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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Druckmessung im Brennraum
eines Verbrennungsmotors.
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Es
ist bekannt, den Verbrennungsprozess eines Verbrennungsmotors zu
regeln bzw. zu steuern. Durch Regelung der Kraftstoffeinspritzung
kann beispielsweise der Kraftstoffverbrauch eines Dieselmotors optimiert
werden und der Geräuschpegel
verringert werden. Auch die Emission von Ruß und NOx kann durch eine solche
Regelung reduziert werden. Die Motorregelung basiert bevorzugt auf
den im Brennraum herrschenden Druckverhältnissen, die mit Hilfe eines
Brennraumdrucksensors erfasst werden. Ein solcher Sensor darf keine
zu großen
Abmessungen haben und muss eine gute thermische Stabilität bei hinreichender
Empfindlichkeit aufweisen.
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Bekannt
sind Brennraumdrucksensoren, die mit einem Wandlerelement in Form
eines piezoelektrischen Einkristalls, wie Quarz oder Langasit, oder
einer Piezokeramik, wie PZT oder BIT, ausgestattet sind. Monokristalle
erfordern eine aufwendige mechanische Bearbeitung und haben in der
Regel eine relativ niedrige Messempfindlichkeit. Die alternativ verwendeten
Piezokeramiken besitzen zwar eine hohe Empfindlichkeit, jedoch treten
hier oft Hysterese- und Alterungseffekte auf.
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Daneben
sind piezoresistive Brennraumdrucksensoren bekannt, die Metall-Dehnmessstreifen
oder Si-Wandlerelemente umfassen. Metallbasierte Dehnmessstreifen
besitzen eine gute thermische Stabilität, eignen sich aber aufgrund
ihrer niedrigen Empfindlichkeit und relativ großen Abmessungen nicht optimal
für den
Einsatz in einem Brennraumdrucksensor eines Verbrennungsmotors.
Drucksensoren auf Siliziumbasis verfügen über eine relativ hohe Empfindlichkeit
sind aber nur bis Temperaturen von ca. 140°C einsetzbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird eine Sensoranordnung zur Druckmessung
im Brennraum eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, mit der sich
aufgrund hoher Messempfindlichkeit und großer thermischer Stabilität eine hohe
Messgenauigkeit erzielen lässt.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
ermöglicht
zudem eine hohe Systemflexibilität
und insbesondere eine sehr platzsparende Montage im Brennraum eines
Verbrennungsmotors.
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Dazu
umfasst die erfindungsgemäße Sensoranordnung
mindestens ein elektrisch leitendes Federelement und mindestens
ein elektrisch leitendes Gegenelement, wobei sich das Federelement
und das Gegenelement über
mindestens einen Kontaktbereich in mechanischem Kontakt befinden.
Die Kontaktoberfläche
des Federelements weist ein anderes Krümmungsprofil auf als die Kontaktoberfläche des Gegenelements,
so dass eine Kraft- oder Druckeinwirkung, die eine elastische Deformation
des Federelements bewirkt, in einer Größenveränderung des Kontaktbereichs
zwischen dem Federelement und dem Gegenelement resultiert. Außerdem ist
die Kontaktoberfläche
zumindest eines der beiden Elemente – des Federelements und/oder
des Gegenelements – mit
einer hochohmigen Beschichtung versehen, so dass eine Größenveränderung
des Kontaktbereichs in einer Veränderung
des Widerstands der aus Federelement und Gegenelement bestehenden
Anordnung resultiert.
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Bei
der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
handelt es sich um einen piezoresistiven Mikrokontakt-Sensor. Die
Umwandlung einer Kraft- bzw. Druckeinwirkungen in ein elektrisches
Signal beruht hier darauf, dass der elektrische Widerstand zweier Körper, die
sich über
eine hochohmige Schicht in mechanischem Kontakt befinden, – hier das
Federelement und das Gegenelement – von der Größe des Kontaktbereichs
abhängt.
Aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenprofile der Kontaktflächen von
Federelement und Gegenelement ändert
sich die Größe des Kontaktbereichs
entsprechend der einwirkenden Kraft. Neben den Oberflächenprofilen
bestimmen der Aufbau sowie die mechanischen und elektrischen Eigenschaften
von Federelement und Gegenelement die Last-Widerstand-Kennlinie
der Sensoranordnung, so dass die Last-Widerstand-Kennlinie durch
einfache konstruktive Maßnahmen
an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepasst werden kann.
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Grundsätzlich gibt
es verschiedene Möglichkeiten
für die
Realisierung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
sowohl was die einzelnen Komponenten der Sensoranordnung betrifft
als auch im Hinblick auf die Anzahl der Komponenten und deren Anordnung.
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Wie
bereits erwähnt,
ist die Kontaktoberfläche
zumindest eines der beiden leitenden Elemente – des Federelements und/oder
des Gegenelements – mit
einer hochohmigen Beschichtung versehen. Das Federelement und/oder
das Gegenelement sind also als Verbundelement aus mindestens zwei Materialien mit
unterschiedlichem spezifischen Widerstand hergestellt, so dass der
Gesamtwiderstand der Anordnung aus Federelement und Gegenelement
im Wesentlichen durch die hochohmige Beschichtung bestimmt wird.
Deshalb ist hier die Fläche
des Kontaktbereichs maßgeblich
für den
Gesamtwiderstand, der dann umgekehrt proportional von der einwirkenden Kraft
abhängt.
Als Beschichtungsmaterialien eignen sich beispielsweise Halbleitermaterialien,
wie SiO2 oder Si3N4. Die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
kann durch Verwendung piezoresistiver Beschichtungsmaterialien,
wie beispielsweise SiC oder DLC, noch verbessert werden.
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Im
Hinblick auf einen einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
ist es vorteilhaft, wenn das Gegenelement feststeht und bei einer Kraft-
oder Druckeinwirkung keine wesentliche Deformation erfährt.
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Erfindungsgemäß sollen
sich die Krümmungsprofile
der Kontaktoberflächen
von Federelement und Gegenelement unterscheiden, so dass der mechanische
Kontakt nur über
einen oder mehrere Kontaktbereiche zustande kommt. Dazu kann eine Kontaktoberfläche beispielsweise
homogen verformt sein. Gekrümmte
Bereiche in einer Kontaktoberfläche
können
aber auch durch Einprägen
eines definierten Oberflächenprofils
erzeugt werden. Aus technologischer Sicht, beispielsweise zum Aufbringen der
hochohmigen Beschichtung, kann es von Vorteil sein, wenn die zu
beschichtende Kontaktoberfläche eben
ist. Wenn die Federwirkung des Federelements durch eine gekrümmte Struktur
erzielt wird, kann das Gegenelement vorteilhafter Weise eben ausgebildet sein.
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Da
der Widerstand hochohmiger Schichtmaterialien oftmals stark temperaturabhängig ist,
müssen
für bestimmte Anwendungen
der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
Maßnahmen
zur Temperaturkompensation getroffen werden. In einer besonders
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Temperatureinfluss
durch eine Kombination von konstruktiven Maßnahmen und schaltungstechnischen
Maßnahmen
korrigiert. Dazu wird die Sensoranordnung spiegelsymmetrisch aufgebaut,
so dass sie entweder mindestens ein Gegenelement umfasst, das zwischen
zwei Federelementen angeordnet ist, oder mindestens ein Federelement,
das zwischen zwei Gegenelementen angeordnet ist. Zwischen zwei aneinander
grenzenden Elementen befindet sich jeweils mindestens ein Kontaktbereich,
so dass eine derartige Anordnung mindestens zwei Kontaktbereiche
zwischen einem Federelement und einem Gegenelement aufweist. Die
Widerstände
dieser beiden Kontaktbereiche ändern
sich bei einer Krafteinwirkung gegenläufig. Sie werden in einer Messbrücke so miteinander
verschaltet, dass sich der Temperatureinfluss auf die Messgrößen aufhebt.
