DE102005061879A1

DE102005061879A1 - Glühstiftkerze

Info

Publication number: DE102005061879A1
Application number: DE200510061879
Authority: DE
Inventors: Christoph Kern; Steffen Schott; Pavlo Saltikov; Michael Kleindl; Reiko Zach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-07-05
Also published as: JP2009520941A; EP1966538A1; WO2007073959A1

Abstract

Eine Glühstiftkerze (1) dient zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine. Die Glühstiftkerze (1) umfasst ein Gehäuse (3), ein stabförmiges Heizelement (2) und einen Drucksensor (21). Dabei ragt das stabförmige Heizelement (2) an einer endseitigen Öffnung (4) des Gehäuses (3) aus dem Gehäuse (3). Ferner ist der Drucksensor (21) in einem Innenraum (16) des Gehäuses (3) angeordnet. Ein in der Kammer herrschender Druck bedingt eine Beaufschlagung des Heizelements, die auf den Drucksensor (21) übertragen wird, um den in der Kammer herrschenden Druck zu erfassen. Diese Erfassung kann durch Ablagerungen, insbesondere Verkokungsrückstände, an der endseitigen Öffnung (4) beeinträchtigt werden, was unerwünscht ist. Zur Verhinderung dieser Beeinträchtigung ist ein an die endseitige Öffnung (4) angrenzender Dichtraum (17) in dem Gehäuse (3) vorgesehen, der mit einem Dichtmittel (35) gefüllt ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine. Speziell betrifft die Erfindung eine Glühstiftkerze zur Anordnung in einer Vor-, Wirbel- oder Brennkammer einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine.

Aus der EP 1 517 086 A1 ist eine Druckmessglühkerze für einen Dieselmotor mit einem Kerzenkörper zum Einsetzen in einen Zylinder des Dieselmotors, einem im Kerzenkörper angeordneten Heizstab und einem zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper angeordneten Drucksensor bekannt. Dabei wird der Drucksensor durch den Druck im Brennraum beeinflusst, der vom Heizstab auf den Drucksensor übertragen wird. Der Heizstab ist in axialer Richtung gleitend verschiebbar angeordnet, wobei zur Abdichtung eine Membran und eine als O-Ring ausgebildete Dichtung vorgesehen sind.

Die aus der EP 1 517 086 A1 bekannte Druckmessglühkerze hat den Nachteil, dass sich im Bereich einer Öffnung des Kerzenkörpers, an der der Heizstab aus dem Kerzenkörper ragt, Verbrennungsprodukte ablagern können, wodurch die Verschiebbarkeit des Heizstabes relativ zu dem Kerzenkörper verschlechtert wird. Die Verschlechterung der Verschiebbarkeit hat zur Folge, dass die Übertragung des Druckes über den Heizstab auf den Drucksensor negativ beeinflusst ist, so dass der von dem Drucksensor bestimmte Druck von dem tatsächlichen Druck im Brennraum abweicht.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Beweglichkeit des Heizelements relativ zu dem Gehäuse in Bezug auf Verschmutzungen, die insbesondere durch Verkokungsprodukte bedingt sind, verbessert ist. Speziell wird ein teilweises Eindringen von Verbrennungsrückständen in das Gehäuse und eine Ablagerung dieser im Bereich der endseitigen Öffnung des Gehäuses, an der das Heizelement aus dem Gehäuse ragt, verhindert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Glühstiftkerze möglich.

Vorzugsweise ist das Dichtmittel als temperaturbeständiges, fließfähiges Dichtmittel ausgebildet. Dabei kann das Dichtmittel pulverförmig oder pastenförmig ausgebildet sein. Dies hat den Vorteil, dass das Heizelement im Wesentlichen unbeeinflusst in dem Gehäuse hin- und hergleiten kann, so dass eine weitgehend ungestörte Kraftübertragung auf den Drucksensor möglich ist. Ein pulverförmiges Dichtmittel kann dabei geeignet verpresst sein, um es zuverlässig in dem Dichtraum zu halten. Die Viskosität eines pastenförmigen Dichtmittels ist vorzugsweise so gewählt, dass eine gute Einfüllbarkeit in den Dichtraum ermöglicht und vorteilhafte Gleiteigenschaften gewährleistet sind und dass gleichzeitig ein Ausfließen aus dem Dichtraum, insbesondere im Bereich der endseitigen Öffnung des Gehäuses, verhindert ist.

