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Dokumentenidentifikation DE102006041124B4 26.06.2008
Titel Glühkerze mit eingebautem Drucksensor
Anmelder BERU AG, 71636 Ludwigsburg, DE
Erfinder Houben, Hans, 52146 Würselen, DE;
Haussner, Michael, 71726 Benningen, DE;
Pechhold, Frank, 71642 Ludwigsburg, DE;
Last, Bernd, Dr., 72762 Reutlingen, DE;
Marto, Arno, 71263 Weil der Stadt, DE
Vertreter Twelmeier Mommer & Partner Patent- und Rechtsanwälte, 75172 Pforzheim
DE-Anmeldedatum 01.09.2006
DE-Aktenzeichen 102006041124
Offenlegungstag 27.03.2008
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 26.06.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.06.2008
IPC-Hauptklasse F23Q 7/00(2006.01)A, F, I, 20060901, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01L 23/00(2006.01)A, L, I, 20060901, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Glühkerze für Dieselmotoren
- mit einem Glühkerzenkörper (8), welcher ein Außengewinde (11) hat, mit welchem die Glühkerze in eine Gewindebohrung des Dieselmotors geschraubt werden kann,
- mit einem Heizstab (1), welcher in Richtung seiner Längsachse (16) beweglich im Glühkerzenkörper (8) gelagert ist und einen Innenpol (5) hat, welcher über das hintere Ende des Heizstabes (1) hinaus in den Glühkerzenkörper (8) ragt,
- und mit einer Druckmesseinrichtung (2 bis 6), welche ein Bestandteil der Glühkerze ist und auf eine vom Druck in einer Brennkammer des Dieselmotors abhängige Verschiebung des Heizstabes (1) in Richtung seiner Längsachse (16) anspricht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Heizstab (1) mit seinem hinteren Ende an einem fest am vorderen Ende des Glühkerzenkörpers (8) angeordneten, wenigstens zu einem Teil aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Verbinder (2) befestigt ist, welcher den Innenraum des Glühkerzenkörpers (8) gegenüber der Brennkammer dicht abschließt,
- dass der Verbinder (2) in Richtung der Längsachse (16) des Heizstabes (1) gegen eine Rückstellkraft reversibel verformbar ist,
- dass die Druckmesseinrichtung (2 bis 6) eine Wegmesseinrichtung (3) enthält, die an einem Träger (4) angebracht ist, welcher von dem Verbinder (2) ausgeht,
- und dass der Träger (4) mit dem Verbinder (2) an einer vom Heizstab (1) beabstandeten Stelle fest verbunden und mit dem Glühkerzenkörper (8) allenfalls im Bereich ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht von einer Glühkerze für Dieselmotoren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus.

Eine solche Glühkerze ist aus der DE 103 43 521 A1 bekannt.

Glühkerzen mit eingebautem Drucksensor haben neben ihrer Aufgabe, das Zündverhalten eines Dieselmotors in seiner Startphase zu verbessern, die Aufgabe, den Druck im Brennraum des jeweiligen Zylinders des Dieselmotors zu messen. Der gemessene Druck kann als Eingangsgröße für eine Steuerung oder Regelung des Dieselmotors herangezogen werden, um dessen Wirkungsgrad zu optimieren und/oder den Schadstoffausstoß zu minimieren.

Es ist bekannt, den Drucksensor wegen der hohen Brennraumtemperaturen im hinteren, kühleren Bereich der Glühkerze anzuordnen. Das bedeutet, dass der Brennraumdruck oder eine physikalische Größe, die ein Maß für den Brennraumdruck ist, in den hinteren Bereich der Glühkerze übertragen werden muss. Dazu ist es aus der DE 103 43 521 A1 bekannt, den Heizstab, der bei einer klassischen Glühkerze fest und dicht in den Glühkerzenkörper gepresst ist, in Richtung seiner Längsachse beweglich zu lagern. Der auf die Querschnittsfläche des Heizstabes wirkende Brennraumdruck erzeugt eine Kraft, die vom Heizstab oder von seinem stabförmigen Innenpol oder von einem Verlängerungsrohr auf den Drucksensor übertragen wird.

Die axial bewegliche Lagerung des Heizstabes macht es erforderlich, den Ringspalt zwischen dem Heizstab und dem Glühkerzenkörper gegen das Eindringen heißer Brenngase abzudichten. Eine solche Abdichtung ist angesichts der im Brennraum herrschenden Umgebungsbedingungen nicht einfach, insbesondere dann nicht, wenn die Glühkerze mit eingebautem Drucksensor eine ähnlich große Lebensdauer erreichen soll wie eine herkömmliche Glühkerze ohne Drucksensor.

Die aus der DE 103 43 521 A1 bekannte Glühkerze hat zu diesem Zweck im vorderen Bereich des Glühkerzenkörpers einen O-Ring, welcher den Ringspalt zwischen dem Heizstab und dem Glühkerzenkörper abdichtet und entsprechend wärmebeständig sein muss. In einem hinteren, im Durchmesser reduzierten Abschnitt des Heizstabes ist eine metallische Ringmembran vorgesehen, die einerseits auf der Außenseite des Heizstabes und andererseits am Glühkerzenkörper befestigt ist und dazu dient, Wärme vom Heizstab auf den Glühkerzenkörper zu übertragen und den hinteren Abschnitt des Innenraums des Glühkerzenkörpers gasdicht gegen den Brennraum abzuschließen. Hinter der Ringmembran ist auf dem Glührohr des Heizstabes ein metallisches Kontaktrohr befestigt. Der Ringspalt zwischen dem Kontaktrohr und dem Glühkerzenkörper ist durch einen zweiten O-Ring abgedichtet. Am hinteren, anschlussseitigen Ende der Glühkerze ist schließlich der Ringspalt zwischen dem Kontaktrohr und dem Innenpol des Heizstabes durch einen dritten O-Ring abgedichtet.

