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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks
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 Verbrauch und Emissionen sehr genau
erfasst werden muss.
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Aus
dem Stand der Technik sind daher Vorrichtungen zur Erfassung des
Brennraumdrucks bekannt, welche jedoch überwiegend für
Dieselmotoren entwickelt wurden. So beschreibt beispielsweise
DE 10 2005 035 062
A1 eine Vorrichtung zur Erfassung des Brennraumdrucks einer
Brennkraftmaschine, welche eine Glühstiftkerze mit einem
sich in einer Einbaurichtung der Glühstiftkerze erstreckenden
Gehäusemantel und einem in der Glühstiftkerze
aufgenommenen Druckerfassungselement aufweist. Der Gehäusemantel
der Glühstiftkerze wird zur Übertragung des Brennraumdrucks
auf das Druckerfassungselement eingesetzt.
WO 2006/089446 A1 beschreibt
ein Bauteil zum Einbau in Kraft- oder Drucksensoren, insbesondere
in eine 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.
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Großserientaugliche
Brennraumdrucksensoren, welche als Stand-Alone-Brennraumdrucksensoren
insbesondere für Otto-Motoren einsetzbar sind, sind jedoch
aus dem Stand der Technik derzeit nicht bekannt. Die für
Dieselmotoren entwickelten Konzepte lassen sich jedoch nicht ohne
weiteres auch auf Otto-Motoren übertragen. Generell treten
bei der Konstruktion von Brennraumdrucksensoren, insbesondere für Otto-Motoren,
zahlreiche technische Herausforderungen auf. So treten durch die
Verbrennung im Brennraum des Verbrennungsmotors hohe Temperaturen
auf, welchen aktuelle Mess- und Auswerteprinzipien in der Regel
nicht standhalten. Weiterhin müssen die Vorrichtungen innerhalb
eines breiten Temperaturbereichs störungsfrei arbeiten, ohne
dass sich Messsignale durch thermische Spannungen ändern. Äußere
mechanische Einflüsse, wie beispielsweise Einschraubmomente
beim Einbringen der Vorrichtung in eine Brennraumwand, beispielsweise
ein Zylinderkopf, dürfen sich nicht auf die Qualität
der Signale auswirken oder die Messsignale der Vorrichtungen verändern.
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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 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 weist brennraumseitig eine durch mindestens
eine Membran verschlossene Öffnung auf. Beispielsweise
kann es sich dabei um eine kreisförmige oder polygonale Öffnung
handeln. 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 Sen sorgehäuse 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.
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Weiterhin
weist die Vorrichtung mindestens ein von dem Sensorgehäuse
getrennt ausgebildetes Übertragungselement zur Übertragung
einer Verformung der Membran auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement
auf. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Brennraumdruck-bedingte
Durchbiegung der 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. Das Übertragungselement
kann auch mehrteilig ausgestaltet werden.
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Das Übertragungselement
ist, wie oben dargestellt, getrennt von dem Sensorgehäuse
ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Übertragungspfade
aufweist, 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 Wärmeausdehnungskoefflzienten derart
eingerichtet werden, dass dieser zumindest innerhalb typischer Temperaturbereiche,
denen die Vorrichtung ausgesetzt sein kann, 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 nicht
mehr als 10% und vorzugsweise nicht mehr als 5%.
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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 Ände rung 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, welches auch mehrteilig aufgebaut sein
kann, 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 Strom schiene
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 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
erzeugte 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 das 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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Das
mechanisch-elektrische Wandlerelement kann von dem Sensorgehäuse
weiterhin durch mindestens einen Sensorhalter getrennt sein. Insbesondere
kann dieser Sensorhalter einen das mechanisch-elektrische Wandlerelement
zumindest teilweise umgebenden, insbesondere umschließenden, Sensorhalter
umfassen, beispielsweise einen dieses Wandlerelement konzentrisch
umschließenden Sensorhalter. Dieser Sensorhalter kann beispielsweise zumindest
teilweise als Hülse ausgestaltet sein. Der Sensorhalter
kann beispielsweise thermisch und/oder elektrisch isolierende Eigenschaften
aufweisen und/oder vibrationsdämpfende Eigenschaften. Der
Sensorhalter kann beispielsweise ganz oder teilweise aus Kunststoff,
Keramik, Polykeramik oder Kombinationen der genannten und/oder anderer
Materialien hergestellt sein. Der Sensorhalter kann auch zumindest
einen Teil des Übertragungselements zumindest teilweise
umschließen, beispielsweise den Wärmeschutz-Isolationskörper
und/oder den Kompensationskörper. 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 vorzugsweise keinen Bestandteil der oben genannten Übertragungspfade
bildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensorhalter
weitere Elemente der Vorrichtung umfassen und/oder 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, beispielsweise den Isolierkörper.
