Title:
Sparkplug for internal combustion engine, has pressure sensor with piezoelectric unit, which is arranged between insulator and housing and includes contact unit that is guided between insulator and housing and arranged in insulator
Kind Code:
A1


Abstract:
The sparkplug (1) has a housing (3) connected with an insulator (2) and including a fixing region for fixing the sparkplug in an internal combustion engine. A pressure sensor with a piezoelectric unit (7) is provided, and the piezoelectric unit is in contact with the insulator and is arranged between the insulator and the housing. An electrical contact unit of the piezoelectric unit is guided between the insulator and the housing and arranged in the insulator. The piezoelectric unit is formed in a ring shape.



Inventors:
Kassner, Uwe (Möglingen, 71696, DE)
Scholz, Dirk (Stuttgart, 70378, DE)
Becker, Uwe (München, 80796, DE)
Application Number:
DE102005062881
Publication Date:
07/05/2007
Filing Date:
12/29/2005
Assignee:
Robert Bosch GmbH (Stuttgart, 70469, DE)



Claims:
1. Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine, umfassend einen Isolator (2), ein mit dem Isolator (2) verbundenes Gehäuse (3) mit einem Fixierbereich (5) zum Fixieren der Zündkerze an der Verbrennungskraftmaschine, und einem Drucksensor mit einem Piezoelement (7), wobei sich das Piezoelement (7) mit dem Isolator (2) im Kontakt befindet und das Piezoelement (7) zwischen dem Isolator (2) und dem Gehäuse (3) angeordnet ist und ein elektrisches Kontaktelement (9) des Piezoelements (7) zwischen dem Isolator (2) und dem Gehäuse (3) geführt ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Kontaktelement (9) des Piezoelements (7) am Isolator (2) angeordnet ist.

3. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Kontaktelement (9) an einem von außen zugänglichen Bereich des Isolators (2) einen im Wesentlichen ringförmigen Kontaktbereich (9c) umfasst.

4. Zündkerze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Kontaktelement (9) des Piezoelements (7) eine auf den Isolator (2) aufgedruckte Leiterbahn ist.

5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgedruckte Leiterbahn eine Schutzschicht, insbesondere eine Glasurschicht, aufweist.

6. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Kontaktelement (9) mit einem Kontakt an einem auf die Zündkerze aufgesteckten Zündkerzenstecker in Verbindung ist.

7. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7) ringförmig ausgebildet ist und das elektrische Kontaktelement (9) für einen Kontakt mit dem Piezoelement (7) einen ersten ringförmigen Bereich (9a) umfasst.

8. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Federelement (8), um eine Vorspannkraft auf das Piezoelement (7) auszuüben.

9. Zünderkerze nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Kontaktierung des Piezoelements (7) über das Federelement (8) und das Gehäuse (3) erfolgt.

10. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (7) an einem sich verjüngenden Bereich (2a) des Isolators (2) angeordnet ist.

