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Stand der Technik
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Bedingt durch verschärfte Gesetzgebung hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen von Brennkraftmaschinen, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, werden Verbesserungen der Steuerung des Verbrennungsprozesses im Brennraum der Brennkraftmaschine vorangetrieben. Für diese Steuerung sind zahlreiche Verbrennungsparameter erforderlich oder zumindest wünschenswert. Insbesondere besteht ein Bedarf an großserientauglichen Brennraumdrucksensoren, sowohl für Otto-Motoren als auch für Diesel-Motoren. Auch für neuartige Motorkonzepte, wie beispielsweise selbstzündende Otto-Motoren (HCCI-Motoren), sind Brennraumdrucksensoren wünschenswert.
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Aus dem Stand der Technik sind für Diesel-Motoren Brennraumdrucksensoren bekannt, bei welchen der Brennraumdrucksensor in eine Glühstiftkerze integriert ist. Für Otto-Motoren wird grundsätzlich die Integration in Motorbauelemente zwar ebenfalls diskutiert, beispielsweise in eine Zündkerze, wobei eine derartige Integration jedoch bei Otto-Motoren mit deutlichen Nachteilen, insbesondere bei der Sensorfunktion, verbunden ist. Aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung aus dem Hause der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2009 026436.1 ist eine Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine bekannt, die insbesondere in Otto-Motoren bzw. Benzin-Motoren einsetzbar ist. Bei der dort vorgeschlagenen Vorrichtung ist eine dem Brennraum zuweisende Öffnung eines Sensorgehäuses durch eine Membran verschlossen. Innerhalb des Sensorgehäuses ist ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement aufgenommen, und es ist ein Übertragungselement zur Übertragung einer Verformung der Membran auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement vorgesehen.
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Trotz der Verbesserungen durch die
DE 10 2009 026436.1 besteht nach wie vor ein Bedarf an einfach herstellbaren, flexiblen integrierten Brennraumdrucksensoren, insbesondere derartigen Brennraumdrucksensoren, welche – gegebenenfalls mit geringfügigen Modifikationen – sowohl für Diesel-Brennkraftmaschinen als auch für Otto-Brennkraftmaschinen einsetzbar sind. Insbesondere wäre eine erhöhte Einbaukompatibilität wünschenswert, welche die Herstellkosten deutlich senken würde.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden dementsprechend eine Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine sowie ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Herstellungsverfahren vermeiden. Mit der vorgeschlagen Vorrichtung und dem vorgeschlagenen Verfahren wird insbesondere eine deutlich erhöhte Einbaukompatibilität erzielt. Weiterhin wird durch die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht, abgesehen von Bauteilen, die die Glühfunktion für eine Diesel-Variante betreffen, sowohl für Otto-Motoren als auch für Diesel-Motoren gleichartige oder identische Bauteile zu verwenden. Auf diese Weise lassen sich Herstellungskosten und Lagerhaltungskosten sowie der Aufwand für die Bereitstellung unterschiedlicher Konstruktionen für selbstzündende Brennkraftmaschinen und nicht-selbstzündende Brennkraftmaschinen deutlich verringern.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung weist mindestens ein Gehäuse und mindestens ein im Gehäuse aufgenommenes mechanisch-elektrisches Wandlerelement auf. Unter einem mechanisch-elektrischen Wandlerelement 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. Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Zuleitung zu einem Druckaufnehmer, beispielsweise einer Glühkerze oder einem Glühstift, seitlich an dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement vorbeigeführt werden kann, kann das mechanisch-elektrische Wandlerelement insbesondere vollflächig ausgestaltet sein, beispielsweise als vollflächige Scheibe ohne zentrale Öffnung, beispielsweise als Kreisscheibe oder als Scheibe mit polygonalem Querschnitt.
