Piezo-elektrischer Indikator.
Der Bau von Druckindikatoren für Verbrennungsmotoren ist nicht einfach, weil an derartige Messgeräte ausserordentlich hohe Anforderungen gestellt werden. Neben Unzerst¯rbarkeit selbst bei h¯chsten Dr cken und Drukschwingungen sowie hohen Tem- peraturen wird eine immerhin gro¯e Me¯genauigkeit verlangt und insbesondere ein trÏgheitsloses Arbeiten des Indikators. Da die Quajzkristalle, die meistens für piezo- elektrische Indikatoren benutzt werden, wenigstens auf der einen Seibe hochisoliert sein m ssen, jϯt sich eine Einspannung unter grösserem Druck ("Vorspannung") in ein Stahlgehämse nicht vermeiden.
Durch die- ses um den Quarz gebaute GehÏuse entsteht nun leicht eine Temperatura : bhängigkeit und StossempfindHchkeit. Von der Einspannung wird weiterhin verlangt, da¯ sie eine ver hältnismässig weiche Federung besitzt, weil sonst nu. nur ein kleiner Teil der zu messenden Kraft au den Quarz übertragen wird, während der Rest des Me¯druckes durch die Einspan nung aufgenommen wird. Dass mit Rucksicht auf geringe Sto¯empfindlichkeit, das hei¯t
TrÏgheitslosigkeit, alle Massen m¯glichst ge ring sein sollen, ist selbstverständlich.
Ferner darf sich die Vorspannung wÏh rend der Eichung und der Messung mit dem In, dikator nicht verändern, da sich sonst gleichzeitig die Eichkonstante ändert.
Auf der Zeisshmuing sind in Fig. 1 und 2 zur besseren Erläuterung des Erfindungs- gegensta. ndes zwei bekannte Vorschläge dar- gestellt.
Fig. 3, 4 und 5 zeigen eine beispielsweise
Ausf hrungsform des Indikators nach der
Erfindung.
Fig. 1 zeigt einen Indikator in üblicher @ Herstellungsweise ; a ist das hulsenajtige Ge häuse mit dicken Wandungen, in das die
Quarze b, b eingesetzt sind. Die Quarze sind entgegengesetzt gepolt. Die eine Ladung, zum Beispiel die posijtive, wird ummittelbar an das Gehäuse abgeleitet, die andere negative wird von einer isolierten Elektrode c abgenommen und durch einen ebenfalls isolierten Leiter d zum Anschluss geführt. Den Abschlu¯ gegen den Verbrennungsraum bil- det eine Membran e, welche gleiehzeitig durch ihre Federkraft die Vorspannung erzeugt, @obald das Druckst ck f eingeschraubt ist.
Dieser Indikator (Fig. 1) bringt insofern grosse Naohteile mit sich, als die Membran unmittelbar den Verbrennungsgasen ausge eetzt ist und infolgedessen einerseits entspre- chend ihrer Temperatur die Vorspannung sich ändert und anderseits auch noch auf das Quarzsystem b, b, c hohe Temperaturen übertragen werden.
Man ist deshalb dazuübergegangen,die Federung durch eine sehr dünne Hülse zu erzeugen, welche mit nur geringem Zwischen- raum die Quarze umgibt. In manchen Fäl- len hat es @ch als günstig erwiesen, diese Hülsen rohrfederartig auszubilden (Fig. 2). wodurch die Steifigkeit auch bei nicht zu kleiner Wandstärke so vermindert werden kann, wie es nach den obigen Ausführungen erwünscht iet.
Eine solche Hülse kann aber nicht ohne weiteres den Motorgasen ausgesetzt werden, weil sie bei ihrer d nnen WandstÏrke schnell durchkorrodiert wäre. Ausserdem würden die Quarze mnd ihre Einspamnung eine zu hohe Temperatur annehmen und Temperaturdeh nungen auftreten, welche die Vorspannung än- dern. Esist deshalbeine Konstruktion versucht worden, bei der die Rohrfeder vorn sitzt und durch die den Quarzen gegebene Vorspannung auf Druck beansprucht wird, sowie am innern Ende fest mit dem Indikatorgehäusc verbunden ist, so dass das Gewinde des äussern GehÏuses in den Vorspannungskreis mit eingeschlossen ist und beim Einschrauben entsprechende Änderungen der Vorspannung und damit der Empfindlichkeit des Indikators bewirkt.
