-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Drucksensoren bekannt, welche zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Verbrennungskraftmaschine, sowohl in Otto-Motoren als auch in Diesel-Motoren, einsetzbar sind. Derartige Vorrichtungen bilden einen wesentlichen Bestandteil moderner Motorregelungen, da der Brennraumdruck insbesondere zum Zweck einer Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionen sehr genau erfasst werden muss.
-
Beispielsweise sind aus der deutschen Patentanmeldung mit der Nr.
DE 10 2009 026 436.1 aus dem Hause der Anmelderin der vorliegenden Erfindung verschiedene Vorrichtungen zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine bekannt. Bei diesem Brennraumdrucksensor weist ein Sensorgehäuse brennraumseitig mindestens eine durch mindestens eine Membran verschlossene Öffnung auf. Innerhalb des Sensorgehäuses ist mindestens ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement aufgenommen, wobei mindestens ein von dem Sensorgehäuse getrennt ausgebildetes Übertragungselement zur Übertragung einer Verformung der Membran auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement vorgesehen ist.
-
Zur Abdichtung des Sensorgehäuses in Brennraumdrucksensoren gegenüber der Brennraumumgebung werden also, wie beispielsweise in
DE 10 2009 026 436.1 , üblicherweise flexible Membranen, beispielsweise Metallmembranen, eingesetzt. Diese sind aufgrund ihrer zwar geringen, aber doch vorhandenen Steifigkeit jedoch in der Regel Teil des so genannten Kraftpfades oder Kraftübertragungspfades, über welchen oder, falls mehrere vorhanden sind, über welche die durch den Brennraumdruck entstehenden Kräfte auf das eigentliche Sensorelement, beispielsweise das mechanisch-elektrische Wandlerelement, übertragen werden. Wenn nun während eines Verbrennungsvorgangs eine Flammfront eine Membranoberfläche zumindest teilweise erreicht, ergibt sich jedoch in der Membran eine Übertemperatur mit einem Gradienten zwischen der dem Brennraum zuweisenden Vorderseite und der entgegengesetzt angeordneten Rückseite. Somit stellt sich synchron zur Flammfront ein Temperaturprofil ein. Dieses Temperaturprofil hat jedoch in der Regel eine Verformung der Membran zur Folge, die als Reaktionskraft den Kraftpfad beeinflusst und sich somit als Fehlersignal dem gewünschten Drucksignal überlagert. Dieses mit der Zeitkonstanten eines Verbrennungszyklus auftretende Fehlersignal wird auch als Thermoschock oder Kurzzeitdrift bezeichnet. Zur Vermeidung oder Verringerung dieses Effekts können indirekte Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann eine Flammfront abgeschirmt werden. Derartige indirekte Maßnahmen bergen jedoch allgemein die Gefahr einer Rückwirkung dieser Maßnahmen auf einen Druckverlauf an der Membran, was ebenfalls zu Signalfehlern führen kann.
-
Wünschenswert wäre daher ein Brennraumdrucksensor, welcher die oben beschriebenen Effekte zumindest weitgehend vermeidet. Insbesondere sollte die Vermeidung dieser Effekte auf direkten Maßnahmen beruhen, welche den eigentlichen, zu messenden Druckverlauf möglichst wenig beeinflussen und welche vorzugsweise den beschriebenen Thermoschockeffekt durch eine geometrische Gestaltung der Membran zumindest weitgehend reduzieren.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Es wird dementsprechend ein Brennraumdrucksensor zur Erfassung eines Drucks in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, welcher diese Aufgabe zumindest weitgehend erfüllt. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch eine angepasste Formgebung einer Membran und vorzugsweise durch eine geeignete Positionierung von einer oder mehreren Fixierungen der Membran eine Kraftwirkung eines Temperaturgradienten in der Membran eine minimierte axiale, also signalbeeinflussende Komponente aufweisen kann. Unter Umständen nicht zu vermeidende radiale Komponenten der Kraftrückwirkung des Temperaturgradienten sind in der Regel unkritisch, da diese zumeist nicht in Kraftpfadrichtung wirken.