Vorteilhaft ist es, dass das Dichtmittel zumindest im Wesentlichen auf Basis eines Graphits gebildet ist. Graphit hat den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit, so dass eine Wärmeableitung von dem Heizelement auf das Gehäuse geschaffen ist, die eine Temperaturbelastung des Drucksensors und gegebenenfalls weiterer Elemente der Glühstiftkerze verringert. Dadurch ist die Zuverlässigkeit der Glühstiftkerze weiter verbessert. Das Dichtmittel kann einen oder mehrere Zusatzstoffe, insbesondere ein Kalziumfluorid oder ein Kalziumoxid aufweisen. Durch die Zusatzstoffe können die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Dichtmittels geeignet eingestellt werden. Dadurch ist zum einen eine Anpassung an die konstruktive Ausgestaltung der Glühstiftkerze und zum anderen eine Anpassung an den Einsatzbereich der Glühstiftkerze möglich. Speziell kann die Viskosität und die chemische Beständigkeit gezielt beeinflusst werden. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Dichtmittel zumindest im Wesentlichen frei von ungebundenen Metallen ist.

Vorteilhaft ist es, dass der Dichtraum an der endseitigen Öffnung einen Ringspalt aufweist und dass der Ringspalt zumindest im Wesentlichen mit dem Dichtmittel gefüllt ist. Zunächst ergibt sich durch das Vorsehen eines Ringspalts der Vorteil, dass eine gute Beweglichkeit des Heizelementes in Bezug auf das Gehäuse gewährleistet ist. Allerdings wird durch den Ringspalt das Eindringen von Schmutz, insbesondere Verbrennungsrückständen, in das Gehäuse der Glühstiftkerze erleichtert. Ferner führt eine Verschmutzung unmittelbar am Ringspalt zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Beweglichkeit des Heizelements. Durch das Auffüllen des Ringspaltes mit dem Dichtmittel wird die Bewegbarkeit des Heizelementes in Bezug auf das Gehäuse auch im Betrieb der Glühstiftkerze gewährleistet. Ferner wird ein Eindringen von Verbrennungsrückständen in das Gehäuse der Glühstiftkerze verhindert.

In vorteilhafter Weise ist der Dichtraum zu dem Innenraum hin durch eine flexible Stahlmembran begrenzt, die einerseits mit dem Gehäuse und andererseits mit dem Heizelement verbunden ist. Durch die Stahlmembran ist eine zusätzliche Abdichtung gegeben, die für Gase, insbesondere Verbrennungsrückstände, die aus der Kammer der Brennkraftmaschine durch die endseitige Öffnung des Gehäuses in das Gehäuse der Glühstiftkerze gelangen, undurchdringbar ist. Ferner wird der Innenraum der Glühstiftkerze gegenüber dem Dichtraum zuverlässig abgedichtet, so dass das Dichtmittel nicht in den Innenraum eindringen kann. Dabei ist es von besonderem Vorteil, dass der Dichtraum mit dem Dichtmittel gefüllt ist. Das Dichtmittel gewährleistet einen zusätzlichen Schutz der Stahlmembran. Speziell gewährleistet das Dichtmittel einen Schutz der Stahlmembran gegen einen Korrosionsangriff von Brennraummedien und gegen die hohen Verbrennungstemperaturen im Brennraum.

Zeichnung

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:

1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze in einer schematischen Schnittdarstellung und

