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Diese
Erfindung bezieht sich auf Dieselmotoren und insbesondere auf Glühsensoren,
welche Funktionen sowohl einer Glühkerze als auch eines Ionensensors
kombinieren, um eine Kraftstoffzündung
in einer Brennkammer eines Motors während des Starts und eines
Betriebs bei niedrigen Temperaturen zu unterstützen und das Auftreten und
die Eigenschaft von Verbrennungsereignissen zu erfassen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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In
der Technik von Dieselmotoren ist bekannt, eine Zündglühkerze mit
einer geheizten Glühspitze
vorzusehen, die sich in die Brennkammer oder Vorkammer des Motors
erstreckt, um besonders während
eines Startens und eines Betriebs bei niedrigen Temperaturen eine
Zündung
des Kraftstoffs zu unterstützen.
Es ist auch bekannt, in Verbrennungsmotoren einen Ionensensor in
der Brennkammer vorzusehen, der das Auftreten von Verbrennungsereignissen über Variationen
im Stromfluss über
einen Spalt durch Verbrennungsgase in der Brennkammer abfühlt. Die
Kombination einer keramischen Glühkerzenspitze,
kombiniert mit einem Ionensensor, zur Verwendung in einem Dieselmotor
wurde ebenfalls vorgeschlagen – siehe
Patent Abstracts of Japan Bd. 1998, Nr. 09, 31. Juli 1998 und
JP 10 089 687 .
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung liefert einzigartige und spezifische Ausführungsformen
von Glühsensoren
für Dieselmotoren,
die zum Einsatz in Dieselmotoren gedacht sind und die Funktionen
von sowohl Glühkerzen als
auch Ionensensoren kombinieren. Insbesondere liefert diese Erfindung
verschiedene Ausführungsformen
von Glühsensoren,
die jeweils ein keramisches flaches plattenförmiges Glühsensorelement mit einem elektrischen
Heizelement und Leiter, die auf einer Seite der keramischen flachen Platte
gedruckt sind, und einer Ionensensorelektrode und einen Leiter aufweisen,
der auf der gegenüberliegenden
Seite der flachen Platte gedruckt ist. Verschiedene Mittel zum Abstützen und
Isolieren des Glühsensorselements
in einem Metallmantel sind vorgesehen. Der Zweckmäßigkeit
halber wird der Ausdruck "Glühsensor" hierin verwendet,
um auf Einrichtungen wie zum Beispiel jene, die hierin beschrieben
werden, zum Ausführen
von Funktionen sowohl einer Glühkerze
als auch eines Ionenensors zu verweisen.
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Im
Allgemeinen kann eine Einrichtung gemäß der Erfindung als ein Glühsensor
zum Einsatz in einer Brennkammer eines Dieselmotors definiert werden:
wobei der Glühsensor
einen röhrenförmigen Metallmantel
aufweist, der Montagemittel zum Montieren des Glühsensors in einer eine Komponente des
Motors definierenden Kammer aufweist; eine röhrenförmige keramische Traghülse, die
im Mantel aufgenommen ist; ein keramisches flaches plattenförmiges Glühsensorelement,
das von der Traghülse getragen
wird und ein äußeres Ende
aufweist, das einem äußeren Ende
des Mantels benachbart endet und durch die Hülse davon isoliert ist, und
ein inneres Ende, das eine Glühspitze
aufweist, die sich über
innere Enden des Mantels und der Hülse hinaus erstreckt; und isolierendes
Material innerhalb der Traghülse
und innerhalb des Metallmantels, das das Glühsensorelement im Mantel abstützt; wobei
das Glühsensorelement
aufweist: eine flache keramische Platte, die sich zwischen dem inneren
und äußeren Ende
des Glühsensorelements
erstreckt und gegenüberliegende
erste und zweite Seiten und benachbarte laterale Ränder aufweist;
ein elektrisches Heizelement und erste und zweite Leiter, die auf
der ers ten Seite der flachen Platte gedruckt sind, wobei das Heizelement
am Ort der Glühspitze
angeordnet ist und die Leiter sich von dem Heizelement zum äußeren Ende
des Glühsensorelements
erstrecken; eine Ionensensorelektrode und einen dritten Leiter,
der auf die zweite Seite der flachen Platte gedruckt ist, wobei
die Elektrode dem inneren Ende der flachen Platte benachbart angeordnet
ist und der dritte Leiter sich von der Elektrode zum äußeren Ende
der flachen Platte erstreckt; und eine isolierende Beschichtung
auf beiden Seiten der flachen Platte, die die gedruckten Leiter
und das Heizelement zum Schutz vor Verbrennungsgasen bedeckt.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung,
die zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird,
vollständiger
verstanden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen ist:
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1 eine
fragmentarische Querschnittansicht eines Dieselmotors mit offener
Kammer mit direkter Kraftstoffeinspritzung in die Brennkammer und einer
Glühkerze
nach dem Stand der Technik mit einer Glühspitze, die sich in die Brennkammer
erstreckt;
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2 eine
fragmentarische Querschnittansicht eines Dieselmotors vom Vorkammertyp
mit einer indirekten Kraftstoffeinspritzung in die Vorkammer und
einer Glühkerze
nach dem Stand der Technik mit einer Glühspitze, die sich in die Vorkammer erstreckt;
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3 eine
querverlaufende Querschnittansicht einer ersten Ausführungsform
des Glühsensors, der
gemäß der Erfindung
ausgebildet ist;
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4 eine äußere Endansicht
in der Ausführungsform
von 3;
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5 eine
querverlaufende Querschnittansicht von der Linie 5-5 von 4;
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6 eine
Rückseitenansicht
des Glühsensorelements
in der Ausführungsform
von 3;
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7 eine
querverlaufende Querschnittansicht einer zweiten Ausführungsform
eines Glühsensors
gemäß der Erfindung;
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8 eine äußere Endansicht
der Ausführungsform
von 7;
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9 eine
querverlaufende Querschnittansicht von der Linie 9-9 von 8;
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10 eine
Randansicht des Glühsensorelements
in der Ausführungsform
von 7;
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11 eine
Rückseitenansicht
des Glühsensors
in der Ausführungsform
von 7; und
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12 eine
vergrößerte Querschnittansicht von
Teilen von 10.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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Zunächst detailliert
auf 1 und 2 der Zeichnungen verweisend
sind Beispiele von Anwendungen von Glühkerzen für Dieselmotoren nach dem Stand
der Technik für
Dieselmotoren sowohl vom Typ mit offener Kammer als auch Vorkammer
dargestellt. Diese Anwendungen nutzen Glühkerzen eines üblichen
Typs mit einer Glühspitze,
die innerhalb eine Metallhülle
ausgebildet ist. Die Verwendung anderer Formen von Glühspitzen
anstelle der Glühkerzen vom
Typ mit Metallhülle
ist jedoch ebenfalls bekannt.
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In 1 bezeichnet
Bezugsziffer 100 als Ganzes einen Dieselmotor vom Typ mit
offener Kammer mit einem Zylinderblock 102, der einen durch
einen Zylinderkopf 106 abgeschlossenen Zylinder 104 definiert.
Ein Kolben 108 ist im Zylinder 104 hin und her
bewegbar und definiert ein ausgespartes bzw. vertieftes Becken,
das zusammen mit dem Zylinderkopf eine Brennkammer 110 bildet.
Der Zylinderkopf 106 nimmt eine Einspritzdüse oder
einen Injektor 112 auf, der Kraftstoff in die Brennkammer 110 zur
Kompressionszündung
darin spritzt. Der Zylinderkopf nimmt auch eine bekannte Form einer
Glühkerze 114 mit
einer Glühspitze
auf, die sich in die Brennkammer erstreckt. Die Glühspitze
wird während
des Starts eines kalten Motors und eines Betriebs bei niedrigen Temperaturen
geheizt, um beim Zünden
des in die Brennkammer gespritzten Kraftstoffs während Perioden, in denen die
Kompressionstemperatur nicht ausreichend sein mag, um eine korrekte
Zündung und
Verbrennung des Kraftstoffs zu liefern, zu unterstützen.
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Die
veranschaulichte Glühkerze 114 ist
von der Art, die eine die Glühspitze
bildende metallische Hülle
aufweist. Am äußeren Ende
der Glühkerze
ist ein Anschluss 118 für
eine Verbindung mit einer Quelle elektrischen Stroms vorgesehen.
Ein Rückstromfluss
erfolgt von der Metallhülle
der Glühspitze zu
einem Metallmantel 119 der Glühkerze und zum Zylinderkopf,
worin der Mantel montiert ist und der mit dem elektrischen System
geerdet ist.