-
Der vorgeschlagene Brennraumdrucksensor weist ein Gehäuse mit einem von dem Gehäuse zumindest teilweise umschlossenen Innenraum auf. Beispielsweise kann dieses Gehäuse eingerichtet sein, um in einen Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine eingebracht zu werden. Beispielsweise kann dieses Gehäuse vollständig oder teilweise aus einem metallischen Material hergestellt sein, wobei jedoch grundsätzlich auch andere Materialien alternativ oder zusätzlich einsetzbar sind, wie beispielsweise keramische Materialien und/oder Kunststoffmaterialien. Unter einem Gehäuse ist dabei allgemein ein Element zu verstehen, welches dem Brennraumdrucksensor zumindest weitgehend seine äußere Form verleiht und welches das Innere des Brennraumdrucksensors vor mechanischen Belastungen und vorzugsweise auch vor chemischen Belastungen schützt. Das Gehäuse kann beispielsweise eine zylindrische Gestalt aufweisen, wobei vorzugsweise an einer dem Brennraum zuweisenden Stirnfläche des Gehäuses abgeschrägte Kanten und/oder eine oder mehrere andere Arten von Dichtflächen vorgesehen sind, welche beim Einbringen des Gehäuses in den Zylinderkopf eine Abdichtwirkung erreichen. Der Innenraum, wobei auch mehrere Innenräume vorgesehen sein können, wird zumindest teilweise von dem Gehäuse umschlossen, so dass der Innenraum zumindest weitgehend durch das Gehäuse definiert wird. In dem Gehäuse und vorzugsweise in dem Innenraum ist mindestens ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement zur Erfassung des Drucks aufgenommen. Hierbei kann es sich grundsätzlich um ein beliebiges Element handeln, welches eingerichtet ist, um mechanische Signale in elektrische Signale umzuwandeln, beispielsweise einen Druck und/oder eine Kraft in eine Spannung und/oder einen Strom. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen derartiger mechanisch-elektrischer Wandlerelemente wird im Folgenden davon ausgegangen, dass das mechanisch-elektrische Wandlerelement mindestens ein piezoelektrisches Element umfasst, beispielsweise mindestens eine Piezokeramik.
-
Das Gehäuse weist mindestens eine Gehäuseöffnung auf. Diese Gehäuseöffnung kann insbesondere dem Brennraum zuweisen, beispielsweise an einer Stirnfläche des Gehäuses, welche dem Brennraum zuweist. Beispielsweise kann, wie oben beschrieben, das Gehäuse eine im Wesentlichen zylindrische Gestalt aufweisen, wobei an den Kanten Abweichungen von der Zylinderform vorgesehen sein können, wobei die Gehäuseöffnung beispielsweise in einer dem Brennraum zuweisenden Stirnfläche des Zylinders angeordnet sein kann. Die Gehäuseöffnung kann grundsätzlich dazu eingerichtet sein, um den Brennraumdruck auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement zu übertragen oder um eine derartige Übertragung des Drucks zu ermöglichen. Die Gehäuseöffnung kann eine grundsätzlich beliebige Gestalt aufweisen, beispielsweise eine polygonale Gestalt oder eine runde Gestalt, vorzugsweise eine kreisförmige Gestalt.
-
Die Gehäuseöffnung wird durch mindestens eine Membran abgedichtet. Diese Abdichtung erfolgt vorzugsweise vollständig, so dass keine Brennraumgase durch die Gehäuseöffnung in den Innenraum eindringen können. Zu diesem Zweck kann die Membran alleine vorgesehen sein oder kann, wie unten noch näher beschrieben wird, beispielsweise auch mit einem oder mehreren anderen Elementen zusammenwirken, beispielsweise einem Druckübertragungselement, welches vorzugsweise in die Gehäuseöffnung eingebracht ist oder diese Gehäuseöffnung durchdringt. Beispielsweise können die Membran und das Druckübertragungselement gemeinsam die Gehäuseöffnung abdichten, so dass keine Brennraumgase in den Innenraum eindringen können.