2 den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt der Glühstiftkerze des bevorzugten Ausführungsbeispiels.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Glühstiftkerze 1 in einer axialen Schnittdarstellung. Die Glühstiftkerze 1 kann insbesondere als Glühstiftkerze 1 für eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine ausgestaltet sein. Ein stabförmiges Heizelement 2 der Glühstiftkerze 1 ragt bei Vor- und Wirbelkammermotoren in die Kammer der Brennkraftmaschine und bei Motoren mit Direkteinspritzung in eine Brennkammer des Motors, wobei das Heizelement 2 als metallisches oder keramisches Heizelement 2 ausgebildet sein kann. Die erfindungsgemäße Glühstiftkerze 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
Die Glühstiftkerze 2 weist ein Gehäuse 3 auf, das vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht. Das Gehäuse 3 weist eine konzentrische Durchgangsbohrung auf, wobei das Heizelement 2 teilweise innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet ist und an einer endseitigen Öffnung 4 des Gehäuses 3 aus dem Gehäuse 3 in die Kammer der Brennkraftmaschine ragt. Ferner weist das Gehäuse 3 ein Außengewinde 5 auf, mit dem die Glühstiftkerze 1 in eine Bohrung der Brennkraftmaschine einschraubbar ist, wobei ein Dichtkonus 6 einen dichten Sitz der Glühstiftkerze 1 in der Bohrung der Brennkraftmaschine gewährleistet.
Das stabförmige Heizelement 2 weist einen Heizkörper 7 und ein Stützrohr 8 auf, wobei das Stützrohr 8 an einer Mantelfläche 9 des Heizkörpers 7 anliegt und mit dem Heizkörper 7 verbunden ist. Eine Außenfläche 10 des Stützrohres 8 bildet zugleich die Außenfläche 10 des stabförmigen Heizelements 2.
Die konzentrische Durchgangsbohrung der Glühstiftkerze 1 ist durch eine Stahlmembran 15 in einen Innenraum 16 und einen Dichtraum 17 geteilt. Die Stahlmembran 15 ist dabei einerseits mit dem Gehäuse 3 und andererseits an einem zylinderringförmigen Abschnitt 18 mit dem Stützrohr 8 des stabförmigen Heizelements 2 verbunden. Ein tellerförmiger Abschnitt 19 der Stahlmembran 15 ist flexibel, insbesondere elastisch, ausgestaltet, um eine Verschiebbarkeit des stabförmigen Heizelementes 2 relativ zu dem Gehäuse 3 in Richtung einer Achse 20 des Gehäuses 3 der Glühstiftkerze 1 zu ermöglichen.
In dem Innenraum 16 ist ein Drucksensor 21 angeordnet. Der Drucksensor 21 kann beispielsweise als piezoelektrisches Sensorelement ausgestaltet sein, das bei einer mechanischen Beaufschlagung eine Ladung erzeugt, die an Kontaktstellen 22, 23 des Drucksensors 21 abgegriffen werden kann und mittels elektrischer Messleitungen 24, 25 aus dem Gehäuse 3 der Glühstiftkerze 1 geführt wird. Der Drucksensor 21 stützt sich zu einem kammerfernen Ende 26 der Glühstiftkerze 1 hin an einer mit dem Gehäuse 3 verbundenen Hülse 27 ab. Andererseits steht der Drucksensor 21 über eine Kraftübertragungshülse 28 mit dem stabförmigen Heizelement 2 in Wirkverbindung. Dabei stützt sich das Heizelement 2 im Wesentlichen an seinem Stützrohr 8 an der Kraftübertragungshülse 28 ab.
Im montierten Zustand der Glühstiftkerze 1 wird auf Grund eines Druckes in der Kammer der Brennkraftmaschine eine Kraft auf das stabförmige Heizelement 2 erzeugt, die in axialer Richtung 29, das heißt in Richtung der Achse 20, auf das Heizelement 2 einwirkt. Diese Kraft wird entlang eines durch die Pfeile 30, 31 und 32 veranschaulichten Kraftpfads auf den Drucksensor 21 übertragen, der in Abhängigkeit von der übertragenen Kraft ein Messsignal über die elektrischen Messleitungen 24, 25 ausgibt, aus dem der in der Kammer herrschende Druck bestimmt wird. Um eine zuverlässige Bestimmung des in der Kammer herrschenden Druckes zu ermöglichen, ist eine weitgehend freie Beweglichkeit des stabförmigen Heizelements 2 und der Kraftübertragungshülse 28 in der axialen Richtung 29 erforderlich. Bestimmte Beeinflussungen der Kraftübertragung, wie sie beispielsweise durch die elastische Ausgestaltung der Stahlmembran 15 hervorgerufen werden, können dabei bei der Auswertung des Messsignals des Drucksensors 21 berücksichtigt werden.
Beim Betrieb der Glühstiftkerze 1 auftretende Verschmutzungen, insbesondere solche, die im Bereich der endseitigen Öffnung 4 auftreten, sind hinsichtlich ihres Ausmaßes und ihrer Einwirkung jedoch nicht im Vorhinein bestimmbar, so dass diese eine wesentliche Ursache für eine Fehlbestimmung des in der Kammer herrschenden Druckes darstellen können. Insbesondere besteht die Gefahr, dass ein Teil der durch den Druck in der Kammer hervorgerufenen Kraft auf Grund von Verschmutzungen im Bereich der endseitigen Öffnung 4 von dem Heizelement 2 auf das Gehäuse 3 im Bereich des Dichtkonus 6 abgeleitet wird, so dass die tatsächlich auf den Drucksensor 21 einwirkende Kraft verringert ist. Außerdem kann die Beweglichkeit des Heizelementes 2 auf Grund der Ablagerungen verringert sein, wodurch unerwünschte Hystereseeffekte auftreten, die zu einer verzögerten Erfassung des in der Kammer herrschenden Druckes führen.
Zur Vermeidung dieser und anderer Probleme ist in dem Dichtraum 17 ein Dichtmittel 35 vorgesehen. Die Ausgestaltung des Dichtraums 17 sowie die Eigenschaften und Wirkungen des Dichtmittels 35 sind nachfolgend anhand der 2 im Detail weiter beschrieben.
