DE102012202058A1 - Diaphragm for combustion chamber pressure sensor - Google Patents

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DE102012202058A1
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Janpeter Wolf
Romuald Flavignie
Holger Scholzen
Wolfgang Koetzle
Axel Probst
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckmesseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zur Ermittlung eines Brennraumdruckes. Die Druckmesseinrichtung umfasst ein Gehäuse (10) in dem eine Sensormembran (19, 20) aufgenommen ist. Diese trennt einen Druckraum (24) von einem Hohlraum (22). Die Sensormembran (19, 20) umfasst eine druckbeaufschlagte Fläche (27) und dichtet das Gehäuse (10) gegen den zu messenden Druck ab. Die druckbeaufschlagte Fläche (27) der Sensormembran (20) liegt zwischen einer ersten Umlenkstelle (32) und einer zweiten Umlenkstelle (38) der Sensormembran (20), die jeweils in reduzierten zweiten und dritten Wandstärken (34, 40) in Bezug auf eine erste Wandstärke (28) der Sensormembran ausgeführt sind.The invention relates to a pressure measuring device for an internal combustion engine, in particular for determining a combustion chamber pressure. The pressure measuring device comprises a housing (10) in which a sensor membrane (19, 20) is accommodated. This separates a pressure chamber (24) from a cavity (22). The sensor membrane (19, 20) comprises a pressurized surface (27) and seals the housing (10) against the pressure to be measured. The pressurized surface (27) of the sensor membrane (20) is located between a first deflection point (32) and a second deflection point (38) of the sensor membrane (20), each in reduced second and third wall thicknesses (34, 40) with respect to a first Wall thickness (28) of the sensor membrane are executed.

Description

Stand der TechnikState of the art

DE 10 2006 057 627 A1 bezieht sich auf eine Druckmesseinrichtung. Diese dient zur Anordnung im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Die Druckmesseinrichtung weist ein Gehäuse, ein Kraftübertragungselement, das an einer kammerseitigen Öffnung des Gehäuses teilweise aus dem Gehäuse ragt und einen Drucksensor auf. Dieser ist in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet. Dabei steht der Drucksensor mit dem Kraftübertragungselement in Wirkverbindung. Ferner ist eine Membran vorgesehen, die den Innenraum des Gehäuses, in dem der Drucksensor angeordnet ist, gegenüber der kammerseitigen Öffnung abdichtet. Die Membran, die vorzugsweise als Metallmembran ausgebildet ist, weist einen Kraftübertragungsabschnitt auf, der in einer axialen Richtung des Kraftübertragungselementes orientiert ist. Außerdem steht der Drucksensor mittels des Kraftübertragungsabschnitts der Membran mit dem Kraftübertragungselement in Wirkverbindung. Dadurch erfolgt zumindest eine teilweise Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Membran, die beispielsweise durch heiße Brennstoffgase verursacht sind und zu periodischen Beeinträchtigungen der Druckmessung mittels des Drucksensors führen können. DE 10 2006 057 627 A1 refers to a pressure measuring device. This serves for arrangement in the combustion chamber of an internal combustion engine. The pressure measuring device has a housing, a force transmission element, which projects at a chamber-side opening of the housing partially out of the housing and a pressure sensor. This is arranged in an interior of the housing. In this case, the pressure sensor is in operative connection with the force transmission element. Furthermore, a membrane is provided, which seals the interior of the housing in which the pressure sensor is arranged opposite the chamber-side opening. The diaphragm, which is preferably formed as a metal diaphragm, has a power transmission portion oriented in an axial direction of the power transmission member. In addition, the pressure sensor is in operative connection with the force transmission element by means of the force transmission section of the diaphragm. As a result, at least a partial compensation thermally induced changes in length of the membrane, which are caused for example by hot fuel gases and can lead to periodic impairments of the pressure measurement by means of the pressure sensor.

