DE10102060B4

DE10102060B4 - Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Messaufnehmer zur indirekten Messung des Brennraumdruckes

Info

Publication number: DE10102060B4
Application number: DE10102060A
Authority: DE
Inventors: Josef Dr. Glaser; Wolfgang Ing. Schnider
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2001-01-17
Publication date: 2004-12-30
Anticipated expiration: 2021-01-18
Also published as: DE10102060A1; AT3988U1

Abstract

Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Messbereich (5) angeordneten Messaufnehmer (6) zur indirekten Messung des Brennraumdruckes, wobei der Messaufnehmer (6) zumindest eine mit dem Messbereich (5) in Kontakt stehende messsensitive Fläche (61, 62) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (5) als ein bezüglich anderer im Zylinderkopf (1) angeordnete Bauteile operativ eigener konstruktiver Bereich des Zylinderkopfes (1) ausgebildet ist und ein brennraumdruckproportionales Spannungs- und/oder Verformungsverhalten aufweist, dessen mechanische Spannung und/oder Verformung über den spannungs- und/oder verformungssensitiven Messaufnehmer (6) zur indirekten Messung des Brennraumdruckes erfassbar ist, wobei der Messbereich (5) in einem von mechanischen und thermischen Störgrößen annähernd unbeeinflussten Abschnitt des Zylinderkopfes (1) angeordnet ist.

Description

Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem Messaufnehmer zur indirekten Messung des Brennraumdruckes.
Die Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Brennkraftmaschine mit zumindest 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 üblicherweise über in Indizierbohrungen eingesetzte Druckaufnehmer, deren drucksensitiver Bereich mit dem Brennraum strömungsverbunden ist. Dies hat den Nachteil, dass zur Druckmessung eigene zusätzliche Bohrungen vorgesehen werden müssen. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit mehr als zwei Gaswechselventilen 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 Zylinderköpfen 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. Genaue 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 durchzuführen.

Aus der DE 4 026 418 C2 und der US 5,329.809 A sind ringförmige Brennkammer-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 Drucksensor. 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 beeinflusst.

Die US 4,601.196 A zeigt einen Zylinderkopf mit einem in eine Bohrung eingeschraubten 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.

Die bekannten Brennkraftmaschinen mit indirekter Messung des Brennraumdruckes haben gemeinsam, dass der den Messaufnehmer tragende Bauteil als Stan dardteil ausgeführt ist, ohne dass konzeptionelle Vorkehrungen für die indirekte Brennraumdruckmessung vorgesehen sind. Gegebenenfalls werden Bohrungen 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 indirekte Messung des Brennraumdruckes geeignet, da Störgrößen durch Montagespannungen, 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 Zylinderkopf zu entwickeln, mit welchem auf möglichst einfache Weise der Brennraumdruck präzise gemessen werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass der Messbereich als ein bezüglich anderer im Zylinderkopf angeordneter Bauteile operativ eigener konstruktiver Bereich des Zylinderkopfes ausgebildet ist und ein brennraumdruckproportionales Spannungs- und/oder Verformungsverhalten aufweist, dessen mechanische Spannung und/oder Verformung über den spannungs- und/oder verformungssensitiven Messaufnehmer zur indirekten Messung des Brennraumdruckes erfassbar ist, wobei der Messbereich in einem von mechanischen und thermischen Störgrößen annähernd unbeeinflussten Abschnitt des Zylinderkopfes angeordnet ist.

Der Brennraumdruck wird indirekt über den Spannungs- und/oder Verformungszustand des Zylinderkopfes ermittelt.

Um die Messung mit ausreichender Genauigkeit durchführen zu können, ist es wesentlich, dass Störeinflüsse infolge von Temperaturänderungen, unterschiedliche Wandstärken, Zylinder- und ventilübersprechen od. dgl. nur geringe Auswirkungen auf das gemessene Spannungs- und/oder Verformungsverhalten im vordefinierten Messbereich haben. Zum Unterschied zu bekannten Brennkraftmaschinen, 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 optimiert sein kann. Dadurch kann die Messgenauigkeit im Vergleich zu bekannten indirekten Brennraumdruckmessungen wesentlich erhöht werden.

Der Messbereich kann dabei durch eine Materialanhäufung oder eine Materialanformung wie etwa einen Butzen gebildet sein.

In einer sehr vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Messaufnehmer in einem durch den Zylinderkopf gebildeten Befestigungsbereich, der vom Messbereich freigestellt und dadurch mechanisch entkoppelt ist, befestigt ist.

Da der Messaufnehmer nicht mehr in direktem Kontakt mit dem Brennraum steht, ist er nicht den hohen Temperaturen im Brennraum, dem chemischen Angriff der Verbrennungsgase und den schädlichen Einflüssen von Klopferscheinungen ausgesetzt. Er unterliegt nur mehr geringer Alterung und kann sehr dauerhaft ausgeführt werden.