2 zeigt den in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt in einer detaillierten, schematischen Darstellung. Der tellerförmige Abschnitt 19 der Stahlmembran 15 ist an einer ringförmigen Fläche 40 mit dem Gehäuse 3 verbunden. Ferner ist der tellerförmige Abschnitt 19 der Stahlmembran 15 an einer weiteren ringförmigen Fläche 41, die entgegengesetzt zu der ringförmigen Fläche 40 orientiert ist, mit dem Dichtkonus 6 des Gehäuses 3 verbunden. Außerdem ist der zylinderringförmige Abschnitt 18 der Stahlmembran 15 an seiner Innenseite 42 an die Außenfläche 10 des Stützrohrs 8 angefügt, wobei die Stahlmembran 15 und das Stützrohr 8 im Bereich der Innenseite 42 durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, wie zum Beispiel Laserschweißen, verbunden sind. Dadurch ist eine zuverlässige Abdichtung zwischen dem Dichtraum 17 und dem Innenraum 16 gegeben.
Um die Krafteinleitung von dem Heizelement 2 in die Kraftübertragungshülse 28 zu verbessern, ist die Wandstärke eines der Kraftübertragungshülse 28 zugewandten Abschnitts 43 des Stützrohrs 8 an die Wandstärke der Kraftübertragungshülse 28 angepasst, wobei das Stützrohr 8 im Bereich des Abschnitts 43 mit größerer Wandstärke ausgeführt ist.
Zwischen dem Gehäuse 3 und der Außenfläche 10 des Heizelementes 2 ist im Bereich des Dichtkonus 6 ein Ringspalt 44 vorgesehen, der die endseitige Öffnung 4 bildet. Der Ringspalt 44 ermöglicht eine ungehinderte Verschiebung des Heizelementes 2 in Richtung der Achse 20. Dies wird durch die elastische Ausgestaltung der Stahlmembran 15 unterstützt, wobei die durch die Stahlmembran 15 bedingte, über das Stützrohr 8 auf das Heizelement 2 einwirkende Federkraft im Vorhinein bestimmt ist und somit bei der Bestimmung des in der Kammer herrschenden Druckes gegebenenfalls berücksichtigt werden kann. Ferner ist der Dichtraum 17 mit dem Dichtmittel 35 gefüllt, das auch den Ringspalt 44 ausfüllt. Das Dichtmittel 35 besteht aus einer hochtemperaturbeständigen Paste, die bei den in der Kammer herrschenden Temperaturen nicht verhärtet. Das Dichtmittel 35 gewährleistet dadurch ein weitgehend ungehindertes Gleiten des Heizelementes 2 im Bereich des Dichtraumes 17. Außerdem wird das Eindringen von Gasen und Verbrennungsrückständen in das Gehäuse 3 der Glühstiftkerze 1 verhindert. Speziell wird eine Anlagerung von Verkokungsrückständen in dem Ringspalt 44 verhindert, so dass der Drucksensor 21 im Wesentlichen mit der Kraft beaufschlagt ist, die dem in der Kammer herrschenden Druck entspricht.
Das Dichtmittel 35 gewährleistet auch einen Schutz der Stahlmembran 15, insbesondere gegenüber Medien, die eine Korrosion der Stahlmembran 15 begünstigen. Außerdem kann das Dichtmittel 35 als elektrisch leitendes und thermisch leitendes Dichtmittel 35 ausgestaltet sein. Ein elektrisch leitendes Dichtmittel 35 ermöglicht eine elektrische Verbindung des Stützrohrs 8 mit dem Gehäuse 3. Die zum Heizen erforderliche elektrische Energie kann dann beispielsweise durch Anlegen einer Spannung an einen mehrschichtigen, keramischen Heizkörper 7 erfolgen, die über ein elektrisch leitendes Anschlusselement 45 an den Heizkörper 7 geführt wird. Entsprechend kann über das Anschlusselement 45 auch eine Spannung gegenüber dem Gehäuse 3 an eine Heizwendel des Heizkörpers 7 angelegt werden, sofern das Heizelement 2 entsprechend ausgestaltet ist.
Ein thermisch leitendes Dichtmittel 35 ermöglicht eine verbesserte Ableitung der im Bereich des Dichtkonus 6 von dem Heizelement 2 in das Gehäuse 3 geleiteten Wärme an das Gehäuse 3. Im montierten Zustand der Glühstiftkerze 1 kann dadurch ein Teil dieser Wärme beispielsweise über den Dichtkonus 6 an die Brennkraftmaschine abgeleitet werden, so dass die thermische Belastung von Elementen, insbesondere dem Drucksensor 21, die in dem Innenraum 16 vorgesehen sind, verringert ist.
Das Dichtmittel 35 kann beispielsweise aus Graphit bestehen oder auf der Basis von Graphit hergestellt sein. Geeignete Zusatzstoffe, insbesondere Kalziumfluorid oder Kalziumoxid, ermöglichen innerhalb eines gewissen Bereichs eine Anpassung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Dichtmittels 35 an den jeweiligen Anwendungsfall.
Die Stahlmembran 15 kann so ausgestaltet sein, dass eine von der Verstellung des Heizelements 2 abhängige Rückstellkraft erzeugt wird, die das Heizelement 2 nach einem Druckimpuls in seine ursprüngliche Lage zurückbewegt. Da eine weitere Beeinflussung der Verstellbewegung durch Ablagerungen oder dergleichen verhindert wird, kann eine für den Drucksensor 21 anfangs ermittelte Sensorkennlinie über die Lebensdauer der Glühstiftkerze 1 zur Bestimmung des in der Kammer herrschenden Druckes verwendet werden. Außerdem verhindert das Dichtmittel 35 einen unmittelbaren Kontakt der heißen Verbrennungsgase mit der Stahlmembran 15, so dass auch die von der Stahlmembran 15 erzeugte Rückstellkraft über die Lebensdauer der Glühstiftkerze 1 einen zumindest im Wesentlichen unveränderten Verlauf hat.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