DE 10 2007 049 971 A1 bezieht sich auf eine Glühstiftkerze. Eine Glühstiftkerze dient zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine. Die Glühstiftkerze weist ein Gehäuse, ein stabförmiges Heizelement, das teilweise aus dem Gehäuse ragt und einen Drucksensor auf, der in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet ist. Dabei steht der Drucksensor einerseits mit dem stabförmigen Heizelement in Wirkverbindung, um eine aufgrund eines in der Kammer herrschenden Druckes bedingte Beaufschlagung des Heizelementes zum Bestimmen des in der Kammer herrschenden Druckes zu erfassen. Ferner stützt sich der Drucksensor andererseits an einem mit dem Gehäuse verbundenen Fixierelement ab. Eine Federmembran dichtet den Innenraum des Gehäuses gegenüber der Kammer der Brennkraftmaschine ab. Dabei ist die Federmembran als S-förmige Federmembran ausgestaltet. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine druckausgeglichene Auslegung erreicht werden, so dass die Genauigkeit einer Druckmessung mittels des Drucksensors verbessert ist. DE 10 2007 049 971 A1 refers to a glow plug. A glow plug is used for arrangement in a chamber of an internal combustion engine. The glow plug has a housing, a rod-shaped heating element, which partially protrudes from the housing and a pressure sensor, which is arranged in an inner space of the housing. In this case, the pressure sensor is on the one hand in operative connection with the rod-shaped heating element to detect a conditional on the pressure prevailing in the chamber pressure of the heating element for determining the pressure prevailing in the chamber. On the other hand, the pressure sensor is supported on a fixing element connected to the housing. A spring diaphragm seals the interior of the housing relative to the chamber of the internal combustion engine. The spring diaphragm is designed as an S-shaped spring diaphragm. By means of this embodiment, in particular a pressure-balanced design can be achieved, so that the accuracy of a pressure measurement by means of the pressure sensor is improved.

Innerhalb eines Brennraumdrucksensors wird die Membran dazu benötigt, den Innenraum des Sensors gegen den Brennraum abzudichten. Eindringende Medien würden aufgrund ihrer Temperatur und ihrer aggressiven chemischen Eigenschaften, insbesondere die Bauteile des Sensormodules und der Elektronik binnen kürzester Zeit zerstören. Gleichzeitig sollte die Membran die Belastungen während des Sensorbetriebes aushalten. Zu den Belastungen sind im Wesentlichen die zyklischen Belastungen des Druckwechsels (mehrere hundert Millionen Lastwechsel pro Lebensdauer) sowie das hohe Niveau der Durchschnittstemperatur zu zählen.Within a combustion chamber pressure sensor, the membrane is required to seal the interior of the sensor against the combustion chamber. Due to their temperature and their aggressive chemical properties, penetrating media in particular destroy the components of the sensor module and the electronics within a very short time. At the same time, the membrane should withstand the stresses during sensor operation. The burdens are mainly the cyclic loads of the pressure change (several hundred million load cycles per lifetime) as well as the high level of the average temperature.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die aus metallischem Material gefertigte Membran, die bei einem Brennraumdrucksensor eingesetzt werden kann, so auszulegen, dass eine Minimierung der Wandstärken der aus metallischem Material gefertigten Membran erreichbar ist, wobei die Minimierung der Wandstärke insbesondere in einem Übergangsbereich zwischen druckbeaufschlagter Membranfläche und angrenzenden Bereichen realisiert ist. Des Weiteren kann durch eine Maximierung des Abstandes zwischen den Übergangsbereichen zwischen druckbeaufschlagter Membranfläche und den Übergangsbereichen erreicht werden, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Membran ausreichend biegeschlaff ist, um den Pfad des zu messenden Drucksignals nicht überkritisch zu behindern. Die Membran behindert den Pfad des zu messenden Drucksignals, indem die Membran einen Teil des zu messenden Drucksignals aufnimmt und nicht an eine Messsensorik, beispielsweise eine piezo-elektrische Sensorik weiterleitet. Wird lediglich ein vermindertes Drucksignal an die Messsensorik weitergeleitet, sind Messergebnisse der Sensorik aufgrund einer Überlagerung mit einem Signalrauschen mit Ungenauigkeiten behaftet. Bei einer kritischen Behinderung des Pfads des zu messenden Drucksignals können Ungenauigkeiten infolge von Signalrauschen nicht mehr zuverlässig kompensiert werden. Die Biegeschlaffheit wird dadurch erreicht, dass ein radialer Abstand zwischen den beiden Umlenkstellen maximiert wird (Durchmesser ca. 7 mm zu Durchmesser ca. 4,5 mm). Andererseits sind die Wandstärken im Bereich der Umlenkungen soweit minimiert, wie es die Festigkeit des Bauteiles zulässt. Die Wandstärke beträgt beispielsweise im Bereich einer äußeren Umlenkung lediglich wenige Zehntel mm, insbesondere 0,2 mm, während die Wandstärke bei einer innenliegenden Umlenkung bzw. bei einem Radius 0,2 bis 0,35 mm betragen kann. Durch die beiden genannten Umlenkstellen wird eine Art „Scharnier“ geschaffen, um welches sich die Membran windet. According to the invention, the membrane made of metallic material, which can be used in a combustion chamber pressure sensor, designed so that a minimization of the wall thickness of the membrane made of metallic material can be achieved, the minimization of the wall thickness, in particular in a transition region between pressurized membrane surface and adjacent Areas is realized. Furthermore, by maximizing the distance between the transition regions between the pressurized membrane surface and the transition regions, it can be achieved that the membrane proposed according to the invention is sufficiently limp in order not to hinder the path of the pressure signal to be measured supercritically. The membrane obstructs the path of the pressure signal to be measured by the membrane receives a portion of the pressure signal to be measured and does not forward to a measurement sensor, such as a piezoelectric sensor. If only a reduced pressure signal is forwarded to the measuring sensor system, measurement results of the sensor system are subject to inaccuracies due to an interference with a signal noise. In case of a critical obstruction of the path of the pressure signal to be measured inaccuracies due to signal noise can not be reliably compensated. The bending slackness is achieved by maximizing a radial distance between the two deflection points (diameter approx. 7 mm to diameter approx. 4.5 mm). On the other hand, the wall thicknesses in the area of the deflections are minimized as far as the strength of the component allows. The wall thickness is for example in the range of an outer deflection only a few tenths mm, in particular 0.2 mm, while the wall thickness can be at an internal deflection or at a radius of 0.2 to 0.35 mm. The two aforementioned deflection points create a kind of "hinge" around which the membrane winds.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

