Title:
Spark plug for use in internal-combustion engine, has thermal sensor for detecting temperature and arranged at combustion chamber-side end, where end region of thermal sensor is arranged at plug in exposed manner
Kind Code:
A1


Abstract:
The plug (1) has a thermal sensor (7) arranged at a combustion chamber-side end. An end region (7a) of the thermal sensor is arranged at the plug in an exposed manner, where the thermal sensor detects temperature. The thermal sensor is arranged adjacent to an earth electrode (2). The end region of the thermal sensor has a chrome containing layer (9) and a protective layer (10) applied on the chrome containing layer. The chrome containing layer is produced from pure chrome or a conductive chromium oxide, and the protective layer is a carbon containing layer i.e. C2-carbon layer. An independent claim is also included for an internal-combustion engine comprising a combustion chamber and a control unit.



Inventors:
Christ, Ansgar (Sindelfingen, 71069, DE)
Heidinger, Thorsten (Wimsheim, 71299, DE)
Application Number:
DE102008044241
Publication Date:
06/02/2010
Filing Date:
12/01/2008
Assignee:
Robert Bosch GmbH (Stuttgart, 70469, DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE4010609C2N/A



Claims:
1. Zündkerze, umfassend
– eine Masseelektrode (2),
– eine Mittelelektrode (3), und
– einen Thermosensor (7) zur Erfassung einer Temperatur,
– wobei der Thermosensor (7) an einem brennraumseitigen Ende der Zündkerze angeordnet ist und wobei ein Endbereich (7a) des Thermosensors (7) freiliegend an der Zündkerze angeordnet ist.

2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermosensor benachbart zu einer Masseelektrode (2) angeordnet ist oder in die Masseelektrode (2) integriert ist.

3. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermosensor (7) gegenüber der Masseelektrode (2) angeordnet ist.

4. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (7a) des Thermosensors eine Chrom enthaltende Schicht (9) und eine auf der Chrom enthaltenden Schicht (9) aufgebrachte Schutzschicht (10) aufweist.

5. Zündkerze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Chrom enthaltende Schicht (9) aus reinem Chrom oder aus einem leitfähigen Chromoxid hergestellt ist.

6. Zündkerze nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (10) eine Kohlenstoff enthaltende Schicht ist und insbesondere eine C2-Kohlenstoffschicht ist.

7. Zündkerze nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (10) eine Stirnseite des Endbereichs (7a) des Thermosensors (7) und einen seitlichen Mantelbereich (9a) der Chrom enthaltenden Schicht (9) überdeckt.

8. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermosensor (7) in einem Gehäuse (4) der Zündkerze (1) angeordnet ist.

9. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Chrom enthaltende Schicht (9) eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 10 μm aufweist und/oder die Schutzschicht (10) eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 10 μm aufweist.

10. Zündkerze nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Chrom enthaltende Schicht (9) gleich ist wie eine Schichtdicke der Schutzschicht (10).

11. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich (7a) des Thermosensors (7) in Axialrichtung (X-X) der Zündkerze gleich weit oder weniger weit von einer Zündkerzengrundebene (20) vorsteht, wie die Masseelektrode (2).

12. Brennkraftmaschine, umfassend eine Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einen Brennraum (19) und eine Steuerungseinheit (17), wobei die Steuerungseinheit (17) mit dem Thermosensor (7) verbunden ist und die Steuerungseinheit (17) ausgelegt ist, die Brennkraftmaschine basierend auf den von den Thermosensor (7) übermittelten Werten zu steuern.

13. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (17) aus den von dem Thermosensor (7) empfangenen Werten Druckwerte im Brennraum (19) berechnet und die Brennkraftmaschine basierend auf den berechneten Druckwerten steuert.

14. Brennkraftmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (17), basierend auf den von Thermosensor (7) empfangenen Werten einen Zündzeitpunkt und/oder einen Einspritzzeitpunkt und/oder eine Einspritzlänge und/oder einen Öffnungszeitpunkt von Ventilen und/oder einen Schließzeitpunkt von Ventilen und/oder eine Luftzumischung und/oder eine interne oder externe Abgasrückführung ändert.

Description:
Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zündkerze mit einem integrierten Thermosensor sowie eine Brennkraftmaschine mit einer derartigen Zündkerze.

