CH717633A2 - Druckaufnehmer zum Erfassen eines Brennraumdrucks bei Brennkraftmaschinen. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer zum Erfassen eines Brennraumdrucks bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Diesel- und Gasmotoren, der ein Sensorgehäuse (1) mit einem außen angeordneten Gewinde (5) zum Befestigen in einer entsprechenden Ausnehmung und einem Frontabschnitt, der beim Erfassen des Brennraumdrucks mit einem Brennraum in Fluidverbindung steht, und ein auf Druck reagierendes Messelement (3) umfasst, das umfangsseitig von dem Sensorgehäuse umgeben und innerhalb des Frontabschnitts des Sensorgehäuses angeordnet ist, wobei das Messelement (3) an seiner zum Inneren des Sensorgehäuses gewandten Oberseite mindestens ein Druckmesselement (9) aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des Messelements in Längsrichtung des Druckaufnehmers gesehen mit Abstand zu einem Frontende des Druckaufnehmers angeordnet ist, wobei der Abstand von dem Frontende zu der Unterseite des Messelements nicht mehr als 150%, vorzugsweise nicht mehr als 130%, bevorzugterweise nicht mehr als 120% des Nenndurchmessers des Gewindes zum Befestigen des Sensorgehäuses beträgt.

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckaufnehmer zum Erfassen eines Brennraumdrucks bei Brennkraftmaschinen.

[0002] Solche Druckaufnehmer oder auch Drucktransmitter werden seit geraumer Zeit zur Erfassung des Drucks in Brennräumen von Brennkraftmaschinen eingesetzt, bevorzugt zur Messung der Arbeitsdrücke im Zylinderkopf von Brennkraftmaschinen, bspw. für 2- oder 4-Takt-Schiffsdiesel-Großmotoren und dergleichen. Dabei müssen Drücke im Bereich bis zu 800 bar bei durchschnittlichen Brennraumtemperaturen im Bereich von etwa 2000 bis 3000 Grad Celsius beherrscht werden, die an bestimmten Stellen im Brennraum auch darüber liegen können.

[0003] Die am Markt etablierten Lösungen können technologisch in zwei Hauptgruppen unterteilt werden. Zum einen Druckaufnehmer, die piezoelektrisch arbeiten, bekannt etwa aus DE 10 2014 116 760, sowie zum anderen Druckaufnehmer, die den Druck mit Hilfe von Dehnmessstreifen bestimmen, bekannt etwa aus DE 10 2016 124 410.

[0004] Die am weitesten verbreitete Einbauweise für beide Bauformen ist eine Schulterdichtung, welche die axiale Vorspannung über ein Gewinde zur Befestigung bei der Montage erhält. Bevorzugte Gewinde sind hier metrische Feingewinde, insbesondere M8x0,75; M8x1; M10x1 und M14x1,25.

[0005] Im Folgenden soll weiter auf die Dehnmessstreifen-basierte Drucktransmitter und - sensoren eingegangen werden. Hier haben sich zwei Bauformen etabliert, zum einen so genannte frontbündige Ausführungen, bekannt etwa aus DE 10 2018 113 935 oder DE 10 2009 030 702 und Ausführungen mit einem Gaskanal, bekannt etwa aus DE 10 2015 001 213, bei denen die Druckbestimmung nicht direkt am Vorderende des Druckaufnehmers erfolgt, sondern der Druck über den Gaskanal in das Innere des Druckaufnehmers geleitet wird und erst dort eine Bestimmung stattfindet.

[0006] Die frontbündigen Ausführungen verfügen über eine einbauoptimierte Bauform, welche das Totvolumen eines Gaskanals durch einen namensgebenden, nahezu frontbündigen, Einbau zur Brennraumwand minimieren. Hierdurch können akustische Resonanzen, so genannte Pfeifenschwingungen, welche das Messergebnis beeinträchtigen können, weitestgehend vermieden werden.

[0007] Nachteilig wirkt sich bei dieser Bauform jedoch eine komplex zu fertigende Mechanik, die thermisch stark belastete frontseitige Membran sowie die geringe Überdruckfestigkeit aus.

[0008] Ausführungen mit einem Gaskanal hingegen besitzen eine axiale Gasführung durch einen sich von der Vorderseite des Druckaufnehmers in das Innere erstreckenden Kanal, der hin zu einer dem Brennraum abgewandt angeordneten Membrandruckmesszelle verläuft. Diese Membrandruckmesszelle ist als kostengünstig produzierbares Teil, vor allem in Dünnschichttechnologie mit Dehnmessstreifen als Druckmesselement, in großen Mengen auf dem Markt verfügbar.

