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Stand der Technik
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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%.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine;
und
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2A bis 2D verschiedene
perspektivische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels
eines Sensorhalters.
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Ausführungsbeispiele
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/089446
A1 [0001, 0002]