-
Unter einer Membran ist allgemein ein verformbares oder bewegliches Element zu verstehen, welches sich beispielsweise senkrecht zu einer Achse des Sensorgehäuses erstreckt, wobei die laterale Ausdehnung der Membran, beispielsweise eine Ausdehnung senkrecht zur Achse des Sensorgehäuses, eine Dicke der Membran, beispielsweise eine Dicke parallel zu der Achse, erheblich überschreitet, beispielsweise um mindestens einen Faktor 10, insbesondere um mindestens einen Faktor 100. Beispielsweise kann die Membran ein flexibles Element sein, beispielsweise ein folienartiges Element oder ein Element in Form einer dünnen, flexiblen Scheibe. Die Membran kann beispielsweise als metallische Membran ausgestaltet sein und kann beispielsweise mindestens eine Metallfolie umfassen. Auch ein Verbund mehrerer Folien ist möglich, beispielsweise ein Verbund mehrerer metallischer Materialien und/oder ein Verbund mindestens eines metallischen Folienmaterials mit mindestens einem nicht-metallischen Folienmaterial, mit welchem beispielsweise das metallische Folienmaterial verbunden und/oder beschichtet ist. Die Membran kann beispielsweise einstückig mit dem Gehäuse ausgebildet sein, kann jedoch grundsätzlich auch mit dem Gehäuse im Bereich der mindestens einen Gehäuseöffnung verbunden sein, beispielsweise kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig, beispielsweise an einer oder mehreren unten noch näher beschriebenen Fixierungen.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, dass die angepasste Formgebung der Membran, welche die axiale Komponente der Kraftrückwirkung durch den Temperaturgradienten verringert oder zumindest weitgehend vermeidet, sich insbesondere dadurch erreichen lässt, dass die Membran mindestens eine konvexe Wölbung zu dem Innenraum hin aufweist. Unter einer konvexen Wölbung ist dabei eine Formgebung zu verstehen, bei welcher die Membran in einer Schnittebene senkrecht zur lateralen Ausdehnung der Membran, beispielsweise in einer Schnittebene parallel zu einer Achse des Brennraumdrucksensors, einen konvexen Verlauf aufweist, wobei die konvexe Seite, also die geschlossene Seite des konvexen Verlaufs, dem Innenraum zuweist. Beispielsweise kann die Membran in dieser Schnittebene mindestens ein lokales oder vorzugsweise globales Extremum aufweisen, dessen geschlossene Seite dem Innenraum zuweist und dessen offene Seite dem Brennraum zuweist. Die Membran kann somit dem Innenraum zuweisend gekrümmt sein und sich vorzugsweise in den Innenraum hineinwölben.
-
Der Brennraumdrucksensor kann mindestens ein Druckübertragungselement aufweisen. Dieses Druckübertragungselement soll eingerichtet sein, um den Brennraumdruck zumindest teilweise auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement zu übertragen. Das Druckübertragungselement kann vorzugsweise somit Bestandteil eines Kraftübertragungspfades sein, wobei der Brennraumdrucksensor einen oder mehrere derartiger Kraftübertragungspfade aufweisen kann, vorzugsweise genau einen. Das Druckübertragungselement kann vorzugsweise mindestens ein mechanisch-starres Material umfassen, über welches der Brennraumdruck auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden kann, beispielsweise ein zylinderförmiges und/oder kreiszylinderförmiges und/oder stangenförmiges Element. Insbesondere kann das Druckübertragungselement mindestens einen Stößel umfassen. Das Druckübertragungselement kann zumindest teilweise in dem Innenraum angeordnet sein oder auch vollständig in dem Innenraum aufgenommen sein. Das Druckübertragungselement kann sich beispielsweise ausschließlich innerhalb des Innenraums erstrecken, beispielsweise von dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement zu der Membran. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wie unten noch näher ausgeführt wird, wenn das Druckübertragungselement sich durch die Membran hindurch erstreckt, beispielsweise zu dem Brennraum hin, so dass das Druckübertragungselement auch in die Öffnung hineinragen oder über die Öffnung hinausragen kann. Das Druckübertragungselement kann somit direkt oder indirekt mit dem Brennraumdruck beaufschlagbar sein, vorzugsweise direkt. Somit kann beispielsweise der Kraftübertragungspfad derart ausgestaltet sein, dass ein Brennraumdruck direkt auf eine Stirnfläche des Druckübertragungselements, beispielsweise des Stößels, einwirkt, beispielsweise indem diese Stirnfläche direkt mit den Brennraumgasen in Kontakt steht. Dieser Brennraumdruck wird vorzugsweise durch das Druckübertragungselement, durch die Membran hindurch, auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement, beispielsweise eine Stirnfläche eines Piezoelements, übertragen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise eine Zwischenschaltung eines oder mehrerer Zwischenelemente zwischen dem Druckübertragungselement und dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement.