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Unter einem Sensorgehäuse ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches einteilig oder auch mehrteilig ausgestaltet sein kann und welches die Vorrichtung vollständig oder teilweise umschließt bzw. nach außen abschließt. Das Sensorgehäuse kann insbesondere die äußere Form der Vorrichtung bestimmen und kann die Vorrichtung durch eine geeignete mechanische Stabilität insbesondere vor mechanischen Beschädigungen oder mechanischen und/oder chemischen und/oder elektrischen Einflüssen schützen. Das Sensorgehäuse kann weiterhin eine oder mehrere Befestigungselemente umfassen, um die Vorrichtung beispielsweise in einer Wand eines Brennraums der Brennkraftmaschine zu fixieren, beispielsweise ein oder mehrere Gewinde.
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Das Gehäuse weist mindestens ein Adapterelement auf, welches mindestens eine Aufnahme zum Aufnehmen eines dem Brennraum zuweisenden Druckaufnehmers aufweist. Unter einem Druckaufnehmer ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um eine Kraft, einen Druck oder eine Verformung, welche durch den Druck und/oder durch Druckänderungen im Inneren des Brennraums verursacht werden, aufzunehmen und an die Vorrichtung, insbesondere direkt oder indirekt an das mechanisch-elektrische Wandlerelement, weiterzuleiten. Ausgestaltungen des Druckaufnehmers werden unten noch näher beschrieben.
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Die Aufnahme ist eingerichtet, um eine durch den Brennraumdruck auf den Druckaufnehmer aufgeübte Kraft zumindest teilweise an das mechanisch-elektrische Wandlerelement zu übertragen. In anderen Worten soll das Adapterelement mit der mindestens einen Aufnahme nicht nur zur mechanischen Aufnahme und vorzugsweise (mit Ausnahme von durch den Brennraumdruck hervorgerufenen Bewegungen) Fixierung des Druckaufnehmers dienen, sondern auch selbst Bestandteil eines Kraftpfades sein, über welchen Drücke, Bewegungen, Längenänderungen oder Kräfte, welche durch den Druck im Brennraum bedingt sind, von dem Druckaufnehmer auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden.
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Die Aufnahme kann beispielsweise fest oder auch reversibel mit dem Druckaufnehmer, welcher nicht notwendigerweise Bestandteil der beschriebenen Vorrichtung ist, verbunden oder verbindbar sein. Diese Verbindung kann beispielsweise formschlüssig und/oder kraftschlüssig erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch prinzipiell auch eine stoffschlüssige Verbindung möglich. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Aufnahme mindestens eine ringförmige Aufnahme aufweist, in welcher der Druckaufnehmer vollständig oder teilweise einfügbar ist, so dass die Aufnahme den Druckaufnehmer oder einen Teil des Druckaufnehmers umschließt. Beispielsweise kann der Druckaufnehmer einen Vorsprung, beispielsweise einen zylindrischen Vorsprung, insbesondere einen kreiszylindrischen Vorsprung, aufweisen, welcher von der Aufnahme oder einem Teil der Aufnahme ganz oder teilweise umschlossen wird. Beispielsweise kann am Übergang zwischen dem Vorsprung und dem übrigen Bestandteil des Druckaufnehmers eine Schulter vorgesehen sein, um ein definiertes Einfügen des Druckaufnehmers in die Aufnahme zu bewirken. Grundsätzlich ist jedoch auch eine andere Art der Aufnahme möglich. Alternativ oder zusätzlich zu einer ringförmigen Aufnahme kann die Aufnahme auch ein oder mehrere auf andere Weise gestaltete Befestigungselemente zum Befestigen des Druckaufnehmers aufweisen.
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Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens einen in der Aufnahme aufnehmbaren und insbesondere dort fixierbaren Druckaufnehmer umfassen. Der Druckaufnehmer kann insbesondere ein Glühmodul umfassen, so dass die Vorrichtung insgesamt als Glühstiftkerze ausgestaltet werden kann. Unter einem Glühmodul ist dabei ein Modul zu verstehen, wie es in selbstzündenden Brennkraftmaschinen eingesetzt werden kann, beispielsweise in Diesel-Motoren, um eine Selbstzündung der Brennkraftmaschine zu bewirken oder zu fördern, beispielsweise in einer oder mehreren Glühphasen, beispielsweise Vorglühphasen. Das Glühmodul kann insbesondere eine oder mehrere Glühstromleitungen umfassen, mittels derer eine Aufheizung des Glühmoduls bewirkbar ist. Das Glühmodul kann insbesondere derart mit der Aufnahme verbunden sein, dass das Glühmodul vollständig oder teilweise aus der Aufnahme heraus in den Brennraum hineinragt.