Claims

Glühstiftkerze (1) zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse (3), einem stabförmigen Heizelement (2), das an einer endseitigen Öffnung (4) des Gehäuses (3) teilweise aus dem Gehäuse (3) ragt, und einem Drucksensor (21), der in einem Innenraum (16) des Gehäuses (3) angeordnet ist, wobei das stabförmige Heizelement (2) zumindest innerhalb eines gewissen Bereichs relativ zu dem Gehäuse (3) verschiebbar ist und wobei der Drucksensor (21) zumindest mittelbar mit dem Heizelement (2) in Wirkverbindung steht, um eine auf Grund eines in der Kammer herrschenden Druckes bedingte Beaufschlagung des Heizelementes (2) zum Bestimmen des in der Kammer herrschenden Druckes zu erfassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) einen Dichtraum (17) aufweist, der an die endseitige Öffnung (4) des Gehäuses (3) angrenzt, und dass in dem Dichtraum (17) zumindest in einem Bereich der endseitigen Öffnung (4) ein Dichtmittel (35) vorgesehen ist.
Glühstiftkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (35) als temperaturbeständiges, fließfähiges Dichtmittel (35) ausgebildet ist.
Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (35) pulverförmig oder pastenförmig ausgebildet ist.
Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (35) zumindest im Wesentlichen auf Basis eines Graphits gebildet ist.
Glühstiftkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtmittel (35) zumindest einen Zusatzstoff aufweist.
Glühstiftkerze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzstoff ein Kalziumfluorid oder ein Kalziumoxid ist.
Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtraum (17) an der endseitigen Öffnung (4) einen Ringspalt (44) aufweist und dass der Ringspalt (44) zumindest im Wesentlichen mit dem Dichtmittel (35) gefüllt ist.
Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtraum (17) zu dem Innenraum (16) hin zumindest durch eine zumindest teilweise flexible Stahlmembran (15) begrenzt ist, die einerseits zumindest mittelbar mit dem Gehäuse (3) und andererseits zumindest mittelbar mit dem Heizelement (2) verbunden ist.
Glühstiftkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtraum (17) zumindest im Wesentlichen mit dem Dichtmittel (35) gefüllt ist.