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Die
vorliegende Erfindung betrifft Dieselmotoren und im spezielleren
Glühsensoren,
welche Funktionen einer Glühkerze
und eines Ionensens0ors kombinieren, um die Kraftstoffzündung in
der Verbrennungskammer eines Motors während des Startens und des
Betriebs bei niedriger Temperatur zu unterstützen und um das Auftreten und
den Charakter von Verbrennungsvorgängen zu erfassen. Ein solcher
Glühsensor
ist aus den 'Patent Abstracts
of Japan', Bd. 1998,
Nr. 09, 31. Juli 1998 und aus
JP
10 089 687 bekannt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es
ist in Bezug auf Dieselmotoren einschlägig bekannt, eine Zünd-Glühkerze mit
einer beheizten Glühspitze
bereitzustellen, die sich in die Verbrennungskammer des Motors bzw.
in die der Vorverbrennung dienende Vorkammer hinein erstreckt, um die
Zündung
des Kraftstoffs insbesondere während des
Startens und des Betriebs bei niedriger Temperatur zu unterstützen. Es
ist bei Brennkraftmaschinen auch bekannt, in der Verbrennungskammer
einen Ionensensor bereitzustellen, der das Auftreten von Verbrennungsvorgängen anhand
von Variationen bei einem Stromfluss erfasst, welcher über einen
Spalt hinweg durch in der Kammer vorhandene Verbrennungsgase hindurch
stattfindet. Die Kombination aus einer keramischen Glühkerzenspitze
mit einem Ionensensor zum Gebrauch in einem Dieselmotor wurde ebenfalls
vorgeschlagen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft einzigartige und spezifische Ausführungsformen
von Glühsensoren,
welche zur Verwendung in Dieselmotoren bestimmt sind und die Funktionen
von Glühkerzen
und Ionensensoren miteinander kombinieren. Insbesondere schafft
die vorliegende Erfindung verschiedene Ausführungsformen von Glühsensoren,
wobei eine jede einen Keramikstab mit einer beheizten Glühspitze
kombiniert mit einer auf der Spitze vorhandenen, leitenden Schicht
zur Verwendung als Ionensensor aufweist. Weiterhin sind auch Mittel
zum Tragen und zur elektrischen Verbindung der elektrischen Elemente
im Inneren des Glühsensors
vorgesehen. Der Einfachheit halber ist der hier verwendete Begriff "Glühsensor" als sich auf Geräte beziehend
zu verstehen, welche, wie hier beschrieben, dazu dienen, gleichermassen
die Funktionen einer Glühkerze
und eines Ionensensors auszuüben.
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Im
allgemeinen kann die erfindungsgemässe Vorrichtung als ein zum
Gebrauch in einer Verbrennungskammer eines Dieselmotors bestimmter
Glühsensor
definiert werden, wobei der Glühsensor
ein röhrenförmiges Metallgehäuse aufweist,
welches folgendes beinhaltet: Montagemittel zur Montage des Glühsensors
in einem eine Kammer definierenden Bauteil des Motors; eine in dem
Gehäuse
getragene Keramik-Trägerhülse; einen
von der Trägerhülse getragenen
Keramikstab mit einem äusseren
Ende, welches im Inneren des Gehäuses
endet und gegen dieses hin durch die Hülse isoliert ist, und einem
inneren Ende, welches eine Glühspitze
bildet, die sich nach innen über
das Gehäuse
und die Hülse
hinaus in eine zugehörige
Verbrennungskammer hinein erstreckt; ein im Inneren der Glühspitze
befindliches Heizelement, das zur Versorgung des Heizelements mit
elektrischem Strom mit einem ersten und einem zweiten elektrischen
Leiter im Inneren des Keramikstabs verbunden ist; eine elektrisch
leitende Schicht auf der Glühspitze,
die zur Versorgung der leitenden Schicht mit elektrischer Spannung
mit einem dritten elektrischen Leiter verbunden ist; und Verbindungsmittel
zum Verbinden der Leiter mit elektrischen Stromquellen ausserhalb
des Glühsensors.
