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Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumin- dest einem in einem Messbereich angeordneten Messaufnehmer zur indirekten Messung des Brennraumdruckes, wobei der Messaufnehmer zumindest eine mit dem Messbereich in Kontakt stehende messsensitive Fläche aufweist.
Die Messung des Brennraumdruckes erfolgt bei Brennkraftmaschinen üblicher- weise über in Indizierbohrungen eingesetzte Druckaufnehmer, deren drucksen- sitiver Bereich mit dem Brennraum strömungsverbunden ist. Dies hat den Nach- teil, dass zur Druckmessung eigene zusätzliche Bohrungen vorgesehen werden müssen. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Gaswechsel- ventilen pro Zylinder und zusätzlichen, in den Brennraum mündenden Bauteilen, wie Zündkerze, Einspritzventil od. Glühkerze, ist für zusätzliche Messbohrungen oft kein Platz mehr vorhanden. Es ist weiters bekannt, insbesondere bei Zylinder- köpfen mit räumlich dichter Anordnung von Bauteilen Drucksonden in zumindest ein Bauteil, beispielsweise die Zündkerze, zu integrieren. Dies erfordert allerdings Sonderkonstruktionen von Bauteilen, was den Messaufwand erhöht.
Aus der EP 0 671 618 A1 ist es bekannt, bei einem Zylinderblock über einen in ein Sackloch eingesetzten Kraftaufnehmer die Gehäusebelastung zu messen. Ge- naue Aussagen über den Brennraumdruck lassen sich hier wegen der recht grossen Störungen durch die Massekräfte kaum machen. Insbesondere ist es nicht möglich eine genaue Messung im oberen Totpunkt des Kolbens durchzu- führen.
Aus der DE 4 026 418 C2 und der US 5,329. 809 A sind ringförmige Brennkam- mer-Druckfühler bekannt, welche jeweils in einen Schacht des Zylinderkopfes - wie etwa den Zündkerzenschacht - eingeschraubt werden.
Die US 5,672. 812 A beschreibt einen an einer Zündkerze applizierten Drucksen- sor. In der US 5,747. 677 A wird vorgeschlagen, den Drucksensor zwischen einer Aufnahmefläche des Zylinderkopfes und einem Zündkerzenbund anzuordnen. Die Messergebnisse werden allerdings infolge der Befestigungskräfte ungünstig be- einflusst.
Die US 4,601. 196 A zeigt einen Zylinderkopf mit einem in eine Bohrung einge- schraubten Messaufnehmer. Der Messaufnehmer befindet sich dabei teilweise in einem Kühlkanal und kontaktiert eine an den Brennraum grenzende Wand des Kühlkanales. Da sich der Messaufnehmer innerhalb des Kühlkanales befindet, ist er erhöhtem Verschleiss ausgesetzt.
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Die bekannten Brennkraftmaschinen mit indirekter Messung des Brennraum- druckes haben gemeinsam, dass der den Messaufnehmer tragende Bauteil als Standardteil ausgeführt ist, ohne dass konzeptionelle Vorkehrungen für die in- direkte Brennraumdruckmessung vorgesehen sind. Gegebenenfalls werden Boh- rungen und Befestigungsgewinde oder dergleichen für den Messaufnehmer nachträglich durch materialabtragende Bearbeitung des Bauteiles vorgesehen, wobei die Lage und Anordnung des Messaufnehmers vor allem durch den baulich noch verfügbaren Freiraum bestimmt wird.
Meistens ist allerdings die durch den baulich verfügbaren Freiraum bestimmte Position nur eingeschränkt für eine in- direkte Messung des Brennraumdruckes geeignet, da Störgrössen durch Montage- spannungen, thermische Spannungen, Ventilbetätigung oder dergleichen sich nachteilig auf die Messergebnisse auswirken und der Messbereich ein nicht direkt zum Brennraumdruck proportionales Spannungs- und Verformungsverhalten aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und einen Zylinder- kopf zu entwickeln, mit welchem auf möglichst einfache Weise der Brennraum- druck präzise gemessen werden kann.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass der Messbereich als ein bezüg- lich anderer im Zylinderkopf angeordneten Bauteile operativ eigener konstruk- tiver Bereich des Zylinderkopfes ausgebildet ist und ein brennraumdruckpropor- tionales Spannungs- und/oder Verformungsverhalten aufweist, dessen mecha- nische Spannung und/oder Verformung über den spannungs- und/oder verfor- mungssensitiven Messaufnehmer zur indirekten Messung des Brennraumdruckes erfassbar ist, wobei der Messbereich in einem im wesentlichen von mechanischen und thermischen Störgrössen unbeeinflussten Abschnitt des Zylinderkopfes ange- ordnet ist.
