche mit der Kraft 132 (vollständig oder teilweise) beaufschlagt, so wird innerhalb des Kraftmesselements 114 eine Ladung und somit eine Spannung erzeugt, welche wiederum von den Stirnflächen des Kraftmesselements 114 anhand einer Metallisierung als Elektroden und entsprechender Signalleitungen 136 abgegriffen werden kann. Die Signalleitungen 136 werden parallel zur Achse 134 am dem Brennraum abgewandten Ende der Glühstiftkerze 112 aus dem Gehäuse 122 herausgeführt und der Auswerteelektronik 118 zugeführt.
Das Kraftmesselement 114 ist in diesem Ausführungsbeispiel ring- oder scheibenförmig ausgestaltet und symmetrisch zur Achse 134 in den Innenraum 124 der Glühstiftkerze 112 bündig eingefügt. Die Kraft 132 wird in diesem Ausführungsbeispiel vom Heizkörper 126 mittels eines Kraftübertragungselements 138 auf das Kraftmesselement 114 übertragen. Das Kraftübertragungselement 138 ist dabei als zylindrische Hülse ausgestaltet und weist ein Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kunststoff (z.B. PTFE) oder Keramik auf. Auf der dem Brennraum und somit dem Kraftübertragungselement abgewandten Seite ist das Kraftmesselement 114 durch ein Vorspannelement 140 mechanisch vorgespannt. Das Vorspannelement wird mittels eines Gewindes in den Innenraum 124 der Glühstiftkerze 112 eingeschraubt, so dass durch die Verschraubung die mechanische Vorspannung des Kraftmesselements 114 eingestellt werden kann. Das Vorspannelement 140 ist dabei als Zylinderhülse mit Außengewinde ausgestaltet. Wird der Kraftpfad bei der Montage mit einer Vorspannung beaufschlagt, kann das Vorspannelement 140 als einfache Hülse ohne Gewinde ausgestaltet sein, welche unter Vorspannung mit dem Gehäuse laserverschweißt wird. Dabei wird eine der Kraft 132 entgegengesetzt gerichtete Vorspannkraft über ein ebenfalls zylinderhülsenförmig ausgestaltetes Zwischenelement 142 auf das Kraftmesselement 114 ausgeübt.
Da das in diesem Ausführungsbeispiel piezoelektrische Kraftmesselement 114 in das Gehäuse 122 der Glühstiftkerze 112 integriert ist, welches direkt dem Brennraumdruck ausgesetzt ist, ist die am Ort des Kraftmesselements 114 herrschende Temperatur von den im Brennraum herrschenden hohen Temperaturen abhängig. Die Temperatur innerhalb des Gehäuses 122 kann sich je nach Anwendung und Betriebszustand von –40°C bis stellenweise ca. 150°C ändern. Da die piezoelektrischen Konstanten der meisten piezoelektrischen Werkstoffe eine Temperaturcharakteristik aufweisen, ist eine Korrektur des durch die hohen Temperaturen bzw. Temperaturschwankungen verfälschten elektrischen Signals des Kraftmesselements 114 erforderlich.
Zu diesem Zweck ist in diesem Ausführungsbeispiel das Kraftmesselement 114 von den beiden Heizelementen 116 umgeben. Diese Heizelemente 116 werden eingesetzt um eine konstante Temperatur am Einbauort des Kraftmesselements 114 aufrecht zu erhalten. Dabei ist die Geometrie der Heizelemente 116 derart gewählt, dass eine gleichmäßige Wärmeverteilung am Kraftmesselement 114 gewährleistet ist. Andererseits soll die konstruktive Ausführung der Heizelemente 116 eine einfache Montage ermöglichen. Diesen Anforderungen entspricht beispielsweise der Einsatz von Heizelementen 116, welche die gleiche Geometrie aufweisen wie das Kraftmesselement 114. Wie oben beschrieben, kann es sich dabei beispielsweise um eine ringförmige Geometrie handeln, beispielsweise eine Lochscheiben-Geometrie. Diese ähnliche oder identische Geometrie der Elemente 114 und 116 beinhaltet weiterhin den Vorteil, dass sich die Temperaturen der Heizelemente 116 und des Kraftmesselements 114 nahezu gleichzeitig ändern.