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Alternativ oder zusätzlich zu einem Glühmodul kann die Vorrichtung als Druckaufnehmer auch mindestens eine Sensorspitze umfassen. Unter einer Sensorspitze ist dabei grundsätzlich ein Druckaufnehmer zu verstehen, welcher, vorzugsweise ohne sonstige Funktionen elektrischer Art aufzuweisen, zur Aufnahme von Drücken und/oder Kräften aus dem Brennraum zu deren Weiterleitung eingerichtet ist. Die Sensorspitze kann insbesondere als rein mechanisches Bauelement ausgestaltet sein. Insbesondere kann die Sensorspitze mindestens einen dem Brennraum zuweisenden Stopfen und/oder Deckel umfassen, welcher beispielsweise zylindrisch ausgestaltet sein kann. Insbesondere kann ein Blindstopfen vorgesehen sein, welcher in die Aufnahme und/oder auf die Aufnahme eingesetzt bzw. aufgesetzt werden kann. Der Stopfen kann insbesondere, wie auch das Glühmodul, einen Vorsprung umfassen, welcher in eine optional ringförmig ausgestaltete Aufnahme eingefügt werden kann. Verschiedene Ausgestaltungen sind möglich und werden unten noch näher beschrieben.
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Die Vorrichtung kann somit insbesondere modular aufgebaut sein und kann ein Sensormodul umfassen, mit dem Gehäuse und dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement, sowie als zweites Modul den Druckaufnehmer. Während das Sensormodul für die selbstzündende und nicht-selbstzündende Brennkraftmaschinen gleichartig ausgestaltet sein kann, was eine Lagerhaltung und Logistik sowie eine Herstellung deutlich vereinfacht und kostengünstiger gestaltet, muss bei der Herstellung lediglich eine geeigneter Druckaufnehmer für den entsprechenden Einsatzweck gewählt und eingesetzt werden.
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Das Adapterelement kann insbesondere mindestens einen ortsfest zu dem Gehäuse ausgestalteten Teil aufweisen, also einen Teil welcher seine Lage und/oder Ausrichtung zu dem übrigen Gehäuse im Wesentlichen nicht ändert. Beispielsweise kann dies ein ringförmiger Teil des Gehäuses sein, beispielsweise ein Teil eines Innengehäuses, welcher einen Innenraum der Vorrichtung und/oder eines Sensormoduls der Vorrichtung vollständig oder teilweise umschließt. Weiterhin kann das Adapterelement mindestens ein bewegliches Element umfassen, welches seinerseits die Aufnahme umfasst. Unter einem beweglichen Element ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, welches eine Lageänderung, eine Formänderung oder eine Ausrichtungsänderung hinsichtlich des übrigen Gehäuses, beispielsweise hinsichtlich eines Außengehäuses, durchführen kann, insbesondere bedingt durch eine Änderung eines Drucks im Brennraum. Während der ortsfest ausgestaltete Teil somit Bestandteil des übrigen Gehäuses ist, kann das bewegliche Element Bestandteil eines Kraftpfades sein, über welchen eine Bewegung, eine Kraft oder ein Druck von dem Brennraum auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement überfragen wird. Dieses bewegliche Element kann die Aufnahme bilden, Teil der Aufnahme sein oder die Aufnahme umfassen. Das bewegliche Element kann beispielsweise einen von einer Gehäusewand, beispielsweise einer Innengehäusewand, ins Innere des Gehäuses ragenden Aufnahmering umfassen. Dieser Aufnahmering kann beispielsweise membranartig aufgehängt sein oder auf sonstige Weise beweglich ausgestaltet sein. In diesem oder auch in anderen Ausgestaltungen kann die Aufnahme insbesondere derart ausgestaltet sein, dass ein Inneres des Gehäuses, beispielsweise eines Innengehäuses, in welchem das mechanisch-elektrische Wandlerelement aufgenommen ist, durch die Aufnahme nicht verschlossen wird, sondern dass eine Öffnung verbleibt. Eine derartig geöffnete Ausgestaltung erleichtert, wie unten noch näher ausgeführt wird, insbesondere die Durchführung einer oder mehrerer elektrischer Zuleitungen des Druckaufnehmer, falls dies erforderlich ist.