[0009] Ein wesentlicher Grund für die Positionierung der Membrandruckmesszelle oberhalb des Gewindes und der Dichtung (also an einem Ort angeordnet ist, der bei einer Druckmessung von einem dem Messdruck ausgesetzten Ende des Druckaufnehmers weiter entfernt ist als das Gewinde oder die Dichtung) ist der praktisch nicht mehr messbare Einfluss des Einschraubdrehmomentes auf das Messergebnis.

[0010] Weiter ist nachteilhaft, dass -obwohl sich diese Bauform in zahlreichen Applikationen bewährt hat- in einigen Anwendungen die Gefahr einer akustischen Resonanz (Pfeifenschwingungen) innerhalb der axialen Gasführung besteht, die zu einem ungewünschten Beeinträchtigen des Messergebnisses führen kann. Zudem kann beim Betrieb der Brennkraftmaschine im Teillastbereich eine Verschmutzung der Gasführung durch unvollständige Verbrennung erfolgen, so dass es unter Umständen zu einem Verschließen der Gasführung und einem daraus resultierenden Beeinträchtigung des Messergebnisses der Druckmessung kommen kann.

[0011] So zeigt die DE 10 2016 124 410 den Herstellungsprozess für einen frontbündigen Sensor (auch: Druckaufnehmer) durch Einsatz generativer Fertigungsverfahren. Dabei wird das Sensorelement schichtweise aufgebaut und ermöglicht daher komplexe Strukturen. Nachteilig ist bedingt durch den Prozess die inhomogene Struktur des Materials und die schlechte Maßhaltigkeit generativer Fertigungsverfahren.

[0012] Weiter zeigt die DE 10 2018 113 935 einen frontbündigen Membrandrucksensor bestehend aus einer Membranscheibe, einer Messfeder und Montagehülse. Diese werden in ein Sensorgehäuse mit Aufnahme für einen Dichtring gefügt. Hiermit wird ein schulterdichtender, frontbündiger Drucksensor realisiert. Nachteilig ist jedoch die, im Vergleich zu rückversetzten Drucksensoren, komplexe, präzise zu fertigende Mechanik.

[0013] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die verschiedenartigen oben aufgezeigten Unzulänglichkeiten herkömmlicher Druckaufnehmer zu überwinden oder abzumildern.

[0014] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Druckaufnehmer, der sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Druckaufnehmers sind dabei in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.

[0015] Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass der Druckaufnehmer zum Erfassen eines Brennraumdrucks bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Diesel- und Gasmotoren ein Druckaufnehmergehäuse mit einem außen angeordneten Gewinde zum Befestigen in einer entsprechenden Ausnehmung und einem Frontabschnitt, der beim Erfassen des Brennraumdrucks mit einem Brennraum in Fluidverbindung steht, und ein auf Druck reagierendes Messelement umfasst, das umfangsseitig von dem Druckaufnehmergehäuse umgeben und innerhalb des Frontabschnitts des Druckaufnehmergehäuses angeordnet ist, wobei das Messelement an seiner zum Inneren des Druckaufnehmergehäuses gewandten Oberseite mindestens ein Druckmesselement aufweist. Der Druckaufnehmer ist dadurch gekennzeichnet, dass eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des Messelements in Längsrichtung des Druckaufnehmers gesehen mit Abstand zu einem Frontende des Druckaufnehmers angeordnet ist, wobei der Abstand von dem Frontende zu der Unterseite des Messelements nicht mehr als 150%, vorzugsweise nicht mehr als 130%, bevorzugterweise nicht mehr als 120% des Nenndurchmessers des Gewindes zum Befestigen des Druckaufnehmergehäuses beträgt.

[0016] Durch das Begrenzen des Abstands werden akustische Resonanzen (Pfeifenschwingungen) unterdrückt, wobei gleichzeitig durch das zurückversetzte Anordnen des Messelements dieses vor übermäßiger Temperaturbelastung geschützt wird, dabei aber gleichzeitig noch eine ausreichende Wärmeeinwirkung zum Abbrand von Verbrennungsresten zugelassen wird.

[0017] Nach der Erfindung werden also die Unvollkommenheiten der beiden bekannten Bauformen von Zylinderdrucksensoren bzw. Druckaufnehmern, rückversetzte Sensoren und frontbündige Sensoren, überwunden.