In einer sehr vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass der Messaufnehmer in eine als Sackloch ausgeführte Aufnahmebohrung des Messbereiches eingesetzt ist. Auf diese Weise wird eine möglichst geringe 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 weiter vorgesehen sein, dass der Messaufnehmer mit dem Zylinderkopf mit- oder in diesen eingegossen ist.

Die günstigste Position für die Erfassung der Spannungs- und/oder Verformungsänderungen zufolge der Brennraumdrücke ist die Zylindermitte, insbesondere um ein Übersprechen von benachbarten Zylindern zu vermeiden. Da in diesem Bereich allerdings die größten Gusstoleranzen auftreten und der Platz meist für andere Komponenten benötigt wird, kann in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen 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 brennraumdruckproportionalen Verformungsstelle des Messbereiches dem außerhalb der Verformungsstelle angeordneten Messaufnehmer zugeführt werden. Besonders 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 Strukturelementes verstärkt dem Messaufnehmer zugeführt wird.

Weiter auf Seite 4 der Beschreibung vom 17. Jänner 2001.

Besondere Platz- und Kostenvorteile ergeben sich, wenn für zumindest zwei Zylinder ein gemeinsamer Messaufnehmer vorgesehen ist, wobei der Messaufnehmer vorzugsweise in einer Motorquerebene zwischen zwei Zylinder angeordnet ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Spannungs- und/oder Verformungsverhalten für zumindest zwei Zylinder durch einen einzigen Messaufnehmer erfasst wird und dass die Zuordnung zwischen dem Messsignal und dem Brennraumdruck in diskreten Zeitabschnitten und abwechselnd für die zu messenden Zylinder 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 Zylinder 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
1 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer ersten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie I-I in 2,
2 diesen Zylinderkopf in einer Schrägansicht,
3 einen erfindungsgemäße Zylinderkopf in einer zweiten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in 4,
4 diesen Zylinderkopf in einer Schrägansicht,
5 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer dritten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie V-V in 6,
6 diesen Zylinderkopf in einer Schrägansicht,
7 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer vierten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie VII-VII in 8,
8 den Zylinderkopf in einer Schrägansicht,
9 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer fünften Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie IX-IX in 10,
10 den Zylinderkopf in einer Schrägansicht,
11 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer sechsten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie XI-XI in 12,
12 den Zylinderkopf in einer Schrägansicht,
13 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer siebenten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie XIII-XIII in 14,
14 den Zylinderkopf in einer Draufsicht,
15 einen erfindungsgemäßen Zylinderkopf in einer achten Ausführungsvariante in einem Schnitt gemäß der Linie XV-XV in 16 und
16 diesen Zylinderkopf in einer Draufsicht.
In den Ausführungsvarianten sind funktionsgleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1 bis 16 ist jeweils ein Zylinderkopf 1 mit mehreren Gaswechselkanälen 2 und einer im Bereich der Zylinderachse 3 angeordneten Aufnahmebohrung 4 für eine Zündkerze 4a, eine Glühkerze oder ein Einspritzventil dargestellt. Die Bezugszeichen 2a bezeichnen Gaswechselventile. Mit 4b ist ein seitlich einmündendes Einspritzventil angedeutet. Der Zylinderkopf 1 weist in jeder Ausführungsvariante einen vordefinierten Messbereich 5 mit brennraumdruckproportionalem 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 Messleitungen 7 mit einer nicht weiter dargestellten Auswerteeinheit verbunden, welche dem spannungs- und/oder verformungsproportionalen Messsignal mittels einer festgelegten mathematischen Zuordnung einen Brennraumdruckwert zuordnet. Die Pfeile F deuten die Krafteinwirkungen auf den Messaufnehmer 6 an.
Im in den 1 und 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist der vordefinierte Messbereich 5 durch eine Materialanhäufung 51 im Bereich einer durch die Zylinderachsen 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 Brennraumdruckveränderung erfährt der Zylinderkopf 1 eine Spannungs- bzw. Formänderung, welche über den Messaufnehmer 6 erfasst wird. Der Messaufnehmer 6 weist eine zylindrische messsensitive Fläche 61 auf, auf welche die Kräfte F durch Spannungs- bzw. Verformungsänderungen infolge des Brennraumdruckes radial einwirken.
In dem in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Messbereich 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 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 eingeschraubt, sodass der Sensorteil 6c des Messaufnehmers 6 in festem Kontakt mit dem Messbereich 5 steht. Um eine Störung der Messung durch Befestigungskräfte zu vermeiden, ist der Befestigungsbereich 21 vom Messbereich 5 freigestellt und somit mechanisch weitgehend entkoppelt.
In der in den 5 und 6 gezeigten Ausführungsvariante weist der Zylinderkopf 1 ein durch eine Rippe 10 gebildetes Strukturelement 9 mit einer Aufnahmebohrung 8 auf, in welcher der Messaufnehmer 6 angeordnet ist. Über das Strukturelement 9 wird die Spannung bzw. Verformung des Messbereiches 5 des Zylinderkopfes 1 an den Messaufnehmer 6 geleitet.
Die 7 und 8 zeigen einen Zylinderkopf 1 mit einem vordefinierten Messbereich 5 im Bereich der Zylinderkopflängsebene 3a, wobei der Messaufnehmer 6 in einer sacklochartigen Aufnahmebohrung 8 eines angeformten Butzens 53 angeordnet ist. Der Messbereich 5 weist weiters als Rippen 10 ausgebildete Strukturelemente 9 auf, welche Kräfte F radial in den Sensorteil 6c des Messaufnehmers 6 einleiten.
Die 9 und 10 zeigen einen Zylinderkopf 1, in dessen durch eine Materialanhäufung 51 gebildeten, vordefinierten Aufnahmebereich 5 ein mit dem Zylinderkopf 1 mitgegossener Messaufnehmer 6 angeordnet ist. Auch die Messleitungen 7 sind in den Zylinderkopf 1 eingegossen. Die Kräfte zufolge Brennraumdruckänderungen wirken gemäß den Pfeilen F auf den Sensorteil 6c des Messaufnehmers 6 ein.
Die 11 und 12 zeigen einen ähnlichen Zylinderkopf 1 mit einem mitgegossenen Messaufnehmer 6. In dieser Ausführung ist der Sensorteil 6c des Messaufnehmers 6 ringförmig ausgebildet und umgibt die mittige Aufnahmebohrung 4. Die Kräfte F wirken in radialer Richtung auf den Sensorteil 6c ein.
Die 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 Zylinderkopfquerebene 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 geleitet.
Die 15 und 16 zeigen eine analoge Ausführungsvariante zu den 13 und 14 mit einem in ein Strukturelement 9 eingegossenen Messaufnehmer 6. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Strukturelement 9 als brückenartiger Steg 11 zwischen zwei benachbarten Zylindern A, B ausgebildet, wobei in jedem Stegabschnitt 11a, 11b jeweils ein Sensorteil 6c des Messaufnehmers 6 eingeformt ist. Messleitungen 7 führen von den Messaufnehmern 6 nach außen zu einer nicht weiter dargestellten Auswerteeinheit.