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Zwischen der Aufnahme und dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement kann insbesondere mindestens ein Übertragungselement zum Kraftübertrag von der Aufnahme auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement angeordnet sein. Ein derartiger Kraftübertrag kann grundsätzlich den Übertrag von Kräften, Drücken, Bewegungen oder ähnlichen, durch den Brennraumdruck hervorgerufenen mechanischen Zustandsänderungen umfassen. Das Übertragungselement kann insbesondere stabförmig oder auch ringförmig ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung als einteiliger oder mehrteiliger V-Zylinder, dessen Außenseite zylindrisch oder auch gestuft ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann das Übertragungselement auf der dem Brennraum abgewandten Seite auf der Aufnahme, beispielsweise auf dem beweglichen Element der Aufnahme, insbesondere dem Aufnahmering, abgestützt sein. Zu diesem Zweck kann das Übertragungselement beispielsweise seinerseits einen Vorsprung aufweisen, welcher in den Aufnahmering hineinragt. Wiederum kann alternativ oder zusätzlich, auch eine Nut oder eine Schulter vorgesehen sein, auf welcher der Aufnahmering und/oder die auf andere Weise ausgestaltete Aufnahme abgestützt sein kann.
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Das Übertragungselement kann insbesondere mindestens eine Durchführung zum Durchführen mindestens einer elektrischen Zuleitung des Druckaufnehmers aufweisen. Insbesondere kann es sich hierbei um mindestens eine Bohrung handeln, vorzugsweise um mindestens eine exzentrische Bohrung. Diese Bohrung kann parallel zu einer Achse der Vorrichtung angeordnet sein, kann jedoch auch grundsätzlich unter einem Winkel zu der Achse angeordnet sein, beispielsweise in einem Winkel zwischen 5 Grad und 70 Grad, insbesondere einem Winkel zwischen 30 Grad und 60 Grad. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Zuleitung, welche beispielsweise zentral aus dem Druckaufnehmer, beispielsweise der dem Glühmodul, auf der dem Brennraum abgewandten Seite desselben herausgeführt werden kann, seitlich an dem vorzugsweise auf der Achse der Vorrichtung angeordneten mechanisch-elektrischen Wandlerelement und/oder an Teilen des Übertragungselements vorbeigeführt werden kann. Wird die Durchführung nicht benötigt und ist die Aufnahme zum Brennraum hin geöffnet, so kann durch den Druckaufnehmer, insbesondere durch die Sensorspitze (vorzugsweise den Stopfen), die Durchführung gegenüber dem Brennraum abgeschlossen werden, so dass keine Brennraumgase unmittelbar durch die Durchführung zu dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement gelangen können. Die Durchführung kann sich durch das gesamte Übertragungselement hindurch erstrecken oder auch lediglich durch Teile desselben, beispielsweise lediglich durch einen optionalen Kompensationskörper der Übertragungselements, welcher im Folgenden noch näher beschrieben wird.
