Glühstiftkerze mit integriertem Drucksensor

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine 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. Der Drucksensor (3) ist dabei an eine zentrale Stromzuführeinrichtung (7) für das Heizelement (1) angeschlossen, so dass über die zentrale Stromzuführvorrichtung (7) ein Messsignal des Drucksensors (3) erfassbar ist.
Erfindungsgemäß ist 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.

Beschreibung

[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.

Ansprüche

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.

Zeichnung