DE102009022539A1 - Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine Download PDF

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Markus Ledermann
Sven Zinober
Christian Doering
Holger Scholzen
Petra Siegenthaler
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    • G01L23/10Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by pressure-sensitive members of the piezoelectric type

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Otto-Motors, vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) umfasst ein Sensorgehäuse (124), wobei das Sensorgehäuse (124) eingerichtet ist, um zumindest teilweise in einen Brennraum (126) der Brennkraftmaschine eingebracht zu werden. Innerhalb des Sensorgehäuses (124) ist mindestens ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement (142) aufgenommen, welches von dem Sensorgehäuse (124) durch mindestens einen Sensorhalter (154) getrennt ist, insbesondere einen das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) zumindest teilweise umgebenden Sensorhalter (154). Der Sensorhalter (154) ist zumindest teilweise starr ausgebildet.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraudrucks einer Brennkraftmaschine, welche insbesondere in Otto-Motoren bzw. Benzinmotoren einsetzbar ist. Derartige Vorrichtungen bilden einen wesentlichen Bestandteil moderner Motorregelungen, da der Brennraumdruck insbesondere zum Zweck einer Reduzierung von Emissionen sehr genau erfasst werden muss. Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, welche überwiegend für Dieselmotoren entwickelt wurden. So beschreibt beispielsweise WO 2006/089446 A1 ein Bauteil für Kraft- oder Drucksensoren, insbesondere zum Einbau in einer Glühkerze. Das Bauteil umfasst ein scheibenförmiges oder lochscheibenförmiges Messelement aus piezoelektrischem Material sowie beiderseitig des Messelements anliegende lochscheibenförmige oder scheibenförmige Elektroden mit Kontaktstellen für den Kontakt zu Leitungen. Weiterhin sind ein oder mehrere beidseitig außerhalb der Elektroden angeordnete Übertragungskörper vorgesehen. Die genannten Elemente werden von einem äußeren, elektrisch isolierenden Film, beispielsweise einem Schrumpfschlauch, zusammengehalten, so dass ein Sensormodul gebildet wird. Der Schrumpfschlauch dient einerseits der elektrischen Isolierung zu Nachbarbauteilen und andererseits dem Zusammenhalt der einzelnen Bauteile des Sensormoduls, insbesondere während eines Transports zwischen einzelnen Fertigungsstationen, bis eine Endmontage erfolgt.
  • Bei der Herstellung großserientauglicher Brennraumdrucksensoren, welche als Stand-Alone-Brennraumdrucksensoren insbesondere für Otto-Motoren einsetzbar sind, können bekannte Konstruktions- und Herstellungskonzepte jedoch technische Schwierigkeiten bereiten. So ist beispielsweise die in WO 2006/089446 A1 beschriebene Schrumpfschlauch-Lösung überwiegend für zylindrische Bauteile geeignet. Quadratische oder eckig gestaltete Piezo-Quarze lassen sich jedoch mit dieser Lösung nicht in idealer Weise fixieren. Weiterhin ist in vielen Fällen keine Montage eines Sensormo duls mit einem anschließenden Transport erforderlich, da eine vollständige Endmontage in einem Werk erfolgen kann. Insofern ist die Transportsicherheit des Sensormoduls in vielen Fällen keine Bedingung mehr, sondern tritt hinter den bei Schrumpfschläuchen vergleichsweise komplexen Handhabungsschritten bei der Herstellung zurück.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es wird daher eine Vorrichtung zur Erfassung eins Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche diesen Herausforderungen gerecht wird. Die Vorrichtung ist insbesondere auch in Otto-Motoren einsetzbar. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorgehäuse, also ein Element, welches weitere Bauelemente ganz oder teilweise umschließt, beispielsweise ein zumindest teilweise hohlzylinderförmig ausgestaltetes Sensorgehäuse. Das Sensorgehäuse kann beispielsweise aus einem metallischen Material hergestellt sein und ist eingerichtet, um zumindest teilweise in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht zu werden. Beispielsweise kann das Sensorgehäuse direkt oder indirekt in einer Brennraumwand der Brennkraftmaschine fixiert werden, so dass das Sensorgehäuse zumindest teilweise, beispielsweise mit seinem vorderen Ende, in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragt.
  • Das Sensorgehäuse kann brennraumseitig eine durch mindestens eine Membran verschlossene Öffnung aufweisen, beispielsweise eine kreisförmige oder polygonale Öffnung. Unter einer Membran kann dabei beispielsweise ein zumindest in einer Richtung verformbares oder bewegliches Element verstanden werden, welches sich beispielsweise senkrecht zu einer Achse des Sensorgehäuse erstreckt, dessen laterale Ausdehnung seine Dicke vorzugsweise um mindestens einen Faktor 10, insbesondere um mindestens einen Faktor 100, überschreitet. Die Membran kann beispielsweise als metallische Membran, beispielsweise als Metallfolie, ausgestaltet sein und kann auch einstückig mit dem Sensorgehäuse ausgebildet werden und/oder mit dem Sensorgehäuse im Bereich der Öffnung kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Sensorgehäuse zumindest im Bereich der Öffnung hohlzylindrisch ausgebildet ist, wobei die Membran beispielsweise als metallische Membran beispielsweise auf das Sensorgehäuse auf den die Öffnung umgebenden Rand des Sensorgehäuses aufgeschweißt ist. Auch eine andere Art der Verbindung mit dem Sensorgehäuse ist jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise eine kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise durch eine Überwurfmutter. Die Membran sollte die Öffnung vorzugsweise vollständig druckdicht verschließen, zumindest im Bereich üblicherweise in Brennräumen auftretender Drücke.
  • Die Vorrichtung umfasst weiterhin in dem Sensorgehäuse mindestens ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement. Hierunter ist allgemein ein Element zu verstehen, welches mechanische Einwirkungen, beispielsweise eine Krafteinwirkung und/oder eine Druckeinwirkung und/oder eine Längenänderung des Wandlerelements, in elektrische Signale umwandeln kann. Im Folgenden wird im Wesentlichen Bezug genommen auf piezoelektrische Wandlerelemente. Alternativ oder zusätzlich kann das mechanisch-elektrische Wandlerelement jedoch auch andere Arten von Wandlerelementen umfassen, die zur Umwandlung mechanischer in elektrische Signale eingerichtet sind. Weiterhin kann die Vorrichtung mindestens ein von dem Sensorgehäuse getrennt ausgebildetes Übertragungselement zur Übertragung einer Verformung der Membran auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement aufweisen. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Brennraumdruck-bedingte Durchbiegung der optionalen Membran über das Übertragungselement auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden, so dass ein elektrisches Signal entsprechend der Durchbiegung der Membran und somit entsprechend des Brennraumdrucks erzeugt werden kann. Unter einem Übertragungselement ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Element zu verstehen, mittels dessen, vorzugsweise im Wesentlichen starr, Bewegungen und/oder Verformungen der Membran auch axial auf das mechanisch elektrische Wandlerelement übertragen werden können. Beispielsweise kann das Übertragungselement im Wesentlichen stabförmig ausgestaltet sein und kann vorzugsweise auf einer Achse der Vorrichtung gelagert sein. Es ist eine einteilige oder mehrteilige Ausgestaltung des Übertragungselements möglich.