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Das Übertragungselement kann einteilig oder auch mehrteilig ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Übertragungselement einen oder mehrere Kompensationskörper zur zumindest teilweisen Kompensation thermomechanischer Spannungen umfasst. So bestehen in der Regel innerhalb der Vorrichtung, insbesondere innerhalb des Sensormoduls der Vorrichtung, unterschiedliche Übertragungspfade für Kräfte und/oder Längenausdehnungen. Abgesehen von dem oben beschriebenen Kraftpfad, über welchen unmittelbar Kräfte, Bewegungen oder Drücke von dem Druckaufnehmer auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden, sind auch Pfade durch das Gehäuse zu berücksichtigen. Da in den Übertragungspfaden unterschiedlichen Materialien aufgenommen sein können, welche unterschiedliche thermische Ausdehnungen aufweisen können, kann es bei den hohen Temperaturschwankungen, denen die Vorrichtung ausgesetzt sein kann, zu thermomechanischen Spannungen aufgrund dieser unterschiedlichen Ausdehnungen kommen. Diese thermomechanischen Spannungen können zu einer Verfälschung von Messergebnissen führen oder auch zu einer Beschädigung der Vorrichtung. Das Kompensationselement kann beispielsweise eingerichtet sein durch eine geeignete Wahl seiner Länge und/oder seines Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass zumindest innerhalb typischer Temperaturbereiche, denen die Vorrichtung ausgesetzt werden kann, die Wärmeausdehnungen der unterschiedlichen Übertragungspfade zumindest weitgehend identisch sind, beispielsweise im Rahmen einer tolerierbaren Abweichung von nicht mehr als 20%, insbesondere bei nicht mehr als 10% und vorzugsweise von nicht mehr als 5%. Beispielsweise können Temperaturschwankungen zwischen –40 Grad Celsius und 150 Grad Celsius vorliegen, wobei Spitzentemperaturen auch höher liegen können. Innerhalb der genannten Temperaturbereiche können die ein oder mehreren Kompensationselemente für eine Kompensation der oben beschriebenen Art sorgen. Beispielsweise kann dies durch geeignete Materialauswahl erfolgen, z. B. indem keramische Werkstoffe mit entsprechenden Eigenschaften verwendet werden.
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Das Gehäuse kann insbesondere mehrteilig ausgestaltet sein und mindestens ein Außengehäuse und mindestes ein von dem Außengehäuse zumindest teilweise umschlossenes Innengehäuse aufweisen. Das Adapterelement kann dementsprechend zumindest teilweise Bestandteil des Innengehäuses sein. Dieses Innengehäuse kann insbesondere eine Innengehäusewand umfassen, wobei das Adapterelement brennraumseitig in der Innengehäusewand angeordnet ist. Dies umfasst den Fall, dass das Adapterelement selbst ganz oder teilweise, beispielsweise mit seinem ortsfest zu dem Gehäuse ausgestalteten Teil, Bestandteil der Innengehäusewand ist. Beispielsweise kann brennraumseitig das Innengehäuse durch das Adapterelement, insbesondere dessen ortsfestem Teil, und vorzugsweise auch den Druckaufnehmer abgeschlossen sein, da, wie oben ausgeführt, vorzugsweise das Adapterelement hin zum Brennraum geöffnet ist und durch den Druckaufnehmer abgeschlossen werden kann. Die Innengehäusewand kann auf einer dem Brennraum abgewandten Seite durch mindestens eine Fixierung abgeschlossen sein. Das mechanisch-elektrische Wandlerelement kann auf dieser Fixierung abgestützt sein.
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Diese mehrteilige Ausgestaltung kann insbesondere das Konzept der oben beschriebenen mehreren Übertragungspfade realisieren. So kann der eigentliche Kraftpfad von dem Druckaufnehmer über das Adapterelement und optional das Übertragungselement zum mechanisch-elektrischen Wandlerelement führen. Ein zweiter Übertragungspfad, über welchen jedoch vorzugsweise keine oder eine erheblich geringere Übertragung von Kräften und/oder Längenausdehnungen erfolgt, kann über den Druckaufnehmer und das Innengehäuse sowie die Fixierung zum mechanisch-elektrischen Wandlerelement führen. Der oben beschriebene Kompensationskörper kann für eine Kompensation thermomechanischer Spannungen zwischen diesen Übertragungspfaden sorgen. Die Innengehäusewand kann insbesondere eine Zylinderform aufweisen, insbesondere in Form eines Hohlzylinders. Das bewegliche Element, beispielsweise der Aufnahmering, kann sich insbesondere von der Innengehäusewand aus ins Innere des Innengehäuses erstrecken und dort die Aufnahme oder einen Teil der Aufnahme bilden. Der Aufnahmering kann insbesondere in einer Schnittebene parallel zu einer Achse der Vorrichtung eine T-Form aufweisen, wobei die Basis des T den Aufnahmering mit der Innengehäusewand verbindet und wobei der Querstrich des T die eigentliche Aufnahme bildet.