Der Brennraumdruck wird indirekt über den Spannungs- und/oder Verformungs- zustand des Zylinderkopfes ermittelt.
Um die Messung mit ausreichender Genauigkeit durchführen zu können, ist es wesentlich, dass Störeinflüsse infolge von Temperaturänderungen, unterschied- liche Wandstärken, Zylinder- und ventilübersprechen od. dgl. nur geringe Aus- wirkungen auf das gemessene Spannungs- und/oder Verformungsverhalten im vordefinierten Messbereich haben. Zum Unterschied zu bekannten Brennkraft- maschinen, bei denen die Messung des Brennraumdruckes indirekt erfolgt, ist der Zylinderkopf gemäss der Erfindung eigens für die individuelle Messung konzipiert.
Die Anordnung und Gestaltung des Messbereiches für die indirekte Messung des Brennraumdruckes erfolgt im Hinblick auf ein brennraumdruckproportionales Spannungs- und Verformungsverhalten, wobei der Messbereich diesbezüglich
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optimiert sein kann. Dadurch kann die Messgenauigkeit im Vergleich zu bekann- ten indirekten Brennraumdruckmessungen wesentlich erhöht werden.
Der Messbereich kann dabei durch eine Materialanhäufung oder eine Materialan- formung wie etwa einen Butzen gebildet sein.
In einer sehr vorteilhaften Ausführung der Erfindung, bei der der Messaufnehmer in einem vorzugsweise durch den Zylinderkopf gebildeten Befestigungsbereich befestigt ist, ist vorgesehen, dass der Befestigungsbereich vom Messbereich me- chanisch entkoppelt und vorzugsweise von diesem freigestellt ist.
Da der Messaufnehmer nicht mehr in direktem Kontakt mit dem Brennraum steht, ist er nicht den hohen Temperaturen im Brennraum, dem chemischen An- griff der Verbrennungsgase und den schädlichen Einflüssen von Klopferschei- nungen ausgesetzt. Er unterliegt nur mehr geringer Alterung und kann sehr dau- erhaft ausgeführt werden.
In einer sehr vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist dabei vorge- sehen, dass der Messaufnehmer in eine als Sackloch ausgeführte Aufnahmeboh- rung des Messbereiches eingesetzt ist. Auf diese Weise wird eine möglichst ge- ringe Störempfindlichkeit erreicht. Gleichzeitig kann der Messaufnehmer relativ einfach gewechselt werden.
Je nachdem, ob radiale oder axiale Verformungen erfasst werden, kann die messsensitive Fläche des Messaufnehmers zylindrisch oder eben sein.
In einer besonders einfachen und platzsparenden Ausführungsvariante kann weiters vorgesehen sein, dass der Messaufnehmer mit dem Zylinderkopf mit- oder in diesen eingegossen ist.
Die günstigste Position für die Erfassung der Spannungs- und/oder Verformungs- änderungen zufolge der Brennraumdrücke ist die Zylindermitte, insbesondere um ein Übersprechen von benachbarten Zylindern zu vermeiden. Da in diesem Be- reich allerdings die grössten Gusstoleranzen auftreten und der Platz meist für an- dere Komponenten benötigt wird, kann in Weiterbildung der Erfindung vorge- sehen sein, dass der Messbereich ein die zu messende Spannungs- und/oder Verformungsmessgrösse an den Messaufnehmer übertragendes Strukturelement aufweist. Über das Strukturelement können somit Deformationen einer brenn- raumdruckproportionalen Verformungsstelle des Messbereiches dem ausserhalb der Verformungsstelle angeordneten Messaufnehmer zugeführt werden.
Beson- ders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Strukturelement durch einen Steg, eine Rippe oder einen Hebel gebildet ist, wobei das Strukturelement vorzugsweise so ausgebildet ist, dass die Messgrösse durch eine Hebelwirkung des Struktur- elementes verstärkt dem Messaufnehmer zugeführt wird.