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Es
gibt Anwendungen, für
die eine Stand-alone-Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
sinnvoll ist, beispielsweise im Brennraum eines Otto-Motors. Die
erfindungsgemäße Sensoranordnung
lässt sich
aber nicht nur einfach montieren sondern auch durch entsprechende
konstruktive Maßnahmen
in spezielle Anwendungsumgebungen integrieren.
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Z.
B. für
die Brennraumdruckerfassung bei Dieselmotoren erweist es sich als
vorteilhaft, wenn das mindestens eine Federelement und das mindestens
eine Gegenelement der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ringförmig ausgebildet
sind und das Federelement eine torusförmig gewölbte Kontaktoberfläche aufweist.
In diesem Fall kann die Sensoranordnung nämlich einfach in eine Zylinderkopfkomponente
integriert werden, insbesondere in eine Glühstiftkerze oder in einen Injektor. Über die
offene Ringmitte können
Zuleitungen für
die Zylinderkopfkomponenten geführt
werden, wie z. B. für
den Glühstrom
bei Integration der Sensoranordnung in eine Glühkerze oder für Kraftstoff
bei Integration der Sensoranordnung in einen Injektor.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Wie
bereits voranstehend erörtert,
gibt es verschiedene Möglichkeiten,
die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und
weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die Patentansprüche und
andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnungen verwiesen.
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1 zeigt
eine schematische Schnittdarstellung einer Messanordnung zur Brennraumdruckerfassung
mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
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2a/b
veranschaulichen das Funktionsprinzip einer piezoresistiven Mikrokontakt-Sensoranordnung;
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3a/b
zeigen den Aufbau einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung; und
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4 bis 6 zeigen
schematische Schnittdarstellungen von drei Varianten einer temperaturkompensierten
Sensoranordnung entsprechend der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Bei
der in 1 dargestellten Messanordnung 10 dient
eine Zylinderkopfkomponente, nämlich ein
Glühstift 1,
als Druck-Kraft-Wandlerelement.
Das eine Ende des Glühstifts 1 ragt
in den Brennraum hinein. Am Umfang des dem Brennraum abgewandten Endes
des Glühstifts 1 ist
ein Stützrohr 2 befestigt, das über dieses
Ende des Glühstifts 1 hinausragt. Brennraumseitig
ist der Glühstift 1 über eine
linear-elastische Dichtungsmembran 3 mit einer Hülse 4 verbunden,
die eine Führung
für das
Stützrohr 2 bildet,
so dass der Glühstift 1 in
axialer Richtung 11 verschiebbar gelagert ist. Die Hülse 4 ist
auf der dem Brennraum abgewandten Seite mit einem ringförmigen Widerlager 5 für das Stützrohr 2 versehen.
Das Widerlager 5 dient außerdem als Träger für eine ebenfalls
ringförmig
ausgebildete Sensoranordnung 6 entsprechend der Erfindung.
Bei der hier dargestellten Messanordnung 10 werden die
im Brennraum herrschenden Druckverhältnisse als Krafteinwirkung
F über
den verschiebbar gelagerten Glühstift 1 mit
dem Stützrohr 2 direkt
auf die Sensoranordnung 6 übertragen. Die Sensoranordnung 6 wird
in der Regel zwischen dem Widerlager und dem Stützrohr vorgespannt, so dass
bei der Montage entstehende Anzugsmomente und thermisch induzierte
mechanische Spannungen im Zylinderkopf nahezu keine Auswirkungen
auf die Sensoranordnung 6 haben. Die Glühstromzuleitung 7 für den Glühstift 1 ist
durch das Stützrohr 2,
die Ringöffnung
der Sensoranordnung 6 und des Widerlagers 5 geführt.