Description:
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zündkerzen für Verbrennungskraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. In jüngster Zeit werden zur Optimierung der Funktion moderner Verbrennungskraftmaschinen hinsichtlich Wirkungsgrad, Laufruhe und Schadstoffemission verbrennungsrelevante Parameter beim laufenden Betrieb erfasst. Hierbei wird es immer wichtiger, nicht nur allgemeine Informationen über den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zu erhalten, sondern gezielte Informationen aus jedem einzelnem Zylinder. Dies würde jedoch zu einer Vielzahl von Sensoren führen. Von daher wurde in der EP 0 581 067 B1 vorgeschlagen, einen Drucksensor in eine Zündkerze zu integrieren, um Druckinformationen aus einem Zylinder zu erhalten. Zur Aufnahme von Schwingungen weist der Drucksensor ein Piezoelement auf, so dass beispielsweise ein Klopfen eines einzelnen Zylinders sicher erfasst werden kann. Der Drucksensor ist dabei jedoch außerhalb des Gehäuses auf eine Standardzündkerze aufgesetzt. Auch bei der aus der DE 102 27 371 A1 bekannten Zündkerze ist ein Drucksensor mittels eines Halters außerhalb der Zündkerze angeordnet. Durch die bekannten Anordnungen eines Drucksensors außerhalb einer Zündkerze wird jedoch ein notwendiger Bauraum für die Zündkerze vergrößert. Da in jüngster Zeit jedoch vermehr Verbrennungskraftmaschinen mit einer Vielzahl von Ein- und Auslässen sowie mit Direkteinspritzung verwendet werden, ist ein vorhandener Bauraum für eine Zündkerze an einem Zylinder limitiert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündkerze für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie ein integriertes Piezoelement umfasst, ohne dass dabei ein notwendiger Bauraum für die Zündkerze vergrößert werden muss. Somit kann erfindungsgemäß eine Druckmessung durchgeführt werden, ohne dass ein einzelner separater Drucksensor an der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen werden muss. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass ein Piezoelement zwischen einem Isolator und einem Gehäuse der Zündkerze angeordnet ist. Das Gehäuse der Zündkerze ist dabei an einem zum Brennraum gerichteten Teil der Zündkerze angeordnet und umfasst einen Fixierbereich zum Fixieren der Zündkerze an der Verbrennungskraftmaschine. Ferner ist erfindungsgemäß ein elektrisches Kontaktelement des Piezoelements zwischen der Isolation und dem Gehäuse zur Außenseite der Zündkerze geführt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung werden beispielsweise Druckwellen o.Ä. über den Isolator zum Piezoelement geführt, wobei die Zündkerze über das Gehäuse fest an der Verbrennungskraftmaschine gehalten ist. Die erfindungsgemäße Ausbildung der Zündkerze macht es möglich, dass äußere Abmessungen der Zündkerze nicht verändert werden müssen. Das Piezoelement ist dabei in einem Hohlraum zwischen dem Isolator und dem Gehäuse angeordnet.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Vorzugsweise ist das elektrische Kontaktelement des Piezoelements am Isolator angeordnet bzw. in diesen integriert.

Um einen möglichst einfachen Abgriff eines Signals des Piezoelements zu ermöglichen, weist das elektrische Kontaktelement des Piezoelements an einem vom Gehäuse nicht überdeckten, außenseitigen Bereich des Isolators eine ringförmig ausgebildete Kontaktstelle auf. Die ringförmige Kontaktstelle läuft dabei um den gesamten Umfang des Isolators, so dass ein Signal an einer beliebigen Stelle abgenommen werden kann. Diese Maßnahme ermöglicht es, dass beispielsweise für Verbrennungskraftmaschinen verschiedener Hersteller jeweils eine gleiche Zündkerze verwendet werden kann, wobei ein Signalabgriff entsprechend den bauraumlichen Vorgaben des Herstellers an unterschiedlichen Stellen erfolgen kann. Dadurch können erfindungsgemäß standardisierte Zündkerzen bereitgestellt werden, welche verschiedenste Anforderungen unterschiedlicher Hersteller erfüllen können.

Um die erfindungsgemäße Zündkerze besonders kostengünstig bereitstellen zu können, ist das elektrische Kontaktelement des Piezoelements vorzugsweise eine auf den Isolator aufgedruckte Leiterbahn. Die aufgedruckte Leiterbahn weist dabei besonders bevorzugt eine Schutzschicht auf. Die Schutzschicht ist beispielsweise eine Glasurschicht, welche zusätzlich noch isolierende Eigenschaften aufweist.

Besonders bevorzugt umfasst ein Zündkerzenstecker, welcher für einen Kontakt mit einem elektrischen Anschlussmittel der Zündkerze auf die Zündkerze aufsteckbar ist, einen weiteren Kontakt, um eine Kontaktierung mit dem elektrischen Kontaktelement des Piezoelements zu ermöglichen. Hierdurch kann in einem bereits zur Kontaktierung der Zündkerze verwendeten Zündkerzenstecker ein zusätzlicher Kontakt für das Piezoelement integriert werden, so dass keine separate Leitung o.Ä. für das Piezoelement notwendig ist. Insbesondere bei Vorsehen der ringförmigen Kontaktstelle kann durch einfaches Aufsetzen des Zündkerzensteckers eine elektrische Kontaktierung des Piezoelements ermöglicht werden.

Weiter bevorzugt ist das Piezoelement ringförmig ausgebildet und das Kontaktelement des Piezoelements weist ferner einen zweiten ringförmigen Kontaktbereich auf, welcher mit dem ringförmigen Piezoelement in Kontakt ist.

Um eine Vorspannung auf das Piezoelement ausüben zu können, ist vorzugsweise ein Federelement vorgesehen, wobei das Federelement benachbart zum Piezoelement zwischen der Isolation und dem Gehäuse der Zündkerze angeordnet ist.