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Neben der oben beschriebenen Vorrichtung in einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausgestaltungen wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks in einem Brennraum einer Brennraummaschine vorgeschlagen. Insbesondere kann es sich bei der Vorrichtung um eine Vorrichtung gemäß einer oder mehrerer der oben beschriebenen Ausgestaltungen handeln. Dementsprechend kann für optionale Ausgestaltungen der Vorrichtung auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Auch eine andere Ausgestaltung der Vorrichtung ist jedoch grundsätzlich möglich. Das Verfahren umfasst die nachfolgend beschriebenen Schritte, welche beispielsweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden können. Auch eine andere Reihenfolge der Schritte ist jedoch grundsätzlich möglich. Weiterhin können einzelne oder mehrere Verfahrensschritte auch zeitgleich, zeitlich überlappend oder auch wiederholt durchgeführt werden.
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Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Gehäuses, in welchem mindestens ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement aufgenommen wird. Das Gehäuse weist mindestens ein Adapterelement auf, wobei das Adapterelement mindestens eine Aufnahme zum Aufnehmen eines dem Brennraum zuweisenden Druckaufnehmers aufweist. Die Aufnahme ist eingerichtet, um eine durch den Brennraumdruck auf den Druckaufnehmer ausgeübte Kraft zumindest teilweise an das mechanisch-elektrische Wandlerelement zu übertragen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Bereitstellen mindestens eines Druckaufnehmers und ein Verbinden des Druckaufnehmers mit der Aufnahme, derart, dass der Druckaufnehmer den Brennraum zuweist. Das Verfahren wird mit der Maßgabe durchgeführt, dass, wenn die Brennkraftmaschine eine selbstzündende Kraftmaschine ist, der Druckaufnehmer ein Glühmodul umfasst. Ansonsten wird das Verfahren derart durchgeführt, dass der Druckaufnehmer eine Sensorspitze umfasst. Während das Glühmodul in den Brennraum hineinragen kann, kann die Sensorspitze derart ausgestaltet sein, dass diese noch im Inneren des Gehäuses angeordnet ist. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
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Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Insbesondere lässt sich, wie oben ausgeführt, eine maximale Einbaukompatibilität realisieren. Weiterhin lassen sich Bauteile des Sensormoduls, also die Bauteile der Vorrichtung, die nicht den Druckaufnehmer betreffen, für alle Varianten verwenden, also für selbstzündende Brennkraftmaschinen als auch für nicht-selbstzündende Brennkraftmaschinen. Lediglich der Druckaufnehmer muss an die Art der Brennkraftmaschine angepasst werden. Das Herzstück des Sensors, welches den eigentlichen Kraftpfad umfasst, kann somit identisch für beispielsweise Diesel- und Otto-Brennraumdrucksensoren eingesetzt werden, wodurch sich Herstellkosten minimieren lassen. Bis auf die Aufnahme, insbesondere die Membran, und bis auf ggf. ein oder mehrere, insbesondere wenige weitere Bestandteile, lassen sich somit für beide Varianten lediglich Gleichteile verwenden, wodurch die Herstellungskosten erheblich gesenkt werden können.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine für den Einsatz in selbstzündenden Brennkraftmaschinen, insbesondere Diesel-Motoren; und
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2 ein zu 1 alternatives Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, für den Einsatz in nicht-selbstzündenden Brennkraftmaschinen, insbesondere in Otto-Motoren.
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Ausführungsbeispiele
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In den 1 und 2 sind verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 110 zur Erfassung eines Brennraumdrucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine gezeigt. Der Brennraum ist dabei in den 1 und 2 symbolisch mit der Bezugsziffer 112 bezeichnet und befindet sich in den 1 und 2 links der Vorrichtung 110. Dabei zeigt die 1 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 110 für den Einsatz in selbstzündenden Brennkraftmaschinen, insbesondere Diesel-Motoren, wohingegen 2 ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 110 für den Einsatz in nicht-selbstzündenden Brennkraftmaschinen zeigt. Im Folgenden wird im Wesentlichen gleichzeitig Bezug genommen auf diese Ausführungsbeispiele, da, was einen Vorteil der vorliegenden Erfindung darstellt, viele Bestandteile der Vorrichtung 110 in beiden Ausführungsbeispielen und in beiden Anwendungszwecken gleichermaßen verwendet werden können.
