[0001] Die Erfindung betrifft eine Glühstiftkerze für den Einbau in eine Brennkraftmaschine
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. In die Glühstiftkerze ist ein
Drucksensor zur Erfassung des Brennraumdrucks integriert.
Stand der Technik
[0002] Aus der Patentschrift
DE 196 80 912 C2 ist eine in eine Glühkerze integrierte Vorrichtung zum Detektieren des Zylinderdrucks
eines Dieselmotors bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Heizabschnitt, welcher dem
Innenraum eines Zylinders eines Dieselmotors zugewandt und durch den Zylinderdruck
beaufschlagbar ist. Über den Heizabschnitt wird der Zylinderdruck auf einen am Heizabschnitt
anliegenden Drucksensor übertragen, der wiederum an einem Fixierglied der Vorrichtung
abgestützt ist. Zum Aufnehmen eines Ausgangssignals ist der Drucksensor an einen Leitungsdraht
angeschlossen, welcher zumindest in einem Abschnitt ferner als Stromzuführ-Terminal
für die Glühkerze verwendbar ist. Sobald der Glühkerze Energie zuzuführen ist, wird
das Stromzuführ-Terminal mit einer Stromquelle verbunden. In den Fällen, in denen
das Stromzuführ-Terminal von der Stromquelle getrennt ist, kann dieses zum Abnehmen
eines Ausgangssignals des Drucksensors eingesetzt werden.
[0003] Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung
die Aufgabe zugrunde, die Konfiguration einer Glühstiftkerze mit integriertem Drucksensor
derart zu verbessern, dass der Brennraumdruck sicher und mit noch höherer Genauigkeit
erfasst wird.
[0004] Zur Lösung der Aufgabe wird eine Glühstiftkerze mit den Merkmalen des Anspruchs 1
vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Offenbarung der Erfindung
[0005] Die vorgeschlagene Glühstiftkerze für den Einbau in eine Brennkraftmaschine umfasst
ein Heizelement, das einen in einem hohlzylinderförmigen Gehäuseteil aufgenommenen
ersten Endabschnitt sowie einen mit Brennraumdruck beaufschlagbaren zweiten Endabschnitt
besitzt und als Druckübertragungsglied einsetzbar ist. Ferner umfasst die Glühstiftkerze
einen im hohlzylinderförmigen Gehäuseteil aufgenommenen und wenigstens ein Sensorelement
aus einem piezoelektrischen Material umfassenden Drucksensor zur Erfassung des Brennraumdrucks.
Der Drucksensor ist dabei an eine zentrale Stromzuführeinrichtung für das Heizelement
angeschlossen, so dass über die zentrale Stromzuführeinrichtung ein Messsignal des
Drucksensors erfassbar ist. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Heizelement und dem Drucksensor
eine Sperrdiode in der Weise angeordnet, dass ein Abfluss einer vom Drucksensor ausgegebenen
Messspannung über das Heizelement verhindert wird. An der Stromzuführeinrichtung liegt
somit das vollständige Messsignal an, welches eine sichere und zudem genaue Erfassung
des Brennraumdrucks ermöglicht.
[0006] Ohne die zwischen dem Heizelement und dem Drucksensor angeordnete Sperrdiode würde
das Heizelement den Drucksensor kurzschließen. Die Folge wäre ein Messsignal, das
zu klein für eine sichere und genaue Auswertung wäre. Um dies zu verhindern ist die
Sperrdiode bevorzugt zwischen einer Kontaktierung des Drucksensors und dem Heizelement
angeordnet. Weiterhin bevorzugt ist die Polarisierung des wenigstens einen Sensorelementes
aus piezoelektrischem Material derart gewählt, dass der Brennraumdruck ein negatives
Spannungssignal erzeugt.
[0007] Die vorgeschlagene Verschaltung von Heizelement und Drucksensor weist den Vorteil
auf, dass der elektrische Anschluss der Komponenten vereinfacht wird. Denn für den
jeweiligen elektrischen Anschluss sowohl des Heizelementes als auch des Drucksensors
bedarf es lediglich einer stromführenden Leitung bzw. eines stromführenden Leiters.
Eine weitere Vereinfachung kann dadurch bewirkt werden, dass zur Herstellung der elektrischen
Anschlüsse die jeweiligen Kontakte einfach auf die stromführende Leitung bzw. auf
den stromführenden Leiter aufgelegt werden.
