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Die
Erfindung bezieht sich auf einen integrierten Brennraumdrucksensor,
welcher in eine Motoranbaukomponente einer Verbrennungskraftmaschine,
wie z.B. in einen Injektor, eine Glühkerze oder eine Zündkerze
integriert ist, gemäß des Oberbegriffes
des Patentanspruches 1.
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Aus
DE 196 80 912 C2 ist
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren des Zylinderdruckes
eines Dieselmotors bekannt. Die Vorrichtung umfasst einen Drucksensor
und einen Heizabschnitt einer Glühkerze,
der einem Innenraum eines Zylinders des Dieselmotors zugewandt ist.
Der Drucksensor ist durch den Zylinderdruck beaufschlagbar; ferner
ist ein Fixierglied zum Fixieren des Heizabschnittes in einem Körper der
Glühkerze
vorgesehen. Der Drucksensor befindet zwischen dem Heizabschnitt und
dem Fixierglied in der Glühkerze,
wobei der Heizabschnitt zur Übertragung
des Zylinderdrucks auf den Drucksensor vorgesehen ist. Ein Stromzufuhr-Terminal
der Glühkerze
ist mit einer Stromquelle zur Erwärmung des Heizabschnitts verbindbar,
wobei ein Ausgangssignal des Drucksensors über das Stromzufuhr-Terminal
abnehmbar ist, sobald das Stromzufuhr-Terminal von der Stromquelle
getrennt ist.
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DE 102 18 544 A1 ist
eine Glühkerze
mit eingebautem Verbrennungsdrucksensor zu entnehmen. Die Glühkerze umfasst
ein zylindrisches Gehäuse, wobei
das Gehäuse
an einer Brennkraftmaschine montiert ist und ein Ende des Gehäuses in
einer Brennkammer eines Motors positioniert ist. Es ist ein Leitungselement
mit einem ersten und einem zweiten Ende vorgesehen, welches innerhalb
des Gehäuses gehalten
wird. Ein Ende des Leitungselements erstreckt sich in die Brennkammer.
Ferner ist ein Heizelement zum Erzeugen von Wärme beim Anlegen von Strom
vorgesehen, welches sich innerhalb des Leitungselements befindet.
Innerhalb des Gehäuses befindet
sich ein Metallkern, von dem ein Teil über das zweite Ende eines Gehäuses vorsteht,
wobei der Kern elektrisch mit dem Heizelement verbunden ist. Es
ist ein Verbrennungsdrucksensor vorgesehen zum Erfassen des Verbrennungsdrucks,
wobei der Verbrennungsdrucksensor den Verbrennungsdruck erfasst,
was durch Erfassen der Kraft, die auf das Leitungselement wirkt,
erfolgt. Eine Innenfläche
des Gehäuses
ist an einer Außenfläche des
Leitungselements befestigt in der Nähe des ersten Endes des Gehäuses. Es
verbleibt im Wesentlichen kein Spalt zwischen dem Gehäuse und
dem Leitungselement, wobei eine Aufnahme definiert ist zwischen
einem Teil der Innenfläche
des Gehäuses
benachbart zu dessen zweitem Ende und einer Außenfläche des Kerns und zumindest
ein Teil des Verbrennungsdrucksensors in der Aufnahme aufgenommen
ist.
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Gemäß der Lösung aus
DE 196 80 912 C2 wird
zur Detektion des Zylinderdrucks in einem Dieselmotor die Stützkraft
von Bauteilen innerhalb eines Motoranbauteils, wie in diesem Falle
innerhalb einer Glühstiftkerze,
für einen
Dieselmotor genutzt.
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Gemäß
DE 102 18 544 A1 wird
der Kraftsensor am oberen Injektor-, Glühkerzen- oder Zündkerzenende
montiert, wobei die durch die Verformung eines Bauteilkerns entstehende
Kraft gemessen wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messung des in einem Brennraum
einer Verbrennungskraftmaschine herrschenden Druckes mit einem einfachen
Sensor zu ermöglichen,
der in bereits vorhandenes Bauteil integriert ist.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
einen Kraftsensor in ein Dichtelement eines Motoranbauteils, wie
z.B. einer Zündkerze,
einer Glühkerze
oder eines Kraftstoffinjektors, zu integrieren, welches im eingebauten
Zustand des Motoranbauteils durch dieses mit einer Vorspannkraft
beaufschlagt ist. Vorteilhafterweise kann dieses Dichtelement elastisch
ausgebildet werden und umschließt
z.B. einen auf Piezo-Basis arbeitenden Drucksensor. Dadurch ist
dieser von den im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine herrschenden
Temperaturen abgeschirmt und misst die Kraftentlastung des durch
die Brennraumdruckgase beaufschlagten Motoranbauteiles, wie z.B.