Hierdurch werden genaue Messungen unmöglich gemacht. Dieser Versueh hat weiterhin zu der Erkenntnis geführt, dass der die Vorspannung erzeugende KraftechIusskreis möglichst weit von dem Verbrennungsraum entfernt und demit vor den wech selnden Temperaturen geschützt sein muss, welche zusätzlich noch periodische Wärmedehnungen und damit sohwer auffindbare periodische dynamische Temperaturfehler erzeugen können. Aus diesen Gründen wurde solchen H lsen in allen brigen FÏllen eine schwache Met'bran vorgebaut, die die Ver brennung@gase und ihre zerstörende oder mindestens Temperaturfehler verursachende Wir kung abhalten sollen.
Dadurch wird jedoch der Aufbau des ganzen Indikators unnötig kompliziert, ferner ist die Verbindung von Membran und H lse nicht einfach, weil diese beiden TeileständigunterKraftschlussstehen müssen. Der grösste Nachteil dieser Kon struktion ist jedoch, dass sie zwangsläufig zu einem Kompromiss führt. Entweder nimmt man die Membran d nn, so da¯ @ie nach kurzer Betriebazedt zerstört ist, oder man nimmt sie dick, verliert dann aber einen grossen Teil der Empfindlichkeit des Indikators, weil die var die Hülse gespannte Membran schon den grössten Teil des Druckes p abfängt.
Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass irgendwelche Dehnungen (durch TemperatuT oder Spannung) des Ge- häuses über die Membran auf die Vorspannung einwirken und diese ändern können.
Der piezo-elektrische Indikator nach der Erfindung (Erfinder : Dr. Ing. Fritz Lichenberger, Berlin-Friedrichshagen, L¯cknitzstrasse 13a und Ing. Heimz Wende, Berlin Adlershof, Friedlanderstra¯e 145), dessen Kristalle von einer zylindriaohen H lse eingeschlossen sind, deren elastischer Mantel über einen starrem Boden die Kristalle unter Vorspannung hÏlt, zeichnet @ich dadurch aus, dass die Hülse nur an ihrem Ïu¯e@ Ende in dem Indikatorgehäuse befestigt und an ihrem innern Ende mit dem starren Boden gegen- ber dem IndikatorgehÏuse freibeweglich ist,
wobei ein an diesem innern Ende zwisehen Hülse und GehÏuse bestehender Spalt zwecks Abschirmung des Hülsenmamtels gegen die Feuergaae höchstens 0, 1 mm betrÏgt. Eine solche Ausführung ist beispielsweise in Fig. 3 dargestellt. Der mittlere Teil a'der Hülse besteht hier am äussern Ende zusammen mit einer Grundplatte aus einem St ck. Am innern Ende der Hülse ist ein starrer Boden g eingesetzt. Über diesen Boden hina. us bildet die HülseeinenHohlkolben a", der mit ihr aus einem St ck besteht. Zwischen dem starren Boden g und einem Druckstück f sind die Kristalle b unter Zwischenschaltung der Elektrode c eingesetzt.
Durch Einschrauben des Druckstückes f wird unter Ausnutzung der Elastizität des Hülsenmantels die Vorspannung erzeugt. Es entsteht also hierbei ein Kraftschlu¯kreis ber die Teile f, b, c, b, g, ss, f dessen Wirkung nach au¯en gleich Null ist. Dieses Aggregat wird, wie aus Fig. 4 ersichtlitch, im ein Gehäuse h einge sehra. ubt, und zwar nur mit dem äussern Ende, wozu die Grundplatte der H lse mit Gewinde versehen ist. Am innern Ende der Hülse ist diese. gegenüber dem Gehäuse .freibeweglifoh.DerschonerwähnteKolben s"hat bei dem dargestellten Beispiel einen geringeren Durchmesser als die H lse selbst.
Um nun den Zutritt der Feuergase zu der Hülse ss m¯glichst zu verhindern, ist zwischen dem Kolben a" und dem IndikatorgehÏuse h ein ganz schmaler Spalt belassen.
Um diesen Spalt zu verwirklichen, ist in das Indikatorgehäuse ein Ring i eingesetzt, der zusammen mit dem Kolben a"den sehmalen Spa. lt bildet. Dieser schmale Luftspalt zwischen a" und i kann sehr klein gemacht werden ; er soll nicht. grosser als 0, 1 mm sein.