[0008] Die Funktion des Heizelementes als Druckübertragungsglied impliziert, dass das Heizelement
unmittelbar oder mittelbar am Drucksensor abgestützt ist. Über das Heizelement ist
der Drucksensor demnach unmittelbar oder mittelbar mit einer Druckkraft beaufschlagbar,
die proportional zum Druck im Brennraum ist. Die den Drucksensor beaufschlagende Druckkraft
bewirkt eine elastische Verformung des wenigstens einen piezoelektrischen Sensorelements,
wodurch eine elektrische Spannung erzeugt wird, die wiederum proportional zur Druckkraft
ist. Das Spannungssignal kann dann zur Erfassung des Druckverlaufs hinsichtlich Extremwerte
und Wendepunkte ausgewertet werden.
[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die zentrale Stromzuführeinrichtung
eine zumindest teilweise im hohlzylinderförmigen Gehäuseteil aufgenommene stabförmige
Elektrode, welche vorzugsweise über einen Schraub- oder Steckkontakt mit einer externen
Stromquelle und/oder einer Steuereinheit zur Auswertung des Spannungssignals verbindbar
ist. Die stabförmige Elektrode weist den Vorteil auf, dass sie deutlich robuster als
beispielsweise ein Leitungsdraht ist. Alternativ kann die zentrale Stromzuführeinrichtung
jedoch auch anderer Ausgestaltung sein. Auch in diesem Fall ist die zentrale Stromzuführeinheit
bevorzugt mit einer externen Stromquelle und/oder einer Steuereinheit zur Auswertung
des Spannungs- bzw. Messsignals des Drucksensors verbindbar.
[0010] Weiterhin bevorzugt besitzt der Drucksensor eine Ausnehmung, durch welche die zentrale
Stromzuführeinrichtung hindurch geführt ist. Eine gezielte Kontaktierung des Drucksensors
erfolgt dabei vorzugsweise im Bereich der Ausnehmung. Das heißt, dass der Drucksensor
bevorzugt ringförmig ausgebildet ist und einen Abschnitt der Stromzuführeinrichtung
umgibt. Bei diesem Abschnitt handelt es sich vorzugsweise um einen Abschnitt einer
stabförmigen Elektrode, welche durch die Ausnehmung des Drucksensors hindurch geführt
ist. Die Kontaktierung kann dann im Bereich sich gegenüberliegender Innen- bzw. Außenumfangsflächen
am ringförmigen Drucksensor und der stabförmigen Elektrode erfolgen.
[0011] Vorteilhafterweise ist der Drucksensor in axialer Richtung unmittelbar oder mittelbar
am Gehäuseteil abgestützt. Hierzu kann beispielsweise der Drucksensor mit einer Stirnfläche
an einem radialen Absatz des Gehäuseteils anliegen. Das Gehäuseteil dient dann als
Widerlager während der Drucksensor über das Heizelement von einer Druckkraft beaufschlagt
wird.
[0012] Weiterhin bevorzugt ist der Drucksensor zur Herstellung einer Masseverbindung über
wenigstens eine Stirnfläche oder über eine auf der Stirnfläche ausgebildete Elektrode
unmittelbar oder mittelbar mit dem Gehäuseteil elektrisch leitend verbunden. Die Stirnfläche
ist vorzugsweise eine Stirnfläche des piezoelektrischen Sensorelementes. Auf diese
Weise wird bereits durch Auflegen des Drucksensors bzw. des Sensorelementes auf das
Gehäuseteil eine Masseverbindung hergestellt. Das Gehäuseteil dient dabei als Massepotenzial.
Eine gezielte Kontaktierung und/oder Anbindung an eine Leitung ist nicht erforderlich.
Somit ist eine Leitungsführung durch die Glühstiftkerze entbehrlich. Zudem entfällt
eine aufwendige elektrische Isolation der Stirnfläche des Sensorelementes gegenüber
dem Gehäuseteil. Sofern die andere Stirnfläche des Sensorelementes ebenfalls am Gehäuseteil
anliegt, ist hier jedoch eine elektrische Isolation vorzusehen. Eine auf einer Stirnfläche
des Sensorelementes ausgebildete Elektrode kann beispielsweise in Form einer Beschichtung
ausgebildet sein.
[0013] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Drucksensor wenigstens zwei Sensorelemente.