In vorteilhafter Weise weist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Membran, insbesondere zum Einsatz geeignet in Brennraumdrucksensoren, einen minimalen Thermoschockeffekt auf, durch den die Messgenauigkeit des Brennraumdrucksensors herabgesetzt wird. Dies wird dadurch realisiert, dass ein eingeschnürter Bereich an der äußeren Umlenkung verlängert ausgebildet ist, so dass der Membran die Möglichkeit gegeben wird, auch diesem Bereich zu arbeiten und seitlich auszuweichen. Das seitliche Ausweichen der aus metallischem Material gefertigten Membran verringert den Thermoschockeffekt signifikant. So führt beispielsweise eine Verlängerung des eingeschnürten Bereiches um etwa 2 mm im Thermoschockeffekt bereits signifikant. Bei sonst gleicher Geometrie würde eine Weiterverlängerung des eingeschnürten Bereiches zu einer weiteren Reduzierung des Thermoschockeffektes führen, dem allerdings Anforderungen bezüglich der Sensorlänge entgegenstehen.Advantageously, the membrane proposed according to the invention, in particular suitable for use in combustion chamber pressure sensors, has a minimal thermal shock effect, by means of which the measuring accuracy of the combustion chamber pressure sensor is reduced. This is realized by having a constricted area on the outside Deflection is formed extended, so that the membrane is given the opportunity to work in this area and sideways dodge. The lateral deflection of the membrane made of metallic material significantly reduces the thermal shock effect. For example, an extension of the constricted area by about 2 mm in the thermal shock effect already significantly. With otherwise the same geometry a further extension of the constricted area would lead to a further reduction of the thermal shock effect, however, which preclude requirements with respect to the sensor length.

