DE102008020510B4

DE102008020510B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes

Info

Publication number: DE102008020510B4
Application number: DE102008020510A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Last; Yue Dr. Cheng; Hans Houben; Christian Pottiez; Frank Pechhold; Arno Marto
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2008-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2028-04-24
Also published as: KR20110000574A; JP5542799B2; RU2010146574A; US8397556B2; US20110146393A1; DE102008020510A1; RU2498248C2; CN102027292A; JP2011522221A; WO2009129791A2; DE112009001603A5; KR101603128B1; WO2009129791A3

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes, umfassend wenigstens einen Glühstift (5), wenigstens ein Messelement (4), wenigstens zwei Federmembrane (1, 2) sowie wenigstens einen rohrförmigen Körper (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes. Insbesondere ist diese für Verbrennungskraftmaschinen.
Derartige Brennraumdrucksensoren sind z. B. bekannt aus der DE 103 43 521 A1 , hier wird eine Druckmessglühkerze beschrieben für einen Dieselmotor mit einem Kerzenkörper zum Einsetzen in einen Zylinder des Dieselmotors, einem Heizstab, der im Kerzenkörper angeordnet ist und einem Drucksensor, der unter einer Vorspannung zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper angeordnet ist, derart, dass der Drucksensor durch den im Brennraum des Zylinder herrschenden Druck beaufschlagt wird, wobei der Heizstab in axialer Richtung gleitend verschiebbar im Kerzenkörper angeordnet ist und den Druck im Brennraum des Zylinders auf den Drucksensor überträgt.
Weiter ist ein solcher Brennraumdrucksensor offenbart in der DE 103 46 295 A1 , die eine Glühkerze mit einem zylinderförmigen Gehäuse zeigt, dessen eine Endseite nahe an einer Verbrennungskammer eines Motors gelegen ist und das einen mit dem Motor im Eingriff stehenden Gewindeabschnitt hat; einen röhrenförmigen Bauteil, das so innerhalb des Gehäuses gehalten wird, dass die eine Endseite des röhrenförmigen Bauteils von der einen Endseite des zylinderförmigen Gehäuses vorragt; einem Wärmeerzeugungsbauteil, das sich innerhalb des röhrenförmigen Bauteils befindet und im Ansprechen auf zugeführten Strom Wärme erzeugt; einem metallischen Mittelschaft, dessen eine Endseite elektrisch mit dem Wärmeerzeugungsbauteil verbunden ist und dessen andere Endseite von der anderen Endseite des Gehäuses vorragt, und einem Verbrennungsdrucksensor zur Erfassung eines Verbrennungsdrucks des Motors, der, wenn er erzeugt wird, als eine auf das röhrenförmige Bauteil wirkende Axialkraft über den Mittelschaft übertragen wird, wobei ein innerhalb des röhrenförmigen Bauteils liegender Abschnitt des Mittelschafts einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von kleiner oder gleich 10,5·10 <–6>/[deg.]. C hat.
Die EP 1 847 777 A2 offenbart eine Glühkerze mit einem piezoelektrischen Drucksensor, der in einer durchgehenden, radialen Bohrung des brennraumseitigen Bereichs der Glühkerze zwischen zwei gegenüberliegenden Membranen angeordnet ist.
Aus der DE 10 2006 041 124 A1 ist eine Glühkerze mit eingebautem Drucksensor bekannt, der durch eine den Innenleiter umgebende Spule gebildet ist, so dass bei einer axialen Verschiebung des Glühstifts in der Spule ein Messsignal induziert wird.
Aus der DE 10 2005 043 688 A1 ist eine Glühkerze mit einem piezoresistiven Drucksensor bekannt, der an dem brennraumfernen Ende der Glühkerze angeordnet ist.
Aus der WO 2005/090865 A1 ist eine Glühkerze mit einem integrierten Drucksensor bekannt, wobei zwischen dem Glühstift und dem Kerzengehäuse ein elektrisch leitfähiges elastisches Element angeordnet ist. Der Glühstift wird in Abhängigkeit von dem herrschenden Brennraumdruck in axialer Richtung gegen die Rückstellkraft des elastischen Elements verschoben. Die Wegstrecke dieser Verschiebung wird mit einem Sensor gemessen.
Die DE 10 2005 016 463 A1 offenbart eine Glühstiftkerze für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine, aufweisend ein erstes, einen Heizkörper und ein Kerzengehäuse beinhaltendes Modul sowie ein Druckmessmodul, wobei sich das Druckmessmodul auf einer dem Heizkörper abgewandten Seite an das erste Modul anschließt, wobei mindestens ein Kraftmesselement in das Druckmessmodul integriert ist, wobei das mindestens eine Kraftmesselement ausgestaltet ist, um ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Kraft zu erzeugen, wobei das mindestens eine Kraftmesselement derart mit dem Heizkörper verbunden ist, dass über den Heizkörper eine Kraft auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragbar ist.
Aus der DE 10 2005 017 802 A1 ist eine Glühstiftkerze für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit einem Heizkörper und einem Kerzengehäuse bekannt, wobei das Kerzengehäuse mindestens ein Kraftmesselement aufweist, wobei das mindestens eine Kraftmesselement derart mit dem Heizkörper verbunden ist, dass über den Heizkörper eine Kraft auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragbar ist, wobei die Glühstiftkerze weiterhin mindestens ein mit dem Heizkörper verbundenes Dichtelement aufweist, wobei das mindestens eine Dichtelement mindestens ein Element mit einer elastischen Eigenschaft aufweist und wobei das mindestens eine Dichtelement den Heizkörper gegen das Kerzengehäuse abdichtet.