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Besondere Platz- und Kostenvorteile ergeben sich, wenn für zumindest zwei Zy- linder ein gemeinsamer Messaufnehmer vorgesehen ist, wobei der Messauf- nehmer vorzugsweise in einer Motorquerebene zwischen zwei Zylinder angeord- net ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Spannungs- und/oder Verformungsver- halten für zumindest zwei Zylinder durch einen einzigen Messaufnehmer erfasst wird und dass die Zuordnung zwischen dem Messsignal und dem Brennraum- druck in diskreten Zeitabschnitten und abwechselnd für die zu messenden Zylin- der in Abhängigkeit der Motordrehzahl und der Zündfolge erfolgt. Da meist nur die Hochdruckphasen des Brennraumdruckes von Interesse sind, kann somit bei bekannter Zündfolge ein Messaufnehmer für zwei oder mehrere benachbarte Zy- linder eingesetzt werden. Dadurch kann die Anzahl der Messaufnehmer auf ein Mindestmass begrenzt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen Fig. 1 einen erfindungsgemässen Zylinderkopf in einer ersten Ausfüh- rungsvariante in einem Schnitt gemäss der Linie I -I in Fig. 2, Fig. 2 diesen Zylin- derkopf in einer Schrägansicht, Fig. 3 einen erfindungsgemässe Zylinderkopf in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäss der Linie III - III in Fig. 4, Fig. 4 diesen Zylinderkopf in einer Schrägansicht, Fig. 5 einen erfindungs- gemässen Zylinderkopf in einer dritten Ausführungsvariante in einem Schnitt ge- mäss der Linie V - V in Fig. 6, Fig. 6 diesen Zylinderkopf in einer Schrägansicht, Fig. 7 einen erfindungsgemässen Zylinderkopf in einer vierten Ausführungs- variante in einem Schnitt gemäss der Linie VII - VII in Fig. 8, Fig. 8 den Zylinder- kopf in einer Schrägansicht, Fig.
9 einen erfindungsgemässen Zylinderkopf in einer fünften Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäss der Linie IX - IX in Fig. 10, Fig. 10 den Zylinderkopf in einer Schrägansicht, Fig. 11 einen erfin- dungsgemässen Zylinderkopf in einer sechsten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäss der Linie XI - XI in Fig. 12, Fig. 12 den Zylinderkopf in einer Schrägansicht, Fig. 13 einen erfindungsgemässen Zylinderkopf in einer siebenten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäss der Linie XIII - XIII in Fig. 14, Fig. 14 den Zylinderkopf in einer Draufsicht, Fig. 15 einen erfindungsgemässen Zylinderkopf in einer achten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäss der Linie XV - XV in Fig. 16 und Fig. 16 diesen Zylinderkopf in einer Draufsicht.
In den Ausführungsvarianten sind funktionsgleiche Bauteile mit den gleichen Be- zugszeichen versehen.
In den Fig. 1 bis 16 ist jeweils ein Zylinderkopf 1 mit mehreren Gaswechsel- kanälen 2 und einer im Bereich der Zylinderachse 3 angeordneten Aufnahme- bohrung 4 für eine Zündkerze 4a, eine Glühkerze oder ein Einspritzventil darge- stellt. Die Bezugszeichen 2a bezeichnen Gaswechselventile. Mit 4b ist ein seitlich einmündendes Einspritzventil angedeutet. Der Zylinderkopf 1 weist in jeder Aus-
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führungsvariante einen vordefinierten Messbereich 5 mit brennraumdruckpropor- tionalem Spannungs- und/oder Verformungsverhalten auf, dessen Spannung und/oder Verformung durch einen spannungs- und/oder verformungssensitiven Messaufnehmer 6 gemessen wird.
Der Messaufnehmer 6 kann auf ohmscher, induktiver, kapazitiver oder piezoelektrischer Basis arbeiten und ist über Mess- leitungen 7 mit einer nicht weiter dargestellten Auswerteeinheit verbunden, wel- che dem spannungs- und/oder verformungsproportionalen Messsignal mittels einer festgelegten mathematischen Zuordnung einen Brennraumdruckwert zu- ordnet. Die Pfeile F deuten die Krafteinwirkungen auf den Messaufnehmer 6 an.
Im in den Fig. 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist der vordefinierte Messbereich 5 durch eine Materialanhäufung 51 im Bereich einer durch die Zylin- derachsen 3 aufgespannten Zylinderkopflängsebene 3a gebildet. Der Messbereich 5 weist eine als Sackloch ausgeführte Aufnahmebohrung 8 auf, in welcher der Messaufnehmer 6 lösbar oder unlösbar befestigt ist. Bei einer Brennraumdruck- veränderung erfährt der Zylinderkopf 1 eine Spannungs- bzw. Formänderung, welche über den Messaufnehmer 6 erfasst wird. Der Messaufnehmer 6 weist ein'? zylindrische messsensitive Fläche 61 auf, auf welche die Kräfte F durch Spar nungs- bzw. Verformungsänderungen infolge des Brennraumdruckes radial ein- wirken.
