DE102009050911A1

DE102009050911A1 - Zylinderdrucksensor

Info

Publication number: DE102009050911A1
Application number: DE102009050911A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Last; Christian Pottiez; Bernd Uwe Stoller; Georg Dr. Rixecker; Helmut Müller
Original assignee: Beru AG
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2009-10-26
Filing date: 2009-10-26
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: CN102597731A; DE102009050911B4; US20120198924A1; WO2011054411A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderdrucksensor mit einem Gehäuse (2) zum Einspannen in einen Zylinderkopf, das an einem vorderen Ende ein Sensorelement (4) trägt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zylinderdrucksensor (1) an seinem vorderen Ende einen Kegeldichtsitz (5) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Zylinderdrucksensor mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Derartige Zylinderdrucksensoren werden ähnlich wie Glühkerzen in Zylinderköpfe eingespannt, beispielsweise eingeschraubt, und müssen deshalb eine Abdichtung des Brennraums bewirken, so dass sich im Betrieb erhebliche thermische und mechanische Belastungen ergeben. Die Druckmessungen können dabei durch zu hohe Temperaturen ebenso wie durch einen zu großen Abstand vom Brennraum beeinträchtigt werden. Für das Sensorelement eines Zylinderdrucksensors ergeben sich dadurch gegenläufige Anforderungen, da mit zunehmender Nähe zum Brennraum die Temperaturbelastung zunimmt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie mit einem Zylinderdrucksensor der Brennraumdruck präzise, zuverlässig und kostengünstig gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderdrucksensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßer Zylinderdrucksensor weist an seinem vorderen Ende einen Kegeldichtsitz auf. Mit dieser einfachen Maßnahme lassen sich eine gute thermische Ankopplung des Sensorelements an das Gehäuse mit einem minimalen Abstand vom Brennraum und einer guten Abdichtung bei reduzierter mechanischer Belastung kombinieren.
Indem das Sensorelement am vorderen Ende des Gehäuses sitzt, werden vorteilhaft keine druckübertragenden Komponenten benötigt. Die mechanischen Eigenfrequenzen eines erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensors liegen deshalb sehr hoch, so dass ein erfindungsgemäßer Drucksensor eine vorteilhaft große Bandbreite hat. Die zylindernahe Einbaulage des Sensorelements hilft insbesondere das Auftreten von so genannten Pfeifenschwingungen zu verhindern. Pfeifenschwingungen sind Resonanzen der Verbrennungsgase, die in den Übertragungskanälen vom Brennraum zum Sensorelement auftreten und im ungünstigsten Fall Störungen innerhalb der Bandbreite des Messsignals verursachen können.
An sich steigt die Temperaturbelastung eines Sensorelements mit zunehmender Brennraumnähe an, da die Nähe zum Verbrennungsvorgang zunimmt. Mit einem Kegeldichtsitz, also einem konischen Dichtsitz, kann dieser Temperaturbelastung begegnet werden. Mit einem erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensor kann nämlich das relativ niedrige Temperaturniveau gekühlter (zumeist wassergekühlter) Zylinderköpfe in Dichtsitzhöhe als Temperatursenke für das Sensorelement genutzt werden.
Die konische Form des Dichtsitzes hat gegenüber flachen Abdichtungen den Vorteil, dass für gleiche Flächenpressungen eine niedrigere Spannkraft über das Sensorgehäuse benötigt wird. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung des Gehäuses und eine Abdichtung zum Zylinderkopf ohne zusätzliches Dichtelement.