Als Drucksensor offenbart die DE 103 43 521 A1 unter anderem einen piezoelektrischen Sensor mit einem ringförmigen, piezo-keramischen Element, welches zwischen Kontaktringe eingefügt und gemeinsam mit diesen zwischen dem hinteren Ende des Glühkerzenkörpers und einer auf das hintere Ende des Kontaktrohres gedrehten Spannmutter eingespannt ist. Änderungen der Vorspannung des piezokeramischen Elementes rufen an diesem eine elektrische Ladungsänderung hervor, die an den Kontaktringen gemessen werden kann. Der Brennraumdruck wird vom Heizstab über das Kontaktrohr auf die Spannmutter übertragen und verringert die Vorspannung des piezo-keramischen Elementes, so dass sich dessen Ladungszustand in Abhängigkeit vom Brennraumdruck ändert.

Weiterhin offenbart die DE 103 43 521 A1 einen Drucksensor, der einen auf einer metallischen Trägermembran aufgebrachten Dehnungsmessstreifen aufweist. Die Trägermembran ist mit dem hinteren Ende des Glühkerzenkörpers verschweißt und wird vom hinteren Ende des Kontaktrohres belastet. Der Brennraumdruck verschiebt den Heizstab und mit ihm das Kontaktrohr. Die sich daraus ergebende Verformung der Trägermembran wird vom Dehnungsmessstreifen gemessen.

Aus dem Aufsatz Hans von Houben et al.: "Drucksensor-Glühkerze (PSG) für Dieselmotoren", erschienen in MTZ 11/2004; Jahrgang 65; s. 2-7; ist eine Glühkerze bekannt, in welcher auf einer metallischen Trägermembran vier Dehnungsmessstreifen angeordnet, zu einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet und mit einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) verbunden sind, welcher die Signale der Wheatstone-Brücke weiterverarbeitet.

Bei der bekannten Glühkerze mit eingebautem Drucksensor ist nachteilig, dass ihr mechanischer Aufbau, insbesondere die Art der Halterung und Führung des Heizstabes im Glühkerzenkörper und die Abdichtung des Ringspaltes zwischen dem Heizstab und dem Glühkerzenkörper, das Druckmessergebnis verfälschen. Stauchungen des Glühkerzenkörpers bei der Montage und im Motorbetrieb auftretende Wärmedehnungen haben parasitäre Verschiebewege zwischen dem Heizstab und dem Glühkerzenkörper zur Folge, die um Größenordnungen über den vom Brennraumdruck abhängigen Messwegen liegen können und sich schwer kompensieren lassen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glühkerze mit eingebautem Drucksensor zu schaffen, welche sich durch eine höhere Messgenauigkeit auszeichnet. Gleichzeitig soll sich die Glühkerze für eine industrielle Serienfertigung eignen, einfach einzubauen sein und eine ähnlich lange Lebensdauer aufweisen wie Glühkerzen ohne Drucksensor.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Glühkerze mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Glühkerze hat einen Glühkerzenkörper mit einem Heizstab und mit einer Druckmesseinrichtung. Der Glühkerzenkörper hat ein Außengewinde, mit welchem die Glühkerze in eine Gewindebohrung eines Dieselmotors geschraubt werden kann. Der Heizstab ist in Richtung seiner Längsachse beweglich im Glühkerzenkörper gelagert und hat einen Innenpol, welcher über das hintere Ende des Heizstabes hinaus in den Glühkerzenkörper ragt. Mit seinem hinteren Ende ist der Heizstab an einem am vorderen Ende des Glühkerzenkörpers angeordneten Verbinder befestigt, welcher wenigstens zu einem Teil aus einem metallischen Werkstoff besteht und den Innenraum des Glühkerzenkörpers gegenüber der Brennkammer dicht abschließt. Der Verbinder ist in Richtung der Längsachse des Heizstabes gegen eine Rückstellkraft reversibel verformbar. Die Druckmesseinrichtung ist ein Bestandteil der Glühkerze und spricht auf eine vom Druck in einer Brennkammer des Dieselmotors abhängige Verschiebung des Heizstabes in Richtung seiner Längsachse an. Die Verschiebung des Heizstabes wird von dem Verbinder aufgenommen, welcher dadurch reversibel verformt wird. Der Weg, den der Heizstab unter der Einwirkung des Brennkammerdruckes zurücklegt, kann durch eine Wegmesseinrichtung erfasst werden, die an einem Träger angebracht ist, welcher von dem Verbinder ausgeht. Dieser Träger ist mit dem Verbinder an einer vom Heizstab fern liegenden Stelle fest verbunden und mit dem Glühkerzenkörper allenfalls im Bereich des Verbinders selbst verbunden.