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Das
Funktionsprinzip eines Mikrokontakt-Sensorelements, auf dem auch
die in 1 dargestellte Sensoranordnung 6 beruht,
wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2a und 2b erläutert. Eine
Mikrokontakt-Sensoranordnung besteht aus mindesten zwei Teilen,
hier den Teilen 21 und 22, die sich über mindestens
einen Kontaktbereich 23 in mechanischem Kontakt befinden.
Die beiden Teile 21 und 22 bilden zusammen einen
elektrischen Widerstand, der im Wesentlichen durch die Größe des Kontaktbereichs 23 bestimmt
wird. Die Kontaktoberfläche
des Teils 21 ist gekrümmt
und mit einer hochohmigen Schicht 24 versehen, die einen höheren spezifischen
Widerstand besitzt als das elektrisch leitende Trägermaterial
des Teils 21. So kann als Trägermaterial beispielsweise
ein Metall verwendet werden, das mit einem Halbleitermaterial, wie
SiO2 oder Si3N4 beschichtet ist. Im Unterschied dazu ist
die Kontaktoberfläche
des metallischen Teils 22 im Wesentlichen eben ausgebildet
und nicht beschichtet. Deshalb wird der Gesamtwiderstand der beiden
Teile 21 und 22 im Wesentlichen durch die hochohmige
Schicht 24 und die Größe des Kontaktbereichs 23 bestimmt.
Die zu erfassende Kraft F wirkt auf die beiden Teile 21 und 22 ein,
wodurch sie gegeneinander gepresst werden und zumindest eines der
beiden Teile 21 und/oder 22 elastisch deformiert wird.
Dabei verändert
sich die Größe des Kontaktbereichs 23 und
folglich auch der elektrische Widerstand der gesamten Anordnung.
Somit besteht eine definierte Abhängigkeit zwischen dem Widerstand der
Sensoranordnung und der auf diese einwirkenden Kraft F. Die Empfindlichkeit
der Sensoranordnung kann noch zusätzlich verstärkt werden,
wenn ein piezoresistives Schichtmaterial, wie SiC oder DLC, für die hochohmige
Schicht 24 verwendet wird.
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In
Verbindung mit den 3a und 3b wird
eine Sensoranordnung 30 beschrieben, die für eine Messanordnung
gemäß 1 konzipiert
ist. Diese Sensoranordnung 30 umfasst ein Federelement 31,
das in 3a in Alleinstellung dargestellt ist.
Das Federelement 31 ist in Form einer beschichteten ringförmigen Metalltellerfeder 311 realisiert,
die torusförmig
gewölbt
ist. Die nach oben gewölbte Oberfläche der
Metalltellerfeder 311 ist mit einer hochohmigen Halbleiterschicht 312 versehen. 3b zeigt
das Federelement 31 in einer Anordnung zwischen zwei metallischen
lochscheibenförmigen
Gegenelementen 32 und 33 mit Anschlüssen 34 für eine Messspannung
zum Erfassen des elektrischen Widerstands dieser Sensoranordnung 30.
Der für
den elektrischen Widerstand maßgebliche
Kontaktbereich 35 ist hier kreisringförmig entsprechend der Wölbung des
Federelements 31 zwischen der beschichteten Oberfläche des
Federelements 31 und dem unteren Gegenelement 32 ausgebildet.
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Die 4 bis 6 zeigen
Weiterbildungen dieser einfachsten Variante einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
bei denen eine etwaige Temperaturabhängigkeit des Widerstands der
hochohmigen Beschichtung des Federelements durch geschickten Aufbau
der Sensoranordnung und geschickte Verschaltung kompensiert wird.
Bei allen drei in den 4 bis 6 dargestellten
Varianten ist die Sensoranordnung spiegelsymmetrisch aufgebaut,
so dass in der Sensoranordnung mindestens zwei Kontaktbereiche zwischen
einem Federelement und einem Gegenelement ausgebildet sind.
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So
umfasst die in 4 dargestellte Sensoranordnung 40 ein
lochscheibenförmiges
Gegenelement 41, das zwischen zwei Federelementen 42 und 43 angeordnet
ist, die in Form von beschichteten ringförmigen Metalltellerfedern realisiert
sind, wie das in 3a dargestellte Federelement 31.