einer Glühkerze
oder eines Kraftstoffinjektors. Das Dichtelement ist zur Abdichtung
eines Kraftstoffinjektors vorhanden und wird in vorteilhafter Weise
zur Aufnahme des den Brennraumdruck erfassenden Kraftsensors ausgestaltet,
so dass kein zusätzliches
Bauteil erforderlich ist. Der vom z.B. ringförmig ausgebildeten Dichtelement
im Wesentlichen umschlossene Kraftsensor kann durch einen Kabelkanal,
der im Zylinderkopf ausgebildet werden kann oder über Leiterbahnen
am Zylinderkopf oder aber über
direkt am Dichtelement vorgesehene Signalleitungen kontaktiert werden
und auf diese Weise mit einem Motorsteuergerät der Verbrennungskraftmaschine
zur Übertragung
des Brennraumdrucksignales an dieses verbunden werden.
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Aufgrund
der Vorspannkraft, mit dem das Motoranbauteil im montierten Zustand
beaufschlagt ist, wirkt die Mantelfläche eines z.B. thorusförmig ausgebildeten
Dichtelements sowohl in Bezug auf den Zylinderkopf als auch auf
eine durch die Brennraumdruckgase beaufschlagte Stirnfläche des
Motoranbauteils als Dichtfläche.
Aufgrund der elastischen Ausgestaltung des Dichtelements sind je
nach Einsatzzweck unterschiedliche Vorspannkräfte einstellbar. So sind z.B.
aufgrund der höheren
Verdichtung an selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschinen höhere
Vorspannkräfte
an Kraftstoffinjektoren bzw. Glühstiftkerzen
erforderlich im Vergleich zu Vorspannkräften, die auf Zündkerzen
an fremd gezündeten
Verbrennungskraftmaschinen aufgebracht werden. Der in das Dichtelement
für das
Motoranbauteil integrierte Kraftsensor misst die Kraftentlastung,
die auf das durch den Brennraumdruck beaufschlagte Motoranbauteil
wirkt. Aus diesem Kraftsignal wird mit Hilfe der bekannten Fläche des
brennraumdruckbeaufschlagten Motoranbauteils der Brennraumdruck im
Motorsteuergerät
berechnet.
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Zeichnung
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
Glühstiftkerze
gemäß des Standes
der Technik,
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2 einen
Schnitt durch ein in den Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine
montiertes Motoranbauteil mit einem Dichtelement und einen in dieses
integrierten Kraftsensor und
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3 das
Dichtelement als separates Bauteil.
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1 ist
eine Glühstiftkerze
als Motoranbauteil gemäß des Standes
der Technik zu entnehmen.
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Wie
aus der Darstellung gemäß 1 hervorgeht,
ist ein Motoranbauteil 20 z. B. als Glühstiftkerze ausgebildet und
umfasst ein hülsenförmig ausgebildetes
Gehäuse 22,
an dem ein Außengewindeabschnitt 23 vorgesehen
ist. Innerhalb des Gehäuses 22 des
Motoranbauteiles 20 erstreckt sich ein Glührohr 56.
Innerhalb des Glührohrs
befinden sich sowohl eine Glühwendel 38 als
auch ein dieses umgebendes Füllpulver 39.
Die Gesamtheit aus Glühwendel 38 und
Füllpulver 39 stellt
einen Heizkörper 58 dar,
dessen brennraumseitiges Ende mit Bezugszeichen 62 bezeichnet
ist. Mit diesem brennraumseitigen Ende 62 ragt das Motoranbauteil 20,
im vorliegenden Falle beispielsweise eine Glühstiftkerze, in den Brennraum
einer Verbrennungskraftmaschine hinein. Der Heizkörper 38 ist
einerseits mittels eines Vitonringes 66 und andererseits über einen
Dichtring 17 gegen das Gehäuses 22 abgedichtet.