Hierdurch werden wesentliche Vorteile erreicht:

  • • Das Ergebnis der Wegmessung wird durch Wärmedehnungen des Glühkerzenkörpers sowie durch die Bedingungen, unter denen die Glühkerze mit ihrem am Glühkerzenkörper vorgesehenen Schraubgewinde in den Zylinderkopf des Dieselmotors geschraubt ist, überhaupt nicht oder allenfalls in vernachlässigbarem Maße beeinflusst, weil die Wegmesseinrichtung nur noch an dem Verbinder befestigt ist, welcher seinerseits an der Spitze des Glühkerzenkörpers angebracht ist. Ein besonderes, am Glühkerzenkörper befestigtes Festwiderlager wird in der erfindungsgemäßen Glühkerze für die Wegmesseinrichtung nicht benötigt. Vielmehr übernimmt der am Verbinder befestigte Träger den Rückschluss der vom Heizstab aufgenommenen Kraft auf die Wegmesseinrichtung praktisch unter Umgehung des Glühkerzenkörpers.
  • • Der Verbinder schließt den Innenraum des Glühkerzenkörpers hermetisch gegenüber der Brennkammer ab, so dass keine Gefahr besteht, dass heiße Brenngase und Verbrennungsrückstände in den Innenraum des Glühkerzenkörpers eindringen. Metallische oder keramische O-Ringe, die im Stand der Technik zur Abdichtung des Innenraums des Glühkerzenkörpers gegenüber der Brennkammer verwendet werden, erübrigen sich dadurch.
  • • Erfindungsgemäße Glühkerzen haben dank ihres neuen Aufbaus eine längere Lebensdauer.
  • • Erfindungsgemäße Glühkerzen zeigen dank ihres neuen Aufbaus eine größere Zuverlässigkeit.
  • • Erfindungsgemäße Glühkerzen lassen sich dank ihres neuen Aufbaus preiswerter herstellen.
  • • Erfindungsgemäße Glühkerzen können wie herkömmliche Glühkerzen eingebaut werden.
  • • Ein besonderer Vorteil ergibt sich dadurch, dass aus dem Heizstab, dem Verbinder, der Wegmesseinrichtung und ihrem Träger eine als Kraft- und Wegmesseinrichtung funktionsfähige Baugruppe als Modul vorgefertigt und als Standardmodul in unterschiedlich ausgebildete Glühkerzenkörper eingebaut werden kann. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Rationalisierung und Verbilligung der Fertigung und der fertigungsbezogenen Logistik.
  • • Die aus dem Heizstab, dem Verbinder, der Wegmesseinrichtung und ihrem Träger gebildete Baugruppe ist verhältnismäßig kurz und massearm, so dass die Eigenfrequenz von insbesondere longitudinalen Schwingungen so hoch liegt, dass sich die Baugruppe gegenüber einer Anregung von Schwingungen durch die im Motor auftretenden Vibrationen steif verhält, was stabile Messsignale und eine lange Lebensdauer begünstigt.

Der Druckbereich, für welchen die in die Glühkerze integrierte Druckmesseinrichtung eingesetzt werden kann, hängt unter anderem von dem Werkstoff und der geometrischen Ausbildung des Verbinders ab, dessen reversible Verformbarkeit in Verbindung mit dem zu messenden Druck den druckabhängigen Verschiebeweg des Heizstabes bestimmt. Zweckmäßigerweise wird der Verbinder so ausgebildet, dass er unter den im Dieselmotor herrschenden Belastungen bei Drücken bis zu 200 bar gegen eine im Verbinder entstehende Rückstellkraft reversibel verformbar ist. Vorzugsweise wird der Verbinder so gestaltet, dass der Weg, welchen der Heizstab bei der druckabhängigen Verformung des Verbinders zurücklegt, bei Drücken bis zu 200 bar dem Druck proportional ist, d. h. linear vom Druck in der Brennkammer des Motors abhängt.

Der Verbinder ist vorzugsweise ein gesondertes, aber mit dem Glühkerzenkörper fest und dicht verbundenes Bauteil. Der Verbinder könnte aber auch als integraler Bestandteil des Glühkerzenkörpers an dessen vorderen Ende ausgebildet sein. In diesem Fall würde allerdings der Vorteil eines in sich geschlossenen, getrennt herstellbaren, aus dem Verbinder, der Druckmesseinrichtung und ihrem Träger sowie aus dem Heizstab bestehenden Moduls entfallen.

Der Verbinder hat vorzugsweise einen in der Flucht des Glühkerzenkörpers liegenden Abschnitt und einen diesen Abschnitt mit dem Heizstab verbindenden, näher bei der Längsachse des Heizstabes liegenden Abschnitt, welcher dünnwandiger ist als der in der Flucht des Glühkerzenkörpers liegende Abschnitt. Auf diese Weise erreicht man eine stabile und unter den gegebenen Bedingungen starre Befestigung des Verbinders am vorderen Ende des Glühkerzenkörpers und gleichzeitig in unmittelbarer Nachbarschaft der Stelle, wo der Heizstab und der Verbinder miteinander verbunden sind, die für die Erzeugung eines druckabhängiges Weges erforderliche Verformbarkeit des Verbinders. Vorzugsweise steckt das hintere Ende des Heizstabes in dem Verbinder.