Zündkerzen für Brennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Beispielsweise zeigt die DE 40 10 609 C2 eine Zündkerze mit einem Temperatursensor und einem Drucksensor. Der Temperatursensor ist dabei in einer von einer vom Brennraum abgewandten Seite ausgeführten Bohrung in der Mittelelektrode angeordnet. Der Drucksensor ist seitlich an der Zündkerze angeordnet. Der Temperatursensor dient dabei der Erfassung einer Temperatur der Mittelelektrode, um Temperaturschwankungen der Mittelelektrode zu erfassen. Hierbei können die auftretenden Temperaturänderungen in der Mittelelektrode nur langsam erfasst werden. Exakte Messungen der Temperaturverhältnisse direkt im Brennraum sind nicht möglich. Um eine möglichst optimale Steuerung einer Brennkraftmaschine während des Betriebs zu ermöglichen, ist es jedoch notwendig, möglichst exakte Werte verschiedener Parameter im Brennraum zu erhalten, wobei die Werte insbesondere erhalten werden sollten.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündkerze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass sie eine zyklusbasierte Erfassung von Parametern im Brennraum der Brennkraftmaschine ermöglicht. Dabei ist die erfindungsgemäße Zündkerze trotzdem sehr kompakt und kostengünstig aufgebaut. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Zündkerze einen Thermosensor zur Erfassung einer Temperatur aufweist, wobei der Thermosensor an einem brennraumseitigen Ende der Zündkerze angeordnet ist. Ein Endbereich des Thermosensors ist dabei freiliegend an der Zündkerze angeordnet. Hierdurch ist der freiliegende Endbereich des Thermosensors im eingebauten Zustand im Brennraum befindlich, so dass er unmittelbar Messdaten aus dem Brennraum aufnehmen kann. Der Thermosensor ist dabei derart ausgebildet, dass er die Temperaturwerte sehr schnell erfassen kann, so dass eine zyklusaufgelöste Analyse von Abläufen im Brennraum ausgeführt werden kann. Durch den in den Brennraum vorstehenden Thermosensor ist es somit insbesondere auch bei kleinbauenden Brennkraftmaschinen mit kleinem Hubraum möglich, direkt Parameter aus dem Brennraum zu erfassen. Durch die erfindungsgemäße freiliegende und vorstehende Anordnung des Thermosensors können insbesondere unerwünschte Abweichungen bei der Werteerfassung, wie sie beispielsweise bei Sensoren vorkommen, welche an einer Brennraumwand angeordnet sind, vermieden werden. Somit können erfindungsgemäß zyklusgerechte, exakte Werte bestimmt werden und für eine Steuerung der Brennkraftmaschine verwendet werden.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Besonders bevorzugt ist der Thermosensor benachbart zur Masseelektrode angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass der Thermosensor einen exakten Wert für eine Temperatur bei einem Zündvorgang liefert. Alternativ ist der Thermosensor gegenüber der Masseelektrode angeordnet. Hierdurch ist es möglich, dass eine Temperatur über den Brennverlauf erfasst werden kann.

Weiter bevorzugt ist der Thermosensor der Zündkerze derart ausgebildet, dass an einem Endbereich des Thermosensors eine Chrom enthaltende Schicht angeordnet ist und auf der Chrom enthaltenden Schicht eine darauf aufgebrachte Schutzschicht angeordnet ist. Der Thermosensor ist dabei derart aufgebaut, dass die Chrom enthaltende Schicht anstelle eines Thermopaares verwendet wird und die beiden Thermoleitungen über die Chrom enthaltende Schicht verbunden sind. Die Schutzschicht schützt dabei die Chrom enthaltende Schicht während des Betriebs der Brennkraftmaschine. Durch diesen Aufbau ist es möglich, dass der Thermosensor Temperaturen sehr schnell und genau aufnehmen kann.

Alternativ kann statt der Chrom enthaltenden Schicht auch eine Nickel oder Platin enthaltende Schicht verwendet werden.

Besonders bevorzugt ist die Chrom enthaltende Schicht aus reinem Chrom hergestellt. Alternativ ist die Chrom enthaltende Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Chromoxid hergestellt.

Weiter bevorzugt ist die Schutzschicht eine Kohlenstoff enthaltende Schicht und insbesondere eine C2-Kohlenstoff enthaltende Schicht (amorphe Kohlenstoffschicht). Weiter bevorzugt kann die Kohlenstoff enthaltende Schicht auch aus reinem Kohlenstoff sein, z. B. Graphit.