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Ein
umfassenderes Verständnis
dieser und anderer Merkmale und Vorteile der Erfindung ergibt sich
aus der folgenden Beschreibung bestimmter, spezifischer Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigen:
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1 eine
fragmentarische Querschnittsansicht eines Dieselmotors mit offener
Kammer mit Kraftstoff-Direkteinspritzung in die Verbrennungskammer
und mit einer Glühkerze
nach dem Stand der Technik mit einer sich in die Kammer hinein erstreckenden
Glühspitze;
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2 eine
fragmentarische Querschnittsansicht eines Dieselmotors mit Vorkammer
mit indirekter Kraftstoffeinspritzung in die Vorkammer und einer Glühkerze nach
dem Stand der Technik mit einer sich in die Vorkammer hinein erstreckenden
Glühspitze;
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3 eine
Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäss ausgebildeten
Glühsensors;
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4 und 5 jeweils
eine Querschnittsansicht einer alternativen, zweiten bzw. dritten
Ausführungsform
eines erfindungsgemäss
ausgebildeten Glühsensors.
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BESCHREIBUNG DES STANDS
DER TECHNIK
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In
den 1 und 2 der Zeichnungen, auf welche
als erstes im Detail Bezug genommen wird, werden Beispiele für dem Stand
der Technik entsprechende Anwendungen von Dieselmotor-Glühkerzen
für Dieselmotoren
sowohl mit offener Kammer als mit Vorkammer gezeigt. Zwar verwenden
diese Anwendungen Glühkerzen,
welche dem Typ nach eine in einem Metallmantel ausgebildete Glühspitze
aufweisen, es ist jedoch auch die Ver wendung von Keramikstäben anstelle
der Glühkerzen
mit Metallmantel weithin bekannt.
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In 1 bezeichnet
die Ziffer 100 allgemein einen Dieselmotor mit offener
Kammer mit einem Zylinderblock 102, welcher einen Zylinder 104 definiert, der
durch einen Zylinderkopf 106 verschlossen ist. Ein Kolben 108 ist
in dem Zylinder 104 hin- und herbewegbar und definiert
eine ausgesparte Schüssel, welche
zusammen mit dem Zylinderkopf eine Verbrennungskammer 110 bildet.
In dem Zylinderkopf ist eine Einspritzdüse bzw. Einspritzvorrichtung 112 montiert,
welche Kraftstoff in die Verbrennungskammer 110 sprüht, um ihn
dort einer Kompressionszündung
zu unterziehen. In dem Zylinderkopf ist auch eine Glühkerze 114 mit
einer sich in die Verbrennungskammer hinein erstreckenden Glühspitze 116 montiert.
Die Glühspitze
wird während
des Kaltstarts des Motors und während
des Niedrigtemperaturbetriebs beheizt, um die Zündung von in die Verbrennungskammer
gesprühtem
Kraftstoff in Betriebsabschnitten zu unterstützen, in denen die Kompressions-temperatur
unter Umständen
unzureichend ist, um eine sachgerechte Kraftstoffzündung und
-verbrennung zu gewährleisten.
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Die
dargestellte Glühkerze 114 ist
eine Glühkerze,
welche dem Typ nach einen metallenen Mantel aufweist, der die Glühspitze
bildet. Die Verwendung von Keramik-Glühspitzen ist jedoch ebenfalls weithin
bekannt. Am äusseren
Ende der Glühkerze ist
ein Anschluss 118 zur Verbindung mit einer elektrischen
Stromquelle vorgesehen. Ein Rückstrom fliesst
von dem Metallmantel der Glühspitze
zu einem Metallgehäuse 119 der
Glühkerze
und zu dem Zylinderkopf, in welchem das Gehäuse montiert ist und welcher
an dem elektrischen System geerdet ist.