-
Weist der Brennraumdrucksensor mindestens ein, vorzugsweise genau ein, Druckübertragungselement auf, beispielsweise einen Stößel, vorzugsweise einen Stößel, welcher die Membran durchdringt, beispielsweise axial durchdringt, so kann die Membran insbesondere mindestens eine Fixierung an dem Gehäuse und mindestens eine Fixierung an dem Druckübertragungselement aufweisen. Diese Fixierung kann grundsätzlich eine oder mehrere Verbindungen umfassen, beispielsweise eine oder mehrere kraftschlüssige und/oder formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungen, beispielsweise Schweißverbindungen und/oder Klemmverbindungen. Die mindestens eine Fixierung kann in einem Punkt bestehen, in einer Linie oder auch in einem Bereich. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen werden daher im Folgenden auch die Bezeichnungen Fixierungspunkte, Fixierungslinien oder Fixierungsbereiche verwendet. Beispielsweise kann die Fixierung der Membran an dem Gehäuse ringförmig ausgestaltet sein, beispielsweise entlang einer kreisringförmigen Linie. Die Fixierung an dem Druckübertragungselement kann beispielsweise flächig ausgestaltet sein oder linienförmig.
-
So ist es, wie oben beschrieben, besonders bevorzugt, wenn das Druckübertragungselement die Membran durchdringt, beispielsweise zentral, beispielsweise als die Membran zentral durchdringender Stößel. In diesem Fall ist es besonders bevorzugt, wenn die Fixierung an dem Druckübertragungselement mindestens eine umfangsseitige Fixierungslinie umfasst. Beispielsweise kann das Druckübertragungselement die Form eines zylindrischen Stößels aufweisen, beispielsweise eines Stößels mit einem kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt. In diesem Fall kann die Fixierung beispielsweise das Druckübertragungselement in einer geschlossenen Linie umfangsseitig umschließen. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Allgemein kann sich vorzugsweise das Druckübertragungselement auf einer Achse des Brennraumdrucksensors erstrecken, beispielsweise in Form eines axialen Stößels, welcher zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und welcher die Membran durchdringt. Die Membran kann das Druckübertragungselement dann insbesondere ringförmig umschließen.
-
Umschließt die Membran das Druckübertragungselement ringförmig, so kann, in einer Ansicht parallel zu der Achse, der Membranring eine grundsätzlich beliebige Gestalt aufweisen, vorzugsweise eine kreisringförmige Gestalt. Auch Abweichungen von der Kreisringform sind jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise mit einer äußeren Form, die eine polygonale Form aufweist, und einer inneren Form, die ebenfalls eine polygonale Gestalt aufweist. Auch eine Kombination polygonaler und kreisringförmiger Ausgestaltungen sind möglich sowie weitere Ausgestaltungen des Kreisrings.
-
Die Membran umschließt vorzugsweise das Druckübertragungselement ringförmig. Die Membran kann insbesondere in einer Schnittebene parallel zu der Achse und vorzugsweise einer Schnittebene, welche die Achse einschließt, auf jeder Seite der Achse eine U-förmige Gestalt aufweisen. Unter einer U-förmigen Gestalt ist dabei eine Gestalt zu verstehen, bei welcher, ausgehend von der Achse, zunächst ein Verlauf in eine Richtung erfolgt, welche zumindest eine Richtungskomponente parallel zu der Achse aufweist, gefolgt von mindestens einem Extremum, an welches sich wiederum ein Verlauf in eine entgegengesetzte Richtung mit mindestens einer Richtungskomponente parallel zu der Achse entgegengesetzt zu dem ersten Verlauf anschließt. Die U-Form kann dabei vorzugsweise stetig ausgestaltet sein und kann eine abgerundete Form oder auch eine gewinkelte Form sein. Dementsprechend kann unter einer U-Form eine Form eines U, eines V, oder auch eine Rechteckform subsumiert werden oder andere Formen, die die oben beschriebenen Verläufe aufweisen. Eine geschlossene Seite der U-förmigen Gestalt soll dabei, um die oben beschriebene Wölbung zu gewährleisten, dem Innenraum zuweisen.