Ferner wird das seitliche Ausweichen der Membran von weiteren Maßen der Membran, insbesondere Übergangsradien und der Lage von Dichtverschweißungen, beeinflusst. Bei einer Optimierung der Verlängerung des eingeschnürten Bereiches unter Berücksichtigung der weiteren Parameter, die das seitliche Ausweichen der Membran beeinflussen, kann die Gestaltung der Membran bezüglich des Thermoschocks weiter optimiert werden. Furthermore, the lateral deflection of the membrane of further dimensions of the membrane, in particular transition radii and the position of Dichtverschweißungen influenced. By optimizing the elongation of the constricted region, taking into account the other parameters which influence the lateral deflection of the membrane, the design of the membrane with respect to the thermal shock can be further optimized.

Des Weiteren stellt der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor eine Möglichkeit zur Verfügung, den Anteil des Drucksignals, der von der Membran nicht an die Messsensorik weitergeleitet wird, zu minimieren. Die Messsensorik arbeitet im Betrieb auf einem hohen Niveau der aufgenommenen Druckkräfte, wodurch eine Unterscheidung von Druckkraftänderungen von Signalrauschen erleichtert wird. Der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor weist eine verbesserte Messgenauigkeit auf.Furthermore, the combustion chamber pressure sensor according to the invention provides a possibility of minimizing the portion of the pressure signal that is not forwarded by the membrane to the measurement sensor system. The measurement sensor operates in operation at a high level of the recorded pressure forces, whereby a distinction of pressure force changes of signal noise is facilitated. The combustion chamber pressure sensor according to the invention has improved measurement accuracy.

Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawing, the invention will be described below in more detail.

Es zeigt:It shows:

1 und 2 Darstellungen bisher eingesetzter Sensormembranen, 1 and 2 Representations of previously used sensor membranes,

3 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor 3 a longitudinal section through a combustion chamber pressure sensor according to the invention

4 einen schematischen Halbschnitt durch einen Brennraumdrucksensor mit einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran gemäß einer ersten Ausführungsvariante, 4 2 shows a schematic half section through a combustion chamber pressure sensor with a sensor membrane proposed according to the invention according to a first embodiment variant,

5 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran der ersten Ausführungsvariante, 5 a section through an inventively proposed sensor membrane of the first embodiment,

6 eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran im montierten Zustand und 6 a second embodiment of the inventively proposed sensor membrane in the assembled state and

7 einen Schnitt durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran in ihrer zweiten Ausführungsmöglichkeit. 7 a section through the inventively proposed sensor membrane in its second embodiment.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

Die 1 und 2 zeigen eine Sensormembran gemäß des Standes der Technik.The 1 and 2 show a sensor membrane according to the prior art.

Den 1 und 2 ist zu entnehmen, dass eine Sensormembran 19 symmetrisch zu ihrer Symmetrieachse 18 ausgebildet ist und eine Membranmantelfläche 26 aufweist. Der Schnittdarstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass die Sensormembran 19 gemäß des Standes der Technik in einer ersten Wandstärke 28 ausgeführt ist. The 1 and 2 it can be seen that a sensor membrane 19 symmetrical to its axis of symmetry 18 is formed and a membrane lateral surface 26 having. The sectional view according to 2 it can be seen that the sensor membrane 19 according to the prior art in a first wall thickness 28 is executed.