Daran ist nachteilig, dass es eines aufwendigen Vorspannprozesses mittels Schrauben bei der Herstellung der Druckmessglühkerze bedarf. Die benötigten großen Vorspannungen mechanisch aufzubringen ist schwierig, insbesondere bei den kleinen Dimensionen. Das Nachlassen der Vorspannung ist nicht zu vermeiden. Eine Kompensation der Formfehler der Bauteile ist ebenfalls sehr schwierig. Die Entkoppelung der Druckmessung von äußeren Einflüssen kann derart auch nicht gelingen.
Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes zu schaffen, wobei die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden sind, bei gleichzeitiger Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber Lateralschwingungen sowie der Entkopplung des Messelements von äußeren Verformungen bei höherer Konzentrizität zwischen Heizstab und Körper.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den in Anspruch 8 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Vorteile der Erfindung liegen in der einfachen Realisierbarkeit. Derartige Vorrichtungen sind kostengünstig herzustellen. Vor allem aber ist die Kompensierung von äußeren Einflüssen möglich, Durch die doppelte Führung des Heizstabes durch die beiden Federmembrane und die Anordnung der Mess- bzw. Referenzelemente in einer Neutralebene ist die Druckmessglühkerze gegenüber lateralen Schwingungen sowie anderen Verformungen entkoppelt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 Druckmessglühkerze mit einer Wegmessung;
2 Druckmessglühkerze mit einer alternativen Wegmessung;
3 mit Brenngasdruck beaufschlagte Druckmessglühkerze;
4 mit Brenngasdruck beaufschlagte Druckmessglühkerze mit Verformungsmessung der Membrane;
5 mit einer Störung beaufschlagte Druckmessglühkerze und
6 mit einer Störung beaufschlagte Druckmessglühkerze mit Verformungsmessung der Membrane
Die Aufgabe eines z. B. in 1 dargestellten heizstabintegrierten Drucksensors ist es, den Brenngasdruck im Brennraum zu messen. Der Heizstab 5 ist in der Mitte vom Körper 6 mit zwei in axialer Richtung verformbaren Federmembranen 1, 2 mit gleicher Federsteifigkeit gelagert, somit kann sich der Heizstab 5 axial bewegen. Auf dem Heizstab 5 ist ein Referenzelement 3, wie beispielsweise ein Magnet fixiert. Auf dem Körper 6 ist ein Wegmesselement 4, wie bspw. eine induktive Spule angebracht. Eine Alternative zur Wegmessung ist die Membranverformungsmessung, wie in 2 gezeigt. Auf den beiden Federmembranen 1, 2 werden jeweils ein oder mehre Verformungsmesselemente 4, wie etwa Dehnmessstreifen (DMS) oder kapazitive Sensoren aufgebracht, die mittels der Verschiebung des Heizstabes durch den im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine herrschenden Druck, ein Signal an das Steuergerät eines Kraftfahrzeuges via CAN-Bus senden.
Wirkt, wie in 3 dargestellt, ein Verbrennungsdruck auf die Wirkfläche des Heizstabs 5 und der brennraumseitigen Federmembran 1, bewegt sich der Heizstab gegenüber dem Brennraum, die beiden (Feder-)Membranen 1, 2 verformen sich in gleicher Richtung. Das Messelement 4 bleibt in seiner ursprünglichen Position und das Referenzelement 7 bewegt sich mit dem Heizstab 5. Durch die relative Bewegung zwischen Mess- 4 und Referenzelement 7 wird auf den Verbrennungsdruck geschlossen.
Die 4 zeigt eine mit Brenngasdruck beaufschlagte Druckmessglühkerze mit Membranverformungsmessung, Wirkt ein Verbrennungsdruck auf die Wirkfläche des Heizstabs 5 und die brennraumseitige Membran, so bewegt sich der Heizstab 5 gegenüber dem Brennraum, die beiden Membrane 1, 2 verformen sich in gleicher Richtung. Durch die mittels Verformungsmesselement 4 ermittelte Verformung der Membrane wird auf den Verbrennungsdruck rückgeschlossen, der an das Steuergerät des Fahrzeugs übermittelt wird.
Wie in 5 dargestellt ist ein wesentliches Störsignal bei der Messung die von Außen eingeleitete Verformung des Körpers 6, die ebenfalls eine relative Bewegung zwischen Referenz- 7 und Messelement 4 verursachen kann. Um diese Störung zu entkoppeln, müssen sich das Referenz- 7 und Messelement 4 in einer sogenannten Neutralebene 8 befinden, wo bei der Verformung keine Relativbewegung auftritt. Bei einer gleichmäßigen und symmetrischen Körperform liegt die Neutralebene 8 beispielweise in der Mitte der Verformungszone.
Die 6 zeigt eine mit äußerer Verformung beaufschlagte Druckmessglühkerze mit Membranverformungsmessung. Wenn die Federmembrane 1 und 2 besitzen gleiche Federfestigkeit und Geometrie, verformen sich die beiden Membrane in gleichem Maß aber in der entgegen gesetzten Richtung. Mit der entsprechenden Anordnung und Schaltung der Messelemente wird diese Verformung vollständig kompensiert.