Für den Verbinder gibt es zahlreiche Möglichkeiten, ihn auszubilden, je nach dem, welche Empfindlichkeit man erreichen will. Verhältnismäßig große Verschiebewege kann man erreichen, wenn der Verbinder ein metallisches Wellrohr, ein metallischer Faltenbalg oder eine metallische Rollmembran aufweist oder als eine solche ausgebildet ist. Für geringere Verschiebewege kommt man auch mit einem profilierten Ring oder mit einer ringförmigen Membran aus. Für einen profilierten Ring eignet sich besonders eine Gestalt, in welcher er im Radialschnitt ein C-Profil hat. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Verbinder als ein reversibel stauchbares Rohr auszubilden, welches einerseits mit dem vorderen Ende des Glühkerzenkörpers und andererseits mit dem hinteren Ende des Mantels des Heizstabes verbunden ist.

Als Verbindungstechnik zum Verbinden des Verbinders mit dem Glühkerzenkörper und mit dem Mantel des Heizstabes eignet sich vor allem das Schweißen, insbesondere das Laserschweißen.

Vorzugsweise ist der Verbindungskörper so ausgebildet, dass der Heizstab bei einem Druck im Brennraum zwischen 10 bar und 200 bar und bei betriebswarmem Motor eine Verschiebung um 0,05 &mgr;m/bar bis zu 0,25 &mgr;m/bar erfährt. Das sind Strecken, die mit Wegmesseinrichtungen, die unter den gegebenen Umgebungsbedingungen arbeiten können, hinreichend genau erfasst werden können.

Vorzugsweise besteht der Verbinder vollständig aus Metall. Grundsätzlich könnte es sich bei dem Verbinder aber auch um einen Verbundkörper aus Metall und Keramik handeln, insbesondere dann, wenn der Heizstab einen keramischen Mantel hat. Der Bereich des Verbinders, welcher verformbar sein soll, ist aber jedenfalls aus Metall zu bilden.

Der Träger der Wegmesseinrichtung ist vorzugsweise ein Käfig, welcher luftdurchlässig sein kann, aber nicht luftdurchlässig sein muss und durch welchen der Innenpol des Heizstabes – vorzugsweise in koaxialer Anordnung – hindurchgeführt ist. Der Käfig ist vorzugsweise metallisch ausgebildet, kann aber auch aus einer hochtemperaturbeständigen Keramik bestehen, z. B. aus Aluminiumoxid oder aus Siliziumnitrid, oder aus einem hinreichend temperaturbeständigen Kunststoff bestehen, z. B. aus einem PTFE oder aus einem mit Glasfasern verstärkten Polyamid. Zweckmäßigerweise ist der Käfig in Anpassung an die übliche Geometrie einer Glühkerze hohlzylindrisch oder im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet, wobei die Wegmesseinrichtung vorzugsweise an dem vom Verbinder entfernten Ende des Käfigs angebracht ist, welcher zu diesem Zweck vorzugsweise eine stumpfe Endfläche hat, an welcher die Wegmesseinrichtung angebracht werden kann. Wie der Träger umgibt auch die Wegmesseinrichtung den Innenpol.

Für die Ausbildung der Wegmesseinrichtung gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Eine bevorzugte Möglichkeit ist die Verwendung wenigstens einer elektrischen Spule, welche den Innenpol umgibt und welche vollständig innerhalb des Käfigs angeordnet sein sollte. Bei mehreren Spulen sollten alle Spulen vollständig innerhalb des Käfigs angeordnet sein. Als Trägerkörper hat eine solche Spule zweckmäßigerweise einen keramischen Hohlzylinder, welcher eine oder mehrere elektrische Wicklungen trägt. Ein solcher Trägerkörper hält die auftretenden Temperaturen aus. Die Wicklungen sind auf einem solchen keramischen Trägerkörper vorzugsweise dadurch gebildet, dass er Leiterbahnen aufweist, die z. B. durch elektrolytische oder chemische Metallabscheidung gebildet sind. Dadurch erreicht man einen sehr kompakten und zuverlässigen Aufbau, der insbesondere gegen die im Motor unvermeidbaren Vibrationen günstig ist.

In Kombination mit einer solchen Spule trägt zweckmäßigerweise der Innenpol einen Kern, von dessen Lage in der wenigstens einen Spule eine elektrische und/oder magnetische Kenngröße der Wegmesseinrichtung abhängt. Anstelle des Innenpols könnte auch das in den Glühkerzenkörper ragende hintere Ende des Heizstabes einen Kern tragen. Besonders geeignet ist eine Wegmesseinrichtung, welche einen Differenzial-Transformator aufweist. Aufbau und Wirkungsweise eines Differenzial-Transformators werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Schwingungen der Spule und des Innenpoles gegeneinander können durch den Kern gedämpft werden, welcher die Wegmesseinrichtung aussteift. Schwingungen zwischen dem Innenpol und dem Glühkerzenkörper können im Bereich zwischen dem Käfig und dem hinteren Ende des Glühkerzenkörpers durch ein zwischen dem Innenpol und dem Glühkerzenkörper angeordnetes ringförmiges oder hülsenförmiges Dämpfungselement gedämpft werden, welches z. B. aus einem Elastomer oder aus einem plastisch verformbaren Drahtgeflecht besteht.