Weiter bevorzugt erfolgt eine weitere elektrische Kontaktierung des Piezoelements über das Federelement und das Gehäuse. Dadurch kann auf einfache Weise eine Spannungsänderung über dem Piezoelement zwischen dem elektrischen Kontaktelement und dem Gehäuse abgenommen werden.

Besonders bevorzugt ist das Piezoelement an einem sich verjüngenden Bereich des Isolators angeordnet. Der sich verjüngende Bereich bildet dabei eine Abstützfläche für das Piezoelement. Zur Aufnahme eines Signals des Piezoelements ist das elektrische Kontaktelement ebenfalls am sich verjüngenden Bereich angeordnet.

Zeichnung

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Zündkerze gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

2 eine schematische Schnittansicht der in 1 gezeigten Zündkerze in einer von einer Mittelebene der Zündkerze versetzten Ebene,

3 eine vergrößerte Teilansicht von 2 und

4 eine schematische Ansicht des elektrischen Kontaktelements des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Ausführungsbeispiel einer Zündkerze 1 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Wie in 1 gezeigt, umfasst die Zündkerze einen Isolator 2 und ein aus einem Metall hergestelltes Gehäuse 3. Das Gehäuse 3 ist im zum Brennraum gerichteten Bereich der Zündkerze 1 angeordnet und umfasst in bekannter Weise einen Werkzeugangriffsbereich 4 (Sechskant) sowie ein Gewinde 5 zur Befestigung der Zündkerze in einem Motorblock. Am brennraumseitigen Ende der Zündkerze ist eine Mittelelektrode 12 und eine Massenelektrode 13 zugeordnet. Das Bezugszeichen 14 bezeichnet einen elektrischen Anschluss der Zündkerze. Ein nicht dargestellter Zündkerzenstecker wird über den elektrischen Anschluss 14 ausgesteckt oder aufgeschraubt.

Wie insbesondere aus den 2 und 3 ersichtlich ist, ist im Inneren der Zündkerze zwischen dem Isolator 2 und dem Gehäuse 3 ein Hohlraum 6 gebildet. Wie aus 3 ersichtlich ist, verläuft der Hohlraum ringförmig um den Isolator 2 und ist in Axialrichtung X–X der Zündkerze 1 zwischen einem sich verjüngenden Bereich 2a des Isolators 2 und einem sich verjüngenden Bereich 3a des Gehäuses 3 angeordnet. Der Hohlraum 6 liegt dabei ringförmig zwischen dem Isolator 2 und der Innenfläche des Gehäuses 3.

Der sich verjüngende Bereich 2a des Isolators 2 und der sich verjüngende Bereich 3a des Gehäuses 3 sind somit in Axialrichtung X–X der Zündkerze versetzt zueinander angeordnet. Dadurch entsteht ein im Schnitt im Wesentlichen parallelogrammartig ausgebildeter, ringförmiger Hohlraum 6.

In diesen Hohlraum 6 ist ein ringförmiges Piezoelement 7 sowie ein ringförmiges Federelement 8 zur Vorspannung des Piezoelements 7 angeordnet. Das Federelement 8 stützt sich dabei am sich verjüngenden Bereich 3a des Gehäuses 3 ab. Das Piezoelement 7 wird durch das Federelement 8 gegen den sich verjüngenden Bereich 2a des Isolators 2 vorgespannt.

