DE102004047143A1

DE102004047143A1 - Piezoelektrischer Brennraum-Drucksensor mit einem Druckübertragungsstift

Info

Publication number: DE102004047143A1
Application number: DE102004047143A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Flik; Oliver Stoll; Juergen Krueger; Sven Zinober
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-04-06
Also published as: KR20070062986A; WO2006034928A1; JP2008514940A; EP1797407A1; US20090025468A1

Abstract

Es wird ein Sensor (SE) aus einem einkristallinen, piezoelektrischen Material (1) zum Messen des Drucks (6) in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Druckübertragungsstift vorgeschlagen, wobei als Druckübertragungsstift ein in den Brennraum hineinragender, verschiebbar gelagerter Glühstift (4) vorgesehen ist und der Sensor (SE) kraftschlüssig mit dem Glühstift (4) verbunden ist. Der Sensor (SE) ist bevorzugt zwischen dem Glühstift (4) und einem starren Widerlager (5) angeordnet. Vorteilhaft ist dabei das einkristalline, piezoelektrische Material (1) des Sensors (SE) Lithiumniobat (LiNbO¶3¶). Eine besonders hohe Empfindlichkeit des Sensors (SE) wird erreicht durch die Verwendung des piezoelektrischen Materials (1) im Z-Schnitt oder im Y-Schnitt.

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor zum Messen des Drucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Druckübertragungsstift.

Für verschiedene Anwendungen ist es wünschenswert, den in einem Brennraum herrschenden Druck durch einen geeigneten Sensor zu erfassen. Ein Sensor aus einem piezoelektrischen Material zur Bestimmung des Drucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus DE-692 09 132 T2 bekannt. Wie allgemein bekannt, entstehen bei einem piezoelektrischen Material, auf dem ein mechanischer Druck ausgeübt wird, elektrische Ladungen. Aus diesen Ladungen resultiert eine elektrische Spannung im piezoelektrischen Material, die man abgreifen und messen kann. Da bei einer direkten Aussetzung des piezoelektrischen Materials im Brennraum der Sensor u. a. aus thermischen Gründen geschädigt wird, wird der Druck im Brennraum zunächst auf ein druckempfangendes Bauteil ausgeübt, das dem Brennraum direkt ausgesetzt ist. Das druckempfangende Bauteil leitet dann den Druck letztlich auf das piezoelektrische Material des Sensors weiter. Gemäß der Lehre der genannten Schrift wird der Druck zunächst auf eine Membran am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ausgeübt, der dann über einen mit der Membran verbundenen Druckübertragungsstift auf das piezoelektrische Material übertragen wird.

Die im Stand der Technik beschriebene Vorrichtung zeigt in der Praxis jedoch gewisse Nachteile. Zunächst sind Membrane als Druckempfänger in einem Brennraum grundsätzlich problematisch, da die Lebensdauer eines solchen Bauteils durch z. B. Verschmutzungen, insbesondere durch Rußpartikeln, begrenzt wird. Auch die mechanische Stabilität einer Membran ist im Vergleich mit anderen Bauteilen als kritisch zu bewerten. Weiter wird in der vorgestellten Vorrichtung der Drucksensor als Einzelbauteil am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine vorgesehen. Der an dem Zylinderkopf vorhandene Einbauplatz ist aber sehr begrenzt. Denn heutige Brennkraftmaschinen weisen aber typischerweise mehrere Einlass- und Auslassventile pro Brennraum auf, und ferner ist bei der Direkteinspritztechnik neben einem Brennstoffeinspritzventil zum direkten Einspritzen des Brennstoffes in den Brennraum der Brennkraftmaschine bei fremdgezündeten Brennkraftmaschinen auch noch eine Zündkerze zum Zünden des Brennstoffes erforderlich. Bei Selbstzündern ist eine Glühstiftkerze notwendig. Eine direkte Platzierung der Membran mit dem Druckübertragungsstift am Brennraum stößt daher auf Schwierigkeiten.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Sensor SE mit einem Druckübertragungsstift mit den angegebenen Merkmalen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine Integration des Sensors in bereits vorhandene Bauteile der Brennkraftmaschine ermöglicht und somit eine platzsparende Lösung bereitgestellt wird. Insbesondere wird dabei auch die aus dem Stand der Technik bekannte Membran als druckempfangendes Bauteil verzichtet, wodurch eine Reduzierung der Problematik durch Verschmutzungen erzielt wird. Weiter ist das piezoelektrische Material des Sensors vorteilhaft von mechanischen Anzugsmomenten und thermisch induzierten mechanischen Spannungen am Zylinderkopf entkoppelt und minimiert so verfälschte Druckmessungen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.

Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen in eine Glühstiftkerze integrierten, piezoelektrischen Sensor mit einem Widerlager,
2a bis 2c jeweils eine Ausführung des Sensors im Schnitt und in Draufsicht,
3 ein Quarzkristall mit den kristallographischen Achsen X, Y und Z in perspektivischer Darstellung,
4 ein im Querschnitt sechseckiges Quarzkristall,
5 ein piezoelektrisches Bauteil im X-Schnitt mit Schnittwinkel θ,
6 die lineare Abhängigkeit der Empfindlichkeit des Z-Schnittes von der Temperatur,
7a ein piezoelektrisches Material 1 im Z-Schnitt in perspektivischer Darstellung bei einer schiefwinkligen Krafteinwirkung,
7b und 7c Vektor-Darstellungen zur Verdeutlichung der Winkeln α bzw. β,
8a und 8b die Empfindlichkeit des piezoelektrischen Materials im Z-Schnitt in Abhängigkeit vom Winkel α bzw. β, und
9a und 9b die Empfindlichkeit des piezoelektrischen Materials im Y-Schnitt in Abhängigkeit vom Winkel α bzw. β.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen, in eine Glühstiftskerze integrierten Sensor SE aus einem einkristallinen, piezoelektrischen Material 1. Der Sensor SE ist dabei in einem Kanal 2 zum Brennraum einer Brennkraftmaschine angeordnet. Er ist jedoch nicht direkt dem Druck 6 des Brennraumes ausgesetzt, sondern kraftschlüssig mit einem Glühstift 4 verbunden. Der Glühstift 4 ist teilweise im Kanal 2 angeordnet, ragt aber mit einem Ende in den Brennraum hinein und ist verschiebbar, insbesondere axial verschiebbar, gelagert. Typischerweise ist der Glühstift 4 in einer Dichtung 3, insbesondere einem O-Ring, Graphitring oder einer Metallsicke, gelagert. Der Sensor SE selbst ist an der dem Brennraum abgewandten Seite des Glühstiftes 4 angeordnet. Weiter ist ein starres Widerlager 5 dem Sensor SE in entgegengesetzter Richtung des Brennraumes nachgelagert.
Wird nun ein Druck 6 auf den Glühstift 4 ausgeübt, so leitet der axial verschiebbar gelagerte Glühstift 4 den Druck 6 auf das piezoelektrische Material 1 weiter, welches aufgrund des ihm nachgelagerten, starren Widerlagers 5 mechanisch deformiert wird. Durch eine Spannungsmessung am piezoelektrischen Material 1 kann der Wert des Druckes 6 im Brennraum 3 abgeleitet werden. Zum Abgreifen der Spannung ist der Sensor SE aus dem piezoelektrischen Material 1 an zwei Seiten, wie die 2a bis 2c zeigen, zur Bildung von Elektroden 7 metallisiert, vorzugsweise mit einer Chrom-Gold(CrAu)-Schicht, insbesondere Legierung. Die Elektroden 7 sind, wie in 1 erkennbar, so angeordnet, dass sie senkrecht zur Druckeinwirkung stehen und sind mit elektrischen Leitungen 8 direkt oder alternativ indirekt über in den Figuren nicht dargestellten Metallscheiben kontaktiert. Mögliche äußere Formen des Sensors SE sind, neben der eines Quaders (2b) oder einer Vollscheibe (2c), bevorzugt die eines Rings (2a), da dann durch die offene Mitte des Ringes die elektrischen Leitungen 8 geführt werden können. Durch die offene Mitte des Ringes kann auch die elektrische Leitung für den Glühstrom der Glühkerze gelegt werden.
Durch die beschriebene Anordnung des Sensors SE ist der Sensor SE in eine Glühstiftskerze bzw. in einem bereits vorhandenen Kanal 2 zum Brennraum integriert. Weder ein eigener Kanal 2 noch ein eigener Druckübertragungsstift für den Sensor SE ist notwendig, vielmehr wird beides vorteilhaft für zwei unterschiedliche Zwecke verwendet. Auch wird auf eine Membran als druckempfangendes Bauteil ganz verzichtet. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich dadurch, dass Kräfte wie beispielsweise die durch das Anzugsmoment beim Einschrauben in den Zylinderkopf auf das Glühstiftkerzengehäuse wirken, nahezu keinen Einfluss auf den Sensor SE haben.
Der Sensor SE kann durch eine angemessene Materialauswahl und durch definierte Kristallschnitte in seiner Gesamtleistung noch weiter verbessert werden. Bei einem piezoelektrischen Sensor SE wird als piezoelektrisches Material 1 hauptsächlich Quarz oder Piezokeramik verwendet. Beide Möglichkeiten haben jedoch gewisse Vor- und Nachteile im Vergleich miteinander. So zeigt Quarz einerseits als die einkristalline Variante des Siliziumdioxids SiO₂ keine Alterung und ist temperaturstabil bis zu einer relativ hohen Temperatur von 573 °C. Bei einer noch höheren Temperatur wandelt der Quarz von der sogenannten α-Modifikation in die β-Modifikation. Erst dann verliert der Quarz seine piezoelektrische Eigenschaft. Andererseits hat der Quarz nur eine kleine Empfindlichkeit von 2,3 pC/N, so dass üblicherweise zwei Piezoelemente ladungsmäßig parallel geschaltet werden. Dies erfordert einen hohen Aufwand und damit hohe Kosten bei der Aufbau- und Verbindungstechnik. Dagegen weisen piezoelektrische Keramiken eine hohe Empfindlichkeit auf, wodurch auf eine aufwendige Aufbautechnik mit mehreren Piezoelementen verzichtet werden kann. Nachteilig ändert sich jedoch die Empfindlichkeit der piezoelektrischen Keramiken mit der Lebensdauer. Die Änderung wird durch Depolarisation in piezoelektrischen Keramiken verursacht und schränkt die Einsatzmöglichkeit des Materials stark ein. Die Depolarisation wird bei relativ großen Krafteinwirkungen beschleunigt, so dass diese Materialien nur bei kleinen Kräften betrieben werden. Zudem führen hohe Krafteinwirkungen zu nicht-linearen und hysteretischen Ladungs-Kraftkennlinien. Dieses Problem wird bei Temperaturen, die höher als 50 % der Curie-Temperatur liegen, noch weiter verschärft.