  • Das Übertragungselement kann, wie oben dargestellt, getrennt von dem Sensorgehäuse ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Übertragungspfade aufweisen kann, über welche Kräfte und/oder Längenänderungen von unmittelbar dem Brennraum ausgesetzten Bestandteilen der Vorrichtung, beispielsweise der Membran und/oder einer dem Brennraum zuweisenden Stirnseite des Sensorgehäuses, auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden können. So kann beispielsweise das Sensorgehäuse selbst ein Teil eines ersten Übertragungspfades sein, und das Übertragungselement Teil eines zweiten Übertragungspfades, welche im Wesentlichen nicht an den ersten Übertragungspfad gekoppelt ist. Über den ersten Übertragungspfad und den zweiten Übertragungspfad können beispielsweise jeweils thermisch bedingte Ausdehnungen der Vorrichtung auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden, und zwar vorzugsweise im Wesentlichen ohne Kopplung der beiden Pfade. Dies wird unten noch näher ausgeführt. Der erste Übertragungspfad kann den zweiten Übertragungspfad konzentrisch umschließen.
  • Da über beide Übertragungspfade thermisch bedingte Ausdehnungen der Vorrichtung auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragbar sind, ist es besonders bevorzugt, wenn die Vorrichtung mindestens einen Kompensationskörper zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen in den beiden Übertragungspfaden aufweist. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Übertragungselement selbst mindestens einen Kompensationskörper umfasst, welcher eingerichtet ist, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen dem ersten Übertragungspfad und dem zweiten Übertragungspfad auszugleichen. So kann beispielsweise der Kompensationskörper bezüglich seiner Länge und seines Wärmeausdehnungskoeffizienten derart eingerichtet werden, dass dieser zumindest innerhalb typischer Temperaturbereiche, denen die Vorrichtung ausgesetzt sein kann (beispielsweise –40°C bis 555°C) dafür sorgt, dass die Wärmeausdehnungen des ersten und des zweiten Übertragungspfades zumindest weitgehend identisch sind, beispielsweise im Rahmen einer tolerierbaren Abweichung von nicht mehr als 20%, insbesondere von nicht mehr als 10% und besonders bevorzugt von nicht mehr als 5% oder sogar 0%.
  • Beispielsweise können beim Kaltstart kurzfristig Temperaturen von –40°C vorliegen. Im Betrieb wird sich der beschriebene Übertragungspfad typischerweise nicht homogen durchwärmen, sondern es wird sich in der Regel ein Temperaturgradient vom Brennraum, beispielsweise bei einer Membran-Temperatur bis circa 550°C, bis hin zum mechanisch-elektrischen Wandlerelement, beispielsweise einer Temperatur des Piezo-Quarzes von circa bis zu 200°C, einstellen. Die Temperaturkompensation kann dann beispielsweise anhand von empirisch ermittelten, beispielsweise durch Motormessungen ermittelten, Temperaturgradienten, erfolgen. Eine Temperaturkompensation ist typischerweise nur entweder für homogene Temperaturen oder für Temperaturgradienten, insbesondere homogene Temperaturgradienten, realisierbar. Vorzugsweise wird die Temperaturkompensation so ausgelegt, dass eine Vorspannkraft, beispielsweise eine Vorspannkraft des mechanisch-elektrischen Wandlerelements, sich beim Übergang von einem Leerlauf-Temperaturgradienten zu einem Volllast-Temperaturgradienten oder umgekehrt nicht oder nur unwesentlich ändert. Eine Änderung der Vorspannkraft durch Änderung der Umgebungstemperatur kann in diesem Fall in der Regel toleriert werden, da typischerweise eine hohe Zeitkonstante vorliegt und zumeist insbesondere in Verbindung mit einem Reset eines Messsignals, beispielsweise nach jedem Zyklus, die Beeinflussung des Messsignals vernachlässigbar ist. Somit kann beispielsweise gewährleistet werden, dass über den typischerweise auftretenden Temperaturbereich hinweg, in welchem die Vorrichtung eingesetzt wird, möglichst kein rein thermisch bedingtes Wandlersignal bzw. eine Änderung des Wandlersignals des mechanisch-elektrischen Wandlers aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungen im ersten Übertragungspfad und im zweiten Übertragungspfad auftritt. Wie oben dargestellt, kann dies jedoch auch, alternativ oder zusätzlich, durch eine Anordnung des mindestens einen Kompensationskörpers an einer anderen Stelle in einem der beiden Übertragungspfade erreicht werden und/oder durch eine geeignete Materialwahl der an den Übertragungspfaden beteiligten Elemente.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem mindestens einen Kompensationskörper kann das Übertragungselement auch mindestens einen Wärmeschutz-Isolationskörper mit thermisch isolierenden Eigenschaften aufweisen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass über das Übertragungselement keine hohen Temperaturen und/oder großen Wärmemengen vom Brennraum her auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden, welche dieses schädigen könnten. Beispielsweise kann der Wärmeschutz-Isolierkörper mindestens ein keramisches Material umfassen, welches hohe thermisch isolierende Eigenschaften aufweisen kann. Auch andere Arten von Materialien sind möglich. So ist der Wärmeschutz-Isolierkörper auch mehrteilig aufbaubar. Alternativ oder zusätzlich zu einer thermischen Isolation kann der Wärmeschutz-Isolierkörper weiterhin auch elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass der Wärmeschutz-Isolierkörper mit dem thermisch isolierenden Eigenschaften selbst auch elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Alternativ kann jedoch auch ein mehrteiliger Aufbau vorgesehen sein, bei welchem der Wärmeschutz-Isolierkörper neben mindestens einem thermisch isolierenden Bauelement mindestens ein elektrisch isolierendes Bauelement aufweist.
  • Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mechanisch-elektrischen Wandlerelements umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um ein steifes Kontaktelement handelt, also ein Kontaktelement, welches unter Einwirkung seiner eigenen Gewichtskraft seine Form nicht oder nur unwesentlich ändert. Insbesondere kann das Kontaktelement mindestens eine Stromschiene umfassen, also ein steifes Element, welches stromleitende Eigenschaften aufweist, beispielsweise ein metallisches Element. Das Kontaktelement soll dabei vorzugsweise derart eingerichtet sein, dass dieses zumindest teilweise, beispielsweise abschnittsweise, eine axiale Flexibilität aufweist, d. h. eine Flexibilität in seiner Längserstreckungsrichtung, beispielsweise parallel zur Achse der Vorrichtung. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Kontaktelement zumindest teilweise mit federnden Eigenschaften ausgestaltet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Kontaktelement, beispielsweise die mindestens eine Stromschiene, beispielsweise zumindest abschnittsweise eine Flexibilität in Sensorlängsrichtung dadurch ermöglichen, dass ein doppelter Schlag vorgesehen wird. Dies kann beispielsweise analog zu einer Wellpappe erfolgen, beispielsweise indem eine Stromschiene mit zwei Außenbahnen ausgestaltet wird, zwischen welchen mindestens ein federndes Element vorgesehen ist, beispielsweise eine gefaltete metallische Bahn. Auf diese Weise kann insbesondere im Bereich einer Kontaktierung des mechanisch-elektrischen Wandlerelements eine axiale Flexibilität des Kontaktelements vorgesehen werden, beispielsweise indem das Kontaktelement derart gestaltet wird, beispielsweise gebogen wird, dass dieses einen oder mehrere Abschnitte mit einer Erstreckung senkrecht zur Achse aufweist. Auf diese oder auf andere Weise können die ein oder mehreren Kontaktelemente zu einer Zugentlastung des mechanisch-elektrischen Wandlerelements beitragen, so dass zwar beispielsweise eine Krafteinwirkung auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement möglich ist, jedoch ein beispielsweise durch Verspannungen eingeprägter Weg auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement reduziert wird. Dieser Weg ist jedoch von Bedeutung für ein durch die Verspannungen erzeugtes Fehlersignal im mechanisch-elektrischen Wandlerelement, beispielsweise einem Piezo-Quarz.
  • Das mechanisch-elektrische Wandlerelement kann auf seiner von dem Brennraum abgewandten Seite direkt oder indirekt gegen einen Isolierkörper gelagert sein. Dieser Isolierkörper kann beispielsweise elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Weiterhin kann das mechanisch-elektrische Wandlerelement, alternativ oder zusätzlich, auf seiner von dem Brennraum abgewandten Seite über mindestens eine Fixierung direkt oder indirekt gegen des Sensorgehäuse gelagert sein. Die Fixierung kann beispielsweise eine metallische Fixierung sein, beispielsweise ein Metallring, welcher beispielsweise stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Sensorgehäuse verbunden werden kann. Besonders bevorzugt ist eine Verschweißung der Fixierung mit dem Sensorgehäuse. Auch andere Fixierungen sind jedoch grundsätzlich möglich.
  • Die Vorrichtung weist weiterhin mindestens einen Sensorhalter auf. Das mechanisch-elektrische Wandlerelement ist von dem Sensorgehäuse durch den mindestens einen Sensorhalter getrennt. Der Sensorhalter ist dabei zumindest teilweise starr ausgebildet, also aus einem Material, welches sich zumindest unter Einwirkung seiner eigenen Gewichtskraft nicht oder nur unwesentlich verformt. Der Sensorhalter ist also insbesonde re als formstabiles Bauteil ausgestaltet, beispielsweise als formstabiles Kunststoffbauteil, insbesondere als thermoplastisches Bauteil. Insbesondere kann der Sensorhalter inkompressibel ausgestaltet sein. Der Sensorhalter kann insbesondere elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Insbesondere kann der Sensorhalter zumindest teilweise aus einem oder mehreren der folgenden Materialien hergestellt sein: einem Kunststoff, insbesondere einem gefüllten Kunststoff, insbesondere einem Kunststoff mit einer Glasfaser-Verstärkung; einem Polyetherimid (PEI); einem Polyetheretherketon (PEEK); einer Keramik; einer Polymerkeramik. Auch die Verwendung anderer Materialien ist jedoch grundsätzlich möglich. Der Kunststoff, insbesondere der gefüllte Kunststoff, kann beispielsweise, wie erwähnt, ein Polyetherimid und/oder ein Polyetherketon und/oder auch ein Polyamid und/oder ein Polypropylen und/oder ein Polyphenylensulfid (PPS) umfassen. Alternativ oder zusätzlich zu einer Glasfaser-Füllung können auch andere Füllstoffe eingesetzt werden, beispielsweise Kohlefasern und/oder Keramiken oder Ähnliches.
  • Insbesondere kann der Sensorhalter als ein das mechanisch-elektrische Wandlerelement zumindest teilweise umgebender, insbesondere umschließender, Sensorhalter ausgestaltet sein, beispielsweise ein dieses Wandlerelement konzentrisch umschließender Sensorhalter. Das mechanisch-elektrische Wandlerelement kann insbesondere einen polygonalen Querschnitt, insbesondere einen quadratischen Querschnitt, aufweisen, wobei das Sensorgehäuse einen Innenraum mit einem runden Querschnitt, insbesondere einem kreisförmigen Querschnitt, aufweisen kann. Auf diese Weise kann der Sensorhalter beispielsweise als geometrischer Adapter dienen, um ein polygonales mechanisch-elektrisches Wandlerelement sicher, zuverlässig und mit geringem Spiel innerhalb des Sensorgehäuses zu haltern. Der Sensorhalter kann beispielsweise zumindest teilweise als Hülse ausgestaltet sein. Der Sensorhalter kann beispielsweise einen Außendurchmesser von weniger als 8 mm und vorzugsweise von weniger als 4,5 mm aufweisen. Der Sensorhalter kann, wie oben erwähnt, beispielsweise thermisch und/oder elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen und/oder vibrationsdämpfende Eigenschaften. Der Sensorhalter kann auch zumindest einen Teil des Übertragungselements zumindest teilweise umschließen, beispielsweise den Wärmeschutz-Isolationskörper und/oder den Kompensationskörper. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensorhalter auch beispielsweise den Isolierkörper ganz oder teilweise umschließen. Auf diese Weise können die beiden oben beschriebenen Übertragungspfade zusätzlich voneinander getrennt werden. Der Sensorhalter sollte selbst keinen direkten Kontakt mit der Membran aufweisen, so dass der Sensorhalter selbst keinen Bestandteil der oben genannten Übertragungspfade bildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensorhalter weitere Elemente der Vorrichtung umschließen, insbesondere weitere Elemente, welche Teil des zweiten Übertragungspfades bilden. So kann der Sensorhalter beispielsweise auf der brennraum-abgewandten Seite des mechanisch-elektrischen Wandlerelements Elemente zumindest teilweise umschließen, z. B. den Isolierkörper.