Im oberen Bereich des Motoranbauteiles 20 befindet sich
ein Anschlussbolzen 40, über welchen die Beheizung des
Heizkörpers 58 des
Motoranbauteiles 20 erfolgt. Mit Bezugszeichen 15 ist
eine Rundmutter bezeichnet, mit welcher der Dichtring 17 dichtend
gegen das Gehäuse 22 des
Motoranbauteiles 20 verspannt werden kann. Als weiteres
Dichtelement wirkt der Vitonring 66, der eine Abdichtung
zwischen dem Glührohr 56 und
dem Gehäuse 22 des
Motoranbauteiles 20 bildet. Die Glühwendel 38 des Heizkörpers 58 kann auch
zweiteilig ausgebildet sein und neben einer Heizwendel auch eine
Regelwendel umfassen, mit welcher die Heizwendel am brennraumseitigen
Ende 62 einer Glühstiftkerze
geregelt werden kann.
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Der
Darstellung gemäß 2 ist
ein Schnitt durch ein in den Zylinderkopf 10 einer Verbrennungskraftmaschine
montiertes Motoranbauteil 20 zu entnehmen. Eine Verbrennungskraftmaschine,
sei es eine fremdgezündete
oder eine selbstzündende
Verbrennungskraftmaschine, umfasst einen Zylinderkopf 10,
in welchem mindestens eine Bohrung aufgenommen ist, in der ein Motoranbauteil 20,
wie z.B. eine Zündkerze
im Falle von fremdgezündeten
Verbrennungskraftmaschinen oder eine Glühstiftkerze im Falle von selbstzündenden
Verbrennungskraftmaschinen oder Kraftstoffinjektoren, die bei selbst-
und bei fremdgezündeten
Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, eingelassen ist.
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Die
Bohrung im Zylinderkopf 10 ist gemäß der Darstellung in 2 in
einen ersten Bohrungsabschnitt 12 und einen zweiten Bohrungsabschnitt 14 geteilt.
Durch die gestuft ausgebildete Bohrung entsteht eine Ringfläche 16 im
Zylinderkopf 10. Ein Hohlraum 18 wird durch die
Ringfläche 16 des
Zylinderkopfes 10 und eine brennraumdruckbeaufschlagte
Fläche 68 des
Motoranbauteils 20 begrenzt. Das Motoranbauteil 20 umfasst
ein Gehäuse 22,
das eine Glühwendel 38,
gegebenenfalls mit Regelwendel eines Heizkörpers 58 umschließt. Innerhalb
des Hohlraumes 18 des Zylinderkopfes 10 befindet
sich ein ringförmig
ausgebildetes Dichtelement 30. Der Hohlraum 18 wird
durch das erwähnte
Dichtelement 30 in einen äußeren Hohlraum 18.1 und
einen inneren, brennraumdruckbeaufschlagten Hohlraum 18.2 unterteilt.
Das Dichtelement 30 dichtet zusammenwirkend mit der ersten
Dichtfläche 24 an
der Stirnseite des Gehäuses 22 sowie
mit der als zweite Dichtfläche 26 dienenden
Ringfläche 16 des
Zylinderkopfes 10 den äußeren Hohlraum 18.1 gegen
die über
einen Spalt 28 in diesen einströmenden Brennraumdruckgase ab.
Der Spalt 28 wird durch den Durchmesser des zweiten Bohrungsabschnitts 14 und
den Außendurchmesser
des Gehäuses 22 gebildet.
Das Dichtelement 30, welches bevorzugt als ringförmiges Bauteil
ausgeführt
wird, umfasst eine Mantelfläche 32, die
sowohl an der ersten Dichtfläche 24 anliegt,
als auch auf der als zweite Dichtfläche 26 dienenden Ringfläche 16 des
Zylinderkopfes 10. Im Hohlraum 46 (siehe 3)
des Dichtelements 30 befindet sich ein Kraftsensor 34.
Der Kraftsensor 34 wird bevorzugt als ein auf Piezo-Basis
arbeitendes Bauteil ausgelegt. Die Strömungsrichtung der dem inneren Hohlraum 18.2 zuströmenden Brennraum gase
ist durch den innerhalb des Spaltes 28 eingezeichneten Pfeil 36 bezeichnet.
Das Dichtelement 30 ist symmetrisch zur Symmetrieachse 42 aufgebaut.
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Das
Dichtelement 30 zwischen dem Zylinderkopf 10 und
dem Gehäuse 22 des
Motoranbauteiles 20 ist über Signalleitungen 50 mit
einem in 2 nicht dargestellten Motorsteuergerät der Verbrennungskraftmaschine
verbunden. Die mit Bezugszeichen 50 bezeichneten Signalleitungen
dienen der Kontaktierung des Kraftsensors 34 innerhalb
des Dichtelementes 30 und können entweder in einem innerhalb
des Zylinderkopfes 10 verlaufenden Kabelkanal untergebracht
sein oder können
als Leiterbahnen ausgebildet sein, die auf dem Zylinderkopf 10 verlaufen.