Um die Nachteile der beiden Materialien zu umgehen, besteht der erfindungsgemäße Sensor SE vorteilhaft aus dem einkristallinen, piezoelektrischen Material Lithiumniobat (LiNbO₃). Die Curie-Temperatur dieses Materials liegt bei über 1200 °C. Gleichzeitig können eine hohe Empfindlichkeit und ein geringer Temperaturgang durch ausgewählte Schnitte aus dem Kristall erreicht werden.
Um die verschiedenen Schnitte aus dem Kristall definieren zu können, wird zunächst in der 3 ein Quarzkristall mit den kristallographischen Achsen X, Y und Z in perspektivischer Darstellung gezeigt. Ausgehend von der Gestalt eines natürlichen, im Querschnitt sechseckigen Quarzkristalls und der in der Kristallographie üblichen Festlegung der senkrecht aufeinanderstehenden Achsen X, Y und Z, definieren wir als Z-Achse die durch die Spitze des Kristalls gehende gedachte Achse. Eine senkrecht hierzu stehende und durch eine Ecke des hexagonalen Prismas gehende Achse wird als X-Achse bestimmt. Die Y-Achse steht wiederum senkrecht zu den beiden anderen Achsen und geht damit durch eine Fläche des Kristalls. 4 zeigt das sechseckige Kristall im Querschnitt, d. h. man sieht die X-Y-Ebene in Draufsicht. Wie bereits erwähnt, kann das piezoelektrische Bauteil aus dem Kristall zur Erzielung bestimmter Eigenschaften wie beispielsweise eines minimalen Temperaturganges unter einem optimalen Achsenschnitt und/oder Schnittwinkel θ herausgeschnitten werden. Dabei werden die Schnitte nach der kristallographischen Achse bezeichnet, die normal zur Hauptoberfläche des Bauteils steht. Die Hauptoberfläche ist dabei die Oberfläche des Bauteils, auf die später der Druck bzw. die Kraft auf das Bauteil eingekoppelt wird. So ist in der 5 beispielhaft ein piezoelektrisches Bauteil im X-Schnitt dargestellt, da das Bauteil derart aus dem Kristall herausgeschnitten wurde, dass die X-Achse des Kristalls normal zur Hauptoberfläche des Bauteils steht. Das Bauteil schließt gleichzeitig mit der Y-Achse einen Schnittwinkel θ ein. Die oben eingeführten Bezeichnungen der kristallographischen Achsen X, Y und Z gelten analog auch für LiNbO₃-Kristalle, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Querschnitt des LiNbO₃-Kristalls die Grundfläche eines ditrigonalen Prismas aufweist. Die genaue geometrische Form mit den Achsenbezeichnungen ist der Fachliteratur zu entnehmen.
Bevorzugt werden LiNbO₃-Bauteile mit Z- oder Y-Schnitt eingesetzt, d. h. die Z- bzw. Y-Achse des Kristalls steht senkrecht zur Hauptoberfläche des Bauteils oder mit anderen Worten, zur Ebene der Krafteinkoppelung.
Zunächst ist die Empfindlichkeit eines LiNbO₃-Bauteils mit einem Z-Schnitt vorteilhaft etwa um Faktor drei größer als die eines Quarz-Bauteils. Der Temperaturgang beträgt etwa 480 ppm/K und damit etwas mehr als im Vergleich zu Quarz, jedoch ändert sich die Empfindlichkeit S (= Sensitivity), wie aus 6 erkennbar, linear mit der Temperatur T und ist daher besonders einfach kompensierbar. Darüber hinaus bietet der Z-Schnitt den Vorteil einer geringen Querempfindlichkeit auf schiefwinkelige Krafteinkoppelung. Zur besseren Veranschaulichung ist in 7a das piezoelektrische Bauteil mit einem Z-Schnitt in perspektivischer Darstellung mit den kristallographischen X-, Y- und Z-Achsen skizziert. Entsprechend zu der zuvor erläuterten Definition verläuft die Z-Achse hier bei einem Bauteil mit einem Z-Schnitt senkrecht zur Ebene der Krafteinkoppelung. Wirkt nun auf diese Ebene eine Kraft F nicht senkrecht auf diese ein, sondern mit einem Winkel α ungleich Null gegenüber der Z-Achse, so kann die gesamte (totale) Kraft F_tot vektoriell zerlegt werden in eine Tangentialkomponete T_par, die parallel zur Hauptoberfläche oder X-Y-Ebene des Bauteils verläuft, und in eine Z-Komponente F_z, die parallel zur Z-Achse verläuft. Die Vektorzerlegung der gesamten Kraft F_tot in Teilkomponenten T_par und F_z wird in 7b dargestellt, wobei die Vektoren F_tot und F_z einen Winkel α einschließen. Die Tangentialkomponete T_par kann wiederum in weiteren Komponenten T_x und T_y zerlegt werden, die jeweils parallel zur X- bzw. Y-Achse verlaufen. Die Komponenten T_par und T_x schließen dabei einen Winkel β ein, wie aus 7c ersichtlich. Weiter zeigen 8a und 8b die Empfindlichkeit S des piezoelektrischen Bauteils im Z-Schnitt in prozentualer Veränderung in Abhängigkeit vom Winkel α bzw. β. Die Empfindlichkeit S nimmt nur geringfügig ab.
Der Y-Schnitt bietet mit einer Empfindlichkeit S von 20 pC/N einen deutlich höheren Wert im Vergleich mit den bisher genannten Werten, und weist gleichzeitig einen kleinen Temperaturgang mit 240 ppm/K auf. Allerdings hängt die Empfindlichkeit sehr stark von den Winkeln α bzw. β der Einkoppelung ab (9a und 9b). Schiefe Oberflächen bei der Krafteinkoppelung bzw. Nichtparallität der Oberflächen des piezoelektrischen Bauteils resultieren in große Winkeln α und β, und beeinflussen somit die Empfindlichkeit. Die an sich hohe Empfindlichkeit S kann dennoch genutzt werden, wenn das Bauteil sorgfältig und richtig orientiert im Kanal 2 eingebaut wird. Ein gewisses Maß an Empfindlichkeitsvariation kann also abgeglichen und damit toleriert werden.