-
Erstreckt sich das Druckübertragungselement auf eine Achse des Brennraumdrucksensors und umschließt die Membran das Druckübertragungselement ringförmig, so kann die Membran insbesondere eine äußere Fixierung an dem Gehäuse aufweisen, beispielsweise eine äußere Fixierung mit einer Kreisringform oder einer polygonalen Form. Weiterhin kann die Membran eine innere Fixierung an dem Druckübertragungselement aufweisen, beispielsweise, wie oben ausgeführt, wiederum eine kreisringförmige oder polygonale Fixierung, entsprechend beispielsweise der äußeren Ausgestaltung des Druckübertragungselements. Die innere Fixierung kann vorzugsweise um einen Betrag dy > 0 gegenüber der äußeren Fixierung zum Innenraum hin versetzt angeordnet sein, beispielsweise um einen Betrag dy > 0,1 mm, vorzugsweise einen Betrag dy > 0,3 mm und beispielsweise einen Betrag dy = 0,4 mm bis 1,5 mm, beispielsweise einen Betrag dy = 0,6 mm bis 0,8 mm und vorzugsweise einen Betrag dy = 0,7 mm. Die beschriebene Wölbung der Membran zu dem Innenraum hin kann sich insbesondere, ausgehend von der äußeren Fixierung, über die innere Fixierung hinaus zu dem Innenraum erstrecken. In anderen Worten können die innere Fixierung und die äußere Fixierung versetzt zueinander entlang der Achse angeordnet sein, wobei die innere Fixierung gegenüber der äußeren Fixierung zu dem Innenraum hin versetzt angeordnet sein kann, wobei sich, zwischen der äußeren Fixierung und der inneren Fixierung, die Wölbung über die innere Fixierung hinaus zu dem Innenraum erstrecken kann. Dies kann beispielsweise durch die oben beschriebene U-Form erfolgen. Beispielsweise kann sich die Wölbung, ausgehend von der äußeren Fixierung, maximal um einen Betrag Y zum Innenraum hin erstrecken, wobei das Verhältnis dy/Y 0,05 bis 0,8 beträgt, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 und besonders bevorzugt 0,3 bis 0,4 und insbesondere 0,35. Dies kann beispielsweise bei einer U-Form mit grundsätzlich beliebigem Querschnitt des U dadurch realisiert werden, dass das Verhältnis zwischen dem Unterschied der Armlängen des U zur Länge des längeren Arms des U, welcher einer Außenseite des Gehäuses zuweist, die genannten Werte beträgt.
-
Die äußere Fixierung kann insbesondere einen Durchmesser aufweisen, wobei bei einer nicht-kreisförmigen Ausgestaltung der äußeren Fixierung anstelle des Durchmessers ein Äquivalentdurchmesser anzusetzen wäre. Dieser Durchmesser kann beispielsweise 4 mm bis 8 mm betragen, vorzugsweise 5 mm bis 7 mm und insbesondere 6,3 mm. Die innere Fixierung kann beispielsweise einen Durchmesser von 2 mm bis 4 mm aufweisen, vorzugsweise von 2,5 mm bis 3,5 mm und insbesondere 3 mm.
-
Wie oben beschrieben, kann sich das Druckübertragungselement insbesondere aus dem Innenraum heraus in die Öffnung hinein erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich das Druckübertragungselement durch die Öffnung hindurch aus dem Innenraum heraus. Beispielsweise kann das Druckübertragungselement eine Stirnfläche aufweisen, welche direkt mit Gasen des Brennraums beaufschlagbar ist, so dass beispielsweise ein Druck der Brennraumgase unmittelbar auf das Druckübertragungselement übertragen wird. Von dem Druckübertragungselement kann dann in dem Innenraum eine direkte oder indirekte Druckübertragung oder, was im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht unterschieden werden soll, eine Kraftübertragung auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement erfolgen.
-
Der vorgeschlagene Brennraumdrucksensor gemäß einer oder mehreren der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen weist gegenüber bekannten Brennraumdrucksensoren eine Vielzahl von Vorteilen auf. So wird insbesondere eine direkte Maßnahme bereitgestellt, mittels derer die Auswirkung der oben beschriebenen Thermoschockeffekte auf die Signale des Brennraumdrucksensors zumindest weitgehend vermieden werden kann. Es handelt sich um eine direkte Maßnahme, ohne dass hierdurch ein Druckverlauf an der Membran und/oder dem Druckübertragungselement beeinflusst würde. Insbesondere durch die oben beschriebene Ausgestaltung der Membran lassen sich axiale Kraftkomponenten, welche die Signale des Brennraumdrucksensors beeinflussen könnten, zumindest näherungsweise minimieren. Radiale Kraftkomponenten können hingegen, insbesondere durch die bevorzugte U-Form, vernachlässigbar oder zumindest tolerierbar sein. Insgesamt lässt sich somit die Signalqualität des Brennraumdrucksensors verbessern und eine Beeinflussung der Signale durch Thermoschockeffekte deutlich verringern.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Weitere Einzelheiten und Merkmale möglicher Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den Figuren schematisch dargestellt sind.