3 zeigt einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors. Der Brennraumdrucksensor umfasst ein Gehäuse 10, in das ein Druckstift 58 aufgenommen ist, der einem Druckraum 24 zugewandt ist. Der Druckstift 58 nimmt Druckkräfte aus dem Druckraum 24 auf und setzt die Einwirkung der Druckkraft in eine Bewegung entlang einer Achse 18 um. Zwischen dem Druckstift 58 und dem Gehäuse 10 ist ein Hohlraum 22 ausgebildet. Ferner ist entlang der Achse 18 hinter dem Druckstift 58 eine Messsensorik 59 angeordnet, die die vom Druckstift 58 durchgeführte axiale Bewegung aufnimmt und in ein Messsignal umwandelt. Hierbei nimmt der Druckstift 58 Druckkräfte aus dem Druckraum 24 auf und leitet die Druckkräfte entlang eines inneren Kraftpfades 60 über einen Kompensationskörper 4 zur Messsensorik 59. Ferner ist der Druckstift 58 mit einer Viton-Dichtung 5 versehen und an eine Glühstromleitung 3 angeschlossen, die den Druckstift 58, der als Glührohr ausgebildet sein kann, mit elektrischen Energie versorgt. Des Weiteren umfasst der Brennraumdrucksensor nach 3 eine Sensormembran 20, die im Hohlraum 22 zwischen dem Gehäuse 10 und dem Druckstift 58 aufgenommen ist. Die Sensormembran 20 ist im Wesentlichen Z-förmig ausgebildet und liegt mit einem brennraum-zugewandtem Ende am Druckstift 58 an. Mit einem brennraum-abgewandten Ende liegt die Sensormembran 20 an einer Mantelfläche 12 der Innenseite des Gehäuses 10 an. Die Sensormembran liegt an einem brennraum-abgewandten Ende an einem Sensorgehäuse 6 an. Ferner ist das Gehäuse 10 an einem brennraum-zugewandten Ende als Konus 16 ausgebildet. Die Sensormembran 20 ist mittels Dichtschweißungen 63 mit dem Gehäuse 10, dem Sensorgehäuse 6 und dem Druckstift 58 verbunden. An der Dichtschweißung 63, die die Sensormembran 20 mit dem Druckstift 58 verbindet, verzweigt sich die vom Druckstift 58 aufgenommene Druckkraft in den inneren und einen äußeren Kraftpfad 60, 61. Der Anteil der Druckkraft, der entlang des äußeren Kraftpfades 61 weitergeleitet wird, läuft zu einer Fixierung 2, die entlang der Achse 18 hinter der Messsensorik 59 angeordnet ist. Ferner verzweigt sich der äußere Kraftpfad 61 an der Dichtschweißung 63, die die Sensormembran 20 mit dem Gehäuse 10 verbindet. Dabei zweigt vom äußeren Kraftpfad 61 eine vom Gehäuse 10 absorbierte Kraft 62 ab. Während des Betriebs des Brennraumdrucksensors ist ein Fläche 27 der Sensormembran 20 der Temperatur- und Druckwirkung aus dem Druckraum 24 unmittelbar ausgesetzt. Alternativ kann der Druckstift 58 auch als Glührohr ausgebildet sein. 3 shows a longitudinal section of an embodiment of a combustion chamber pressure sensor according to the invention. The combustion chamber pressure sensor comprises a housing 10 into which a pressure pin 58 is included, the one pressure room 24 is facing. The pressure pin 58 takes pressure forces out of the pressure chamber 24 and sets the action of the compressive force in a movement along an axis 18 around. Between the pressure pin 58 and the housing 10 is a cavity 22 educated. Further, along the axis 18 behind the pressure pin 58 a measuring sensor 59 arranged by the pressure pin 58 taken axial movement and converted into a measuring signal. This takes the pressure pin 58 Pressure forces from the pressure chamber 24 and directs the pressure forces along an internal force path 60 via a compensation body 4 to the measuring sensor 59 , Furthermore, the pressure pin 58 with a Viton seal 5 provided and to a Glühstromleitung 3 connected the pressure pin 58 , which can be designed as a glow tube, supplied with electrical energy. Furthermore, the combustion chamber pressure sensor comprises 3 a sensor membrane 20 in the cavity 22 between the case 10 and the pressure pin 58 is included. The sensor membrane 20 is substantially Z-shaped and lies with a combustion chamber-facing end of the pressure pin 58 at. The sensor membrane is located at the end facing away from the combustion chamber 20 on a lateral surface 12 the inside of the case 10 at. The sensor membrane is located at a combustion chamber-remote end to a sensor housing 6 at. Furthermore, the housing 10 at a combustion chamber-facing end as a cone 16 educated. The sensor membrane 20 is by means of sealing welds 63 with the housing 10 , the sensor housing 6 and the pressure pin 58 connected. At the sealing weld 63 containing the sensor membrane 20 with the pressure pin 58 connects, branches from the pressure pin 58 absorbed compressive force in the inner and an outer force path 60 . 61 , The proportion of compressive force along the outer force path 61 is forwarded, runs to a fixation 2 that go along the axis 18 behind the measuring sensor 59 is arranged. Furthermore, the outer force path branches 61 at the sealing weld 63 containing the sensor membrane 20 with the housing 10 combines. It branches off from the outer power path 61 one from the case 10 absorbed power 62 from. During operation of the combustion chamber pressure sensor is an area 27 the sensor membrane 20 the temperature and pressure effect from the pressure chamber 24 immediately exposed. Alternatively, the pressure pin 58 also be designed as a glow tube.