Bei einem erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensor kann das Sensorelement selbst den Kegeldichtsitz bilden, also auf die Spitze des Gehäuses aufgesetzt sein. Im Vergleich zu einem Flachdichtsitz ist dadurch die für eine gute Abdichtung erforderliche mechanische Belastung des Sensorelements wesentlich reduziert. Es ist aber auch möglich, dass das Gehäuse selbst den Kegeldichtsitz bildet. Das Sensorelement kann dann vollständig in dem Gehäuse angeordnet sein. Vorteilhaft lässt sich auf diese Weise erreichen, dass das Sensorelement von der erforderlichen Abdichtung überhaupt nicht mechanisch belastet wird. In beiden Fällen hat das Sensorelement guten Kontakt zu dem Gehäuse, so dass Wärme von dem Sensorelement über das Gehäuse und dem Dichtsitz effizient abgeführt werden kann.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Sensorelement mit einer Schutzschicht bedeckt ist. Eine solche Schutzschicht kann eine oder mehrere Lagen aufweisen. Bevorzugt weist eine solche Schutzschicht eine thermisch isolierende Schicht, beispielsweise auf keramischer Basis, auf. Eine thermisch isolierende Schicht kann beispielsweise durch Flammspritzen aufgebracht werden. Die Messfunktion des Sensorelements wird durch eine Schutzschicht nicht oder allenfalls unwesentlich beeinflusst, jedoch kann die thermische Belastung erheblich reduziert werden. Die Schutzschicht kann die aktive Fläche des Sensorelements bedecken, es ist aber auch möglich, dass die aktive Fläche ausgespart ist. Bevorzugt sind das Gehäuse kontaktierende Oberflächen des Sensorelements nicht von der Schutzschicht bedeckt.
Eine thermisch isolierende Schicht kann mit einer thermisch leitfähigen Schicht, beispielsweise einer Metallschicht, kombiniert werden, die auf der thermisch isolierenden Schicht angeordnet ist und eine verbesserte Abfuhr von Wärme ermöglicht.
Das Sensorelement ist bevorzugt topfförmig ausgebildet. Im Boden des Topfes kann beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen angeordnet werden, wobei über zylindrische Seitenwände des Topfes Wärme effizient an das die Seitenwände umgebende Gehäuse abgeführt werden kann. Eine gute thermische Ankopplung des Sensorelements lässt sich dabei insbesondere durch Einpressen des Sensorelements in das Gehäuse erreichen.
Zum Einspannen des Gehäuses in einem Zylinderkopf wird bevorzugt ein Außengewinde verwendet, wie dies beispielsweise bei Zündkerzen üblich ist. Möglich ist es aber auch, den Zylinderdrucksensor ähnlich wie ein Einspitzventil zur Kraftstoffeinspritzung zu verspannen.
Der Kegeldichtsitz hat bevorzugt einen Dichtwinkel von 40° bis 155°, vorzugsweise 60° bis 120°. Unter dem Dichtwinkel ist dabei der Öffnungswinkel des Kegels zu verstehen, der durch die Mantelflächen des kegelstumpfförmigen Kegeldichtsitzes definiert ist.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensors;
2 eine Detailansicht zu 1; und
3 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels.
In 1 ist ein Zylinderdrucksensor 1 in einer teilweise geschnittenen Ansicht dargestellt. Der Zylinderdrucksensor 1 hat ein Rohrgehäuse 2, das ein Außengewinde 3 zum Einschrauben in einen Zylinderkopf aufweist und an einem vorderen Ende ein topfförmiges Sensorelement 4 trägt. Der Zylinderdrucksensor wird durch Einschrauben in einem Zylinderkopf verspannt. Das vordere Ende des Zylinderdrucksensors 1 mit dem Sensorelement 4 ist in 2 dargestellt, die eine vergrößerte Ansicht des Detailausschnitts B von 1 zeigt.
Das Sensorelement 4 ist auf das vordere Ende des Rohrgehäuses 2 aufgesetzt und bildet einen Kegeldichtsitz 5. Das Sensorelement 4 bedeckt also das vordere Ende des Rohrgehäuses 2 und bewirkt beim Einschrauben des Zylinderdrucksensors 1 in einen Motorblock über seinen Kegeldichtsitz 5 eine Abdichtung. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 4 durch Laserschweißen an dem Rohrgehäuse 2 befestigt. Das Sensorelement 4 könnte bei entsprechender Ausgestaltung, d. h. größerem Außendruckmesser des zylindrischen Abschnitts, aber auch in das Rohrgehäuse 2 eingepresst sein.