[0018] Dies gelingt durch eine zumindest in seiner Länge optimierte Gasführung zwischen der dem Brennraum zugewandten Frontseite des Druckaufnehmers und der Unterseite des Messelementes, welches das Totvolumen minimiert und ein optimiertes Verhältnis von Länge des Gaskanals zu einer durch den Gewindedurchmesser festgelegten Breite des Druckaufnehmers liefert.

[0019] Nach einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Abstand von dem Frontende zu der Unterseite des Messelements im Bereich von 20-80%, vorzugsweise im Bereich von 30-50% und bevorzugterweise im Bereich von 37-43% des Nenndurchmessers des Gewindes zum Befestigen des Druckaufnehmergehäuses liegt.

[0020] Der Abstand von dem Frontende zu dem Messelement, welcher bei 40% des Nenndurchmessers des Gewindes zum Befestigen des Druckaufnehmergehäuses liegt, liefert sehr überzeugende Ergebnisse bei der Unterdrückung der Pfeifenschwingungen. Bei dieser vorteilhaften Ausführung ist das Verhältnis des Durchmessers des Gewindes zur Befestigung zum axialen Abstand des Messelementes zur Unterseite des Druckaufnehmers 1 :0,4. Hieraus ergibt sich ein optimales Aspektverhältnis, welches sowohl die thermische Belastung als auch die Reduktion der Pfeifenschwingung optimiert.

[0021] Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Druckaufnehmergehäuse ein Vorsatzteil aufweist, das einen Gaskanal von dem Frontende zu der zum Frontende zugewandten Seite des Messelements bildet. Dies vereinfacht die Herstellung des Gehäuses, da eine offene Seite des Druckaufnehmergehäuses mit einem Vorsatzteil abgeschlossen werden kann.

[0022] Dabei kann innerhalb des Gaskanals ein Diffusor angeordnet sein, um die während eines Verbrennungsvorgangs auftretende thermische Belastung gleichmäßig auf das Messelement zu übertragen. Dieser Diffusor hilft einer übermäßigen thermischen Belastung entgegenzuwirken, die sich aufgrund der Einbausituation des Drucknehmers auf nur einen kleinen Teil des Messelements konzentrieren kann.

[0023] Zudem sorgt der Diffusor für ein gleichmäßiges Auftreffen einer Verbrennungswolke auf das Messelement, so dass eine ungleichmäßige Abnutzung entgegengewirkt wird.

[0024] Weiter kann nach einer vorteilhaften Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass das Vorsatzteil und Diffusor einstückig ausgebildet sind. Hierdurch wird die Gesamtanzahl an erforderlichen Bauteilen weiter reduziert, was auch hinsichtlich der Produktionskosten von Vorteil ist. Durch diese Funktionsintegration wird die Anzahl der erforderlichen Bauteile sowie der Verbindungsstellen reduziert, welches neben der bereits erwähnten Kostenreduktion auch potentielle Fehlerquellen reduziert.

[0025] Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Gewinde zum Befestigen des Druckaufnehmergehäuses ein Gewinde vom Typ M8x0,75, M8x1, M10x1 oder M 14x1,25 ist.

[0026] Beispielhaft anhand eines Gewindes vom Typ M8x0,75, das einen Nenndurchmesser von 8mm besitzt, kann leicht nachvollzogen werden, dass der maximale Abstand des Messelements von der Frontseite des Drucknehmers nicht mehr als 9,6mm (=1,2 x 8mm) entfernt sein darf, damit die Vorteile der vorliegenden Erfindung noch ausreichend stark zum Tragen kommen.

[0027] Nach einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Druckaufnehmergehäuse eine Zylindermantelfläche umfasst, an dessen Außenumfang das Gewinde zum Befestigen des Druckaufnehmergehäuses angeordnet ist und in dessen frontseitige Deckfläche das Vorsatzteil eingeführt ist.

[0028] Das Vorsatzteil kann dabei also eine Art Deckel darstellen, der die Zylindermantelfläche an seinem offenen Ende abdeckt. Dabei kann das Vorsatzteil auf unterschiedliche Arten mit der Zylindermantelfläche des Druckaufnehmers verbunden sein, bspw. durch Kleben, Löten, Schweißen oder auch eine Gewindeverbindung.

[0029] Weiter kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Messelement an dem Vorsatzteil befestigt ist, vorzugsweise an einer vom Frontende abgewandten Seite des Vorsatzteils.