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In 2 bezeichnet
Ziffer 120 einen Dieselmotor vom Typ mit Vorkammer mit
einem Zylinderblock 122 mit einem Zylinder 124,
der von einem Zylinderkopf 126 abgeschlossen wird und einen
im Zylinder hin und her bewegbaren Kolben 128 trägt. Der Kolben
und Zylinderkopf bilden eine Brennkammer 130, die eine
Verbindung mit der Vorbrennkammer oder Vorkammer 132 innerhalb
des Zylinderkopfes aufweist. Ein Kraftstoffinjektor 134 ist
im Zylinderkopf montiert, um Kraftstoff in die Vorkammer 132 einzuspritzen.
Eine Glühkerze 136 bekannter
Form weist eine Glühspitze 138 auf,
die sich in die Vorkammer erstreckt, um beim Zünden des Kraftstoffs während eines
Start- und Kaltbetriebs zu unterstützen. Ein Anschluss 140 am
anderen Ende der Glühkerze
sorgt für
eine Verbindung mit einer Quelle elektrischen Stroms, und der Glühkerzenmantel 142 ist
mit dem Zylinderkopf geerdet, um den Flussweg für den Rückstrom wie in der ersten beschriebenen
Ausführungsform
zu vervollständigen.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung liefert neuartige Glühsensoren, welche in den Glühkerzenöffnungen von
Dieselmotoren der vorher beschriebenen Typen installiert werden
können.
Diese Glühsensoren
liefern sowohl die Funktion früherer
Glühkerzen
zur Unterstützung
bei der Zündung
des Kraftstoffs während eines
kalten Starts und Betriebs als auch die zusätzliche Ionensensorfunktion,
um das Auftreten und die Eigenschaft des Verbrennungsereignisses
in der Brennkammer oder Vorkammer über Variationen der Ionisierung
von Verbrennungsgasen innerhalb der Kammer während einer Verbrennung gemäß und zu Zwecken,
die in der Technik bekannt sind, abzufühlen. Die Ausdrücke "inneres Ende" und "äußeres Ende", wie sie in der folgenden Beschreibung
und den Ansprüchen
verwendet werden, beziehen sich auf Richtungen im Glühsensor,
wie er in einem Motor installiert ist, wobei die Glühspitze
ein innerhalb einer Brennkammer (einschließlich einer Vorkammer) verlaufendes
inneres Ende bildet und elektrische Anschlüsse sich an einem äußeren Ende
befinden, das sich außerhalb
des Zylinderkopfes des Motors erstreckt.
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Bezugnehmend
nun auf 3 der Zeichnungen bezeichnet
Ziffer 10 als Ganzes eine erste Ausführungsform eines Glühsensors,
der gemäß der Erfindung
ausgebildet ist. Der Glühsensor 10 kombiniert
die Funktionen einer Zündglühkerze und
eines Ionensensors für
die Brennkammer in einer einzigen Einrichtung, die das allgemeine
Erscheinungsbild einer Glühkerze
aufweist und in einem Motor in der Zylinderkopföffnung installiert werden kann,
die gewöhnlich
für eine
Glühkerze
vorgesehen ist. Der Glühsensor 10,
wie er dargestellt ist, hat insbesondere eine allgemeine Gestaltung ähnlich derjenigen
der in 2 dargestellten Glühkerze 136 nach dem Stand
der Technik; die internen Merkmale und das Glühsensorelement könnten jedoch
gleichermaßen gut
in Glühsensoren
verwendet werden, die ähnlich einer
in 1 dargestellten Glühkerze 114 nach dem Stand
der Technik ausgebildet sind.
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Der
Glühsensor 10 ist
mit einem röhrenförmigen Metallmantel 12 mit
einem hohlen Innenraum ausgebildet, in dessen ein Ende eine röhrenförmige keramische
Hülse 14 eingesetzt
ist, die wiederum ein keramisches flaches plattenförmiges Glühsensorelement 16 trägt.
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Der
Metallmantel 12 kann aus Stahl bestehen und enthält Innengewinde 18 und
ein hexagonales Ende 20, um den Glühsensor in eine herkömmliche
Glühkerzenöffnung im
Zylinderkopf eines Dieselmotors zu schrauben.