In der Darstellung gemäß 4 ist ein Halbschnitt durch einen Brennraumdrucksensor dargestellt, der eine Sensormembran in ihrer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält. In the illustration according to 4 a half section through a combustion chamber pressure sensor is shown, which includes a sensor membrane in its first embodiment according to the invention.

4 zeigt, dass ein Gehäuse 10 eines Brennraumdrucksensors symmetrisch zu seiner Achse ausgebildet ist. Eine Mantelfläche des Gehäuses 10 des Brennraumdrucksensors ist mit Bezugszeichen 12 bezeichnet. Das Gehäuse 10 ist in einer Gehäusewandstärke 14 ausgeführt. Das Gehäuse 10 umfasst einen Konus 16 und eine Sensormembran 20. Die Sensormembran 20 trennt einen Hohlraum 22 von einem Druckraum 24, innerhalb dessen der zu messende Druck ansteht. 4 shows that a case 10 a combustion chamber pressure sensor is formed symmetrically to its axis. A lateral surface of the housing 10 the combustion chamber pressure sensor is denoted by reference numerals 12 designated. The housing 10 is in a housing wall thickness 14 executed. The housing 10 includes a cone 16 and a sensor membrane 20 , The sensor membrane 20 separates a cavity 22 from a pressure room 24 within which the pressure to be measured is present.

Bei der im Hohlraum 22 des Brennraumdrucksensors untergebrachten Sensorik handelt es sich beispielsweise um eine piezoelektrische Sensorik, welche das Drucksignal in ein elektrisches Signal umwandelt. When in the cavity 22 The sensor system accommodated in the combustion chamber pressure sensor is, for example, a piezoelectric sensor system which converts the pressure signal into an electrical signal.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran 20 umfasst eine druckbeaufschlagte Fläche, vergleiche auch Position 27 in 5.The inventively proposed sensor membrane 20 includes a pressurized surface, also compare position 27 in 5 ,

Wie aus der Darstellung gemäß 4 hervorgeht, ist die Sensormembran 20 im Wesentlichen Z-förmig beschaffen und sensiert die im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine herrschenden Drücke. Dazu ist sicherzustellen, dass die Sensormembran 20 möglichen Belastungen des Druckwechsels über mehrere hundert Millionen Lastwechsel pro Lebensdauer für das hohe Niveau der Durchschnittstemperatur erträgt, ohne zu versagen. As shown in the illustration 4 shows, is the sensor membrane 20 essentially procure Z-shaped and senses the pressures prevailing in the combustion chamber of an internal combustion engine. To do this, make sure the sensor membrane 20 possible loads of pressure change over several hundred million load cycles per lifetime for the high level of average temperature endures, without failing.

Mittels der Sensormembran 20 wird der Hohlraum 22 gegenüber dem Druckraum 24 herrschenden Druck abgedichtet, wobei sicherzustellen ist, dass die Sensormembran 20 ausreichend biegeschlaff ist, um den Pfad des zu messenden Drucksignals nicht überkritisch zu behindern. By means of the sensor membrane 20 becomes the cavity 22 opposite the pressure chamber 24 sealed pressure, while ensuring that the sensor membrane 20 is sufficiently limp in order not to hinder the path of the pressure signal to be measured supercritically.

Der Darstellung gemäß 5 ist ein Schnitt durch die in 4 im montierten Zustand dargestellte Sensormembran in ihrer ersten Ausführungsvariante zu entnehmen. The representation according to 5 is a cut through the in 4 to be taken in the mounted state shown sensor membrane in its first embodiment.