[0030] Das Vorsatzteil dichtet in Verbindung mit dem daran angeordneten Messelement das Innere des Druckaufnehmergehäuses ab, so dass das Messelement einem Druckunterschied ausgesetzt ist. Die zum Frontende zugewandte Seite des Messelements ist dabei einem Messdruck ausgesetzt, wohingegen die davon abgewandte Seite des Messelements dem im Inneren des Druckaufnehmergehäuses herrschenden Normaldruck ausgesetzt ist.

[0031] Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass das Vorsatzteil einen seine beiden flächigen Seiten fluidisch miteinander verbindenden Gaskanal aufweist, der vorzugsweise mittig in Längsrichtung des Vorsatzteils angeordnet ist. Die beiden flächigen Seiten des Vorsatzteils können dabei eine kreisförmige Außenkontur aufweisen, die mit der Innenseite einer Zylindermantelfläche (ggf. über ein Gewinde oder dergleichen) in Kontakt steht.

[0032] Zudem kann vorgesehen sein, dass eine erste flächige Seite eben ausgeführt und von dem Druckaufnehmergehäuse abgewandt ist und eine zweite flächige Seite sich stufenartig zu einer Mitte hin absetzt, so dass die stufenartige Absetzung sich von dem Frontende weg in das Druckaufnehmergehäuse hinein erstreckt.

[0033] Dabei kann das Vorsatzteil rotationsymmetrisch oder drehsymmetrisch sein, wobei vorzugsweise die Rotationsachse parallel zu der Längsachse des Druckaufnehmers verläuft.

[0034] Zudem kann nach der Erfindung vorgesehen sein, dass das Messelement die Form eines Sacklochs aufweist und in seiner Sacklochausnehmung einen stufenartig in das Innere des Druckaufnehmergehäuses hineinragenden Bestandteil des Vorsatzteils aufnimmt.

[0035] Nach einer optionalen Modifikation der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Druckaufnehmergehäuse in seinem Übergang weg vom Frontabschnitt eine umfangsseitig verlaufende Auskragung aufweist, die dazu ausgelegt ist, gegen eine Anschlagkante oder ein Dichtelement anzuschlagen.

[0036] Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine an der Oberseite des Messelements (3) angeordnete Druckmesselement (9) als Dehnmesselement oder als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist. Das Dehnmesselement ist dazu ausgelegt, eine durch Druck hervorgerufene Verformung des Messelements zu erfassen und in einen Druckwert zu überführen.

[0037] Dabei kann es von Vorteil sein, wenn mehrere Dehnmesselemente bzw. Dehnungsmessstreifen zu einer Wheatstoneschen Vollbrücke verschaltet sind. Eine besonders genaue Bestimmung der Kraft erhält man, wenn in der Wheatstoneschen Vollbrücke pro Halbbrücke jeweils ein Dehnmessstreifen auf Stauchung und einer auf Dehnung belastet ist, wodurch sich eine maximale Empfindlichkeit auf Krafteinwirkung erzielen lässt.

[0038] Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße Druckaufnehmer ferner einen temperaturabhängigen Widerstand an der Außenseite des Messelements zur Kompensation eines Temperatureinflusses während der Messung. Der temperaturabhängige Widerstand wird dann dazu genutzt, die temperaturinduzierte Dehnung bzw. Stauchung des Messelements zu kompensieren, da diese auch erfasst und bei der Ermittlung einer einwirkenden Kraft herangezogen werden kann. Diesen Effekt gilt es zu kompensieren, wozu nun der temperaturabhängige Widerstand herangezogen wird.

[0039] Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass das Druckaufnehmergehäuse, das Vorsatzteil und/oder das Messelement aus einem Metall ist/sind, vorzugsweise einem hochfesten Metall, bevorzugterweise aus dem martensitischen Stahl 1.4542 oder 1.4548 oder der Nickelbasislegierung Inconel 718, deren chemische Zusammensetzung aus 50,0 -5 5,0% Ni, 17,0 - 21,0% Cr, 4,75 - 5,50% TA+Nb, 2,80 - 3,30% Mo, 0,65 - 1,15% Ti, 0,20 - 0,80% AI, ≤ 0,3% Cu, ≤ 0,08% C, ≤ 0,35% Si und ≤ 1,0% Co besteht.

[0040] Vorzugsweise kann vorgesehen sein, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient von Druckaufnehmergehäuse, Vorsatzteil und Messelement identisch ist oder um weniger als 5% vom nominal größten Koeffizient abweicht. Dadurch wird erreicht, dass ungewünschte, asymmetrische bzw. inhomogene Deformationen bedingt durch die thermische Ausdehnung des Materials vermieden werden.