Um einen möglichst vollständigen Schutz der Chrom enthaltenden Schicht sicherzustellen, ist die Schutzschicht an der Stirnseite des Endbereichs des Thermosensors und an seitlichen Mantelbereichen des Endbereichs vorgesehen. Insbesondere überdeckt die Schutzschicht an den seitlichen Mantelbereichen die Chrom enthaltende Schicht, so dass diese vollständig von der Schutzschicht umgeben ist.

Um einen möglichst einfachen und kostengünstigen Aufbau der Zündkerze bereitzustellen, ist der Thermosensor vorzugsweise durch ein Gehäuse der Zündkerze hindurchgeführt. Insbesondere ist der Thermosensor dabei durch eine Bohrung innerhalb eines Zündkerzengewindes hindurchgeführt.

Besonders bevorzugt ist die Chrom enthaltende Schicht derart ausgebildet, dass sie eine Schichtdicke zwischen 0,1 bis 10 μm, insbesondere 2 μm, aufweist. Weiter bevorzugt weist die Schutzschicht eine Schichtdicke zwischen 0,1 bis 10 μm, und insbesondere 2 μm, auf. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind eine Schichtdicke der Chrom enthaltenden Schicht und eine Schichtdicke der Schutzschicht gleich. Hierdurch kann ein besonders kurz bauender Endbereich mit hervorragenden Sensoreigenschaften bereitgestellt werden.

Weiter bevorzugt ist der Endbereich des Thermosensors zylindrisch ausgebildet, wobei die Chrom enthaltende Schicht und die Schutzschicht senkrecht zur Axialrichtung des zylindrischen Endbereichs ausgerichtet sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Endbereich des Thermosensors in Axialrichtung der Zündkerze derart ausgebildet, dass ein äußerster Punkt des Endbereichs gleich weit oder weniger weit von einer Zündkerzen-Grundebene vorsteht, wie die Masseelektrode. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der von der Zündkerzen-Grundebene vorstehende Endbereich des Thermosensors nicht zu weit in den Brennraum vorsteht und hierbei störende Einflüsse auf das Brennverhalten, die Zündung oder das Einspritzverhalten ausübt, oder die Gefahr einer Berührung mit dem Kolben besteht.

Weiter bevorzugt betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemäßen Zündkerze. Die Brennkraftmaschine weist neben einem Brennraum auch eine Steuerungseinheit auf, um die Brennkraftmaschine zu steuern. Erfindungsgemäß wird unter dem Begriff ”Steuerungseinheit” dabei eine Einheit verstanden, welche sowohl Steuerungs- als auch Regelvorgänge durchführen kann. Insbesondere kann die Steuerungseinheit dabei eine Änderung einer Einspritzung, eine Änderung von Ventilöffnungs- und Schließzeiten, eine Änderung eines Zündzeitpunkts usw. ausführen. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist dabei derart vorgesehen, dass die Steuerungseinheit mit dem Thermosensor an der Zündkerze verbunden ist und die Steuerungseinheit ausgelegt ist, die Brennkraftmaschine, basierend auf den von dem Thermosensor übermittelten Werten zu steuern. Hierdurch kann eine zyklusgenaue Steuerung der Brennkraftmaschine ausgeführt werden, da der Thermosensor hochaufgelöste Signale der Brennkraftmaschine bereitstellt. Somit kann durch den schnellen Thermosensor eine hervorragende innermotorische Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine ermöglicht werden. Dabei muss an der Brennkraftmaschine kein zusätzlicher Einbauraum für den Thermosensor vorgesehen werden, da der Thermosensor integraler Bestandteil der Zündkerze ist.

Besonders bevorzugt steuert die Steuerungseinheit die Brennkraftmaschine dabei basierend auf Druckwerten, welche die Steuerungseinheit aus den vom Temperatursensor empfangenen Temperaturwerten berechnet. Hierbei wurde von den Erfindern festgestellt, dass sich die Druckwerte im Wesentlichen analog zu den Temperaturwerten im Brennraum verhalten, d. h., die wesentlichen Merkmale des Brennraumdrucksignals lassen sich auch analog im Temperatursignal finden. Da für die Steuerung der Brennkraftmaschine jedoch möglichst exakte Druckverhältnisse im Brennraum wichtiger sind als Temperaturverläufe im Brennraum, kann somit eine verbesserte Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine ermöglicht werden.