In dem in den Figuren 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Mess- bereich 5 durch eine Materialanformung 52, etwa einen Butzen 53 im Bereich der Zylinderkopflängsebene 3 gebildet. Der Messaufnehmer 6 weist dabei ebene, messsensitive Flächen 62 auf, auf welche Kräfte F zufolge des Brennraumdruckes in axialer Richtung bezüglich der Achse 6a des Messaufnehmers 6 einwirken.
Ähnlich zu dem in den Figuren 1 und 2 gezeigtem Ausführungsbeispiel ist der Messaufnehmer 6 in eine als Sackloch ausgeführte Aufnahmebohrung 8 des Messbereiches 5 eingesetzt. Der Trägerteil 6b des Messaufnehmers 6 ist in eine Gewindebohrung 20 des Befestigungsbereiches 21 des Zylinderkopfes 1 einge- schraubt, sodass der Sensorteil 6c des Messaufnehmers 6 in festem Kontakt mit dem Messbereich 5 steht. Um eine Störung der Messung durch Befestigungs- kräfte zu vermeiden, ist der Befestigungsbereich 21 vom Messbereich 5 freige- stellt und somit mechanisch weitgehend entkoppelt.
In der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Ausführungsvariante weist der Zylinderkopf 1 ein durch eine Rippe 10 gebildetes Strukturelement 9 mit einer Aufnahmeboh- rung 8 auf, in welcher der Messaufnehmer 6 angeordnet ist. Über das Struktur- element 9 wird die Spannung bzw. Verformung des Messbereiches 5 des Zylin- derkopfes 1 an den Messaufnehmer 6 geleitet.
Die Fig. 7 und 8 zeigen einen Zylinderkopf 1 mit einem vordefinierten Messbe- reich 5 im Bereich der Zylinderkopflängsebene 3a, wobei der Messaufnehmer 6 in
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einer sacklochartigen Aufnahmebohrung 8 eines angeformten Butzens 53 ange- ordnet ist. Der Messbereich 5 weist weiters als Rippen 10 ausgebildete Struktur- elemente 9 auf, welche Kräfte F radial in den Sensorteil 6c des Messaufnehmers 6 einleiten.
Die Fig. 9 und 10 zeigen einen Zylinderkopf 1, in dessen durch eine Materialan- häufung 51 gebildeten, vordefinierten Aufnahmebereich 5 ein mit dem Zylinder- kopf 1 mitgegossener Messaufnehmer 6 angeordnet ist. Auch die Messleitungen 7 sind in den Zylinderkopf 1 eingegossen. Die Kräfte zufolge Brennraumdruckän- derungen wirken gemäss den Pfeilen F auf den Sensorteil 6c des Messaufnehmers 6 ein.
Die Fig. 11 und 12 zeigen einen ähnlichen Zylinderkopf 1 mit einem mitgegos- senen Messaufnehmer 6. In dieser Ausführung ist der Sensorteil 6c des Messauf- nehmers 6 ringförmig ausgebildet und umgibt die mittige Aufnahmebohrung 4.
Die Kräfte F wirken in radialer Richtung auf den Sensorteil 6c ein.
Die Fig. 13 und 14 zeigen eine Ausführungsvariante eines Zylinderkopfes 1, bei der für jeweils zwei Zylinder A, B ein einziger Messaufnehmer 6 in einer auf die nicht weiter dargestellte Kurbelwellenachse normal stehenden Zylinderkopfquer- ebene 3b zwischen den zwei Zylindern A, B angeordnet ist. Der Messaufnehmer 6 ist in eine Aufnahmebohrung 8 eines Strukturelementes 9 eingesetzt, welches als brückenartiger Steg 11 zwischen den Zylinder A, B ausgeführt ist. Über den Steg 11 werden Spannungs- und/oder Formänderungen an den Messaufnehmer 6 ge- leitet.
Die Fig. 15 und 16 zeigen eine analoge Ausführungsvariante zu den Fig. 13 und 14 mit einem in ein Strukturelement 9 eingegossenen Messaufnehmer 6. Im ge- zeigten Ausführungsbeispiel ist das Strukturelement 9 als brückenartiger Steg 11 zwischen zwei benachbarten Zylindern A, B ausgebildet, wobei in jedem Stegab- schnitt lla, llb jeweils ein Sensorteil 6c des Messaufnehmers 6 eingeformt ist.
Messleitungen 7 führen von den Messaufnehmern 6 nach aussen zu einer nicht weiter dargestellten Auswerteeinheit.