[0041] Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Messelement auf Höhe des außen am Druckaufnehmergehäuse verlaufenden Gewindes angeordnet ist.

[0042] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung werden aufgrund der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen: Fig. 1: eine Schnittansicht des relevanten Teils des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers, Fig. 2: eine weitere Schnittansicht der aus der Fig. 1 bekannten Struktur zusammen mit einer Dichtung und Angaben zum Durchmesser des Gewindes sowie dem Abstand des Messelements zu einem vorderen Ende, Fig. 3: einen möglichen Einbau des Druckaufnehmers in einer Montagebohrung eines Zylinderkopfs, und Fig. 4: einen Aufbau des Druckaufnehmers mit einer Aufbau- und Verbindungstechnik zum elektrischen Anschluss mehrerer Druckmesselemente sowie eines Temperaturmesselementes, und Fig. 5 die elektrische Verschaltung und mechanische Belastungsart der Druckmesselemente (9) einer besonders vorteilhaften Vollbrückenschaltung.

[0043] Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Druckaufnehmers. Dieses weist ein Druckaufnehmergehäuse 1 auf, das an seinem Frontende 12, welches bei einer Messung in den Brennraum eines Zylinders eingeführt wird, ein Vorsatzteil 14 aufweist. Das Druckaufnehmergehäuse 1 verfügt dabei an seiner Außenseite über ein umlaufendes Gewinde 5, das dazu genutzt wird, den Druckaufnehmer in einer Montagebohrung mit einem zugehörigen Gegengewinde zu befestigen. Oberhalb, also an der zum Frontende 12 abgewandten Seite des Gewindes 5 ist eine Auskragung vorgesehen, die zum Abdichten des Brennraums genutzt werden kann. Typischerweise legt sich diese umlaufende Auskragung gegen einen Anschlagabschnitt der Montagebohrung, so dass nur der unterhalb der Auskragung sich Richtung Frontende 12 erstreckende Bereich des Druckaufnehmergehäuses 1 dem Druck im Brennraum ausgesetzt ist.

[0044] Das Innere des Druckaufnehmergehäuses 1 ist über das Vorsatzteil 14 sowie ein daran angeordnetes Messelement 3 dichtend abgetrennt. Das Druckaufnehmergehäuse 1 kann einen hülsenartigen Abschnitt aufweisen, der im Wesentlichen der Form einer Zylindermantelfläche entspricht. An dessen vorderem Ende wird das Vorsatzteil 14 aufgesetzt, das im Zusammenspiel mit dem Messelement 3 das Innere des Druckaufnehmergehäuses abdichtet. Die vom Druckaufnehmergehäuse 1 abgewandte Fläche des Vorsatzteils 14 stellt das Frontende 12 des Druckaufnehmers dar und ist eben ausgeformt. Die davon abgewandte Seite des Vorsatzteils 14 besitzt mehrere stufenartige Erhebungen, die sich hin zu einer Mitte des Vorsatzteils 14 erheben. Da der Grundaufbau des Vorsatzteils 14 eine kreisförmige Scheibe darstellen kann, dessen Außenumfang mit der Innenseite der hülsenartigen Zylindermantelfläche des Druckaufnehmergehäuses verbunden ist, stellen die stufenartigen Erhebungen kreissegmentartige Elemente dar, die sich hin zu einer Mitte der kreisförmigen Scheibe erheben.

[0045] Durch das Vorsatzteil 14 verläuft ein Gaskanal 2, der die beiden flächigen Seiten miteinander verbindet. So ist in der Mitte der Frontseite 12 eine Ausnehmung vorgesehen, die eine fluidische Verbindung zu der zum Inneren des Druckaufnehmergehäuses 1 gewandten Seite des Vorsatzteils 14 erstellt.

[0046] Das Messelement nimmt dabei in der Art eines Sacklochs eine oder mehrere der stufenartigen Erhebungen der zum Inneren gewandten Seite des Vorsatzteils 14 auf. Dabei ist das Messelement 3 dichtend an dem Vorsatzteil 14 befestigt und umschließt den innenseitigen Auslass des Gaskanals. Entsteht durch einen Verbrennungsvorgang nun ein besonders hoher Druck, so führt der Gaskanal 2 dazu, dass dieser Druck an eine Seite des Messelements 3 weitergegeben wird, wohingegen die zum Inneren des Druckaufnehmergehäuses 1 gewandte Seite des Messelements 3 diesem hohen Druck nicht ausgesetzt ist. Diese Druckdifferenz führt zu einer Variation des Messelements 3, die mittels an der zum Frontende 12 abgewandten Seite vorgesehenen Druckmesselemente 9 bzw. einem Temperaturmesselement 15 eine Druckbestimmung zulassen.