1: Federmembran
2: Federmembran
3: Referenzelement
4: Messelement, Wegmesselement, Verformungsmesselement
5: Heizstab
6: rohrförmiger Körper
7: Referenzelement
8: Neutralebene

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung des Brennraumdruckes, umfassend einen rohrförmigen Körper (6), mit einem Heizstab (5) und wenigstens zwei in axialer Richtung verformbare Federmembrane (1, 2), die den Heizstab (5) in der Mitte des Körpers so lagern, dass der Heizstab (5) axial bewegbar ist, wobei eine der wenigstens zwei Federmembranen (1, 2) brennraumseitig angeordnet ist und wobei auf den wenigstens zwei Federmembranen (1, 2) jeweils ein oder mehrere Verformungsmesselement/-e (4) angebracht ist/sind, die mittels der Verschiebung des Heizstabes (5) durch den Brennraumdruck ein Signal an ein Steuergerät senden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens ein Referenzelement (3, 7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Neutralebene (8) aufweist, in der das Referenzelement (3, 7) im Ruhezustand angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper (6) konzentrisch um den Heizstab (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembrane (1, 2) konzentrisch um den Heizstab (5) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembrane (1, 2) im Wesentlichen planparallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Neutralebene (8) aufweist, in der die Messelemente (4) im Ruhezustand angeordnet sind.
Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes, insbesondere im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem oder mehrere der vorgenannten Ansprüche eingesetzt wird.