Diese sind vorzugsweise derart aneinandergesetzt, dass sich Stirnflächen gleicher
Polarisierung gegenüber liegen. Durch den Einsatz wenigstens zweier Sensorelemente
kann die Empfindlichkeit des Drucksensors erhöht werden. Mit den Stirnflächen gleicher
Polarisierung können die Sensorelemente direkt aufeinanderliegen, so dass eine gemeinsame
Mittelelektrode ausgebildet wird. Das hat den Vorteil, dass eine elektrische Isolation
zwischen beiden Sensorelementen entfallen kann. Das zweite Sensorelement ist vorzugsweise
entsprechend dem ersten Sensorelement ausgebildet und weist eine dem Gehäuseteil zugewandte
Stirnfläche bzw. eine hierauf ausgebildete Elektrode zur Herstellung einer Masseverbindung
auf. Dies ermöglicht eine beidseitige Masseverbindung des zwei Sensorelemente umfassenden
Drucksensors, welche eine aufwendige elektrische Isolation der Sensorelemente gegenüber
der Umgebung entbehrlich macht.
[0014] Alternativ oder ergänzend kann ein Sensorelement mehrschichtig aufgebaut sein und
wenigstens eine erste und eine zweite Schicht umfassen. Vorzugsweise sind die erste
und die zweite Schicht entgegengesetzt polarisiert. Das heißt, dass sich im Kontaktbereich
beider Schichten Kontaktflächen gleicher Polarisierung gegenüber liegen. Die mehrschichtige
Ausbildung vereinfacht die Herstellung des Drucksensors, da es keiner Verbindung der
einzelnen Sensorelemente bedarf. Zudem entfällt eine elektrische Isolation zwischen
den Sensorelementen vollständig.
[0015] Die gezielte Kontaktierung des Drucksensors erfolgt - in Abhängigkeit von der konkreten
Ausbildung des Drucksensors - vorteilhafterweise im Kontaktbereich zweier Sensorelemente
oder im Kontaktbereich zweier Schichten. Dadurch kann die Kontaktierung weiter vereinfacht
werden.
[0016] Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass der Drucksensor im Bereich einer Außenumfangsfläche
gegenüber dem Gehäuseteil elektrisch isoliert ist, um einem Kurzschluss entgegen zu
wirken.
[0017] Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Diese zeigen:
- Fig. 1
- einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Glühstiftkerze,
- Fig. 2
- einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1 im Bereich des Drucksensors,
- Fig. 3
- einen Schnitt durch einen ersten Drucksensor,
- Fig. 4
- einen Schnitt durch einen zweiten Drucksensor,
- Fig. 5
- einen Schnitt durch einen dritten Drucksensor,
- Fig. 6
- einen Schnitt durch einen vierten Drucksensor,
- Fig. 7
- eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze und
- Fig. 8
- ein Verschaltungsdiagramm der wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Glühstiftkerze.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
[0018] Die in der Fig. 1 dargestellte Glühstiftkerze umfasst ein Gehäuseteil 2, in welchem
ein erster Endabschnitt 1.1 eines Heizelementes 1 aufgenommen ist. Ein zweiter Endabschnitt
1.2 des Heizelementes 1 ist im eingebauten Zustand dem Brennraumdruck ausgesetzt.
Das Heizelement 1 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel eine von einer Dichthülse
14 umgebene Glühwendel 15, welche mittelbar über eine Aufnahme 16 an einer stabförmigen
Elektrode 8 einer Stromzuführeinrichtung 7 abgestützt ist. Die Stromzuführeinrichtung
7 umfasst ferner einen Steckkontakt 17, über welchen die stabförmige Elektrode 8 an
eine Steuereinheit (nicht dargestellt) anschließbar ist. Zwischen der stabförmigen
Elektrode 8 und dem Gehäuseteil 2 ist in der Nähe des Steckkontaktes 17 ein hülsenförmiges
Isolierelement 18 angeordnet. In der Nähe des Heizelementes 1 wird die stabförmige
Elektrode 8 von einem ringförmigen Drucksensor 3 umgeben.
[0019] Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, ist der Drucksensor 3 in einer Ringnut des Gehäuseteils
2 aufgenommen und mit wenigstens einer Stirnfläche 11 am Gehäuseteil 2 in axialer
Richtung abgestützt. Zumindest im Bereich einer Außenumfangsfläche 13 ist der Drucksensor
3 gegenüber dem Gehäuseteil 2 elektrisch isoliert. Der Anschluss des Drucksensors
3 an die stabförmige Elektrode 8 erfolgt über eine gezielte Kontaktierung 10 im Bereich
einer Innenumfangsfläche einer zentralen Ausnehmung 9 des Drucksensors 3, durch welche
die stabförmige Elektrode 8 hindurch geführt ist. Wie nachfolgend in Zusammenhang
mit verschiedenen konkreten Ausgestaltungen des Drucksensors 3 dargelegt wird, liegt
der Drucksensor 3 zur Herstellung einer Masseverbindung mit wenigstens einer Stirnfläche
11.2 (siehe Fig. 2) direkt am Gehäuseteil 2 an, während die andere Stirnfläche 11.1
als Stützfläche dient gegenüber dem Gehäuseteil 2 elektrisch isoliert ist.