Wird die Wegmesseinrichtung statt mittels einer Spule und einem darin verschiebbaren Kern mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen erfasst, welche auf einer den Innenpol ringförmig umgebenden Membran angeordnet sind, dann ist ein sehr kurzer, auf den Bereich des Verbinders beschränkter Aufbau der Messeinrichtung möglich, der durch seine Kürze besonders steif ist und Eigenfrequenzen hat, die so hoch liegen, dass sie durch die im Motor auftretenden Vibrationen nur noch mit vernachlässigbarer Amplitude angeregt werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Glühkerze teilweise in einer Seitenansicht und teilweise in einem Längsschnitt,

2 zeigt im größeren Maßstab ein Detail aus 1,

3 zeigt schematisch und teilweise im Längsschnitt eine in der Druckmesseinrichtung der Glühkerze verwendete Wegmesseinrichtung,

4 zeigt das Schaltbild der Wegmesseinrichtung aus 3 zusammen mit den auftretenden Spannungen und

5 zeigt das Schaltbild aus 4 in einer anderen Stellung des Innenpoles der Glühkerze, ebenfalls zusammen mit den auftretenden Spannungen.

Die Glühkerze enthält einen Heizstab 1, welcher mittels eines Verbinders 2 an jenem Ende eines Glühkerzenkörpers 8 befestigt ist, welches bei bestimmungsgemäßem Einbau der Glühkerze in einen Dieselmotor dessen Brennkammer zugewandt ist. Für den Einbau in den Dieselmotor ist die Glühkerze wie üblich mit einem Außengewinde 11 versehen. Am hinteren Ende des Glühkerzenkörpers 8 ist ein Gehäuse 9 vorgesehen, welches eine elektronische Schaltung aufnimmt. Der Glühkerzenkörper 8 endet an einem Außensechskant 12, welcher an das Gehäuse 9 anschließt. Aus dem Außensechskant 12 treten elektrische Zuleitungen aus, welche in einem Steckmodul 13 zusammengefasst sind, auf welchen ein angepasster Stecker gesteckt werden kann.

Der Heizstab 1 hat einen vorderen Abschnitt 1a, welcher eine Heizwendel beherbergt, und einen hinteren Abschnitt 1b, in welchem ein stabförmiger Innenpol 5 verläuft, welcher gegenüber dem Mantel 14 des Heizstabes durch einen Isolator 15 isoliert ist, welcher z. B. aus Magnesiumoxid oder Aluminiumoxid bestehen kann. Der Innenpol 5 ist ein elektrischer Leiter, welcher die Heizwendel im vorderen Abschnitt 1a des Heizstabes 1 mit Strom versorgt. Die Masseverbindung der Heizwendel erfolgt über den Mantel 14, welcher aus Metall, z. B. aus Inconel 600, oder aus einer hinreichend leitfähigen Keramik bestehen kann, und über den Glühkerzenkörper 8. Der vordere Abschnitt 1a des Heizstabes 1 ist dünner als der hintere Abschnitt 1b, was ein schnelles Aufheizen des vorderen Abschnitts 1a des Heizstabes 1 begünstigt. Ein keramischer Kleber oder eine keramische Vergussmasse 17 schließt den Ringspalt zwischen dem Mantel 14 und dem Innenpol 5 am hinteren Ende des Heizstabes 1 ab.

Der Verbinder 2 besteht aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus demselben Werkstoff, aus welchem auch der Glühkerzenkörper 8 besteht, z. B. aus Inconel 600 oder aus einer anderen hoch wärmbebeständigen Legierung. Der Verbinder 2 hat einen hohlzylindrischen Abschnitt 2a, dessen Außendurchmesser mit dem Außendurchmesser des vorderen Endes des Glühkerzenkörpers 8 übereinstimmt. Dieser hohlzylindrische Abschnitt 2a hat einen hohlzylindrischen Fortsatz 2b, dessen Außendurchmesser mit dem Innendurchmesser des vorderen Endes des Glühkerzenkörpers 8 übereinstimmt.

Der Verbinder 2 ist mit dem vorderen Ende des Glühkerzenkörpers 8 verschweißt, z. B. durch Laserschweißen. Der Verbinder 2 hat an seinen hohlzylindrischen Abschnitt 2a nach vorne anschließend einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 2c, von welchem eine ringförmige Membran 2d ausgeht, die ein integraler Bestandteil des Verbinders 2 ist. Die Membran 2d hat einen zylindrischen Abschnitt 2e, welcher auf der Außenseite des Mantels 14 des Heizstabes 1 liegt und mit diesem dicht verschweißt ist. Der zylindrische Abschnitt 2e der Membran 2d ist durch einen sich radial erstreckenden Abschnitt 2f der Membran 2d mit dem sich konisch verjüngenden Abschnitt 2c des Verbinders 2 verbunden.

Dadurch, dass der Verbinder 2 einerseits mit dem vorderen Ende des Glühkerzenkörpers 8 und andererseits mit dem Mantel 14 des Heizstabes 1 dicht verschweißt ist, schließt er den Innenraum des Glühkerzenkörpers 8 an dessen der Brennkammer zugewandten Ende hermetisch ab. Zugleich stellt die Membran 2d eine nachgiebige Halterung des Heizstabes 1 im Glühkerzenkörper 8 dar. Die Folge davon ist, dass der in einer Brennkammer des Dieselmotors auftretende wechselnde Druck den Heizstab 1 in Richtung von dessen Längsachse 16 gegen eine im Verbinder 2 und insbesondere in dessen Membran 2d entstehende elastische Rückstellkraft verlagern kann, wobei das Ausmaß der Verlagerung eine bekannte Abhängigkeit vom Druck in der Brennkammer hat. Zweckmäßigerweise sind die Abmessungen und die Gestalt der Membran 2d so gewählt, dass bei den in der Brennkammer des Dieselmotors auftretenden Drücken und Temperaturen der Zusammenhang zwischen der Strecke, um welche der Heizstab 1 verlagert wird, und dem Druck in der Brennkammer linear oder linearisierbar ist. Vorzugsweise ist die Empfindlichkeit der Membran 2d so gewählt, dass bei betriebswarmem Dieselmotor die druckabhängige Verlagerung des Heizstabes 1 zwischen 0,05 &mgr;m/bar und 0,25 &mgr;m/bar beträgt. Eine so gewählte Empfindlichkeit ist gut geeignet, um den Brennkammerdruck mittels einer Wegmessung zu bestimmen.