Bei dieser Ausführung ist die Vorspan- nungsh lse ss nur an einer Stelle, nÏmlich am äussern Ende, mit dem IndikatorgehÏuse verbunden. Es entstehen daher keinerlei R ckwirkungen auf die Vorspannung der Hülse, wenn etwa das Gehäuse h eine zusätz- liche Dehnung oder Spannung erfÏhrt. Am innern, den Feuergasen zugekehrten Ende ist die H lse freibeweglich. Zusätzlich wichtig ist noch, da¯ die Kristalle nicht ganz vorn innerhalb der Hülse liegen, vielmehr weiter rückwärts durch die Druckplatts g abgefan- gen sind.
Der überstehende Teil der Hülse wirkt als Kolben a", der einerseits die Verbrennungsgase abhÏlt, anderseits aber den Druck hunderprozenttg überträgt, da, er trotz geringer Masse ganz steif sein kann. Aus diesem Grunde und auch zum Zweck der Trätgheitslosigkeit empfiehlt es sich, die Wandungen. des Kolbens a"möglichst dünn zu halten. Eine Mittelbohrung in der Druckplatte g verhindert schliesslich das Entstehen von ¯berdruck bei Temperaturerh¯hung.
Das Indikatorgehäuse tr. agt an seinem innern Ende zweckmässig Zündkerzengewinde, so daB es in die Indikator- o, der eine Zünd- kerzenbohnung des Motors eigeschraubt werden kann.
Für die Kühlung des mittleren Teils a' der Hülae durch das luft-oder wasserge- kühlte Gehäuse h ist es wichtig, da¯ diese beiden sich möglichst eng berühren. Aber auch aus einem andern Grunde muss der Zwi schenraum zwischen a' und h m¯glichst gering gemacht werden : Bei dem schnellen Wechsel von hohen zu niedrigen Drücken im Verbrennungsraum kann eine Pumpwirkung derart eintreten, da¯ die Verbrennungsgase durch den Spalt zwischen a'und i bei Ver- dichtung und Entspannung schnell hineinund herausgedrückt werden. Dadurch kann eine zusätzliche Temperaturerhöhung im Inmem des Indikators entstehen.
Die erw schte Verringerung des Zwischenraumes wird nun dadurch erreicht, da¯ (Fig. 5) in die Vertiefungen der OberflÏche des gewell- ten H lsenmantels ein Werkstoff k eingebracht wird, der einen erheblich kleineren Elastizitätsmodul als diese Rohrfederhülse besitzt. Da,'die Hülse im allgemeinen aus Stahl hergestellt wird und auch für die Aus füllung ein Metall k zu bevorzugen ist, genügt im allgemeinen Aluminium f r diesen Zweck. Die Elastizität der Hülae wird durch diesen Zusatz kaum geändert und der schäd- liche Zwischenraum vermieden.
Zur Vermeidung der Temperaturab- hämgigkeit des Indika.tonswerdeninnerhalb der Vorspamnungssäule verschiedene Werk stoffe (Meta, lle) in ihrer Länge so verteilt, da¯ die wirksame Temperaturdehnung der ganzen VorspannungssÏule dieselbe bleibt wie die der diese SÏule umschlie¯enden H lse.
Hierbei handeltessichbesonders um den Ausgleich der Temperaturdehnungen der Stahlhülse und der beinahe temperaturunab- hängigenQuarzknstaIIe, deren Mangel an Ausdehnung zum Beispiel durch Einfügen eines St ckes l aus Aluminium ausgeglichen wird, also aus einem Metall, welches einen grösseren Ausde gskoefffizienten als der für die Hülse verwendete Stahl besitzt.
Ist zum Beispiel der Ausdehnungskoeffizient,für Stahl as, der von Quarz an (beinahe zu ver nachlässigen) und derjenige von Aluminium m aA, und ist weiterhin die wirksame Länge der Q.uarzkristalleLq,soergibtsichdieaus Aluminium einzufügende Länge LA aus der Beziehung : L, = LQ- aA-as Ein genauer Ausgleich nach dieser Formel dürfte allerdings im allgemeinen schwer sein, da die Temperaturverteilung über den Indi kator sehr ungleichmässig ist. Da nun eine grössere Vorspannung einen kleineren Fehler in der Eichkonstante des Indikators ergibt als eine zu kleine Vorspannung, wird man besser etwas meh, r Aluminium einsetzen (LA grösser als es der obigen Formel entspricht) ;
dann wird der Fehler des Quarzindikators au, eh bei ungleichmässiger Temperaturverteilung verhältnismässig klein bleiben.