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Eine
konische Schulter 22 kann vorgesehen sein, um den Metallmantel
gegen einen Sitz in der Glühkerzenöffnung des
Motors aufsitzen zu lassen. Der Mantel 12 ist im Wesentlichen
röhrenförmig und weist
eine Senkung 24 auf, die sich durch ein äußeres Ende 26 des
Mantels öffnet
und innen in einem konischen Sitz 28 endet, an den eine
Dichtung 30 wie zum Beispiel eine Kupferunterlegscheibe
oder dergleichen aufgesetzt wird.
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Die
keramische Hülse 14 ist
innerhalb der Senkung 24 aufgenommen und hat ein konische
Ende, das an der Dichtung 30 angreift. Das äußere Ende 26 des
Mantels ist umgefalzt bzw. gebördelt, um
die keramische Hülse 14 an
Ort und Stelle festzuhalten und darauf eine axiale Kraft auszuüben, die die
Dichtung 30 komprimiert, um eine Verbrennungsdichtung an
der Grenzfläche
zu schaffen.
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Das
flache plattenförmige
Glühsensorelement 16 wird
innerhalb der keramischen Hülse 14 getragen
und erstreckt sich durch den Metallmantel 12. Zwischenräume zwischen
dem Element 16 und der Hülse 14 und zwischen
dem Element 16 und dem Mantel 12 sind mit einer
elektrischen Isolierung 32 in Form eines Glas- oder Keramikpulvers
oder einer Zementdichtung gefüllt,
die eine zusätzliche
strukturelle Abstützung
für das
keramische Element 16 schafft, um eine Störung aufgrund
einer Vibration des Elements innerhalb des Mantels und der Hülse zu verhindern.
Eine metallische Unterlegscheibe 34 ist auf ein inneres
Ende 36 des Mantels geschweißt, um die das Element 16 innerhalb
des Mantels 12 umgebende elektrische Isolierung festzuhalten.
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Das
Glühsensorelement 16 ist
aus einer keramischen flachen Platte 38 aufgebaut, die
sich zwischen einem inneren und äußeren Ende 40 bzw. 42 des
Glühsensorelements
erstreckt und eine erste und zweite gegenüberliegende Seite 44 bzw. 46 und benachbarte
laterale Ränder 48 aufweist.
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Auf
der ersten Seite 44 der Platte ist ein elektrisches Heizelement 50 ausgebildet.
Das Element 50 verbindet mit einem ersten und zweiten Leiter 52 bzw. 54,
die von den Enden des Heizelements zum äußeren Ende 42 der
flachen Platte 38 verlaufen. Das Heizelement 50 befindet
sich auf der flachen Platte nahe ihrem inneren Ende 40 und
bildet eine Glühspitze
am inneren Ende des Glühsensorelements.
Das Heizelement 50 und die Leiter 52, 54,
die mit ihm verbunden sind, bestehen vorzugsweise aus Platin (Pt)
oder Palladium (Pd), durch Drucken auf die erste Seite 44 der
flachen Platte 38 als Tinte aufgetragen wird.
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In ähnlicher
Weise wird leitfähige
Tinte wie zum Beispiel Platin oder Palladium auf die zweite Seite 46 der
flachen Platte wie in 6 aufgebracht. Die leitfähige Tinte
wird dem äußeren Ende 40 der flachen
Platte benachbart gedruckt, was eine freigelegte Ionensensorelektrode 56 schafft,
die durch einen einzigen Leiter 58 mit dem gegenüberliegenden äußeren Ende 42 der
flachen Platte 38 verbunden wird. Auf beiden Seiten der
flachen Platte 38 wird eine schützende Beschichtung einer Keramik 60 aufgebracht,
die das Heizelement und dessen Leiter und den Leiter für die Ionensensorelektrode 56 bedeckt, um
sie vor Beaufschlagung mit und Korrosion durch Verbrennungsgase
zu schützen.
Die Ionensensorelektrode 56 lässt man jedoch freigelegt,
wie es für ihre
Funktion notwendig ist, und die Leiter 52, 54, 58 sind
am äußeren Ende
der flachen Platte für
eine Verbindung mit separaten, nicht dargestellten Anschlüssen freigelegt.
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Die
Merkmale des soweit beschriebenen Glühsensors 10 sind im
Wesentlichen gleich jenen der im Folgenden zu beschreibenden zweiten
Ausführungsform.
Demgemäß werden
für gleiche
Teile gleiche Ziffern genutzt. Der Sensor 10 ist jedoch
in der Weise einzigartig, in der das Glühsensor element ausgebildet
ist, um für
dessen Halterung innerhalb der Hülse 14 und
des Mantels 12 zu sorgen.