Zeichnung

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

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

2 eine schematische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Zündkerze,

3 eine Draufsicht auf eine geschliffene Oberfläche der Zündkerze ohne aufgebrachte Beschichtungen.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 eine Zündkerze 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.

Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Zündkerze generell in bekannter Weise aufgebaut und umfasst eine Masseelektrode 2, eine Mittelelektrode 3, einen Mantel 4 und ein am Mantel vorgesehenes Gehäuse 5 zur Fixierung der Zündkerze 1 in einem Zylinderkopf 16. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Zündkerze 1 einen Thermosensor 7, welcher in einer Bohrung 6 in der Zündkerze angeordnet ist. Die Bohrung 6 ist dabei im Mantel 4 der Zündkerze ausgebildet.

Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist der Thermosensor 7 über eine Verbindungsleitung 18 mit einer Steuereinheit 17 verbunden. Die Steuereinheit 17 empfängt Signale des Thermosensors und steuert bzw. regelt dabei einen Verbrennungsvorgang einer Brennkraftmaschine. In 1 ist ein Brennraum 19 der Brennkraftmaschine schematisch angedeutet.

Wie aus 1 ersichtlich ist, ist dabei eine Länge L1 der Masseelektrode 2, ausgehend von einer Grundebene 20 der Zündkerze etwas länger als eine Länge L2 des freiliegenden Endbereichs 7a des Thermosensors 7. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Thermosensor nicht zu weit in den Brennraum 19 vorsteht und gegebenenfalls eine Kollision mit einem Kolben im Brennraum auftritt.

2 zeigt im Detail der Thermosensor 7. Wie aus 2 ersichtlich ist, umfasst der Thermosensor 7 einen Basiskörper 15, in welchem eine erste Thermoleitung 11 und eine zweite Thermoleitung 12 angeordnet ist. Die erste Thermoleitung 11 umfasst einen ersten Leitungsbereich 11a, welcher aus Nickel hergestellt ist und einen zweiten Leitungsbereich 11b, welcher aus Kupfer hergestellt ist. Die zweite Thermoleitung 12 umfasst einen ersten Leitungsbereich 12a, welcher aus Nickel-Chrom hergestellt ist und einen zweiten Leitungsbereich 12b, welcher aus Kupfer hergestellt ist. Bei beiden Thermoleitungen 11, 12 sind jeweils Vergleichsstellen 13 am Übergang zwischen den ersten und zweiten Leitungsbereichen vorgesehen. Ferner ist ein Messgerät 8 vorgesehen, um eine Spannung an den aus Kupfer hergestellten zweiten Leitungsbereichen 11b, 12b zu erfassen. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist im Unterschied zu den bekannten Thermosensoren beim erfindungsgemäßen Thermosensor das Thermopaar, bestehend aus den ersten Leitungsbereichen 11a und 12a, nicht miteinander verschweißt. Stattdessen ist bei dem erfindungsgemäßen Thermosensor eine Chrom enthaltende Schicht 9 am freiliegenden Endbereich des Thermosensors 7 angeordnet. Die Chrom enthaltende Schicht 9 verbindet dabei die beiden Thermoleitungen 11, 12 miteinander. Ferner umfasst der erfindungsgemäße Thermosensor 7 eine Schutzschicht 10, welche über der Chrom enthaltenden Schicht 9 ausgebildet ist. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist eine Dicke der Chrom enthaltenden Schicht 9 dabei gleich wie eine Dicke der Schutzschicht 10, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Dicken jeweils 2 μm betragen. Ferner ist die Schutzschicht 10 derart ausgebildet, dass sie auch einen seitlichen Mantelbereich 9a der Chrom enthaltenden Schicht 9 überdeckt und schützt. Somit liefert der Thermosensor 7 eine Thermospannung, deren Höhe von einer Differenz der Messtemperatur an der Messstelle, welche bei der Chrom enthaltenden Schicht 9 liegt, von der Temperatur an der Vergleichsstelle 13 abhängig ist. Der Thermosensor ist dabei derart in der Zündkerze 1 angeordnet, dass die Vergleichsstelle 13 möglichst im Mantel 4 angeordnet ist, um eine möglichst konstante Temperatur an der Vergleichsstelle 13 zu erhalten.