-
Es zeigen:
-
1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors, eingesetzt in einem Zylinderkopf; und
-
2 eine schematische Ausschnittsdarstellung einer Membran des Brennraumdrucksensors gemäß 1.
-
Ausführungsformen
-
In den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors 110 zur Erfassung eines Drucks p in einem Brennraum 112 einer Verbrennungskraftmaschine schematisch dargestellt. Gezeigt sind jeweils Schnittdarstellungen in einer Schnittebene parallel zu einer Achse 114 des Brennraumdrucksensors 110. Dabei zeigt 1 eine Gesamtansicht des Brennraumdrucksensors 110, wohingegen 2 eine Ausschnittsdarstellung des Brennraumdrucksensors 110 im Bereich einer Membran 116 zeigt. Diese Membran 116 ist in der Darstellung gemäß 1 lediglich schematisch angedeutet.
-
Der Brennraumdrucksensor 110 ist beispielsweise, wie in 1 erkennbar, in einen Zylinderkopf 118 der Verbrennungskraftmaschine eingelassen. Der Brennraumdrucksensor 110 umfasst ein Gehäuse 120, welches in dem dargestellten Ausführungsbeispiel exemplarisch als ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 120 ausgestaltet ist. Beispielsweise kann es sich bei diesem Gehäuse 120 um eine Zylinderhülse handeln. An seinem vorderen, dem Brennraum 112 zuweisenden Ende kann das Gehäuse 120 eine konische Dichtfläche 122 aufweisen, mit welcher das Gehäuse 120 gegen eine entsprechende Lagerfläche 124 einer Bohrung 126 in dem Zylinderkopf 118 gepresst wird.
-
Das Gehäuse 120 umschließt einen Innenraum 128. Rückseitig, auf der dem Brennraum 112 abgewandten Seite des Brennraumdrucksensors 110, kann der Innenraum 128 durch ein oder mehrere Fixierelemente 130 begrenzt und/oder zumindest teilweise abgeschlossen sein. Beispielsweise können diese Fixierelemente 130 in dem Gehäuse 120 verschraubt und/oder verschweißt sein. Auf seiner Außenseite wird am rückseitigen Ende der Brennraumdrucksensor 110 mittels eines oder mehrerer äußerer Fixierelemente 132 in der Bohrung 126 des Zylinderkopfs 118 gehalten.
-
In dem Innenraum 128 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel mindestens ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement 134 aufgenommen, also grundsätzlich ein beliebiges Sensorelement, welches eingerichtet ist, um direkt oder indirekt den Druck p in dem Brennraum 112 zu erfassen. Beispielsweise kann es sich hierbei um ein Piezoelement handeln. Dieses kann beispielsweise auf einem oder mehreren Fixierelementen 130 im Innenraum 128 gelagert sein.
-
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Brennraumdrucksensor 110 weiterhin mindestens ein Druckübertragungselement 136 auf. Dieses kann beispielsweise, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, als axial auf der Achse 114 gelagerter Stößel 138 ausgestaltet sein, welcher eingerichtet ist, um den Druck p mittelbar oder unmittelbar auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement 134 zu übertragen. Wie aus der Darstellung gemäß 1 hervorgeht, kann beispielsweise das Druckübertragungselement 136 über eine Stirnfläche 140, welche unmittelbar dem Brennraumdruck ausgesetzt ist, beispielsweise indem diese in den Brennraum 112 hineinragt, mit Druck p des Brennraums in axialer Richtung beaufschlagt werden. Zum Zweck der Druckbeaufschlagung weist das Gehäuse 120 an seinem dem Brennraum 112 zuweisenden Ende eine Gehäuseöffnung 142 auf, beispielsweise eine kreisförmige Öffnung in einer Stirnfläche 144 des Gehäuses 120. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann beispielsweise das Druckübertragungselement 136 durch diese Gehäuseöffnung 142 hindurchragen, beispielsweise bis in den Brennraum 112 hinein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die Stirnfläche 144 umschließt somit in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Druckübertragungselement 136 beispielsweise koaxial.