Das Sensorelement 4 wird von einem gut wärmeleitenden, vorzugsweise metallischen, Träger gebildet, auf dem ein nicht dargestellter Dehnungsmessstreifen angeordnet ist. Der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens hängt von dem Zylinderdruck ab, da der Zylinderdruck eine kleine Verformung des eine Membran bildenden Trägers und damit auch des Dehnungsmessstreifens bewirkt. Durch eine Messung des elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifens kann deshalb der Zylinderdruck ermittelt werden. In dem Rohrgehäuse 2 verlaufen entsprechende Anschlussleitungen zu dem Sensorelement 4, die jedoch ebenso wie eine Mess- und Auswerteelektronik nicht dargestellt sind.
3 zeigt eine Detailansicht gemäß 2 von einem weiteren Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensors 1. Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das Rohrgehäuse 2 den Kegeldichtsitz 5. Das Sensorelement 4 ist in das Rohrgehäuse 2 eingepresst und vollständig in dem Rohrgehäuse 2 angeordnet. Das Sensorelement 4 kann zusätzlich mit einer Laserschweißung gesichert werden. Vorteilhaft besteht wegen des Einpressens ein großflächiger Kontakt zwischen dem Sensorelement 4 und der Innenseite des Rohrgehäuses 2. Im Betrieb kann Wärme deshalb einerseits über das Rohrgehäuse 2 und andererseits über den Dichtsitz abgeführt werden. Vorteilhaft ist insbesondere auch, dass das Sensorelement 4 beim Einschrauben des Zylinderdrucksensors 1 praktisch nicht belastet wird.
Der Kegeldichtsitz hat bei den beiden Ausführungsbeispielen einen Dichtwinkel α von mehr als 60°, beispielsweise 60° bis 90°.
Bei beiden Ausführungsbeispielen kann das Sensorelement 4 eine thermisch isolierende Schutzschicht aufweisen. Zum Herstellen einer solchen Schutzschicht kann beispielsweise eine Schicht auf keramischer Basis durch Flammspritzen oder ähnliches aufgebracht werden. Bevorzugt ist eine solche Schutzschicht nur an einer Vorderseite des Sensorelements, die im Betrieb dem Brennraum zugewandt ist, angeordnet.
Bei beiden Ausführungsbeispielen ist das Rohrgehäuse 2 an seinem vorderen Ende von dem Sensorelement 4 verschlossen. Der zu messende Brennraumdruck lastet deshalb unmittelbar auf dem Sensorelement 4.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderdrucksensor
2: Rohrgehäuse
3: Außengewinde
4: Sensorelement
5: Kegeldichtsitz

Claims

Zylinderdrucksensor mit einem Gehäuse (2) zum Einspannen in einen Zylinderkopf, das an einem vorderen Ende ein Sensorelement (4) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderdrucksensor (1) an seinem vorderen Ende einen Kegeldichtsitz (5) aufweist.
Zylinderdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegeldichtsitz (5) von dem Sensorelement (4) gebildet ist.
Zylinderdrucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) das vordere Ende des Gehäuses (2) bedeckt.
Zylinderdrucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrgehäuse (2) den Kegeldichtsitz (5) bildet.
Zylinderdrucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) vollständig in dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
Zylinderdrucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) in das Gehäuse (2) eingepresst ist.
Zylinderdrucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) mit einer Schutzschicht bedeckt ist.
Zylinderdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht eine thermisch isolierende Schicht aufweist.
Zylinderdrucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegeldichtsitz einen Dichtwinkel (α) von 40° bis 155°, vorzugsweise 60° bis 120°, hat.
Zylinderdrucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) einen Dehnungsmessstreifen aufweist.