Daneben ist es auch möglich,
den Kraftsensor 34 innerhalb des Dichtelements 30 direkt
bei Einbau in den Zylinderkopf bzw. den ersten Bohrungsabschnitt 12 direkt
zu kontaktieren. Über
die Signalleitungen 50 wird das Kraftsignal des Kraftsensors 34 an
das Motorsteuergerät übertragen.
Aus dem vom Kraftsensor 34 an das Motorsteuergerät übertragenen
Signal wird mit Hilfe einer brennraumdruckbeaufschlagten Fläche 68 des
Gehäuses 22 der
im Brennraum 60 der Verbrennungskraftmaschine herrschende
Druck berechnet. Mit Bezugszeichen 19 ist ein Spalt zwischen
dem Zylinderkopf 10 der Verbrennungskraftmaschine und dem
Gehäuse 22 des
Motoranbauteiles 20 bezeichnet, welcher unterhalb des Außengewindes 23 des
Gehäuses 22 verläuft (vgl.
auch Darstellung gemäß 1).
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Im
montierten Zustand des Motoranbauteils 20, bei dem es sich
um eine Zündkerze,
eine Glühstiftkerze
oder auch einen Kraftstoffinjektor handeln kann, herrscht eine Vorspannkraft 52 zwischen
dem Zylinderkopf 10 und dem Motoranbauteil 20.
Durch in Pfeilrichtung 36 strömende Brennraumgase wird die brennraumdruckbeaufschlagte
Fläche 64,
d.h. die dem Brennraum zuweisende Stirnseite des Motoranbauteils 20 mit
dem in Brennraum 60 herrschenden Druck beaufschlagt. Die
durch die Brennraumgase bewirkte Kraft greift als Entlastungskraft 54 an
der brennraumdruckbeaufschlagten Fläche 64 des Motoranbauteils 20 an,
welches demnach druckentlastet wird. Der im Dichtelement 30 untergebrachte
Kraftsensor 34 misst die Kraftentlastung, die das durch den
Brennraumdruck beaufgeschlagte Bauteil, d.h. in vorliegenden Falle
das Motoranbauteil 20, erfährt. Durch die an der brennraumdruckbeaufschlagten Fläche 64 in
Kraftentlastungsrichtung 54 wirkenden Kräfte wird
die auf das Dichtelement 30 einwirkende Vorspannkraft 52 reduziert.
Eine dem Brennraumdruck proportionale Kraftentlastung des Dichtelements 30 kann
durch den in dessen Hohlraum aufgenommenen Kraftsensor 34 erfasst
und über
die Signalleitungen 50 an das Motorsteuergerät übermittelt werden.
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Der
Vollständigkeit
halber sei erwähnt,
dass das in 2 dargestellte, in den Zylinderkopf 10 eingelassene
Motoranbauteil 20 im Falle der Ausbildung als Glühstift für selbstzündende Verbrennungskraftmaschinen
einen Heizkörper 58 aufweist,
dessen Stirnflä che 62 dem
Brennraum 60 der Verbrennungskraftmaschine zuweist. Der
Heizkörper 58 dient
als Starthilfe der Verbrennungskraftmaschine und ist luftdicht in
das Gehäuse 22 eingepresst.
Die Verbindung zwischen dem Gehäuse 22 und
dem Heizkörper 58 ist
somit starr ausgelegt. Die Spannungsversorgung erfolgt über den
in 1 dargestellten Anschlussbolzen 40. Das
Gehäuse 22 stellt
die Masseverbindung des Motoranbauteiles 20 zum Zylinderkopf 10 der Verbrennungskraftmaschine
dar.
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Der
Darstellung gemäß 3 ist
das zwischen dem Motoranbauteil 20 und dem Zylinderkopf eingelassene
Dichtelement in vergrößerter Darstellung
entnehmbar.
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Das
Dichtelement 30 wird bevorzugt als thorusförmiger Körper ausgebildet
und umfasst einen Hohlraum 46. Im Hohlraum 46 ist
der in 1 dargestellte Kraftsensor 34 untergebracht.
Der Kraftsensor 34 kann ebenfalls ringförmig ausgestaltet sein und sich
in Umfangsrichtung, den Hohlraum 46 ausfüllend innerhalb
des Dichtelements 30 erstrecken. Ebenso gut kann der Kraftsensor 34 mehrere
z.B. in 90°-Lage
zueinander orientierte Einzelsensoren umfassen, von denen jeder über eine
separate Signalleitung 50 mit dem Motorsteuergerät kontaktiert
werden kann. Die Wanddicke des Dichtelements 30 ist durch Bezugszeichen 44 angedeutet.