Zu diesem Zweck ist in dem an den Heizstab 1 anschließenden Raum im Glühkerzenkörper 8 eine Wegmesseinrichtung vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um eine oder mehrere elektrische Spulen 3 in Kombination mit einem darin verschiebbaren Kern 6, welche in einem zylindrischen Träger als 4 angeordnet sind, welcher an dem hohlzylindrischen Fortsatz 2b des Verbinders 2 befestigt ist. Vorzugsweise ist der Käfig 4 mit dem hohlzylindrischen Fortsatz 2b des Verbinders 2 verschweißt, und zwar mit dessen Innenseite, so dass der Käfig 4 einen durch die Wandstärke des zylindrischen Fortsatzes 2b bestimmten Abstand von der inneren Oberfläche des Glühkerzenkörpers 8 einhält.

Um den im Glühkerzenkörper 8 auftretenden Temperaturen gewachsen zu sein, hat die Spule 3 als Träger für eine oder mehrere Wicklungen vorzugsweise eine keramische zylindrische Hülse 18, insbesondere aus Aluminiumoxid, welche zur Bildung der einen oder mehreren Wicklungen mit elektrischen Leiterbahnen beschichtet ist. Die keramische Hülse 18 der Spule 3 ist an dem dem Heizstab 1 abgewandten Ende des Käfigs 4 befestigt. Aus dem Käfig 4 führt wenigstens eine elektrische Anschlussleitung 7 gegenüber dem Käfig 4 isoliert heraus und verbindet die wenigstens eine Spule 3 mit der im Gehäuse 9 vorgesehenen elektronischen Schaltung. Ein Masseanschluss der wenigstens einen Spule 3 kann über die Verbindung der Spule 3 mit dem Käfig 4 erfolgen, welcher seinerseits über den Verbinder 2 elektrisch leitend mit dem auf Massepotential liegenden Glühkerzenkörper 8 verbunden ist.

Der Innenpol 5 ist koaxial durch die keramische Hülse 18 hindurchgeführt und erstreckt sich weiter durch das Gehäuse 9 hindurch bis in den Steckmodul 13 hinein. Auf dem Innenpol 5 ist eine metallische Hülse befestigt, welche den der wenigstens einen Spule 3 zugeordneten Kern 6 darstellt. Der Kern 6 ist mit dem Innenpol 5 z. B. verschweißt oder hart verlötet. Er besteht aus einem metallischen Werkstoff, mit welchem die Wicklung(en) der Spule 3 in eine elektromagnetische Wechselwirkung treten kann. Zu diesem Zweck kann der Kern 6 aus Kupfer, aus einem paramagnetischen Werkstoff oder aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehen. Damit sich ein für eine Wegmessung nutzbares Signal ergibt, hat der Kern 6 eine deutlich andere elektrische Leitfähigkeit oder magnetische Permeabilität als der Innenpol 5.

Die Spule 3 und der Kern 6 bilden zusammen eine Wegmesseinrichtung. Zu diesem Zweck ist die Wegmesseinrichtung vorzugsweise als Differenzial-Transformator aufgebaut. In dem Differenzial-Transformator, der in 3 dargestellt ist, hat die Spule 3 drei Wicklungen 20, 21 und 22, welche geometrisch hintereinander angeordnet sind, nämlich eine Primärwicklung 20 und zwei Sekundärwicklungen 21 und 22, wobei die Primärwicklung 20 zwischen den beiden Sekundärwicklungen 21 und 22 liegt. Die Primärwicklung 20 wird mit einer Wechselspannung erregt, welche über den Kern 6 Wechselspannungen in die beiden Sekundärwicklungen 21 und 22 induziert, deren Höhe von der Position des Kerns 6 im Differenzial-Transformator abhängt. Befindet sich der Kern 6 bei stehendem Motor (kein Überdruck in der Brennkammer) in der Mitte der Primärwicklung 20 (siehe 4), dann wird, wenn die beiden Sekundärwicklungen 21 und 22 gleich aufgebaut und – wie in 4 dargestellt – gegegensinnig miteinander verbunden sind, in dieser Ausgangslage in beide Sekundärwicklungen 21 und 22 die gleiche Spannung induziert, jedoch mit entgegengesetzten Vorzeichen, so dass sich die induzierten Spannungen zu Null addieren. Ändert sich jedoch bei laufendem Motor in der Brennkammer der Druck, dann wird der Kern 6 zusammen mit dem Innenpol 5 des Heizstabes 1 abhängig von der Änderung des Drucks verschoben, wodurch sich abhängig vom Verschiebeweg des Kerns 6 die Spannung in der einen Sekundärwicklung 21 erhöht und in der anderen Sekundärwicklung 22 erniedrigt, siehe 5. Die Differenz der beiden induzierten Spannungen ist in diesem Fall von Null verschieden, sie ist ein Maß für den Druck in der Brennkammer und hängt im Idealfall linear vom Druck in der Brennkammer ab.