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In 2,
auf welche nun Bezug genommen wird, bezeichnet die Ziffer 120 einen
Dieselmotor mit Vorkammer, welcher einen Zylinderblock 122 mit
einem Zylinder 124 aufweist, der von einem Zylinderkopf 126 verschlossen
ist und der einen Kolben 128 trägt, welcher in dem Zylinder
hin- und herbewegbar ist. Kolben und Zylinderkopf bilden zusammen
eine Verbrennungskammer 130, welche mit einer im Inneren
des Zylinderkopfes befindlichen Vorverbrennungskammer bzw. Vorkammer 132 in
Verbindung steht. Eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 134 ist
zur Einspritzung von Kraftstoff in die Vorkammer in dem Zylinderkopf
montiert, und eine Glühkerze 136 weist eine
sich in die Vorkammer hinein erstreckende Glühspitze 138 auf, um
die Zündung
des Kraftstoffs während
des Startens und im Kaltbetrieb zu unterstützen. Ein Anschluss 140 am
anderen Ende der Glühkerze schafft
eine Verbindung zu einer elektrischen Stromquelle, und das Glühkerzengehäuse 142 ist
an dem Zylinderkopf geerdet, um die Strombahn des Rückstroms
zu schliessen, wie auch in der als erstes beschriebenen Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung schafft neuartige Glühsensoren, welche in Dieselmotoren
der zuvor beschriebenen Typen eingebaut werden können. Diese Glühsensoren
realisieren sowohl die vorerwähnten
Glühkerzenfunktionen
des Unterstützens bei
der Kraftstoffzündung
während
des Kaltstarts und des Kaltbetriebs als auch die zusätzliche
Ionensensorfunktion des Erkennens des Auftretens und des Charakters
von Verbrennungsvorgängen
in der Verbrennungskammer bzw. der Vorkammer durch die im Inneren
der Kammer während
der Verbrennung eintretenden Veränderungen
bei der Ionisierung von Verbrennungsgasen, und zwar in Übereinstimmung mit
der Technik und zu in der Technik bekannten Zwecken. Die in der
nachfolgenden Beschreibung und in den Patentansprüchen verwendeten
Begriffe "inneres
Ende" und "äusseres Ende" sind richtungsbe zogen
im Hinblick auf den in einen Motor eingebauten Glühsensor,
wobei die Glühspitze
ein inneres Ende bildet, welches sich in eine Verbrennungskammer
(bzw. in eine Vorkammer) hinein erstreckt, und wobei elektrische
Anschlüsse
an einem äusseren Ende
angeordnet sind, welches sich aus dem Zylinderkopf des Motors heraus
erstreckt.
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In 3 der
Zeichnungen, auf welche nun Bezug genommen wird, bezeichnet die
Ziffer 10 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäss ausgebildeten
Glühsensors.
Der Glühsensor 10 kombiniert
die Merkmale einer Zünd-Glühkerze und
eines Verbrennungskammer-Ionensensors in einer einzigen Vorrichtung,
welche das allgemeine Aussehen einer Glühkerze aufweist und in einen
Motor in die gewöhnlich
für eine
Glühkerze
bestimmte Zylinderkopf-Öffnung
eingebaut werden kann.
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Der
Glühsensor 10 weist
von seinem Aufbau her ein Metallgehäuse 12 mit einem hohlen
Inneren auf, wobei in ein inneres Ende davon eine Keramikhülse 14 eingeführt ist,
welche ihrerseits einen Keramikstab 16 trägt.
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Das
Gehäuse 12 ist
im allgemeinen röhrenförmig, ist
an einem inneren Ende 18 offen und weist an einem äusseren
Ende 22 eine kleinere Öffnung 20 auf,
die durch eine Abdichtung 24, wie beispielsweise einen
Kunststoff- oder Gummistöpsel
verschlossen ist. Ein Aussengewinde 26 ist im mittleren
Bereich zwischen den Enden des Körpers
vorgesehen und ein Sechskant-Kopf 28 ist an dem äusseren
Ende 22 ausgebildet, um den Glühsensor in einer Gewindeöffnung in
einem zugehörigen
Zylinderkopf eines Motors, beispielsweise des in 1 gezeigten
Motors 100, zu befestigen.