[0047] Das Bezugszeichen 16 zeigt dabei eine Rotationsachse 16, die parallel zur Längsrichtung des Druckaufnehmers verläuft. Insbesondere das Vorsatzteil und auch das daran befestigte Messelement 3 sind zu dieser Achse 16 dreh- bzw. rotationssymmetrisch.

[0048] Ferner kann das Vorsatzteil 14 nicht nur einen einfachen Gaskanal 2 aufweisen, sondern einen Diffusor 4 enthalten, der dafür sorgt, dass die durch den Gaskanal 2 geführte Strömung gleichmäßig auf das Messelement 3 trifft. Durch den Diffusor 4 wird die thermische Belastung in der Verbrennungsphase gleichmäßig auf die Mechanik des Messelements 3 verteilt, so dass es nicht zu einem ungleichmäßigen Erhitzen des Messelements 3 kommt, das für eine fehlerhafte Messung des Drucks sorgen könnte.

[0049] Der Diffusor kann bspw. durch das Vorsehen mehrerer sternförmig angeordneter Kanäle mit verringertem Durchmesser oder aber anderen Elementen in dem Gaskanal verwirklicht sein, die zu einer gleichmäßigen Verteilung beitragen bzw. eine Umlenkung der Strömung in dem Gaskanal bewirken. Die konkrete Ausgestaltung des Diffusors hängt dabei aber auch immer mit der tatsächlichen Anordnungs- und Einbauposition des Drucknehmers in dem Zylinderkopf zusammen, da hierdurch ebenfalls die Strömungscharakteristik beeinflusst wird.

[0050] Wesentlich für die Vorteile der Erfindung ist, der Abstand der Unterseite 13 des Messelements 3 zu dem Frontende 12, also dem vorderen Ende des Druckaufnehmers, der nicht zu weit entfernt hiervon sein darf.

[0051] Fig. 2 zeigt dabei im Wesentlichen eine identische Darstellung wie die Fig. 1, bezeichnet nun aber auch den Nenndurchmesser 10 des Gewindes 5 sowie den Abstand 11 der Unterseite 13 des Messelements 3. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verhältnis von Nenndurchmesser 10 des Gewindes 5 zum Abstand 11 der Unterseite 13 des Messelements 3 mindestens 1:1,5 beträgt, vorzugsweise mindestens 1:1,3 und bevorzugterweise mindestens 1:1,2.

[0052] Die Unterseite 13 des Messelements 3 ist dabei diejenige Seite des Messelements 3, an deren gegenüberliegenden Seite Druckmesselemente 9 oder Dehnungsmessstreifen angeordnet sind. Es ist also diejenige Seite, die einem Hochdruck ausgesetzt wird und an deren Rückseite die hervorgerufene Veränderung erfasst und in einen Druckwert umgerechnet wird.

[0053] Ferner erkennt man in der Fig. 2 einen nicht zum Druckaufnehmer gehörenden Dichtungsring, gegen den die Auskragung 6 anschlägt.

[0054] Fig. 3 zeigt einen Einbau des Druckaufnehmers in einer Montagebohrung 19 eines Zylinderkopfs 18. Die Montagebohrung 19 weist dabei zwei unterschiedliche Durchmesser auf, um eine Anschlagkante für die Auskragung 6 des Druckaufnehmergehäuses 1 zu erzeugen. Zwischen der Anschlagkante und der Auskragung 6 ist dabei eine Dichtung 7 angeordnet, die für eine Abdichtung des mit dem Brennraum 8 des Zylinders in Fluidverbindung stehenden Frontabschnitts des Druckaufnehmergehäuses dient.

[0055] Man erkennt, dass das Messelement 3 nicht an vorderster Front des Druckaufnehmergehäuses 1 angeordnet ist, sondern durch das Vorsatzteil 14 geschützt ist. Dennoch ist eine Erfassung des Drucks in dem Brennraum 8 möglich, da das Vorsatzteil 14 über seinen Gaskanal 2 eine Verbindung hin zum Messelement 3, bzw. der für die Messung verantwortlichen Unterseite 13 des Messelements 3 erstellt.