Piezo-electric indicator.
The construction of pressure indicators for internal combustion engines is not easy, because extremely high demands are made on such measuring devices. In addition to indestructibility even at the highest pressures and pressure fluctuations as well as high temperatures, a high level of accuracy is required and, in particular, an indolent operation of the indicator. Since the quajz crystals, which are mostly used for piezoelectric indicators, have to be highly insulated at least on one side, clamping under greater pressure ("pretension") in a steel housing cannot be avoided.
This housing, which is built around the quartz, easily creates a temperature dependency and shock sensitivity. The restraint is also required to have a relatively soft suspension, otherwise no. only a small part of the force to be measured is transferred to the quartz, while the rest of the pressure is absorbed by the clamping. That with regard to low sensitivity to shock, that is
Inertia, all masses should be as small as possible, is a matter of course.
Furthermore, the preload must not change during the calibration and the measurement with the indicator, otherwise the calibration constant will change at the same time.
On the Zeisshmuing are shown in FIGS. 1 and 2 to better explain the subject of the invention. ndes presented two well-known suggestions.
Figures 3, 4 and 5 show one example
Embodiment of the indicator according to the
Invention.
1 shows an indicator in the usual way of manufacture; a is the hulsenajtige housing with thick walls into which the
Crystals b, b are used. The crystals are polarized in opposite directions. One charge, for example the positive one, is directly diverted to the housing, the other negative one is taken from an insulated electrode c and led to the connection through an also insulated conductor d. The seal against the combustion chamber is formed by a membrane e, which by its spring force simultaneously creates the pre-tension as soon as the pressure piece f is screwed in.
This indicator (Fig. 1) brings with it large Naohteile insofar as the membrane is directly exposed to the combustion gases and consequently on the one hand the bias voltage changes according to its temperature and on the other hand also transfers high temperatures to the quartz system b, b, c will.
One has therefore switched to creating the suspension by means of a very thin sleeve which surrounds the quartz crystals with only a small gap. In some cases it has proven to be beneficial to design these sleeves like a tube spring (FIG. 2). whereby the rigidity can be reduced, even if the wall thickness is not too small, as is desired according to the above statements.
Such a sleeve cannot, however, be exposed to the engine gases without further ado because it would quickly corrode through with its thin wall thickness. In addition, the quartz crystals and their sponging would assume too high a temperature and temperature expansions would occur which would change the prestress. A construction has therefore been attempted in which the Bourdon tube sits at the front and is subjected to pressure by the preload given to the quartz crystals, and is firmly connected to the indicator housing at the inner end so that the thread of the outer housing is included in the preload circuit and at Screwing in causes corresponding changes in the preload and thus the sensitivity of the indicator.
This makes accurate measurements impossible. This experiment has also led to the realization that the force circuit that generates the pre-tension must be as far away from the combustion chamber as possible and must therefore be protected from the changing temperatures, which can also generate periodic thermal expansions and thus periodic dynamic temperature errors that can easily be found. For these reasons, in all other cases a weak metal barrier was built in front of such sleeves, which should prevent the combustion gases and their destructive effects or at least cause temperature errors.
However, this makes the structure of the entire indicator unnecessarily complicated, and the connection between the membrane and the sleeve is not easy, because these two parts have to be permanently connected to a force. The greatest disadvantage of this construction, however, is that it inevitably leads to a compromise. Either one takes the membrane thin, so that it is destroyed after a short period of operation, or one takes it thick, but then loses a large part of the sensitivity of the indicator because the membrane stretched across the sleeve already takes up most of the pressure p intercepts.
Another disadvantage of this arrangement is that any expansion (due to temperature or tension) of the housing via the membrane can act on the prestress and change it.