  • Der Sensorhalter kann in seinem Inneren und/oder auf seiner äußeren, dem Sensorgehäuse zuweisenden Oberfläche weiterhin mindestens ein, vorzugsweise zwei, drei, vier oder mehr axiale Führungselemente aufweisen. Unter axialen Führungselementen sind dabei allgemein Distanzhalter zu verstehen, welche sich in axialer Richtung erstrecken. Insbesondere können dies Elemente sein, welche eingerichtet sind, um das oder die von den Sensorhalter umschlossenen Elemente in einer Distanz von einer Innenwand des Sensorhalters zu halten und/oder zu führen und auf diese Weise Reibungsverluste zu verringern. Alternativ oder zusätzlich können die axialen Führungselemente auch ein oder mehrere Elemente umfassen, welche eingerichtet sind, um die äußere, dem Sensorgehäuse zuweisende Oberfläche des Sensorhalters in einer Distanz von der Innenwand des Sensorgehäuses zu halten und/oder zu führen und auf diese Weise Reibungsverluste zu verringern. Beispielsweise kann der Sensorhalter als mindestens ein axiales Führungselement mindestens eine axial verlaufende Rippe zur Reibungsverminderung aufweisen. Ziele dieser Maßnahme können eine Minimierung einer Reibung zum ersten Übertragungspfad und/oder zum zweiten Übertragungspfad sein, also beispielsweise eine Minimierung einer Reibung zu einem äußeren Kraftpfad und/oder eine Minimierung einer Reibung zu einem inneren Kraftpfad. Diese mindestens eine Rippe kann sich beispielsweise über die gesamte Länge des Sensorhalters erstrecken oder lediglich über einen Teil des Sensorhalters. Auf diese Weise können insbesondere Bauteile des oben beschriebenen zweiten Übertragungspfades unter verminderter Reibung innerhalb des Sensorhalters geführt sein. Insbesondere können, wie oben dargestellt, das Übertragungselement (insbesondere der Kompensationskörper und/oder der Wärmeschutz-Isolierkörper) und/oder die erste Stromschiene und/oder das mechanisch-elektrische Wandlerelement (insbesondere der Piezo-Quarz) und/oder die zweite Stromschiene und/oder der Isolierkörper ganz oder teilweise mit dem mindestens einen axialen Führungselement innerhalb des Sensorhalters geführt sein. Der Sensorhalter kann, abgesehen von einer optional zylindrischen Außenoberfläche, von seiner geometrischen Gestaltung insbesondere derart angepasst sein, dass dieser die Elemente, welche der Sensorhalter vollständig oder teilweise umschließt, optimal aufnehmen kann. So kann insbesondere ein Innenraum des Sensorhalters geometrisch an die äußeren Abmessungen der umschlossenen Elemente, gegebenenfalls zuzüglich eines erforderlichen Spiels, angepasst sein. Umfasst die Vorrichtung, wie oben aufgeführt, mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mechanisch-elektrischen Wandlerelements, insbesondere mindestens eine Stromschiene, so kann der Sensorhalter auch dieses Kontaktelement ganz oder teilweise umschließen. In diesem Fall kann der Sensorhalter insbesondere mindestens eine Aussparung, beispielsweise eine axial verlaufende Aussparung, zur Aufnahme und/oder Führung des Kontaktelements aufweisen. Bei dieser Aussparung kann es sich beispielsweise um mindestens einen Schlitz handeln, beispielsweise einen seitlichen Schlitz. Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens ein das Sensorgehäuse zumindest teilweise umschließendes Dichtgehäuse umfassen, beispielsweise ein Dichtkonusgehäuse. Dieses Dichtgehäuse kann eingerichtet sein, um eine Fixierung der Vorrichtung in einer Brennraumwand zu ermöglichen, so dass zumindest die Membran mit einem brennraumseitigen Druck beaufschlagt werden kann.
  • Die vorgeschlagene Vorrichtung in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausführungsformen weist gegenüber bekannten Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf, welche sich insbesondere beim Einsatz in Otto-Motoren positiv bemerkbar machen. So ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass bei der Verbrennung im Brennraum auftretende hohe Temperaturen die Signale nicht oder nur unwesentlich beeinflussen können. Das Drucksignal aus dem Brennraum kann innerhalb der Vorrichtung in einen Bereich weitergeleitet werden, in welchem für das mechanisch-elektrische Wandlerelement verträgliche Temperaturen vorliegen. Der vorgeschlagene Aufbau ermöglicht zudem eine Messsignalübertragung mit minimaler Signalverminderung und/oder Signalveränderung. Weiterhin werden äußere mechanische Einflüsse, wie beispielsweise das Einschraubmoment, vom zweiten Übertragungspfad, also vom Übertragungspfad des Druckes, der Kraft und des elektrischen Signals ferngehalten. Durch den vorgeschlagenen zweiten Übertragungspfad, welcher als relevanter Kraftpfad eingesetzt werden kann und dessen Übertragung von dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement aufgenommen wird, kann das Drucksignal mit geringen Verlusten in eine Kraft umgewandelt werden, zum Messelement weitergeleitet werden und dort in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, welches wiederum zu einer – in der Vorrichtung selbst integrierten und/oder ganz oder teilweise außerhalb der Vorrichtung angeordneten – Auswerteschaltung geführt werden. Das mechanisch-elektrische Wandlerelement und/oder die Auswerteschaltung können dabei in Bereichen mit verträglichen Temperaturen angeordnet werden. Weiterhin können die oben beschriebenen Bauteile der Vorrichtung derart optimiert werden, dass das Messsignal nicht beeinträchtigt wird durch mechanische und/oder thermische Einflüsse. So können insbesondere Temperatureinflüsse und/oder mechanische Einflüsse, welche beispielsweise durch die Stromschienen auf treten könnten, durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung minimiert werden.
  • Mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung kann insbesondere eine effiziente Alternative zu den bekannten Schrumpfschlauch-Lösungen zur Halterung des Sensormoduls bereitgestellt werden. Mittels eines speziell profilierten Sensorhalters, beispielsweise eines speziell profilierten Kunststoffkörpers anstelle des Schrumpfschlauches, lässt sich insbesondere die Montage des Sensormoduls, welches neben dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement beispielsweise auch Teile des Übertragungselements und/oder des Isolierkörpers umschließen kann, erleichtern. Zudem lässt sich auch ein quadratischer bzw. polygonaler Piezo-Quarz kostengünstiger fertigen als ein zylindrischer, wobei mit dem vorgefertigten Sensorhalter die Montage derartiger quadratischer Piezo-Quarze in einem runden Sensorgehäuse ermöglicht wird. Weiterhin ist keine Vormontage eines Sensormoduls bei einem Lieferanten erforderlich, und die vollständige Montage kann in einem Endmontage-Werk durchgeführt werden. Auf diese Weise kann eine Transportsicherheit des Sensormoduls als Voraussetzung entfallen, da es nunmehr erforderlich sein kann, ein einziges Bauteil vorzusehen, das die benachbarten Bauteile im Betrieb und nicht mehr während des Transports des Sensormoduls in der vorgesehenen Lage hält. Die Gestaltung des Sensorhalters ist vergleichsweise frei. Insbesondere eine Gestaltung als Kunststoff-Bauteil, beispielsweise als Spritzguss-Bauteil, ist in ihrer Gestaltung relativ frei, so dass der Sensorhalter beispielsweise einerseits in radialer Richtung den Übergang von einem quadratischen Piezo-Quarz und/oder anderen mechanisch-elektrischen Wandlerelement zu einem beispielsweise runden Sensorgehäuse ermöglicht. Andererseits kann auch in axialer Richtung ein Übergang von einem quadratischen und/oder polygonalen mechanisch-elektrischen Wandlerelement auf anders gestaltete Körper ermöglicht werden, beispielsweise auf umgebende Isolierkörper und/oder Übertragungselemente, welche beispielsweise rund ausgestaltet sein können. Mittels des mindestens einen axialen Führungselements, beispielsweise der Rippe, kann eine reibungsarme Führung des zweiten Übertragungspfads im Sensorhalter und damit eine Minimierung von Hysterese gewährleistet werden. Hierdurch lässt sich wiederum eine Minimierung von Hysterese-Fehlern erzielen. Weiterhin lässt sich eine effektive elektrische Isolation des mechanisch-elektrischen Wandlerelements, beispielsweise des Piezo-Quarzes, sowie gegebenenfalls der Bauteile, die das Sensorsignal führen (beispielsweise der Stromschienen) vom Außengehäuse gewährleisten.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine; und
  • 2A bis 2D verschiedene perspektivische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels eines Sensorhalters.
  • Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine dargestellt, welche insbesondere in einem Otto-Motor eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung 110 umfasst ein mehrteilig aufgebautes Gehäuse 112, mit einem Grundkörper 114 und einem als Dichtkonusgehäuse 116 ausgestalteten Dichtgehäuse 118, mit einem brennraumseitigen Dichtkonus 120. Der Grundkörper 114, welcher beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und/oder einem keramischen Material gefertigt sein kann, nimmt ein Kontaktierungsmodul 122 auf. In diesem Kontaktierungsmodul 122 können Signale der Vorrichtung 110 bereits ganz oder teilweise verarbeitet werden und/oder über ein oder mehrere in 1 nicht dargestellte Schnittstellen nach außen weitergeleitet werden. An den Grundkörper angesetzt ist das im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltete Dichtgehäuse 118, welches wiederum konzentrisch ein Sensorgehäuse 124 umschließt. Dieses Sensorgehäuse 124 weist an seiner einem Brennraum 126 zuweisenden Seite eine Öffnung 128 auf, welche durch eine Membran 130 verschlossen ist. Diese Membran 130 ist eingerichtet, um sich bei Einwirkungen eines Drucks aus dem Brennraum 126 in einer Richtung einer Achse 132 der Vorrichtung 110 zu verformen bzw. zu verbiegen.
  • Im Inneren des Sensorgehäuses 124 ist entlang der Achse 132 an die Membran 130 ein Kompensationskörper 134 angeschlossen. An diesem wiederum schließt sich in axialer Richtung ein Wärmeschutz-Isolierkörper 136 an, welcher auf einem sich senkrecht zur Achse 132 ausdehnenden ersten Kontaktbereich einer sich ansonsten im Wesentlichen parallel zur Achse 132 erstreckenden ersten Stromschiene 140 mündet. An diesen schließt sich ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement 142 in Form eines Piezo-Quarzes 144 an. Auf der dem Brennraum 126 abgewandten Seite des Piezo-Quarzes 144 schließt sich in axialer Richtung ein zweiter Kontaktbereich 146 an, welcher als sich im Wesentlichen senkrecht zur Achse 132 ausdehnender Abschnitt einer ansonsten sich vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Achse 132 erstreckenden zweiten Stromschiene 148 ausgebildet ist. Die beiden Kontaktbereiche 138 und 146 bilden Kontaktierungen und/oder Elektroden des Piezo-Quarzes 144. Alternativ können Elektroden des Piezo-Quarzes 144 auch auf andere Weise ausgestaltet werden und/oder als von den Stromschienen 140, 148 getrennte Bauelemente.
  • In axialer Richtung auf der dem Brennraum 126 abgewandten Seite des Piezo-Quarzes 144 schließt sich an den zweiten Kontaktbereich 146 ein Isolierkörper 150 an. Der Isolierkörper 150 weist einen brennraumseitigen Abschnitt 152 mit verringertem Durchmesser auf, welcher, gemeinsam mit dem Piezo-Quarz 144 und dem Wärmeschutz-Isolierkörper 136, von einem Sensorhalter 154 umschlossen ist. An den Isolierkörper schließt sich in axialer Richtung auf der dem Brennraum 126 abgewandten Seite eine Fixierung 156 in Form eines metallischen Rings an. Dieser metallische Ring kann, wie unten näher ausgeführt wird, beispielsweise mit dem Sensorgehäuse 124 verschweißt sein. Der metallische Ring der Fixierung 156 umschließt seinerseits in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Isolierhülse 158, über welche die Fixierung 156 von einem Fortsatz 160 des Isolierkörpers 150 getrennt ist.