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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. Beispielsweise kann diese Fixierung eine
kraftschlüssige und/oder formschlüssige Fixierung
umfassen, beispielsweise ein Einschrauben in eine Brennraumwand.
Ein Dichtkonus an dem Dichtgehäuse kann beispielsweise
die Dichtwirkung erhöhen, um beispielsweise keine Undichtigkeiten
in einem Zylinderkopf zu induzieren. Das Dichtgehäuse soll
dabei derart ausgestaltet sein, beispielsweise derart mit dem Sensorgehäuse
verbunden sein, dass das mechanisch-elektrische Wandlerelement außerhalb
des Brennraums gelagert ist. Wie oben dargestellt, kann dies beispielsweise
dadurch erfolgen, dass lediglich ein Teil der Vorrichtung in den
Brennraum hineinragt, insbesondere ein die Membran umfassender Teil
der Vorrichtung, wohingegen das mindestens eine mechanisch-elektrische
Wand lerelement außerhalb des Brennraums gelagert ist, vorzugsweise
in einem Bereich, in welchem lediglich moderate Temperaturen im
Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten. Beispielsweise kann das
mechanisch-elektrische Wandlerelement in einem Bereich angeordnet
sein, in welchem Temperaturen von nicht mehr als 200°C
auftreten.
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Das
Dichtgehäuse kann beispielsweise derart mit dem Sensorgehäuse
verbunden sein, dass das Sensorgehäuse beim Fixieren des
Dichtgehäuses in der Brennraumwand, beispielsweise beim
Einschrauben in einen Zylinderkopf, im Wesentlichen axial spannungsfrei
und/oder torsionsspannungsfrei bleibt, so dass keine axialen Spannungen
und/oder Torsionsspannungen auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen
werden. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet
werden, dass das Dichtgehäuse das Sensorgehäuse
zumindest teilweise umschließt, mit diesem jedoch beispielsweise
lediglich in einem Bereich oder in mehreren unkritischen Bereichen
verbunden wird, beispielsweise durch eine stoffschlüssige
und/oder formschlüssige Verbindung, beispielsweise in Form
einer Schweißnaht, vorzugsweise einer einzigen Schweißnaht,
beispielsweise einer einzigen umlaufenden Schweißnaht.
Axiale Spannungen und/oder Torsionsspannungen im Dichtgehäuse,
welche beim Fixieren in der Brennraumwand auftreten können,
werden dann nicht auf das Innere des Sensorgehäuses übertragen,
und somit nicht auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement. Eine Übertragung
radialer Spannungen kann jedoch im gewissen Umfang toleriert werden.
Das Sensorgehäuse und der erste und/oder der zweite Übertragungspfad
können somit mechanisch vom Dichtgehäuse entkoppelt
ausgestaltet sein, beispielsweise durch die eine Schweißnaht.
So können beispielsweise eine axiale Stauchung und/oder
eine Torsionsspannung, die insbesondere durch ein Einschraubmoment
innerhalb des Dichtgehäuses erzeugt werden können,
nicht auf den ersten und/oder zweiten Übertragungspfad
wirken, so dass sich diese nicht oder nur unwesentlich auf die Druckmessung
beziehungsweise Kraftmessung auswirken können.
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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 Signal veränderung. 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
auftreten könnten, durch die oben beschriebene erfindungsgemäße
Ausgestaltung minimiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine.
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Ausführungsbeispiel
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 110 zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer
Brennkraftmaschine dargestellt, welche insbesondere in einem Benzinmotor bzw.
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. Unter einem Piezo-Quarz 144 kann
dabei grundsätzlich, alternativ oder zusätzlich
zu einem Quarz mit piezoelektrischen Eigenschaften, ein beliebiges
piezoelektrisches Material verstanden werden. 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 Stromschiende 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 von benachbarten Bauteilen zu kompensieren.
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So
ist der Piezo-Quarz 144 Teil eines Aufbaus, der aus zwei
parallelen Übertragungspfaden besteht. 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 umfassen. 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 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, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen
in den zwei Übertragungspfaden erzeugt werden, 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.
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Die
Fixierung 156, welche beispielsweise als metallische Fixierung
ausgestaltet ist, dient als Widerlager für den zuvor beschriebenen
zweiten Übertragungspfad, 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.
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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, beispielsweise
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.
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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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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005035062
A1 [0002]
- - WO 2006/089446 A1 [0002]