Die torusförmig
nach oben gewölbten
Oberflächen
der beiden Federelemente 42 und 43 bilden jeweils
die Kontaktoberflächen
zum Gegenelement 41, so dass sowohl zwischen dem unteren
Federelement 42 und dem Gegenelement 41 als auch
zwischen dem oberen Federelement 43 und dem Gegenelement 41 ein kreisringförmiger Kontaktbereich 41–42 bzw. 41–43 besteht.
Die Sensoranordnung 40 umfasst neben dem mittleren Gegenelement 41 noch
ein unteres lochscheibenförmiges
Gegenelement 44 und ein oberes lochscheibenförmiges Gegenelement 45.
Alle Gegenelemente 41, 44 und 45 bestehen
aus einem elektrisch leitenden Material, wie z. B. Metall, so dass der
Spannungsabfall über
den Kontaktbereichen 41–42 und 41–43 einzeln
zwischen den Gegenelementen 41 und 44 bzw. zwischen
den Gegenelementen 41 und 45 abgegriffen werden
kann.
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Die
den beiden Kontaktbereichen 41–42 und 41–43 entsprechenden
Widerstände
sind zu einer Halbbrücke
einer Wheatstoneschen Brückenschaltung
verschaltet. Zwei definierte Widerstände R1 und R2 bilden die andere
Halbbrücke,
so dass mit der Brückenschaltung
die relativen Widerstandsänderungen
der Kontaktbereiche 41–42 und 41–43 erfasst werden,
die temperaturunabhängig
sind.
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Die
beiden Federelemente 42 und 43 der Sensoranordnung 40 sind
vorgespannt. Die zu messende Kraft wird auf das mittlere Gegenelement 41 eingeleitet
und bewirkt eine zusätzliche
Be- bzw. Entlastung
der Federelemente 42 und 43. Dementsprechend verändert sich
die Größe der jeweiligen
Kontaktbereiche 41–42 bzw. 41–43.
Wie bereits erwähnt, ist
die daraus resultierende relative Widerstandsänderung temperaturunabhängig und
kann einfach mit Hilfe der Brückenschaltung
erfasst werden.
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Die
in 5 dargestellte Sensoranordnung 50 unterscheidet
sich von der in 4 dargestellten Sensoranordnung 40 im
wesentlichen nur dadurch, dass hier die beiden ebenen Kontaktflächen des lochscheibenförmigen mittig
zwischen den Federelementen 52 und 53 angeordneten
Gegenelements 51 mit einer hochohmigen Beschichtung 511 versehen sind
und nicht die Kontaktflächen
der Federelemente 52 und 53. Dies wirkt sich aber
nicht auf die Funktionsweise der Sensoranordnung 50 aus,
die der der Sensoranordnung 40 entspricht. Außerdem wurde
in 5 auf die Darstellung von weiteren Gegenelementen
verzichtet, was ebenfalls unerheblich für die Funktionsweise ist.
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Im
Unterschied zu den in den 4 und 5 dargestellten
Varianten zeigt 6 eine Sensoranordnung 60 mit
einem Federelement 61, das zwischen zwei Gegenelementen 62 und 63 angeordnet
ist. Während
die Gegenelemente 62 und 63 wieder in Form von
metallischen Lochscheiben realisiert sind, sind hier beide Kontaktoberflächen des
ringförmigen
Federelements 61 torusförmig
gewölbt
und mit einer hochohmigen Beschichtung 611 versehen. Der Signalabgriff
erfolgt hier wie in Verbindung mit 4 erläutert mit
Hilfe einer Messbrücke.
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Abschließend sei
nochmals darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung zur
Druckerfassung im Brennraum eines Kraftfahrzeugs sowohl in eine
Zylinderkopf komponente integriert werden kann, wie beispielhaft
in Verbindung mit 1 beschrieben, als auch als
Stand-alone-Komponente eingesetzt werden kann.