Wie insbesondere in 4 gezeigt, ist am Isolator 2 ein elektrisches Anschlusselement 9 angeordnet. Das elektrische Anschlusselement 9 ist eine auf den Isolator 2 aufgedruckte Leiterbahn. Das elektrische Anschlusselement 9 umfasst dabei einen ersten ringförmigen Bereich 9a, einen zweiten ringförmigen Bereich 9c und einen den ersten und zweiten ringförmigen Bereich 9a, 9c verbindenden Verbindungsbereich 9b. Der Verbindungsbereich 9b ist in diesem Ausführungsbeispiel eine parallel zur Mittelachse X–X der Zündkerze 1 angeordnete, gerade Leiterbahn. Der erste ringförmige Bereich 9a ist am sich verjüngenden Bereich 2a des Isolators 2 angeordnet und befindet sich mit dem Piezoelement 7 in Kontakt, um vom Piezoelement 7 abgegebene Signale aufzunehmen. Der zweite ringförmige Bereich 9c ist an einer nicht vom Gehäuse 3 bedeckten, freien Fläche des Isolators 2 angeordnet und stellt einen Kontaktbereich für eine Kontaktierung mit einem im Zündkerzenstecker angeordneten Kontakt bereit. Da der zweite ringförmige Bereich 9c um den gesamten Außenumfang des Isolators 2 herum verläuft, kann das vom Piezoelement 7 erzeugte Signal an einer beliebigen Stelle abgenommen werden. Dies ermöglicht es, dass eine standardisierte Zündkerze mit integriertem Piezoelement 7 für verschiedene Verbrennungskraftmaschinen unterschiedlicher Hersteller verwendet werden kann, da ein Signalabgriff an einer beliebigen Stelle am Isolator 2 erfolgen kann. Es sei angemerkt, dass selbstverständlich an Stelle des zweiten ringförmigen Bereichs 9c auch ein anders geformter Kontaktbereich des Anschlusselements 9 vorgesehen sein kann, welcher auch an einer weiter in Richtung des elektrischen Anschlusses 14liegenden Endes des Isolators 2 angeordnet sein kann. Eine Spannungsänderung im Piezoelement 7 kann dann über das Federelement 8 und das metallische Gehäuse 3 sowie das elektrische Anschlusselement 9 erfolgen.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Zündkerze 1 mit integriertem Drucksensor ist dabei wie folgt. Wenn im Verbrennungsraum Variationen des Brennraumdrucks auftreten, wirken diese direkt auf den Isolator 2 ein. Daraus resultieren minimale Schwankungen einer Position des Isolators 2 relativ zum Gehäuse 3. Diese Schwankungen werden durch das Piezoelement 7 zwischen dem Isolator 2 und dem Gehäuse 3 erfasst, wobei das Piezoelement selbst Längenänderungen erfährt. Dadurch werden entsprechende Signale generiert, welche über das elektrische Einschlusselement 9 an der Oberseite des Piezoelements und über das Federelement 7 und das Gehäuse 3 als Spannungssignal abgegriffen werden können.

Die erfindungsgemäße Zündkerze 1 weist dabei die üblichen Außenabmessungen auf, so dass durch die Integration des Drucksensors im Hohlraum 6 kein zusätzlicher Bauraum notwendig ist. Da jedem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine wenigstens eine Zündkerze zugeordnet ist, kann erfindungsgemäß eine individuelle Druckmessung jedes Brennraums erfolgen.

Die Oberseite des Piezoelements 7 ist somit über das elektrische Anschlusselement 9 kontaktiert und die Unterseite des Piezoelements ist über das Federelement 8 und das metallische Gehäuse 3 kontaktiert. Dadurch kann ein Spannungssignalabgriff am Gehäuse 3 und am zweiten ringförmigen Bereich 9c erfolgen und einem Steuergerät zugeführt werden.

Zur Montage der Zündkerze wird der Isolator 2, auf welchen das elektrische Kontaktelement 9 aufgedruckt wurde, zusammen mit dem Federelement 8 und dem Piezoelement 7 in das Gehäuse 3 eingeführt. Ein Bördel- und Schrumpfprozess erzeugt eine Einspannkraft zwischen dem Isolator und dem Gehäuse. Dadurch wird eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen dem aus unterschiedlichen Materialien hergestellten Isolator 2 (Keramik) und dem Gehäuse 3 (Metall) bei üblichen Betriebstemperaturen im Motor ausgeglichen. Somit kann eine Gasdichtheit der Zündkerze auch im heißen Betriebszustand sichergestellt werden.

Da, wie aus 3 ersichtlich ist, die Stauch- und Warmschrumpfzone in Axialrichtung der Zündkerze über dem Piezoelement 7 in Richtung des elektrischen Einschlusses 14 angeordnet ist, ist eine Gefahr einer Beschädigung des Piezoelements deutlich reduziert.

Die erfindungsgemäße Zündkerze 1 umfasst damit einen integrierten Drucksensor, ohne dass äußere Abmessungen und damit ein notwendiger Bauraum der Zündkerze verändert wurde. Obwohl der Drucksensor zwischen den Isolator 2 und dem Gehäuse 3 im Inneren der Zündkerze angeordnet ist, kann ein Signalabgriff auf einfache Weise an den Außenseiten der Zündkerze erfolgen. Die erfindungsgemäße Zündkerze mit integriertem Drucksensor kann dabei weiterhin besonders einfach und kostengünstig bereitgestellt werden.