Die Heizelemente 116 können ein- oder mehrstufig ausgestaltet sein. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Heizelemente 116 unmittelbar neben dem Kraftmesselement 114 angeordnet. Zur Gewährleistung, dass die gegenseitige Lage von Kraftmesselement 114 und Heizelementen 116 auch im Betrieb unverändert bleibt, sind in diesem Ausführungsbeispiel das Kraftmesselement 114 und die Heizelemente 116 miteinander verklebt. Die enge Anordnung der Elemente 114 und 116 gewährleistet einen schnellen Wärmeübergang und damit eine zügige Einstellung der Temperatur am Ort des Kraftmesselements 114. Eine konstante Temperatur des Kraftmesselements 114 ist jedoch von großem Vorteil für die Sicherstellung einer Stabilität der Druckmesseigenschaften bei beliebigen Betriebsbedingungen.
Um die Temperaturkompensation speziell bei der Konstruktion einer Glühstiftkerze 112 weiter zu verbessern, werden das Kraftmesselement 114 und die Heizelemente 116 in die sem Ausführungsbeispiel in dem Bereich der Glühstiftkerze 112 angeordnet, in welchem das Gehäuse 122 ein Außengewinde 144 aufweist. Mit diesem Außengewinde 144 wird die Glühstiftkerze 112 in eine Brennraumwand der Verbrennungskraftmaschine eingeschraubt. Da die Temperatur in diesem Bereich des Außengewindes 144 während eines regulären Motorbetriebes vergleichsweise niedrig (90 bis 100°C) und konstant bleibt, bietet diese Wahl des Einbringungsorts des Kraftmesselements 114 und der Heizelemente 116 den Vorteil einer vergleichsweise hohen Stabilität und Konstanz des Signals des Kraftmesselements 114 sowie eine gute thermische Ankopplung der Elemente 114, 116 auch bei abrupten Betriebspunktwechseln des Verbrennungsmotors.
Der Bauraum im Innenraum 124 der Glühstiftkerze 112 ist knapp bemessen, so dass insbesondere an das Kraftmesselement 114 und die Heizelemente 116 hohe Bauraumanforderungen zu stellen sind. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist im Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine ringförmige Ausgestaltung des Kraftmesselements 114 und der Heizelemente 116 gewählt worden. Weiterhin ist der üblicherweise für eine Glühstromzuleitung zum Heizkörper 126 in Glühstiftkerzen 112 verwendete Stahlanschlussbolzen in diesem Ausführungsbeispiel durch eine dünne und vorzugsweise flexible Drahtglühstromzuleitung 146 ersetzt worden. Diese Drahtglühstromzuleitung wird axial entlang der Achse 134 am dem Brennraum abgewandten Ende der Glühstiftkerze 112, gemeinsam mit den Signalleitungen 136 des Kraftmesselements 114 und Anschlussleitungen 148 der Heizelemente 116 und einer entsprechenden Stromversorgung zugeführt. Die Anschlussleitungen 148 der Heizelemente 116 werden der Versorgungselektronik 120 zugeführt, welche die Heizelemente 116 mit elektrischer Energie versorgt und für eine konstante Temperatur am Ort des Kraftmesselements 114 sorgt. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Versorgungselektronik 120 eine Konstantstromquelle aufweisen oder eine entsprechende Regelelektronik.
Auf eine aufwändige Temperaturregelung mittels eines Temperaturfühlers kann in der Ausführung gemäß 1 verzichtet werden. Dadurch lässt sich insbesondere die Versorgungselektronik 120 der Heizelemente 116 einfach ausgestalten, beispielsweise als Konstantstromquelle. Beispielsweise kann die Versorgungselektronik 120 durch ein Motorsteuerungsgerät angesteuert werden, um die Temperatur der Heizelemente 116 einzustellen. Weiterhin kann die Auswerteelektronik 118 einen integrierten Schaltkreis, beispielsweise einen ASIC, aufweisen. Beispielsweise kann die Auswerteelektronik 118 Mittel aufweisen, um die Signale des Kraftmesselements 114 vollständig oder teilweise zu verarbeiten, beispielsweise durch Signalverarbeitung (z.B. Filtern) oder Umrechnung in entsprechenden Brennraumdruck. Dadurch können Ausgangssignale erzeugt werden, welche beispielsweise an die Motorsteuerung weitergeleitet werden können, um dort für eine brennraumdruckgesteuerte Motorregelung zur Verfügung zu stehen.