Die Darstellung gemäß 5 zeigt, dass die Sensormembran 20 Z-förmig beschaffen ist und symmetrisch zu ihrer Achse aufgebaut ist. Die Membranmantelfläche ist mit Bezugszeichen 26 bezeichnet. Die Länge der Membranmantelfläche 26 beeinflusst das mechanische Verhalten der Sensormembran 20 und deren Biegeschlaffheit. Die Länge der Membranmantelfläche 26 liegt vorzugsweise zwischen 0 mm und 2 mm.The representation according to 5 shows that the sensor membrane 20 Z-shaped and is constructed symmetrically to its axis. The membrane lateral surface is denoted by reference numerals 26 designated. The length of the membrane lateral surface 26 influences the mechanical behavior of the sensor membrane 20 and their bending slackness. The length of the membrane lateral surface 26 is preferably between 0 mm and 2 mm.

Aus der Schnittdarstellung gemäß 5 geht hervor, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran 20 in ihrer ersten Ausführungsvariante in dem Bereich, in dem sie den Hohlraum 22 begrenzt, in einer ersten Wandstärke 28 ausgebildet ist. Wie aus der Darstellung gemäß 5 weiter zu entnehmen ist, nimmt die Wandstärke der Sensormembran 20 unterhalb eines Absatzes 30 verschiedene Werte an. So liegt im Auslauf des Absatzes 30 in Richtung auf den Druckraum 24 gesehen, eine erste Umlenkstelle 32 auf einer Innenmantelfläche 46 der Sensormembran 20. Die Sensormembran 20 weist in einem Bereich, der an der Mantelfläche 12 des Brennraumdrucksensors 10 anliegt, eine erste Wandstärke 28 auf, die zwischen 0,2 mm und 1,0 mm liegt. An der ersten Umlenkstelle 32 – hier in der Darstellung gemäß 4 ausgebildet als Radius an der Innenmantelfläche 46 – nimmt das Material der Sensormembran 20 eine zweite Wandstärke 34 an. Diese zweite Wandstärke 34 liegt in der Größenordnung zwischen 0,15 mm und 0,4 mm. An die erste Umlenkstelle 32 schließt sich eine druckbeaufschlagte Fläche 27 der Sensormembran 20 an, die im Wesentlichen senkrecht zur Symmetrieachse 18 der Sensormembran 20 orientiert ist. An einer zweiten Umlenkstelle 38 weist die Sensormembran 20 einen Durchmessersprung auf und geht in einen eingeschnürten Bereich 50 über. An der zweiten Umlenkstelle 38 weist das Material der Sensormembran 20 ebenfalls eine reduzierte, hier eine dritte reduzierte Wandstärke 40 auf. Die reduzierte zweite Wandstärke 34 und die reduzierte dritte Wandstärke 40 können identisch sein, d.h. im Bereich zwischen 0,15 mm und 0,4 mm liegend; es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die beiden genannten reduzierten Wandstärken 34 bzw. 40 verschieden voneinander auszubilden. Ferner beträgt die Dicke der Sensormembran 20 an der druckbeaufschlagten Fläche 27 vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,4 mm. From the sectional view according to 5 shows that the inventively proposed sensor membrane 20 in its first embodiment in the area where it is the cavity 22 limited, in a first wall thickness 28 is trained. As shown in the illustration 5 can be seen further, takes the wall thickness of the sensor membrane 20 below a paragraph 30 different values. So lies in the outlet of the paragraph 30 towards the pressure room 24 seen, a first turning point 32 on an inner surface 46 the sensor membrane 20 , The sensor membrane 20 points in an area on the lateral surface 12 the combustion chamber pressure sensor 10 is applied, a first wall thickness 28 on, which is between 0.2 mm and 1.0 mm. At the first turning point 32 - here in the illustration according to 4 formed as a radius on the inner circumferential surface 46 - takes the material of the sensor membrane 20 a second wall thickness 34 at. This second wall thickness 34 is on the order of 0.15 mm to 0.4 mm. At the first turning point 32 closes a pressurized area 27 the sensor membrane 20 which is substantially perpendicular to the axis of symmetry 18 the sensor membrane 20 is oriented. At a second turning point 38 has the sensor membrane 20 a diameter jump and goes into a constricted area 50 above. At the second turning point 38 has the material of the sensor membrane 20 also a reduced, here a third reduced wall thickness 40 on. The reduced second wall thickness 34 and the reduced third wall thickness 40 can be identical, ie lying in the range between 0.15 mm and 0.4 mm; However, there is also the possibility of the two mentioned reduced wall thicknesses 34 respectively. 40 different from each other. Furthermore, the thickness of the sensor membrane 20 on the pressurized surface 27 preferably between 0.2 mm and 0.4 mm.