Wie aus 1 ersichtlich ist, ist das freie Ende 7a des Thermosensors 7 freiliegend und vorstehend von einer Grundebene 20 der Zündkerze 1 angeordnet. Somit ragt der Endbereich 7a in den Brennraum 19. Dadurch kann der Thermosensor 7 direkt Temperaturen im Brennraum 19 aufnehmen. Durch die Verwendung der Chrom enthaltenden Schicht 9 am äußersten Ende des Endbereichs 7a des Thermosensors 7 kann eine sehr schnelle Erfassung der Temperatur im Brennraum ermöglicht werden. Hierbei ist es mit dem erfindungsgemäßen Thermosensor 7 möglich, alle Einflüsse der Verbrennung des Brennraums während eines Zyklus der Brennkraftmaschine zu erfassen. Die erfassten Werte werden dann über die Verbindungsleitung 18 der Steuereinheit 17 zugeführt, welche dann, basierend auf den Werten, eine Steuerung bzw. Regelung der Brennkraftmaschine vornimmt.

Da der Thermosensor 7 in die Zündkerze 1 integriert ist, muss in der Brennkraftmaschine kein separater Raum für einen Temperatursensor vorgesehen werden. Dadurch kann die Erfindung insbesondere auch bei sehr kompakt aufgebauten Motoren mit kleinem Hubraum verwendet werden. Durch die Positionierung des Thermosensors 7 können Einflüsse einer Einspritzung in den Brennraum 19 sowie eines Ladungswechsels erkannt werden und messtechnisch nachgewiesen werden. Insbesondere können hierbei auch Streuungen im Schichtbetrieb oder im Homogenbetrieb erfasst werden und dann mittels der Steuereinheit 17 entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Auch ein Klopfen und Zündaussetzer können mittels des erfindungsgemäßen Thermosensors durch entsprechende Temperaturänderungen im Brennraum 19 erfasst werden. Somit kann die Steuerung 17 sofort in entsprechender Weise reagieren und Parameter der Brennkraftmaschine anpassen, um zustandsgerecht eine optimale Verbrennung zu erreichen.

3 zeigt eine Ansicht des Thermosensors 7 von oben in einem abgeschliffenen Zustand, in welchem die Chrom enthaltende Schicht 9 und die Schutzschicht 10 noch nicht aufgebracht sind. Die beiden Thermoleitungen 11, 12 liegen dabei noch frei und zur Herstellung des erfindungsgemäßen Thermosensors 7 wird in einem ersten Schritt eine mechanische Feinbearbeitung ausgeführt, um eine Oberfläche mit geringster Rautiefe zu erhalten. In einem nächsten Schritt erfolgt dann eine Beschichtung mit einem Chrom enthaltenden Material, um die Funktion des Thermosensors wieder herzustellen. Die Chrom enthaltende Schicht 9 verbindet dabei die beiden Thermoleitungen 11, 12. Zum Schutz der Chrom enthaltenden Schicht 9 wird anschließend eine Schutzschicht 10 aufgebracht, welche Kohlenstoff enthält.

Da die Chrom enthaltende Schicht 9 und die Schutzschicht 10 nur eine sehr geringe Dicke aufweisen, kann eine schnelle Temperaturmessung erfolgen, wobei die Abtastrate des Sensors bis zu 100 kHz beträgt.

Es sei ferner angemerkt, dass alternativ der Thermosensor 7 auch in die Masseelektrode 2 integriert werden könnte, wobei der Thermosensor 7 dann derart in die Masseelektrode 2 integriert werden muss, dass eine Stirnseite des Thermosensors 2 frei zum Brennraum 19 liegt.

Somit kann durch die erfindungsgemäße Zündkerze ohne Bedarf an zusätzlichem Bauraum ein Thermosensor unmittelbar im Brennraum angeordnet werden, um zyklusgerechte Temperaturwerte im Brennraum zu erfassen. Die Steuereinheit 17 kann dann die erfassten Temperaturwerte in Druckwerte umrechnen, um entsprechende Steuerungs- bzw. Regelungsvorgänge der Brennkraftmaschine auszuführen. Da die Temperaturen am freiliegenden Endbereich 7a des Thermosensors 7 relativ hoch sind, ergeben sich auch keine Probleme durch Ablagerungen am Thermosensor, da diese aufgrund der hohen Temperaturen abgebrannt werden. Somit kann die erfindungsgemäße Zündkerze mit Thermosensor problemlos im Dauereinsatz verwendet werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • - DE 4010609 C2 [0002]