[0020] Fig. 3 zeigt eine erste Ausgestaltung eines Drucksensors 3 für eine erfindungsgemäße
Glühstiftkerze entsprechend der Fig. 1 und 2 mit nur einem piezoelektrischen Sensorelement
4. Das Sensorelement 4 weist zwei Stirnflächen auf, die jeweils eine Elektrode 12
ausbilden. Die dargestellte Polarisierung ist nur beispielhaft gewählt und kann auch
umgekehrt sein. Die obere Elektrode 12 wird über die Kontaktierung 10 gezielt kontaktiert
und ist von einer elektrischen Isolation 19 abgedeckt. Die untere Elektrode 12 dagegen
weist keine elektrische Isolation 19 auf und kann dementsprechend zur Herstellung
einer Masseverbindung 20 direkt auf das Gehäuseteil 2 gelegt werden.
[0021] Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Drucksensors 3 können, wie in der Fig. 4 dargestellt,
auch zwei Sensorelemente 4, 5 aus einem piezoelektrischen Material eingesetzt werden.
Die Sensorelemente 5 liegen derart aneinander an, dass die Stirnflächen bzw. Elektroden
12 gleicher Polarität einander gegenüber liegen. Die gezielte Kontaktierung 10 erfolgt
im Bereich einer Mittelelektrodeode 21, welche zwischen den beiden einander zugewandten
Elektroden 12 angeordnet ist. Die entgegengesetzte Polarisierung der beiden Sensorelemente
4, 5 ist durch Pfeile angedeutet. Die beiden außen liegenden Elektroden 12 werden
jeweils direkt auf das Gehäuseteil 2 gelegt, um eine Masseverbindung 20 herzustellen.
[0022] Zur Vereinfachung des Drucksensors der Fig. 4 wird gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 5 vorgeschlagen, dass auf die Ausbildung der beiden innenliegenden Elektroden
12 verzichtet wird. Die beiden Sensorelemente 4, 5 werden stattdessen mit ihren einander
zugewandten Stirnflächen direkt aufeinandergelegt, so dass diese zu einer gemeinsamen
Mittelelektrode 21 verschmelzen.
[0023] Wie darüber hinaus in der Fig. 6 dargestellt, können auch mehr als zwei Sensorelemente
4, 5 aus einem piezoelektrischen Material zu einem Drucksensor 3 zusammengesetzt werden.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 umfasst das Sensorpaket drei Sensorelemente 4, 5,
6, die jeweils derart aneinandergelegt wurden, dass sich Stirnflächen bzw. hierauf
ausgebildete Elektroden 12 gleicher Polarisierung gegenüber liegen. Jedes weitere
Sensorelement wird in derselben Weise angelegt.
[0024] Der stark vereinfachten Darstellung der Fig. 7 ist eine weitere erfindungsgemäße
Glühstiftkerze zu entnehmen. Dargestellt sind das Heizelement 1, umfassend eine in
einer Dichthülse 14 aufgenommene Glühwendel 15, sowie einen Drucksensor 3, an welchem
das Heizelement 1 in axialer Richtung abgestützt ist, so dass es als Druckübertragungsglied
einsetzbar ist, welches den Brennraumdruck auf den Drucksensor 3 überträgt. Der Drucksensor
3 ist wiederum an einem Gehäuseteil 2 abgestützt. Der Drucksensor 3 umfasst wenigstens
zwei Sensoren 4, 5 aus einem piezoelektrischen Material, welche entgegengesetzt polarisiert
und derart aneinandergesetzt sind, so dass eine gemeinsame Mittelelektrode 21 ausgebildet
wird. Die gemeinsame Mittelelektrode 21 dient vorliegend der Kontaktierung 10 des
Drucksensors 3. Über die Kontaktierung 10 wird der elektrische Anschluss des Drucksensors
3 an eine zentrale Stromzuführeinrichtung 7 bewirkt, welcher zudem das Heizelement
1 mit einer elektrischen Spannung versorgt. Um zu verhindern, dass die Messspannung
des Drucksensors 3 beim Erfassen des Brennraumdrucks über das Heizelement 1 abfließen
kann, ist zwischen der Kontaktierung 10 und dem Heizelement 1 eine Sperrdiode 22 angeordnet.