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Das
Innere des inneren Endes des Gehäuses 12 ist
mit einer vergrösserten
Bohrung 30 ausgebildet, in welche die Keramikhülse 14 eingesetzt
wird, bis der Keramikstab 16 die gewünschte über das Gehäuse hervorstehende Position
erreicht, während
die Hülse
sich einer Schulter 32 nähert. Das Gehäuse 12 kann
aus legiertem Stahl oder einem anderen geeigneten Metall gefertigt
sein, das ausreichend fest und elektrisch leitend ist und das ausserdem
bei Temperaturen benutzbar ist, welche beim Betrieb in dem Zylinderkopf
und in der daran angrenzenden Verbrennungskammer erreicht werden.
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Der
Keramikstab kann aus Siliciumnitrid (Si3N4), Aluminiumnitrid (AlN) oder einem anderen geeigneten
hochtemperaturbeständigen
Isolator gefertigt sein und ist mit einem äusseren Ende 34 ausgebildet,
das sich über
das äussere
Ende der Hülse 14 hinaus
in das hohle Innere des Gehäuses 12 hinein
erstreckt. Ein inneres Ende 36 des Stabs 16 erstreckt
sich bis weit unterhalb des unteren Endes der Hülse 14 und kann eine
abgerundete bzw. halbkugelförmige
Spitze 38 aufweisen, welche mit einem hochtemperaturbeständigen,
leitfähigen
Material 40 wie beispielsweise Platin oder Palladium beschichtet
ist.
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Ein
im allgemeinen an die Spitze 38 angrenzender Abschnitt
des inneren Endes 36 des Keramikstabs bildet eine Glühspitze,
in welcher ein Heizelement 42 angeordnet ist. Jede geeignete
Heizelementform, die in Keramik-Glühkerzen verwendbar ist, kann
für diesen
Zweck verwendet werden. In dem dargestellten Beispiel ist das Heizelement
aus in den Keramikstab 16 eingegossenen Wolframdrahtwindungen
gebildet. Ein Ende des Heizelements 42 ist mit einem ersten
Leiter 44 verbunden, der sich von dem Element 42 aus
durch das äussere
Ende 34 des Keramikstabs hinaus und in den hohlen, äusseren Abschnitt
des Gehäuses
hinein erstreckt. Dort ist der Leiter 44 mit einer isolierten,
ersten Leitung 46 verbunden, welche sich durch die Abdichtung 24 hindurch
zu einem externen, ersten Anschluss 48 hin erstreckt, der
mit einer elektrischen Span nungsquelle verbindbar ist. Das andere
Ende des Heizelements 42 ist mit einem zweiten Leiter 50 verbunden,
der sich von dem Heizelement 42 aus in dem Keramikstab 16 nach
aussen bis zu einem an der Seite des Stabs befindlichen Endpunkt 52 hin
erstreckt, wo er geerdet wird bzw. elektrisch mit dem Metallgehäuse 12 verbunden
wird, und zwar durch einen in der Keramikhülse 14 angeordneten
Leiter, wie beispielsweise ein Hartlötmaterial 53. Somit
ist ein elektrischer Masseanschluss von dem Heizelement 42 durch
das Material 53 und das Gehäuse 12 zu dem zugehörigen Zylinderkopf
eines Motors, in dem der Glühsensor
eingebaut ist, gebildet.
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Das
leitende Material 40 an der Spitze 38 des Glühsensors
ist mit einem dritten elektrischen Leiter 54 elektrisch
verbunden, der sich von der Nähe der
Spitze 38 aus durch den Keramikstab 16 hindurch
und aus seinem äusseren
Ende hinaus in das hohle Innere des Gehäuses 12 hinein erstreckt.
Dort ist der Leiter 54 mit einer dritten isolierten Leitung 56 verbunden,
welche sich durch die Abdichtung 24 hindurch bis zu einem
dritten Anschluss 58 erstreckt, welcher ebenfalls mit einer
elektrischen Spannungsquelle verbindbar ist. Die elektrischen Leiter 44, 50, 54 im
Inneren des Keramikstabs sind vorzugsweise aus Wolframdraht gebildet,
und zwar wegen dessen Hitzebeständigkeit,
sie können
aber falls gewünscht auch
aus jedem anderen geeigneten, hochtemperaturbeständigen, leitenden Material
gebildet sein. Vorzugsweise ist der Wolframdraht 54 durch
ein kurzes Stück 59 aus
Platin- bzw. Palladiumdraht oder Trockentinte mit dem Platin- bzw.