  • Die Vorrichtung 110, welche als Brennraumdrucksensor ausgestaltet ist, ragt membranseitig in den Brennraum 126 der Brennkraftmaschine hinein. Innerhalb der Membran 130 wird der im Brennraum anliegende Druck in eine Kraft gewandelt, die auf den Kompensationskörper 134 wirkt. Der Kompensationskörper 134 hat einerseits die Aufgabe, die Kraft an den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 weiter zu leiten, welcher, gemeinsam mit dem Kompensationskörper 134, ein Übertragungselement 162 bildet. Andererseits hat der Kompensationskörper 134 die Aufgabe, unterschiedliche Wärmeausdehnungen benachbarter Bauteile zu kompensieren. Der Piezo-Quarz 144 ist Teil eines Aufbaus, der zwei parallelen Übertragungspfaden aufweist. Ein erster Übertragungspfad kann die Membran 130, das Sensorgehäuse 124 und die Fixierung 156 umfassen. Ein zweiter Übertragungspfad kann die Membran 130, den Kompensationskörper 134, den Wärmeschutz-Isolierkörper 136, die erste Stromschiene 140 bzw. deren ersten Kontaktbereich 136, den Piezo-Quarz 144, die zweite Stromschiene 148 bzw. deren zweiten Kontaktbereich 146, den Isolierkörper 150 und die Fixierung 156 umfas sen. Bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Bauteile dehnt sich der innere, zweite Übertragungspfad anders aus als der diesen umschließende äußere, zweite Übertragungspfad. Dieses unterschiedliche Ausdehnen führt letztlich zur einer zusätzlichen Be- oder Entlastung des Piezo-Quarzes 144, die sich mit der Kraftwirkung, die aus dem Brennraumdruck resultiert, überlagert und von dieser in der Regel nicht unterschieden werden kann. Diese Überlagerung führt somit in der Regel zu einem Messfehler. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das unterschiedliche Ausdehnen dadurch zu unterbinden, dass der Kompensationskörper 134 vorzugsweise bezüglich seiner Länge und/oder seines Wärmeausdehnungskoeffizienten so ausgelegt ist, dass dieser dafür sorgt, dass die Wärmeausdehnung des inneren und des äußeren Übertragungspfades identisch sind. Diese Ausdehnung ist jedoch in vielen Fällen lediglich für eine bestimmte Temperatur bzw. einen bestimmten Temperaturgradienten möglich. Dennoch kann mittels einer geeigneten Materialwahl des Kompensationskörpers 134 im relevanten Temperaturbereich der Vorrichtung 110 zumindest eine Minimierung von Ausdehnungsfehlern infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungen in den Übertragungspfaden erreicht werden.
  • Der Wärmeschutz-Isolierkörper 136 hat einerseits die Aufgabe, den Wärmepfad vom Brennraum 126 zum Piezo-Quarz 144 zu unterbrechen, also den Piezo-Quarz 144 vor Überhitzung zu schützen. Andererseits dient dieser vorzugsweise auch als elektrischer Isolator, der dafür sorgt, dass die vom Piezo-Quarz 144 an die Stromschienen 140, 148 übertragenen elektrischen Ladungen nur auf dem dafür vorgesehenen Weg über die Stromschienen 140, 148 selbst weitergeleitet werden. Je nach konkreten Anforderungen an die elektrische Isolation und/oder die Wärmeisolation kann es sinnvoll oder notwendig sein, den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 mehrteilig auszugestalten, und beispielsweise in ein wärmeisolierendes Bauteil und in ein elektrisch isolierendes Bauteil aufzuteilen, deren Materialien dann für die entsprechenden Anforderungen optimiert werden können.
  • Der Piezo-Quarz 144 ist aus piezoelektrischem Material hergestellt und wandelt eine Kraft, hier die Kraft, die aus dem Brennraumdrucksignal resultiert, in eine elektrische Ladung um, welche proportional zur aufgebrachten Kraft ist, das heißt hier zum aufgebrachten Druck. Der Piezo-Quarz 144 wandelt die Kraft über den Umweg einer Längenänderung in eine elektrische Ladung um. Die elektrische Ladung wird beispielsweise in einer in 1 nicht dargestellten Auswerteschaltung, welche ganz oder teilweise in dem Kontaktierungsmodul 122 aufgenommen sein kann, welche jedoch alternativ oder zusätzlich auch ganz oder teilweise außerhalb der Vorrichtung 110 aufgenommen sein kann, in eine der Ladung und/oder der Kraft und/oder dem Druck proportionale Spannung umgewandelt, welche dann an ein Motorsteuerungsgerät weitergegeben werden kann.
  • Die Stromschienen 140, 148 haben jeweils im Wesentlichen dieselben Aufgaben. Sie übertragen einerseits die Ladungen, die im Piezo-Quarz 144 erzeugt werden, an die Auswerteschaltung. Da durch Verspannungen in den Stromschienen 140, 148 selbst, welche beispielsweise durch Wärmeausdehnungen oder durch interne mechanische Spannungen nach dem Verschweißen der Stromschienen mit anderen Bauteilen im hinteren, dem Brennraum 126 abgewandten Teil der Vorrichtung 110 entstehen können, ebenfalls eine Kraftwirkung auf den Piezo-Quarz 144 entstehen kann, welche wiederum ein fehlerrelevantes Messsignal erzeugen kann, haben die Stromschienen vorzugsweise eine Zugentlastungsfunktion. Die Stromschienen können dementsprechend, insbesondere im Bereich zwischen dem Isolierkörper 150 und der Fixierung 156, einen doppelten Schlag aufweisen, der eine gewisse Flexibilität in Sensorlängsrichtung, also entlang der Achse 132, ermöglicht. Zu diesem Zweck können die Stromschienen 140, 148 beispielsweise, wie oben beschrieben, in der Art einer Wellpappe ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können, wie in 1 angedeutet, die Stromschienen 140, 148 auch einen oder mehrere Knicke und/oder Biegungen aufweisen, welche als Federelemente dienen und die beschriebene Zugentlastung gewährleisten können. Auch auf andere Weise können die Stromschienen 140, 148 federnd ausgestaltet sein, d. h. eine elastische Wirkung in Richtung der Achse 132 aufweisen. Durch die genannte Flexibilität wird zwar die Kraftwirkung von Verspannungen auf den Piezo-Quarz 144 nicht reduziert, jedoch wird erreicht, dass der eingeprägte Weg reduziert wird. Und der eingeprägte Weg, also die Änderung des Piezo-Quarzes 144, ist ausschlaggebend für das erzeugte Fehlersignal im Piezo-Quarz 144.
  • Der Isolierkörper 150, welcher beispielsweise aus einem keramischen Material und/oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein kann, hat die Hauptfunktion, den Piezo-Quarz 144 und eine oder beide der Stromschienen 140, 148, beispielsweise die zweite Stromschiene 148, elektrisch von benachbarten Bauteilen zu isolieren. Weiterhin bietet der Isolierkörper 150 Raum für die Stromschienen 140, 148, damit diese zur Auswerteschaltung geführt werden können. Insbesondere bietet der Isolierkörper 150 vorzugsweise auch Raum für Zugentlastungsschläge 164 und/oder andere Arten von Federelementen der Stromschienen 140, 148, um die oben beschriebene Zugentlastungswirkung zu erzielen. Die Fixierung 156, welche beispielsweise als metallische Fixierung ausgestaltet ist, dient als Widerlager für den zuvor beschriebenen zweiten Ü bertragungspfad, also den inneren Kraftpfad. Sie wird mit dem Sensorgehäuse 124 im ersten Übertragungspfad, also dem äußeren Kraftpfad, vorzugsweise verschweißt. Die Verschweißung kann beispielsweise unter Anwendung einer Vorspannung erfolgen, welche erforderlich sein kann, damit in jedem Betriebszustand alle Bauteile sicher und fest aufeinander liegen. Zudem kann eine derartige Vorspannung für die Betriebsweise des Piezo-Quarzes 144 erforderlich sein. Die Isolierhülse 158 dient dazu, einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Stromschienen 140, 148 und der Fixierung 156 zu vermeiden, auch unter hohen mechanischen Belastungen im Einsatz der Vorrichtung 110, z. B. mechanischen Erschütterungen.