Zur Verbesserung der elastischen Eigenschaften des durch die Vorspannkraft 52 beaufschlagten
Dichtelements 30 kann dies mit einer Schlitzung 48 auf
der Außenseite,
d.h. auf der der Hülse 22 gemäß 2 abgewandten
Seite der Mantelfläche 32 versehen
sein. Über
die schlitzförmige
Ausnehmung 48 wird einerseits die Kompression des Dichtelements 30 bei
Montage des Motoranbauteils 20 im ersten Bohrungsabschnitt 12 des
Zylinderkopfes 10 bewirkt, andererseits werden die elastischen
Rückstelleigenschaften
des Dichtelements 30 durch die Schlitzung 48 verbessert.
Es muss stets gewährleistet
sein, dass das Dichtelement 30 auch bei Wirkung der Entlastungskraft 54, die
an der brennraumdruckbeaufschlagten Fläche 68 des Gehäuses 22 angreift,
an der ersten Dichtfläche 24 und
an der zweiten Dichtfläche 26 dichtend
anliegt und die im inneren Hohlraum 18.2 befindlichen Brennraumgase
gegen den äußeren Hohlraum 18.1 kapselt.
Es ist zu vermeiden, dass die Brennraumdruckgase entlang der Dichtflächen 24 bzw. 26 durch den
zweiten Bohrungsabschnitt 14 im oberen Bereich des Zylinderkopfes 10 der
Verbrennungskraftmaschine entweichen. Kontaktflächen des Dichtelementes 30 sind
durch die Bezugszeichen 30.1 und 30.2 kenntlich
gemacht. Zwischen diesen Kontaktflächen 30.1 und 30.2 ist
der Kraftsensor 34 aufgenommen (vgl. auch Darstellung gemäß 2).
Bezugszeichen 42 markiert die Symmetrieachse des Dichtelementes 30.
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Aufgrund
der thorusförmigen
Ausgestaltung des Dichtelements 30, welches vorzugsweise
aus Stahl gefertigt wird, ist sichergestellt, dass durch dieses
bei entsprechender Beaufschlagung durch die Vorspannkraft 52 nicht
nur die erste Dichtfläche 24 und
die zweite Dichtfläche 26 sondern
auch der erste Bohrungsabschnitt 14 in seinem oberhalb
der Ring fläche 16 liegenden
Bereich gegen ein Ausströmen der
Brennraumgase aus dem inneren Hohlraum 18.2 in den oberen
Bereich des Zylinderkopfes 10 abgedichtet ist. Die Vorspannkraft 52 auf
den Kraftsensor 34 wird durch das Einschrauben des Gehäuses 22 in den
Zylinderkopf 10 mit einem definierten Drehmoment aufgebracht.
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- 10
- Zylinderkopf
- 12
- erster
Bohrungsabschnitt
- 14
- zweiter
Bohrungsabschnitt
- 15
- Rundmutter
- 16
- Ringfläche
- 17
- Dichtring
- 18
- Hohlraum
- 18.1
- äußerer Hohlraum
- 18.2
- innerer
Hohlraum
- 19
- Spalt
- 20
- Motoranbauteil
(Zündkerze,
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- Kraftstoffinjektor,
Glühstift
-
- kerze)
- 22
- Gehäuse
- 23
- Außengewinde
- 24
- erste
Dichtfläche
- 26
- zweite
Dichtfläche
- 28
- Spalt
- 30
- Dichtelement
- 30.1
- 1.
Kontaktfläche
- 30.2
- 2.
Kontaktfläche
- 32
- Mantelfläche Dichtelement
- 34
- Kraftsensor
- 36
- Strömungsrichtung
Brenn
-
- raumgase
- 38
- Glühwendel
- 39
- Füllpulver
- 40
- Anschlussbolzen
- 42
- Symmetrieachse
- 44
- Wanddicke
- 46
- Ring-Hohlraum
- 48
- Horizontalschlitzung
- 50
- Signalleitung
- 52
- Vorspannkraft
- 54
- Entlastungskraft
durch Brenn
-
- raumgase
- 56
- Glührohr
- 58
- Heizkörper bei
Glühstiftkerze
- 60
- Brennraum
- 62
- Stirnfläche Heizkörper
- 64
- Ringfläche
- 66
- Vitonring
- 68
- brennraumdruckbeaufschlagter
-
- Teil
der Ringfläche 64