Palladiummaterial 40 verbunden, um eine Oxidation des Wolfram
durch Kontakt mit Verbrennungskammergasen zu verhindern.
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Bei
der Herstellung wird der Keramikstab 16 um das Heizelement 42 und
um die elektrischen Leiter 44, 50, 54 herum
gegossen und der Platin- bzw. Palladiumleiter 40 wird an
der unteren Spitze 38 durch die Aufbringung von Platintinte
oder dergleichen gebildet, die auf die Oberfläche der Spitze aufgedruckt
wird. Der Keramikstab 16 wird in das Innere der Keramikhülse 14 eingesetzt
und diese beiden Elemente werden beispielsweise durch Hartlöten in einem
Ofen fest miteinander verbunden. Diese Baueinheit wird dann in ein
vorgeformtes Gehäuse 12 eingesetzt
bis sich die Hülse 14 in
der Nähe
der in dem Gehäuse
ausgebildeten Schulter 32 befindet und die Glühspitze 38 die
gewünschte über das
Gehäuse
hervorstehende Position erreicht. Die Hülse 14 und das Gehäuse 12 werden
dann durch Metall-Hartverlötung
fest miteinander verbunden, wodurch der dritte Leiter zur Bildung
der zuvor beschriebenen elektrischen Erdung elektrisch mit der Hülse 14 verbunden
wird. Die Leitungen 46 und 56 können nach
der Ofen-Hartverlötung
befestigt werden und die Abdichtung 24 wird danach angebracht.
Jede beliebige andere geeignete Montageform kann falls gewünscht ebenfalls
verwendet werden. Die Schritte des Hartverlötens werden vorzugsweise in
einem Ofen durchgeführt
und könnten,
falls gewünscht, auch
nach der Zusammensetzung aller drei Elemente gemeinsam erfolgen
anstatt in zwei Schritten, wie weiter oben angegeben.
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Beim
Betrieb wird der Glühsensor 10 in
einen Motor, wie beispielsweise den in 1 gezeigten Motor 100,
anstelle der Glühkerze 114 eingebaut. Wenn
der Motor gestartet wird oder anderweitig eine Zündunterstützung während des Kaltbetriebs erfordert,
wird eine elektrische Spannung über
das Heizelement 42 hinweg angelegt, wodurch die Keramik-Glühspitze
auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, die in der Lage ist, in die
Verbrennungskammer des zugehörigen
Motors eingesprühten
Dieselkraftstoff zu zünden.
Unter diesem Aspekt betrachtet ist der Betrieb des Glühsensors
mit dem einer herkömmlichen
Glühkerze
identisch.
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Während des
Motorbetriebs wird auch über den
Anschluss 58 und den Leiter 54 eine gesteuerte Spannung
an das leitende Platin bzw. Palladium angelegt, mit welchem die
Glühspitze 38 des
Keramikstabs beschichtet ist. Bei der Initiierung der Verbrennung
in der Verbrennungskammer werden aufgrund der Ionisierung des Kraftstoff-Luft-Gemischs
Elektronen erzeugt, so dass ein geringer elektrischer Strom durch
den Spalt zwischen dem leitenden Material 40 und dem nächstgelegenen
Motorabschnitt geleitet wird. Während
des Einsetzens der Verbrennung in dem Motor aus 1 ist
ein benachbarter Abschnitt des Kolbens 108 wahrscheinlich
dem leitenden Material 40 der Glühspitze 38 am nächsten gelegen.
Der über
diesen Spalt hinweg erfolgende Stromfluss kann durch eine geeignete
Messeinrichtung gemessen werden, um die Intensität der im Inneren der Verbrennungskammer
stattfindenden Ionisierung anzuzeigen. Dies wiederum zeigt das Einsetzen
des Verbrennungsvorgangs in dem Zylinder sowie dabei auftretende
Variationen an, so dass der zeitliche Verlauf und die Art der in
dem Zylinder stattfindenden Verbrennung durch einen erfahrenen Bediener
oder durch eine Steuereinrichtung abgelesen werden kann, und zwar
zum Zweck der Steuerung der Betriebsvariablen für den Brennstoff-Leistungsgrad
des Motors.