Der Kern 6 eignet sich darüber hinaus, mechanische Schwingungen der Spule 3 zu dämpfen. Eine elektrische Isolierung zwischen dem Kern 6 und den Wicklungen der Spule 3 kann durch die keramische Hülse 18 erfolgen, wenn diese ihre Wicklungen auf der Außenseite der Hülse 18 trägt. Ein weiteres Dämpfungselement 10, welches geeignet ist, Schwingungen des Innenpoles 5 zu dämpfen, kann mit Vorteil im Bereich zwischen dem Käfig 4 und dem Gehäuse 9 angeordnet sein, und zwar zwischen dem Innenpol 5 und der ihn umgebenden Wand des Glühkerzenkörpers 8. Bei dem Dämpfungselement 10 handelt es sich vorzugsweise um einen gegen einen Widerstand nachgebenden Ring, z. B. aus einem elastomeren Material oder aus einem verformbaren Metallgeflecht, welches gegenüber dem Innenpol 5 und/oder gegenüber dem Glühkerzenkörper 8 isoliert ist.

Der Kern 6 muss nicht unbedingt in der Spule 3 angeordnet sein, sondern kann auch im Bereich zwischen der Spule 3 und dem Heizstab 1 angeordnet sein. Das erleichtert und vereinfacht den Aufbau und den Zusammenbau der Wegmesseinrichtung. Auch wenn der Kern 6 außerhalb der Spule 3 liegt, ist er in der Lage, die Spule 3 in Abhängigkeit von seiner Lage induktiv zu beeinflussen, insbesondere wenn der Kern 6 ein Dauermagnet ist.

Die Wegmesseinrichtung muss nicht unbedingt als Kombination einer Spule 3 mit einem in der Spule 3 verschieblichen Kern 6 ausgebildet sein. Die druckabhängige Verschiebung des Heizstabes 1 kann z. B. auch mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen bestimmt werden, z. B. mit einer Membran, auf welcher sich eine mit Dehnungsmessstreifen gebildete Brückenschaltung befindet. Eine solche Membran könnte z. B. auf der Endfläche eines Käfigs 4 angebracht sein, welcher in diesem Fall wesentlich kürzer sein könnte als der in den 1 und 2 dargestellte Käfig 4. Die Membran könnte mit dem Innenpol 5 verbunden sein, so dass dieser die Membran bei einer druckabhängigen Verschiebung des Heizstabes 1 verschieben würde. Eine solche Membran könnte aber auch direkt vom hinteren Ende des Heizstabes 1 beaufschlagt werden. Der Innenpol 5 würde in diesem Fall für die Kraftübertragung auf die Membran nicht benötigt. Der Kraftrückschluss würde auch in dieser Variante über den Käfig 4 erfolgen und von diesem in den Verbinder 2 zurückgeführt, so dass Wärmedehnungen des Glühkerzenkörpers 8 die Wegmessung und damit die Messung des Drucks im Brennraum nicht verfälschen können.

Die im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 verwendete Spule 3 kommt ohne einen Kraftrückschluss aus und auch in diesem Fall ist das Ergebnis der Wegmessung und damit das Ergebnis der Messung des Drucks in der Brennkammer unabhängig von Wärmedehnungen des Glühkerzenkörpers 8, weil die Spule 3 als „Festlager" der Wegmesseinrichtung keine direkte Verbindung mit dem Glühkerzenkörper 8 hat.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass der Heizstab 1, der Innenpol 5, die Wegmesseinrichtung aus der Spule 3 und dem Kern 6, der Käfig 4 und der Verbinder 2 eine in sich geschlossene Kraft-/Wegmesseinrichtung bilden, welche als Modul vorgefertigt und in den Glühkerzenkörper 8 eingesetzt und fest mit ihm verbunden werden kann. Die Ausführungsform des Glühkerzenkörpers 8 hängt im allgemeinen von den Einbaubedingungen im Dieselmotor ab, für welchen die Glühkerze bestimmt ist. Durch gesonderte Fertigung des aus dem Heizstab 1, dem Innenpol 5, der Wegmesseinrichtung aus der Spule 3 und dem Kern 6 dem Käfig 4 und dem Verbinder 2 gebildeten Moduls, der unverändert in unterschiedlich ausgebildete Glühkerzenkörper 8 passt, kann die Herstellung erfindungsgemäßer Glühkerzen rationalisiert und deutlich verbilligt werden.

Die Signale der Wegmesseinrichtung aus der Spule 3 und dem Kern 6 werden über Anschlussleitungen 7 zu der elektronischen Schaltung im Gehäuse 9 geführt. In der elektronischen Schaltung im Gehäuse 9 kann bereits eine Auswertung der erhaltenen Signale erfolgen. Die Signale müssen aber nicht in der Glühkerze ausgewertet werden, sondern können stattdessen direkt an ein Motorsteuergerät übermittelt werden.