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Die Vorrichtung 110 umfasst im Wesentlichen zwei Baugruppen, nämlich eine Sensoreinheit 114 und einen die Sensoreinheit 114 brennraumseitig abschließenden Druckaufnehmer 116. Während bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 für selbstzündende Brennkraftmaschinen der Druckaufnehmer 116 ein Glühmodul 118 umfasst, umfasst der Druckaufnehmer 116 bei dem Ausführungsbeispiel für nicht-selbstzündende Brennkraftmaschinen eine Sensorspitze 120 in Form eines Stopfens 122. Der Stopfen 122 kann insbesondere in Form eines Blindstopfens und/oder Deckels ausgestaltet sein. Die Sensoreinheit 114 umfasst ein Gehäuse 124, welches in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch mehrteilig ausgebildet ist. Das Gehäuse 124 umfasst dementsprechend ein Außengehäuse 126 sowie ein von diesem umschlossenes Innengehäuse 128. Das Innengehäuse 128 umschließt mit einer in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen zylindrisch ausgestalteten Innengehäusewand 130 einen Innenraum 132 des Gehäuses 124, in welchem ein Sensormodul 134 mit einem mechanisch-elektrischen Wandlerelement 136, beispielsweise einem Piezoelement, aufgenommen ist. Dieses ist auf einer Fixierung 140 auf der dem Brennraum 112 abgewandten Seite des Gehäuses 124 abgestützt und ist durch Sensorkontakte 138 elektrisch kontaktierbar, welche beispielsweise durch die Fixierung 140 hindurchgeführt werden.
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Auf der dem Brennraum 112 zuweisenden Seite umfasst das Innengehäuse 128 ein Adapterelement 142. Dieses ist mehrteilig ausgestaltet und kann beispielsweise ganz oder teilweise als Membran ausgestaltet sein. Das Adapterelement 142 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein im Wesentlichen ortsfest zu dem Gehäuse 124 angeordnetes Teil 144, welches in diesem Ausführungsbeispiel Bestandteil der Innengehäusewand 130 ist, und ein von der Innengehäusewand 130 nach innen erstreckendes bewegliches Element 146. Das bewegliche Element 146 ist in diesem Ausführungsbeispiel als nach innen geöffneter Ring ausgestaltet, welcher eine Aufnahme 148 bildet. Durch diese Aufnahme 148 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Innenraum 132 hin zum Brennraum geöffnet, wird jedoch durch den Druckaufnehmer 116 verschlossen. Auch eine andere Ausgestaltung ist jedoch grundsätzlich möglich. Der Druckaufnehmer 116 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein Verbindungselement in Form eines Vorsprungs 150 auf, welcher in einer Schulter 152 mündet und welcher in die ringförmige Aufnahme 148 eingeschoben werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Fixierung des Druckaufnehmers 116 in der Aufnahme 148 erfolgen, beispielsweise eine kraftschlüssige, eine formschlüssige oder auch eine stoffschlüssige Fixierung. Auch eine Kombination verschiedener Fixierungsarten ist möglich.
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Von dem Druckaufnehmer 116 werden Brennraumdrücke und/oder Kräfte auf das Adapterelement 142 und dort insbesondere auf die Aufnahme 148 bzw. das bewegliche Element 146 übertragen. Mit der Aufnahme 148 in Wirkverbindung steht wiederum auf der dem Innenraum 132 zuweisenden Seite der Aufnahme 148 ein Übertragungselement 154. Dieses kann beispielsweise mehrteilig ausgestaltet sein und kann insbesondere, wie in 1 und 2 gezeigt, einen oder mehrere Kompensationskörper 156 zur Kompensation thermomechanischer Spannungen umfassen. Beispielsweise kann das Übertragungselement 154 auf seiner der Aufnahme 148 zugewandten Seite ebenfalls einen Vorsprung 158 umfassen, welcher in die Aufnahme 148 eingeschoben werden kann, ebenfalls wiederum exemplarisch mit einer Schulter 160, auf welcher sich die ringförmige Aufnahme 148 abstützt.