Claims

Sensor (SE) aus einem einkristallinen, piezoelektrischen Material (1) zum Messen des Drucks (6) in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine mit einem Druckübertragungsstift, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckübertragungsstift ein in den Brennraum hineinragender, verschiebbar gelagerter Glühstift (4) vorgesehen ist, wobei der Sensor (SE) kraftschlüssig mit dem Glühstift (4) verbunden ist.
Sensor (SE) mit einem Druckübertragungsstift nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (SE) an der dem Brennraum abgewandten Seite des Glühstiftes (4) angeordnet ist.
Sensor (SE) mit einem Druckübertragungsstift nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein starres Widerlager (5) dem Sensor (SE) in entgegengesetzter Richtung des Brennraumes nachgelagert ist.
Sensor (SE) mit einem Druckübertragungsstift nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Glühstift (4) verschiebbar in einer Dichtung (3), insbesondere einem O-Ring, Graphitring oder einer Metallsicke, gelagert ist.
Sensor (SE) mit einem Druckübertragungsstift nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das einkristalline, piezoelektrische Material (1) des Sensors (SE) Lithiumniobat (LiNbO₃) ist.
Sensor (SE) mit einem Druckübertragungsstift nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das einkristalline, piezoelektrische Material (1) des Sensors (SE) einen Z-Schnitt oder einen Y-Schnitt aufweist.
Sensor (SE) mit einem Druckübertragungsstift nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das einkristalline, piezoelektrische Material (1) an zwei Seiten, vorzugsweise mit einer Chrom-Gold(CrAu)-Schicht, zur Bildung von Elektroden (7) metallisiert ist.
Sensor (SE) mit einem Druckübertragungsstift nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (SE) die äußere Form eines Rings, eines Quaders oder einer Vollscheibe aufweist.
Sensor (SE) mit einem Druckübertragungsstift nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Leitungen (8) für den Sensor (SE) und/oder für den Glühstift (4) durch die offene Mitte des Rings geführt werden.