The piezo-electric indicator according to the invention (inventor: Dr. Ing. Fritz Lichenberger, Berlin-Friedrichshagen, L¯cknitzstrasse 13a and Ing. Heimz Wende, Berlin Adlershof, Friedlanderstrae 145), the crystals of which are enclosed in a cylindrical sleeve whose elastic jacket holds the crystals under tension via a rigid base, is characterized by the fact that the sleeve is only attached to the indicator housing at its end and freely movable at its inner end with the rigid base opposite the indicator housing is
with a gap between the sleeve and the housing at this inner end for the purpose of shielding the sleeve from the fire gases being at most 0.1 mm. Such an embodiment is shown in FIG. 3, for example. The middle part a 'of the sleeve here consists of one piece at the outer end together with a base plate. A rigid base g is inserted at the inner end of the sleeve. Over this ground. The sleeve forms a hollow piston a ", which consists of one piece with it. The crystals b are inserted between the rigid base g and a pressure piece f with the interposition of the electrode c.
By screwing in the pressure piece f, the pretensioning is generated using the elasticity of the sleeve jacket. In this way, a force-locking circuit arises over the parts f, b, c, b, g, ss, f, whose effect on the outside is equal to zero. This unit is, as can be seen from Fig. 4, in a housing h verya. Exercise, and only with the outer end, for which the base plate of the sleeve is provided with a thread. This is at the inner end of the sleeve. Compared to the housing, the "freely movable piston s" in the example shown has a smaller diameter than the sleeve itself.
In order to prevent the access of the fire gases to the sleeve ss as much as possible, a very narrow gap is left between the piston a ″ and the indicator housing h.
In order to realize this gap, a ring i is inserted into the indicator housing which, together with the piston a ", forms the sehmalen spa. Lt. This narrow air gap between a" and i can be made very small; he shouldn't. be larger than 0.1 mm.
In this design, the preload sleeve is connected to the indicator housing at only one point, namely at the outer end. There are therefore no repercussions whatsoever on the pre-tensioning of the sleeve if, for example, the housing h undergoes additional expansion or tension. At the inner end facing the fire gases, the sleeve is freely movable. It is also important that the crystals are not located at the very front within the sleeve, but rather are caught further back by the pressure plates g.
The protruding part of the sleeve acts as a piston a ″, which on the one hand keeps the combustion gases off, but on the other hand transfers the pressure one hundred percent because it can be quite stiff despite its low mass. For this reason and also for the purpose of inertia it is advisable to use the walls . Keep the piston a "as thin as possible. Finally, a central hole in the pressure plate prevents the occurrence of overpressure when the temperature rises.
The indicator housing expediently has spark plug threads at its inner end, so that it can be screwed into the indicator, which is a spark plug cap of the engine.
For the cooling of the central part a 'of the shell by the air- or water-cooled housing h it is important that these two touch each other as closely as possible. But there is another reason why the space between a 'and hh must be made as small as possible: With the rapid change from high to low pressures in the combustion chamber, a pumping effect can occur such that the combustion gases pass through the gap between a' and i can be pushed in and out quickly with compression and relaxation. This can result in an additional increase in temperature in the interior of the indicator.
The desired reduction in the gap is achieved by introducing a material k which has a considerably smaller modulus of elasticity than this tubular spring sleeve into the depressions in the surface of the corrugated sleeve jacket (FIG. 5). Since 'the sleeve is generally made of steel and a metal k is to be preferred for the filling, aluminum is generally sufficient for this purpose. The elasticity of the hull is hardly changed by this addition and the harmful space between them is avoided.
In order to avoid the temperature dependence of the indicator tone, various materials (metals, metals) are distributed along their length within the pre-tensioning column in such a way that the effective temperature expansion of the entire pre-tensioning column remains the same as that of the sleeve surrounding this column.
This is particularly a matter of compensating for the temperature expansion of the steel sleeve and the almost temperature-independent quartz structures, the lack of expansion of which is compensated for, for example, by inserting a piece of aluminum, i.e. a metal that has a greater expansion coefficient than the steel used for the sleeve owns.
If, for example, the coefficient of expansion for steel as is that of quartz onwards (almost negligible) and that of aluminum is m aA, and if the effective length of the quartz crystals is Lq, then the length LA to be inserted from aluminum results from the relationship: L, = LQ- aA-as An exact compensation according to this formula should be difficult in general, as the temperature distribution over the indicator is very uneven. Since a higher preload results in a smaller error in the calibration constant of the indicator than a preload that is too small, it is better to use a little more aluminum (LA greater than the formula above);
then the error of the quartz indicator will remain relatively small, even if the temperature distribution is uneven.