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Im
Glühsensor 10 werden
die keramische flache Platte 38 und das resultierende Glühsensorelement 16 mit
einer im Wesentlichen konstanten Dicke über die gesamte Länge des
Elements gehalten. Um das Element innerhalb des Mantels festzuhalten, ist
folglich die flache Platte mit lateralen Rändern versehen, die dem äußeren Ende 42 des
Glühsensorelements 16 benachbart
einen auswärts
gestuften Abschnitt 62 aufweisen. Der gestufte Abschnitt
weist gewinkelte Auflager 64 auf, die an einem inneren
ringförmigen
Sitz 66 angreifen, der innerhalb der keramischen Hülse 14 ausgebildet
ist und verhindert, dass sich das Glühsensorelement 16 innerhalb
der Hülse 14 und
des zugeordneten metallischen Mantels 12 weiter einwärts bewegt.
Die elektrische Isolierung 32 aus Keramik oder Glas, die
das Glühsensorelement 16 umgibt,
wenn es innerhalb der Hülse
und des Mantels installiert ist, verhindert, dass es aus diesen zusammengebauten
Elementen zurückgezogen wird,
wie es das Falzen bzw. Bördeln
des äußeren Endes 26 des
Mantels gegen die Hülse
tut.
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Bezugnehmend
nun auf 7–12 wird eine
zweite Ausführungsform
eines als Ganzes durch Bezugsziffer 70 bezeichneten Glühsensors
dargestellt. Der Sensor 70 ist in großen Teilen der ersten beschriebenen
Ausführungsform
des Glühsensors 10 ähnlich,
so dass gleiche Ziffern für
gleiche Teile verwendet werden. Der Aufbau des Glühsensors 70 unterscheidet
sich in einer Hinsicht insofern, als der Mantel 72 und
das Glühsensorelement 74 für eine Installation
der Anordnung in einen Dieselmotor mit Direkteinspritzung wie in 1 gezeigt
länger
ausgebildet sind. Diese Elemente könnten jedoch mit einer Länge ähnlich jener
des Glühsensors 10 für eine Installation
innerhalb eines Motors mit indirekter Einspritzung wie in 2 gezeigt
ausgebildet sein.
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Ein
signifikanter Unterschied im Aufbau der zweiten Ausführungsform
eines Glühsensors 70 besteht
darin, dass das Glühsensorelement 74 durch den
Zusatz keramischer Schultern oder Platten 76 modifiziert
ist, die auf die erste und zweite Seite der keramischen flachen
Platte 78 und über
die keramische Beschichtung 60 laminiert sind, die die
auf die erste und zweite Seite 44, 46, der Platte
gedruckten Leiter schützt.
Diese Schultern 76 werden innerhalb einer Aussparung in
der keramischen Hülse 80 aufgenommen
und dienen dazu, das Glühsensorelement 74 von
einer Bewegung aus dessen fixierter Position innerhalb des Mantels 72 weiter
einwärts
abzuhalten. Dieser Aufbau ermöglicht,
dass die flache Platte vereinfacht wird, indem der gestufte Abschnitt eliminiert
wird und laterale Ränder 82 vorgesehen werden,
die linear sind und somit mit einem einzigen geraden Schnitt aus
einem flachen Blech geschnitten werden können, wodurch die Herstellung
flacher Platten für
Glühsensorelemente
effizienter und kostengünstiger
gemacht wird.
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Wie
in der ersten Ausführungsform
beschrieben ist in Zwischenräume
zwischen dem Glühsensorelement 74 und
der umgebenden Hülse 80 und
dem metallischen Mantel 72 keramisches oder glasartiges elektrisches
Isolierungspulver oder Zement 32 gefüllt, um das Glühsensorelement
innerhalb des Mantels fixiert zu halten. Anders gesagt ist der Aufbau des
Glühsensorelements 70 im
Wesentlichen der gleiche wie derjenige des Glühsensors 10. Wie in
den Ansprüchen
verwendet soll der Ausdruck "Brennkammer" eine Vorkammer oder
Kammer zur Vorverbrennung innerhalb ihres Umfangs einschließen.
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Die
Erfindung soll nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein,
sondern den vollen Umfang haben, der durch die Formulierung der folgenden
Ansprüche
zugelassen wird.