  • Der erste Übertragungspfad, also der äußere Kraftpfad, beginnt ebenfalls mit der oben beschriebenen Membran 130, welche beispielsweise an das Sensorgehäuse 124 im Bereich der Öffnung 128 angeschweißt sein kann. Das Sensorgehäuse 124 dient als Träger der Bauteile des zweiten Übertragungspfads, also des inneren Kraftpfads, sowie dazu, diesen von äußeren mechanischen Einflüssen zu schützen. Das hintere Ende des Sensorgehäuses 124 ist, wie oben dargestellt, vorzugsweise mit der Fixierung 156 verschweißt. Zwischen dem Sensorgehäuse 124 und dem inneren Kraftpfad ist der Sensorhalter 154 angeordnet. Dieser kann beispielsweise ganz oder teilweise aus Kunststoff, Keramik, Polykeramik oder Ähnlichem hergestellt sein, beispielsweise als einstückiges, hülsenförmiges Teil. Er kann weiterhin dazu eingerichtet sein, den Piezo-Quarz 144, die Stromschienen 140, 148, den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 und den Isolierkörper 150 auszurichten, aufzunehmen und elektrisch gegenüber dem Sensorgehäuse 124 zu isolieren. Das Sensorgehäuse 124 umschließt den inneren Kraftpfad und bildet, da die Membran 130 und die Fixierung 156 mit dem Sensorgehäuse 124 verschweißt sind, im Zusammenspiel mit dem inneren und dem äußeren Kraftpfad eine eigenständige Baugruppe, die die volle Sensorfunktion beinhaltet und theoretisch als eigener Sensor fungieren könnte. Diese Sensor-Funktionsbaugruppe ist in diesem Ausführungsbeispiel noch in dem Dichtgehäuse 118 aufgenommen, beispielsweise in das Dichtkonusgehäuse 116 eingeschweißt. Damit kann ein Aufbau erreicht werden, der von einem Anwender in einen Zylinderkopf eingeschraubt werden kann. Beim Einschrauben entstehen hohe Drehmomente (Anschraubmomente) und hohe axiale Vorspannungen. Diese axialen Vorspannungen könnten, würden diese auf die Sensor-Funktionsbaugruppe einwirken, Messfehler induzieren. Daher wird die Sensor-Funktionsbaugruppe vorzugsweise lediglich an einer Stelle umlaufend in das Dichtkonusgehäuse 116 eingeschweißt. Eine Übertragung von axialen Vorspannkräften oder Drehmomenten auf die Sensor-Funktionsbaugruppe ist somit vorzugsweise weitgehend ausgeschlossen. Durch die Schweißung der Sensor-Funktionsbaugruppe an das Dichtkonusgehäuse 116 wird gleichzeitig auch die Dichtheit des Sensor-Innenraums realisiert.
  • In den 2A bis 2D ist, in verschiedenen perspektivischen Darstellungen, ein Beispiel eines Sensorhalters 154 gezeigt, welcher beispielsweise in der Vorrichtung 110 gemäß 1 eingesetzt werden kann. Der Sensorhalter 154 weist von außen eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt mit einer im Wesentlichen kreiszylindrischen Oberfläche 166 auf. Der Sensorhalter 154 wird vorzugsweise aus einem Kunststoff hergestellt, wobei jedoch, wie oben beschrieben, alternativ oder zusätzlich auch Keramiken und/oder Polymerkeramiken zum Einsatz kommen können. Ein Bauteil aus Kunststoff kann relativ frei gestaltet werden. Dieser Umstand kann ausgenutzt werden, um ein Bauteil zu formen, welches mit seiner Geometrie in radialer Richtung den Übergang zwischen einem quadratischen Piezo-Quarz 144 zu einem zylindrischen Sensorgehäuse 124 ermöglichen kann. Das Sensorgehäuse 124 kann zylindrisch ausgestaltet werden, da diese Form am kostengünstigsten herzustellen ist. Der Piezo-Quarz 144 ist wiederum am kostengünstigsten, wenn dieser quadratisch und/oder eckig ausgestaltet wird. Ein Kunststoffbauteil lässt sich unabhängig von seiner konkreten Geometrie immer kostengünstig herstellen. Insofern ist der Sensorhalter 154 aus Kunststoff ein ideales Bauteil, welches ermöglicht, dass dieser selbst und benachbarte Bauteile ohne Funktionseinschränkung kostengünstig hergestellt werden können.
  • Aus denselben oben beschriebenen Gründen ermöglicht der Sensorhalter 154 auch in axialer Richtung den Übergang von dem Piezo-Quarz 144 auf die davor und/oder dahinter angeordneten Elemente, wie beispielsweise den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 und/oder den Isolierkörper 150, welche vollständig oder teilweise aus Keramik hergestellt sein können und welche ebenfalls vollständig oder teilweise von dem Sensorhalter 154 umschlossen sein können. Diese Elemente können zwar Bauteile sein, die den eigentlichen Übergang von eckig auf rund selbst vornehmen können, da Keramik-Bauteile, ähnlich wie Kunststoffe, in der Regel relativ frei gestaltbar sind, wenn auch mit Einschränkungen im Vergleich gegenüber Kunststoff. Jedoch werden diese vorzugsweise selbst vom Sensorhalter 154 ganz oder teilweise geführt, so dass dieser Sensorhalter 154 auch in axialer Richtung den Übergang von eckig nach rund unterstützen kann. Um Hysterese-Fehler im Sensor zu vermeiden oder zumindest zu verringern, sollten die Bauteile des zweiten Übertragungspfades, also des Sensor-Kraftpfades, also beispielsweise die Membran 130, der Kompensationskörper 134, der Wärmeschutz-Isolierkörper 136, die erste Stromschiene 140, der Piezo-Quarz 144, die zweite Stromschiene 148, der Isolierkörper 150 und die Fixierung 156, die Nachbar bauteile in radialer Richtung im Idealfall nicht berühren oder mit möglichst geringer Auflagefläche berühren. Eine Berührung verursacht Reibung, und eine derartige Reibung kann Hysterese verursachen. Die Hysterese wiederum verursacht Messfehler. Da der Sensorhalter 154 aber auch die Funktion der Führung der Kraftfahrt-Bauteile aufweisen kann und dieses nur mit einer gewissen Berührung realisierbar ist, sollte das Ausmaß der Berührung minimiert werden. Zu diesem Zweck sind bei dem Ausführungsbeispiel in den 2A bis 2D axiale Führungselemente 168 in Form von Rippen 170 vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind acht derartige Rippen 170 vorgesehen, welche sich im Inneren einer Öffnung 172 in radialer Richtung erstrecken. Diese kleinen Rippen 170 können gewährleisten, dass für den Fall, dass Berührung unvermeidbar ist, diese nur minimal und nicht großflächig ausfällt. Die Rippen 170 sollten auf der Innenseite des Sensorhalters 154, also dem Piezo-Quarz 144 zugewandt, vorhanden sein. Je nach Montagekonzept können diese axialen Führungselemente 168 jedoch, alternativ oder zusätzlich, auch auf der dem Sensorgehäuse 124 zuweisenden äußeren Oberfläche 166 angeordnet sein. Eine weitere Funktion des Sensorhalters 154 kann in der elektrischen Isolation des Piezo-Quarzes 144 und der Stromschienen 140, 148 gegenüber dem Sensorgehäuse 124 bestehen. Insbesondere als Kunststoffbauteil kann der Sensorhalter 154 diese Funktion von Hause aus gut erfüllen. Aufgrund von Erfahrungen zeigt sich jedoch, dass für ein Druckmesskonzept, das auf einem Piezo-Quarz 144 basiert, besonders hohe Anforderungen an die elektrische Isolationsfähigkeit gestellt werden. Deshalb kann beispielsweise ein Polyetherimid, gegebenenfalls mit einer Glasfaserverstärkung vorgeschlagen werden, da sich dieses Material durch eine besonders hohe elektrische Isolierfähigkeit auszeichnet, die auch bei hoher Feuchtigkeit und hohen Temperaturen nur wenig einbricht. Alternativ ist beispielsweise auch PEEK denkbar, ist jedoch aus Kostensicht ungünstiger.