[0056] Fig. 4 zeigt eine weitere Schnittansicht des Druckaufnehmers, bei der -neben den bereits eingeführten Bestandteilen- weitere Bestandteile an der zum Inneren gewandten Seite des Messelements 3 dargestellt sind.

[0057] Man erkennt dabei eine Aufbau- und Verbindungstechnik 17 zum elektrischen Anschluss der Druckmesselemente 9 sowie eines optional vorsehbaren Temperaturmesselementes 15.

[0058] Die bei dem Druckaufnehmer vorzusehenden Dehnmessstreifen 9 können mittels Dünnschichttechnologie auf das Messelement 3 aufgebracht werden. Ferner kann auch an der Oberseite des Messelements 3 ein temperaturabhängiger Widerstand vorgesehen sein, der das Ausdehnen und das Zusammenziehen des Messelements 3, der nur aufgrund einer Temperaturschwankung erfolgt und nichts mit einer Druckvariation zu tun hat, herausrechnet bzw. kompensiert.

[0059] Fig. 5 zeigt ein Schaltbild einer Wheatstoneschen Brücke, die jeweils vier Dehnmessstreifen 9 aufweist. Die Dehnmessstreifen 9 sind dabei auf der Oberseite des Messelements 3 angeordnet. Ein Dehnmessstreifen 9 ist dabei ein von einer Dehnung bzw. einer Stauchung des Messelements 3 abhängiger Widerstand, so dass bei einer entsprechenden Brückenverschaltung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, die Ausgangsspannung UABin Abhängigkeit von der Eingangsspannung Uo einen Rückschluss auf den aktuellen Dehn- oder Stauchungszustand der Oberseite des Messelements 3 zulässt. Damit kann pro Halbbrücke jeweils ein Dehnmessstreifen auf Stauchung und einer auf Dehnung belastet sein, was aus der Fig. 5 durch die unterschiedlichen Pfeilrichtungen der jeweils links neben dem Dehnmessstreifen 9dargestellten Pfeile erkennbar ist. Dies ermöglicht eine verbesserte Empfindlichkeit auf eine Krafteinwirkung des Messelements. Zudem sind die Dehnmessstreifen 9 mit gleicher Belastungsart in den beiden Halbbrücken jeweils diagonal gegenüber zueinander angeordnet. Hieraus ergibt sich eine maximale Empfindlichkeit auf die Krafteinleitung von wobei k der Verstärkungskoeffizient der Dehnungsmessstreifen 9 ist.

Bezugszeichenliste:

[0060] 1 Druckaufnehmergehäuse 2 Gasführender Kanal 3 Messelement 4 Diffusor 5 Gewinde 6 Aufnahme für eine in axialer Richtung wirkende Dichtung 7 Dichtung 8 Brennraum 9 Druckmesselement(e) 10 Durchmessers des Gewindes 11 Axialer Abstand des Messelementes zur Unterseite des Druckaufnehmers 12 Unterseite des Druckaufnehmers 13 Druckbeaufschlagte Unterseite des Messelements 14 Vorsatzteil 15 Temperaturmesselement 16 Rotationsachse 17 Aufbau- und Verbindungstechnik 18 Zylinderkopf 19 Montagebohrung

Claims (15)

1. Druckaufnehmer zum Erfassen eines Brennraumdrucks bei Brennkraftmaschinen, insbesondere Diesel- und Gasmotoren, umfassend: ein Druckaufnehmergehäuse (1) mit einem außen angeordneten Gewinde (5) zum Befestigen in einer entsprechenden Ausnehmung (19) und einem Frontabschnitt, der beim Erfassen des Brennraumdrucks mit einem Brennraum in Fluidverbindung steht, ein auf Druck reagierendes Messelement (3), das umfangsseitig von dem Druckaufnehmergehäuse (1) umgeben und innerhalb des Frontabschnitts des Druckaufnehmergehäuses (1) angeordnet ist, wobei das Messelement (3) an seiner zum Inneren des Druckaufnehmergehäuses (1) gewandten Oberseite mindestens ein Druckmesselement (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet,dass eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite (13) des Messelements (3) in Längsrichtung des Druckaufnehmers gesehen mit Abstand (11) zu einem Frontende (12) des Druckaufnehmers angeordnet ist, wobei der Abstand (11) von dem Frontende (12) zu der Unterseite (13) des Messelements (3) nicht mehr als 150%, vorzugsweise nicht mehr als 130%, bevorzugterweise nicht mehr als 120% des Nenndurchmessers (10) des Gewindes (5) zum Befestigen des Druckaufnehmergehäuses (1) beträgt.