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In 4,
auf welche nun Bezug genommen wird, wird eine alternative Ausführungsform
eines allgemein mit der Ziffer 60 bezeichneten Keramik-Glühsensors
gezeigt. Der Glühsensor 60 ist
aus im wesentlichen ähnlichen
Elementen aufgebaut wie jene, welche in Bezug auf die in 3 dargestellte,
erste Ausführungsform
beschrieben wurden. Er unterscheidet sich jedoch darin, dass das
leitende Material 40 aus Platin bzw. Palladium mit der
dritten Leitung 56 durch einen leitenden Streifen 62 aus
Platin bzw. Palladium verbunden ist, welcher an der Aussenseite des
Keramikstabs 16 aufgebracht ist und sich von dem leitenden
Material 40 an der Glühspitze 38 bis zu
dem äusseren
Ende 34 des Keramikstabs hin erstreckt. Der Leiter 62 ist
gegen das Gehäuse 12 hin durch
eine isolierende Keramikhülse 64 isoliert,
welche jener ähnlich
ist, die in der zuvor be schriebenen Ausführungsform verwendet wurde.
Die Bauweise ist insofern ähnlich,
als die Einheit bestehend aus Keramikstab, Hülse und Gehäuse im Ofen miteinander hartverlötet werden
kann oder in jeder beliebigen anderen Weise, wie beispielsweise
durch hochtemperaturbeständigen
Kleber, zusammengehalten werden kann.
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Ein
zusätzlicher
Unterschied in der Bauweise besteht darin, dass der zweite Leiter
bzw. Erdungsleiter 66 sich von dem Heizelement 42 in
der Keramik-Glühspitze
durch den Keramikstab hindurch nach aussen zu dessen äusserem
Ende 34 hin erstreckt, wo dieser zweite Leiter mit einer
zweiten Leitung 68 verbunden ist, die mit einem Anschluss 70 verbunden
ist, welcher zur Verbindung nach aussen zu einer Erdungsquelle in
dem elektrischen System dient. Da die anderen Aspekte des Aufbaus
des Glühsensors 60 jenem
der zuvor beschriebenen Ausführungsform ähnlich sind,
werden gleiche Ziffern für gleiche
Teile verwendet und wird eine weitere Beschreibung als nicht nötig erachtet.
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In 5,
auf welche nun Bezug genommen wird, wird eine zweite, alternative
Ausführungsform eines
erfindungsgemäss
ausgebildeten und allgemein mit der Ziffer 72 bezeichneten
Keramik-Glühsensors
gezeigt. Diese Ausführungsform ähnelt sehr stark
der beschriebenen Ausführungsform
aus 4, so dass gleiche Ziffern für gleiche Teile verwendet werden.
Diese dritte Ausführungsform
unterscheidet sich insofern als, in ähnlicher Weise wie bei der
ersten Ausführungsform,
ein zweiter Leiter 74 sich von dem Heizelement 42 durch
den Keramikstab 16 hindurch bis zu einem an einer Seite
des Keramikstabs gelegenen Endpunkt 76 im Inneren der Keramikhülse und
des sie aussen umgebenden Gehäuses 12 erstreckt.
Eine in dem Gehäuse
vorgesehene Öffnung
ist mit elektrisch leitendem Material, wie beispielsweise einer
Metall-Hartlötung 78 gefüllt, wodurch
der zweite Leiter 74 durch die Keramikhülse 64 mit dem Metallgehäuse 12 verbunden
ist, um die erforderliche Erdungsverbindung von dem zweiten Leiter 74 des
Heizelements 42 zu dem Zylinderkopf des Motors, in welchem
die Hülse
eingebaut ist, herzustellen. Da andere Aspekte des Aufbaus der dritten Ausführungsform
aus 5 jenen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen ähnlich sind,
wird eine weitere Erörterung
als nicht nötig
erachtet.
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Der
in den Patentansprüchen
verwendete Begriff "Verbrennungskammer" soll in seinem Umfang
eine Vorkammer bzw. Vorverbrennungskammer beinhalten.