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Zur Übertragung von Kräften und/oder Brennraumdrücken auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement 136 dient somit ein Kraftpfad, welcher sich von dem Druckaufnehmer 116 über die Aufnahme 148 und insbesondere deren bewegliches Element 146 und das Übertragungselement 154 hin zum mechanisch-elektrischen Wandlerelement 136 erstreckt. Ein zweiter Übertragungspfad erstreckt sich über den Druckaufnehmer 116, den ortsfesten Teil 144 und die Fixierung 140. Zur Kompensation unterschiedlicher Ausdehnungen dieser Übertragungspfade dient der Kompensationskörper 156.
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Während bei der Otto-Motor-Variante gemäß 2 die Aufnahme 148 brennraumseitig lediglich durch die Sensorspitze 120 in Form des Stopfens 122 verschlossen ist, umfasst der Druckaufnehmer 116 bei der Diesel-Motor-Variante gemäß 1 das Glühmodul 118. Dieses ist grundsätzlich einbaukompatibel bezüglich der Aufnahme 148 zu der Sensorspitze 120. Das Glühmodul 118 umfasst den eigentlichen Glühstift 162, welcher gehäuseseitig von einem Stützrohr 164 umschlossen ist, das fest mit dem Glühstift 162 verbunden ist, beispielsweise kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig. Das Stützrohr 164 bildet den Vorsprung 150, welcher in die Aufnahme 148 eingefügt ist. Das Glühmodul 118 wird mittels einer oder mehrerer elektrischer Zuleitungen 166 elektrisch kontaktiert, die auch als Glühstromleitung bezeichnet werden. Die Glühstromleitung kann durch eine oder mehrere Durchführungen 168, beispielsweise eine oder mehrere Bohrungen, in dem Übertragungselement 154, beispielsweise dem Kompensationskörper 156, geführt sein, vorzugsweise exzentrisch. Diese Durchführung kann entweder axial erfolgen, wie dargestellt, oder schräg. Die exzentrische Durchführung bewirkt, dass die elektrische Zuleitung 166 auch exzentrisch durch den Innenraum 132 und somit seitlich neben dem Sensormodul 134 austritt. Die elektrische Zuleitung 166 stellt vorzugsweise neben dem Sensormodul 134 keine Störkontur dar. Insbesondere ist es wegen dieser elektrischer Zuleitung 166 nicht erforderlich, benachbarten Bauteile kleiner zu gestalten oder eine sonstige Neukonstruktion der im Innenraum 132 aufgenommenen Bauelemente vorzunehmen.
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Auf der dem Brennraum 112 abgewandten Seite des Sensormoduls 134 kann die elektrische Zuleitung 166 durch eine weitere Durchführung 170, wiederum eine exzentrische Bohrung, durch die Fixierung 140 hindurchgeführt sein, beispielsweise wiederum axial (wie in 1 dargestellt) oder schräg zur Achse. Die Durchführungen 168, 170 für die elektrische Zuleitung 166 können auch in der Sensoreinheit 114 vorhanden sein, wenn diese, wie in 2 dargestellt, für nicht-selbstzündende Brennkraftmaschinen wie Otto-Motoren dargestellt werden. In diesem Fall sind die Durchführungen 168, 170 zwar ohne Funktion, können jedoch unverändert verwendet werden, da diese aufgrund der Abdichtung des Innenraums 132 durch den Druckaufnehmer 116 nicht hinderlich sind.
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Auf der dem Brennraum 112 abgewandten Seite der Fixierung 140 erfolgt eine elektrische Kontaktierung des Sensormoduls 134 mittels der Sensorkontakte 138 und optional (bei der Variante gemäß 1) der elektrischen Zuleitung 166 wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Brennraumdruck-Erfassung. Alternativ ist es auch möglich, die elektrische Zuleitung 166 seitlich aus dem hinteren Bereich des Stützrohrs 164 des Glühmoduls 118 herauszuführen, beispielsweise kurz vor dem Kompensationskörper 156. Diese Variante ist nicht dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009026436 [0002, 0003]