-
Zur Abdichtung des Innenraums 128 weist der Brennraumdrucksensor 110 die oben bereits genannte Membran 116 auf, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel exemplarisch das Druckübertragungselement 136 ringförmig umschließt. Für Details einer möglichen erfindungsgemäßen Ausgestaltung dieser Membran 116 kann auf 2 verwiesen werden.
-
Die Membran 116 ist an ihrem äußeren Umfang entlang einer äußeren Fixierung 146 mit einer Innenwand 148 des Gehäuses 120 verbunden. Beispielsweise kann diese äußere Fixierung 146 eine umlaufende Schweißnaht und/oder eine andere Art von Fixierung umfassen. An ihrer inneren, dem Druckübertragungselement 136 zuweisenden Seite ist die Membran 116 entlang einer inneren Fixierung 150 mit einer Außenfläche 152 des Druckübertragungselements 136 verbunden. Beispielsweise kann es sich auch hierbei wiederum um eine Schweißnaht und/oder eine Klemmung und/oder eine andere Art der inneren Fixierung handeln. Grundsätzlich kommen für die äußere Fixierung 146 und/oder die innere Fixierung 150 sämtliche bekannte Verbindungsarten in Betracht, also formschlüssige und/oder kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungen. Auch einfache Verrastungen, beispielsweise über Nuten in der Innenwand 148 und/oder der Außenfläche 152, kommen in Betracht, beispielsweise optional unterstützt von stoffschlüssigen Verbindungen.
-
Wie aus 2 erkennbar ist, weist die Membran 116, welche in diesem Ausführungsbeispiel ringförmig ausgestaltet ist, eine U-Form auf, mit einer sich zu dem Innenraum 128, also weg von dem Brennraum 112, erstreckenden Wölbung 154. Ausgehend von der äußeren Fixierung 146 erstreckt sich also in der Querschnittsdarstellung gemäß 2 die Membran 116 zunächst weg von dem Brennraum 112, hin zu dem Innenraum 128, und zwar um einen Betrag, welcher in 2 mit Y bezeichnet ist. Dort, im Bereich der äußersten Erstreckung dieser Wölbung 154, erfolgt eine Umkehr, und die Membran 116 erstreckt sich zurück in Richtung des Brennraums 112 und zu der inneren Fixierung 150. Insgesamt weist also eine geschlossene Seite 156 der U-Form dem Innenraum 128 zu, wohingegen eine offene Seite 158 der U-Form dem Brennraum 112 zuweist. Wie weiterhin aus dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 2 hervorgeht, sind die innere Fixierung 150 und die äußere Fixierung 146 gegeneinander in axialer Richtung versetzt. Dabei ist vorzugsweise die innere Fixierung 150 um einen Betrag dy in axialer Richtung hin zu dem Innenraum 128, also weg von dem Brennraum 112, versetzt.
-
Eine Studie mit einer Finite-Elemente-Methode hat allgemein bestätigt, dass bei Vorliegen eines Temperaturgradienten über die Dicke der Membran 116, welche in 2 mit w bezeichnet ist, der Versatz dy der beiden Fixierungen 146, 150, welche als ”Membranfixpunkte” oder ”Fixierungslinien” ausgestaltet sein können, vorteilhaft ist. Mit Hilfe von Simulationen, wie beispielsweise nach der Finite-Elemente-Methode, lässt sich für bestimmte Geometrien zeigen, dass der Versatz dy mit dem Stößel 138 und dem Gehäuse 120 in einem bestimmten Verhältnis zur axialen Ausdehnung Y bei gegebener Wandstärke w sein muss, damit der Thermoschockeffekt minimal wird. Für das optimale Verhältnis dy/Y spielen des Weiteren ein Außendurchmesser D1 des Stößels 138 und ein Innendurchmesser D2 des Gehäuses 120 eine Rolle. Unabhängig von den präzisen Dimensionen ist es jedoch, wie in 2 gezeigt, sehr vorteilhaft, wenn die offene Seite 158 der Membran 116, wie in 2 gezeigt, nach vorne, zur Hitzequelle, in diesem Fall zum Brennraum 112, weist. Als konkretes Beispiel einer Dimensionierung, auf welches die vorliegende Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, kann beispielsweise genannt werden:
D1 = 3,0 mm
D2 = 6,3 mm
w = 0,3 mm
Y = 2,0 mm
dy = 0,7 mm
-
Auch andere Ausgestaltungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind jedoch möglich.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009026436 [0002, 0003]