1
Heizstab
1a
vorderer Abschnitt
1b
hinterer Abschnitt
2
Verbinder
2a
hohlzylindrischer Abschnitt
2b
hohlzylindrischer Fortsatz
2c
sich verjüngender Abschnitt
2d
ringförmige Membran
2e
zylindrischer Abschnitt
2f
sich radial erstreckender Abschnitt
3
Spule
4
Träger/Käfig
5
Innenpol
6
Kern
7
Anschlussleitungen
8
Glühkerzenkörper
9
Gehäuse
10
Dämpfungselement/-einrichtung
11
Außengewinde
12
Außensechskant
13
Steckmodul
14
Mantel
15
Isolator
16
Längsachse
17
Vergussmasse
18
Hülse/keramischer Trägerkörper
20
Primärwicklung
21
Sekundärwicklung
22
Sekundärwicklung


Anspruch[de]
Glühkerze für Dieselmotoren

– mit einem Glühkerzenkörper (8), welcher ein Außengewinde (11) hat, mit welchem die Glühkerze in eine Gewindebohrung des Dieselmotors schraubbar ist, so dass ein vorderes Ende des Glühkerzenkörpers (8) der Brennkammer des Dieselmotors zugewandt ist,

– mit einem Heizstab (1), welcher in Richtung seiner Längsachse (16) beweglich im Glühkerzenkörper (8) gelagert ist und einen Innenpol (5) hat, welcher über das hintere Ende des Heizstabes (1) hinaus in den Glühkerzenkörper (8) ragt,

– und mit einer Druckmesseinrichtung welche ein Bestandteil der Glühkerze ist und auf eine vom Druck in einer Brennkammer des Dieselmotors abhängige Verschiebung des Heizstabes (1) in Richtung seiner Längsachse (16) anspricht,

dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (1) mit seinem hinteren Ende an einem fest am vorderen Ende des Glühkerzenkörpers (8) angeordneten, wenigstens zu einem Teil aus einem metallischen Werkstoff bestehenden Verbinder (2) befestigt ist, welcher den Innenraum des Glühkerzenkörpers (8) gegenüber der Brennkammer dicht abschließt,

– dass der Verbinder (2) in Richtung der Längsachse (16) des Heizstabes (1) gegen eine Rückstellkraft reversibel verformbar ist,

– dass die Druckmesseinrichtung Wegmesseinrichtung enthält, die an einem Träger (4) angebracht ist, welcher von dem Verbinder (2) ausgeht,

– und dass der Träger (4) mit dem Verbinder (2) an einer vom Heizstab (1) beabstandeten Stelle fest verbunden und mit dem Glühkerzenkörper (8) nicht oder nur im Bereich des Verbinders (2) verbunden ist.
Glühkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstab (1) mit seinem hinteren Ende in dem Verbinder (2) steckt. Glühkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (2) bei Belastung mit einem Druck in der Brennkammer eines Dieselmotors bis zu 200 bar gegen eine Rückstellkraft reversibel verformbar ist. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, in welcher der Verbinder (2) so ausgebildet ist, dass die in ihm erzeugte Rückstellkraft bei Drücken bis 200 bar dem Druck proportional ist. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (2) ein gesondertes, aber mit dem Glühkerzenkörper (8) fest und dicht verbundenes Bauteil ist. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (2) einen in der Flucht des Glühkerzenkörpers (8) liegenden Abschnitt (2a) und einen diesen Abschnitt (2a) mit dem Heizstab (1) verbindenden, näher bei der Längsachse (16) des Heizstabes (1) liegenden Abschnitt (2d) hat, welcher dünnwandiger als der in der Flucht des Glühkerzenkörpers (8) liegende Abschnitt (2a) ist. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (2) ein Wellrohr, einen Faltenbalg, eine Rollmembran, einen Ring oder eine ringförmige Membran (2d) aufweist. Glühkerze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (2) ein Wellrohr, ein Faltenbalg, eine Rollmembran, ein Ring oder eine ringförmige Membran (2d) ist. Glühkerze nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring ein C-Profil hat. Glühkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (2) ein reversibel stauchbares Rohr ist. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (2) so ausgebildet ist, dass bei einem Druck im Brennraum zwischen 10 bar und 150 bar und bei betriebswarmem Motor der Heizstab (1) eine Verschiebung um 0,05 &mgr;m/bar bis zu 0,25 &mgr;m/bar erfährt. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbinder (2) vollständig aus Metall besteht. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) der Wegmesseinrichtung ein Käfig ist, durch welchen der Innenpol (5) des Heizstabes (1) hindurchgeführt ist. Glühkerze nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig luftdurchlässig ist. Glühkerze nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist. Glühkerze nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegmesseinrichtung an dem vom Verbinder (2) entfernten Ende des Käfigs angebracht ist. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (4) den Innenpol (5) umgibt. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegmesseinrichtung den Innenpol (5) umgibt. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegmesseinrichtung wenigstens eine elektrische Spule (3) aufweist, welche den Innenpol (5) umgibt. Glühkerze nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Spule (3) vollständig innerhalb des Käfigs ungeordnet ist. Glühkerze nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Spule (3) einen hohlzylindrischen keramischen Trägerkörper (18) hat, welcher eine oder mehrere elektrische Wicklungen (20, 21, 22) trägt. Glühkerze nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Trägerkörper (18) zur Bildung der einen oder mehreren Wicklungen (20, 21, 22) mit elektrisch leitenden Bahnen beschichtet ist. Glühkerze nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenpol (5) einen Kern (6) trägt, von dessen Lage in der wenigstens einen Spule (3) eine elektrische und/oder magnetische Kenngröße der Wegmesseinrichtung abhängt. Glühkerze nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegmesseinrichtung einen Differentialtransformator aufweist. Glühkerze nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenpol (5) durch eine zwischen ihm und dem Glühkerzenkörper (8) angeordnete Dämpfungseinrichtung (10) gegen mechanische Schwingungen gedämpft ist.






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