  • Der Sensorhalter 154 in dem in den 2A bis 2D dargestellten Ausführungsbeispiel kann weiterhin im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine oder mehrere Aussparungen 174 umfassen, welche hier als seitliche Schlitze 176 zur Aufnahme der Stromschienen 140, 148 ausgestaltet sind. Durch diese beiden Schlitze 176 ist es möglich, die Stromschienen 140, 148 vom Piezo-Quarz 144 wegzuführen, ohne dass ein zusätzlicher radialer Bauraumbedarf entsteht. Die Wandstärke des Sensorhalters 154 kann derart auf die Geometrie der Stromschienen 140, 148 abgestimmt sein (und gegebenenfalls umgekehrt), dass einerseits, wie oben beschrieben, kein zusätzlicher radialer Platzbedarf entsteht, es andererseits jedoch vermieden werden kann, dass, auch unter Berücksichtigung der Toleranzen, die Stromschienen 140, 148 über die Außenkontur des Sensorhalters 154 hinausragen. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass es zu einem Kurzschluss zwischen den Stromschienen 140, 148 und dem Sensorgehäuse 124 kommen kann. Der Sensorhalter 154 hat vorzugsweise einen Außendurchmesser von weniger als 4,5 mm.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - WO 2006/089446 A1 [0001, 0002]

Claims (11)

  1. Vorrichtung (110) zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Otto-Motors, umfassend ein Sensorgehäuse (124), wobei das Sensorgehäuse (124) eingerichtet ist, um zumindest teilweise in einen Brennraum (126) der Brennkraftmaschine eingebracht zu werden, wobei innerhalb des Sensorgehäuses (124) mindestens ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement (142) aufgenommen ist, wobei das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) von dem Sensorgehäuse (124) durch mindestens einen Sensorhalter (154) getrennt ist, insbesondere einen das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) zumindest teilweise umgebenden Sensorhalter (154), wobei der Sensorhalter (154) zumindest teilweise starr ausgebildet ist.
  2. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Sensorhalter (154) elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
  3. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorhalter (154) zumindest teilweise aus einem oder mehreren der folgenden Materialien hergestellt ist: einem Kunststoff, insbesondere einem gefüllten Kunststoff, insbesondere einem Kunststoff mit einer Glasfaser-Verstärkung; einem Polyetherimid; einem Polyetheretherketon; einem Polyphenylensulfid; einer Keramik; einer Polymerkeramik.
  4. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorhalter (154) einen Außendurchmesser von weniger als 8 mm und vorzugsweise von weniger als 4,5 mm aufweist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) einen polygonalen Querschnitt, insbesondere einen quadratischen Querschnitt, aufweist, wobei das Sensorgehäuse (124) einen Innenraum mit einem runden Querschnitt, insbesondere einem kreisförmigen Querschnitt, aufweist.
  6. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorgehäuse (124) brennraumseitig eine durch mindestens eine Membran (130) verschlossene Öffnung (128) aufweist, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens ein von dem Sensorgehäuse (124) getrennt ausgebildetes Übertragungselement (162) zur Übertragung einer Verformung der Membran (130) auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) aufweist, wobei der Sensorhalter (154) das Übertragungselement (162) zumindest teilweise umschließt.
  7. Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorgehäuse (124) Teil eines ersten Übertragungspfads ist, wobei das Übertragungselement (162) Teil eines zweiten Übertragungspfads ist, wobei über den ersten Übertragungspfad und den zweiten Übertragungspfad jeweils thermisch bedingte Ausdehnungen der Vorrichtung (110) auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) übertragbar sind, wobei das Übertragungselement (162) mindestens einen Kompensationskörper (134) umfasst, wobei der Kompensationskörper (134) eingerichtet ist, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen dem ersten Übertragungspfad und dem zweiten Übertragungspfad zumindest weitgehend auszugleichen.
  8. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorhalter (154) in seinem Inneren mindestens ein axiales Führungselement (168), insbesondere mindestens eine axial verlaufende Rippe (170), zur Reibungsverminderung aufweist.
  9. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensorhalter (154) auf seiner dem Sensorgehäuse (124) zuweisenden Oberfläche (166) mindestens ein axiales Führungselement (168), insbesondere mindestens eine axial verlaufende Rippe (170), zur Reibungsverminderung aufweist.
  10. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mechanisch-elektrischen Wandlerelements (142), insbesondere mindestens eine Stromschiene (140, 148), wobei der Sensorhalter (154) mindestens eine Aussparung (174) zur Aufnahme und/oder Führung des Kontaktelements aufweist, insbesondere mindestens einen seitlichen Schlitz (176).
  11. Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) auf seiner von dem Brenn-raum (126) abgewandten Seite direkt oder indirekt gegen einen Isolierkörper (150) gelagert ist, wobei der Isolierkörper (150) zumindest elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist, wobei der Isolierkörper (150) zumindest teilweise von dem Sensorhalter (154) umschlossen wird.
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