110: Brennraumdrucksensorsystem
112: Glühstiftkerze
114: Kraftmesselement
116: Heizelement
118: Auswerteelektronik
120: Versorgungselektronik
122: Gehäuse
124: Innenraum
126: Heizkörper
128: Dichtkonus
130: kegelförmige Spitze
132: Kraft
134: Achse
136: Signalleitungen
138: Kraftübertragungselement
140: Vorspannelement
142: Zwischenelement
144: Außengewinde
146: Drahtglühstromzuleitung
148: Anschlussleitungen der Heiz
: elemente

Claims

Glühstiftkerze (112) für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit einem Heizkörper (126) und einem Kerzengehäuse (122), wobei mindestens ein Kraftmesselement (114) und mindestens ein Temperierelement (116) in das Kerzengehäuse (122) integriert sind, wobei das mindestens eine Kraftmesselement (114) ausgestaltet ist, um ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Kraft (132) zu erzeugen, wobei das mindestens eine Kraftmesselement (114) derart mit dem Heizkörper (126) verbunden ist, dass über den Heizkörper (126) eine Kraft (132) auf das mindestens eine Kraftmesselement (114) übertragbar ist und wobei das mindestens eine Temperierelement (116) derart in dem Kerzengehäuse (122) aufgenommen ist, dass mittels des mindestens einen Temperierelements (116) eine Temperatur des mindestens einen Kraftmesselements (114) einstellbar ist.
Glühstiftkerze (112) gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmesselement (114) ein piezoelektrisches Bauelement (114) aufweist.
Glühstiftkerze (112) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Temperierelement (116) mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: ein Peltierelement, eine Heizmatte oder ein PTC-Element.
Glühstiftkerze (112) gemäß einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Temperierelement (116) ein Heizelement (116) aufweist.
Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche mit zusätzlich mindestens einem in das Kerzengehäuse (122) integrierten Temperaturfühler.
Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmesselement (114) und das mindestens eine Temperierelement (116) im Wesentlichen die gleichen äußeren Abmessungen aufweisen.
Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Kraftmesselement (114) und das mindestens eine Temperierelement (116) räumlich zueinander fixiert, insbesondere miteinander verklebt, in der Glühstiftkerze (112) aufgenommen sind.
Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein zusätzliches Kraftübertragungselement (138), wobei mittels des mindestens einen Kraftübertragungselements (138) eine Kraft (132) von dem Heizkörper (126) auf das mindestens eine Kraftmesselement (114) übertragbar ist.
Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine mit dem Heizkörper (126) verbundene Drahtglühstromzuleitung (146), wobei das mindestens eine Kraftmesselement (114) und das mindestens eine Temperierelement (116) die mindestens eine Drahtglühstromzuleitung (146) ringförmig umschließen.
Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühstiftkerze (112) mindestens ein Gewinde (144) zum Einschrauben der Glühstiftkerze (112) in eine Brennraumwand aufweist, wobei das mindestens eine Kraftmesselement (114) und das mindestens eine Temperierelement (116) in räumlicher Nähe zu dem mindestens einen Gewinde (144) in der Glühstiftkerze (112) aufgenommen sind.
Brennraumdrucksensorsystem (110), aufweisend mindestens eine Glühstiftkerze (112) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche sowie mindestens eine Temperaturkompensationsschaltung (120), wobei die Temperaturkompensationsschaltung (120) mit mindestens einer Anschlussleitung (148) des mindestens einen Temperierelements (116) verbunden ist und ausgestaltet ist, um das mindestens eine Temperierelement (116) derart anzusteuern, dass eine Temperatur am Ort des mindestens einen Temperierelements (116) in der Glühstiftkerze (112) im Wesentlichen konstant gehalten werden kann.