[0025] Dem Verschaltungsdiagramm der Fig. 8 ist wiederum ein Heizelement 1 und ein Drucksensor
3 zu entnehmen, welche vorliegend parallel geschaltet sind. Zwischen der Kontaktierung
10 des Drucksensors 3 und dem Heizelement 1 ist wiederum erfindungsgemäß eine Sperrdiode
22 angeordnet, welche einen Kurzschluss des Drucksensors 3 über das Heizelement 1
verhindern soll. Parallel zum Heizelement 1 und dem Drucksensor 3 sind ferner ein
Spannungsmesser 23 sowie ein Innenwiderstand 24 geschaltet. Die Stromquelle ist vorliegend
in Form einer Batterie 25 ausgebildet, welche das Heizelement 1 mit der erforderlichen
Spannung versorgt. Die Spannung kann über den Spannungsmesser 23 geprüft werden.
1. Glühstiftkerze für den Einbau in eine Brennkraftmaschine umfassend ein Heizelement
(1), das einen in einem hohlzylinderförmigen Gehäuseteil (2) aufgenommenen ersten
Endabschnitt (1.1) sowie einen mit Brennraumdruck beaufschlagbaren zweiten Endabschnitt
(1.2) besitzt und als Druckübertragungsglied einsetzbar ist, sowie einen im hohlzylinderförmigen
Gehäuseteil (2) aufgenommenen und wenigstens ein Sensorelement (4, 5, 6) aus einem
piezoelektrischen Material umfassenden Drucksensor (3) zur Erfassung des Brennraumdrucks,
wobei der Drucksensor (3) an eine zentrale Stromzuführeinrichtung (7) für das Heizelement
(1) angeschlossen ist, so dass über die zentrale Stromzuführvorrichtung (7) ein Messsignal
des Drucksensors (3) erfassbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Heizelement (1) und dem Drucksensor (3) eine Sperrdiode (22) in der
Weise angeordnet ist, dass ein Abfluss einer vom Drucksensor (3) ausgegebenen Messspannung
über das Heizelement (1) verhindert wird.
2. Glühstiftkerze nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Stromzuführeinrichtung (7) eine zumindest teilweise im hohlzylinderförmigen
Gehäuseteil (2) aufgenommene stabförmige Elektrode (8) umfasst, welche vorzugsweise
über einen Schraub- oder Steckkontakt mit einer externen Stromquelle und/oder einer
Steuereinheit zur Auswertung des Messsignals des Drucksensors (3) verbindbar ist.
3. Glühstiftkerze nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (3) eine Ausnehmung (9) besitzt, durch welche die zentrale Stromzuführeinrichtung
(7) hindurch geführt ist, wobei eine gezielte Kontaktierung (10) des Drucksensors
(3) vorzugsweise im Bereich der Ausnehmung (9) erfolgt.
4. Glühstiftkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (3) in axialer Richtung unmittelbar oder mittelbar am Gehäuseteil
(2) abgestützt ist.
5. Glühstiftkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (3) zur Herstellung einer Masseverbindung über wenigstens eine Stirnfläche
(11) oder über eine auf der Stirnfläche (11) ausgebildete Elektrode (12) unmittelbar
oder mittelbar mit dem Gehäuseteil (2) elektrisch leitend verbunden ist.
6. Glühstiftkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (3) wenigstens zwei Sensorelemente (4, 5, 6) umfasst, die vorzugsweise
derart aneinandergesetzt sind, dass sich Stirnflächen gleicher Polarisierung gegenüber
liegen.
7. Glühstiftkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensorelement (4, 5, 6) mehrschichtig aufgebaut ist und wenigstens eine erste
und eine zweite Schicht umfasst, die vorzugsweise entgegengesetzt polarisiert sind.
8. Glühstiftkerze nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die gezielte Kontaktierung (10) des Drucksensors (3) im Kontaktbereich zweier Sensorelemente
(4, 5, 6) oder im Kontaktbereich zweier Schichten erfolgt.
9. Glühstiftkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (3) im Bereich einer Außenumfangsfläche (13) gegenüber dem Gehäuseteil
(2) elektrisch isoliert ist.