2. Druckaufnehmer nach Anspruch 1, wobei der Abstand (11) von dem Frontende (12) zu der Unterseite (13) des Messelements (3) im Bereich von 20-80%, vorzugsweise im Bereich von 30-50% und bevorzugterweise im Bereich von 37-43% des Nenndurchmessers des Gewindes (5) zum Befestigen des Druckaufnehmergehäuses (1) liegt.

3. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Druckaufnehmergehäuse (1) ein Vorsatzteil (14) aufweist, das einen Gaskanal (2) von dem Frontende (12) zu der zum Frontende (12) zugewandten Seite des Messelements (3) bildet.

4. Druckaufnehmer nach dem vorhergehenden Anspruch 3, wobei innerhalb des Gaskanals (2) ein Diffusor (4) angeordnet ist, um die während eines Verbrennungsvorgangs auftretende thermische Belastung gleichmäßig auf das Messelement (3) zu übertragen.

5. Druckaufnehmer nach dem vorhergehenden Anspruch 4, wobei Vorsatzteil (14) und Diffusor (4) einstückig ausgebildet sind.

6. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gewinde (5) zum Befestigen des Druckaufnehmergehäuses (1) ein Gewinde (5) vom Typ M8x0,75, M8x1, M10x1 oder M14x1,25 ist.

7. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, wobei das Druckaufnehmergehäuse (1) eine Zylindermantelfläche umfasst, an dessen Außenumfang das Gewinde (5) zum Befestigen des Druckaufnehmergehäuses (1) angeordnet ist und in dessen frontseitige Deckfläche das Vorsatzteil (14) eingeführt ist.

8. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, wobei das Messelement (3) an dem Vorsatzteil (14) befestigt ist, vorzugsweise an einer vom Frontende (12) abgewandten Seite des Vorsatzteils (14).

9. Druckaufnehmer nach dem vorhergehenden Anspruch 8, wobei das Vorsatzteil (14) einen seine beiden flächigen Seiten fluidisch miteinander verbindenden Gaskanal (2) aufweist, der vorzugsweise mittig in Längsrichtung des Vorsatzteils (14) angeordnet ist.

10. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, wobei eine erste flächige Seite eben ausgeführt und von dem Druckaufnehmergehäuse (1) abgewandt ist und eine zweite flächige Seite sich stufenartig zu einer Mitte hin absetzt, so dass die stufenartige Absetzung sich von dem Frontende (12) weg in das Druckaufnehmergehäuse (1) hinein erstreckt.

11. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 10, wobei das Vorsatzteil (14) rotationsymmetrisch oder drehsymmetrisch ist, wobei vorzugsweise die Rotationsachse (16) parallel zu der Längsachse des Druckaufnehmers verläuft.

12. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 11, wobei das Messelement (3) die Form eines Sacklochs aufweist und in seiner Sacklochausnehmung einen stufenartig in das Innere des Druckaufnehmergehäuses (1) hineinragenden Bestandteil des Vorsatzteils (14) aufnimmt, vorzugsweise wobei der zum Vorsatzteil (14) gewandte Sacklochboden die Unterseite (13) des Messelements (3) darstellt.

13. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Druckaufnehmergehäuse (1) in seinem Übergang weg vom Frontabschnitt eine umfangsseitig verlaufende Auskragung (6) aufweist, die dazu ausgelegt ist, gegen eine Anschlagkante oder ein Dichtelement (7) anzuschlagen.

14. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine an der Oberseite des Messelements (3) angeordnete Druckmesselement (9) als Dehnmesselement oder als Dehnungsmessstreifen ausgebildet ist.

15. Druckaufnehmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Druckaufnehmergehäuse (1), das Vorsatzteil (14) und/oder das Messelement (3) aus einem Metall ist, vorzugsweise einem hochfesten Metall, bevorzugterweise aus dem martensitischen Stahl 1.4542 oder 1.4548 oder der Nickelbasislegierung Inconel 718, deren chemische Zusammensetzung aus 50,0 -5 5,0% Ni, 17,0 - 21,0% Cr, 4,75 - 5,50% TA+Nb, 2,80 - 3,30% Mo, 0,65 - 1,15% Ti, 0,20 - 0,80% AI, ≤ 0,3% Cu, ≤ 0,08% C, ≤ 0,35% Si und ≤ 1,0% Co besteht.