Claims

Zylinderkopf (1) für eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem in einem Messbereich (5) angeordneten Messaufnehmer (6) zur indirekten Messung des Brennraumdruckes, wobei der Messaufnehmer (6) zumindest eine mit dem Messbereich (5) in Kontakt stehende messsensitive Fläche (61, 62) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (5) als ein bezüglich anderer im Zylinderkopf (1) angeordnete Bauteile operativ eigener konstruktiver Bereich des Zylinderkopfes (1) ausgebildet ist und ein brennraumdruckproportionales Spannungs- und/oder Verformungsverhalten aufweist, dessen mechanische Spannung und/oder Verformung über den spannungs- und/oder verformungssensitiven Messaufnehmer (6) zur indirekten Messung des Brennraumdruckes erfassbar ist, wobei der Messbereich (5) in einem von mechanischen und thermischen Störgrößen annähernd unbeeinflussten Abschnitt des Zylinderkopfes (1) angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (5) durch eine Materialanhäufung (51) oder Materialanformung (52) des Zylinderkopfes (1) gebildet ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (5) durch einen angeformten Butzen (53) gebildet ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (6) in einem durch den Zylinderkopf (1) gebildeten Befestigungsbereich (21), der vom Messbereich (5) freigestellt und dadurch mechanisch entkoppelt ist, befestigt ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (6) in eine als Sackloch ausgeführte Aufnahmebohrung (8) des Messbereiches (5) eingesetzt ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (6) mit dem Zylinderkopf (1) mit- oder in diesen eingegossen ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (5) ein die zu messende Spannungs- und/oder Verformungsmessgröße an den Messaufnehmer (6) übertragendes Strukturelement (9) aufweist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (9) durch einen Steg (11), eine Rippe (10) oder einen Hebel gebildet ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturelement (9) so ausgebildet ist, dass die Messgröße durch eine Hebelwirkung des Strukturelementes (9) verstärkt dem Messaufnehmer (6) zugeführt wird.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für zumindest zwei Zylinder (A, B) ein gemeinsamer Messaufnehmer (6) vorgesehen ist.
Zylinderkopf (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Messaufnehmer (6) in einer Motorquerebene (3b) zwischen zwei Zylinder (A, B) angeordnet ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die messsensitive Fläche (61) zylindrisch ist.
Zylinderkopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die messsensitive Fläche (62) eben ist.