Aus der Darstellung gemäß 5 ergibt sich des Weiteren, dass die beiden Umlenkstellen 32 und 38, an denen die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran gezielte Schwächungen aufweist, in einem radialen Abstand 42 bezogen aufeinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die beiden Umlenkstellen 32, 38 als ein „Scharnier“ wirken, bei dem der druckbeaufschlagte Bereich 27 der Sensormembran 20 nicht zwischen den beiden Umlenkstellen 32, 38 verwindet. Die durch die Maximierung dieses radialen Abstandes 42 zwischen der ersten Umlenkstelle 32 und der zweiten Umlenkstelle 38 kann in vorteilhafter Weise erreichen, dass die Membrangestaltung der Sensormembran 20 die erforderliche Biegeschlaffheit aufweist, um den Pfad des zu messenden Drucksignals nicht überkritisch zu behindern. Diese Biegeschlaffheit wird neben der Maximierung des radialen Abstandes 42 durch Minimierung der Wandstärken im Bereich der Umlenkstellen 32 und 38 bzw. der druckbeaufschlagten Fläche 27 der Sensormembran noch unterstützt. Ferner liegt zwischen den Umlenkstellen 32 und 38 bezüglich der Achse 18 ein radialer Abstand 42 mit einer Größe von 0,75 mm bis 1,25 mm. From the illustration according to 5 also shows that the two deflection points 32 and 38 in which the sensor membrane proposed according to the invention has targeted weakenings, at a radial distance 42 are arranged relative to each other. This means that the two deflection points 32 . 38 act as a "hinge" in which the pressurized area 27 the sensor membrane 20 not between the two deflection points 32 . 38 twists. By maximizing this radial distance 42 between the first deflection point 32 and the second turning point 38 can achieve in an advantageous manner that the membrane design of the sensor membrane 20 has the required Biegeschlaffheit so as not to obscure the path of the pressure signal to be measured supercritically. This bending slackness is in addition to maximizing the radial distance 42 by minimizing the wall thickness in the area of the deflection points 32 and 38 or the pressurized area 27 the sensor membrane still supported. Furthermore, lies between the deflection 32 and 38 with respect to the axis 18 a radial distance 42 with a size of 0.75 mm to 1.25 mm.

Die in 5 im Schnitt dargestellte Sensormembran 20 zur Ermittlung des Brennraumdruckes an einem Brennraumdrucksensor beispielsweise, wird bevorzugt aus einem hochfesten Werkstoff, insbesondere Stahl 1.4542 gefertigt. Im Allgemeinen erfolgt die Abdichtung des Sensorinnenraumes, d.h. des Hohlraumes 22 des Brennraumdrucksensors dadurch, durch die Sensormembran 20 selbst und durch eine Dichtverschweißung mit Dichtkonusgehäuse eines Brennraumdrucksensors bzw. einer Glühkerze.In the 5 sectional sensor membrane 20 for determining the combustion chamber pressure at a combustion chamber pressure sensor, for example, is preferably made of a high-strength material, in particular steel 1.4542. In general, the sealing of the sensor interior, ie the cavity takes place 22 the combustion chamber pressure sensor thereby, through the sensor membrane 20 itself and by a Dichtverschweißung with sealing cone housing a combustion chamber pressure sensor or a glow plug.

In der Darstellung gemäß 6 ist eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran im eingebauten Zustand dargestellt. In the illustration according to 6 a second embodiment of the present invention proposed sensor membrane is shown in the installed state.

Der Darstellung gemäß 6 lässt sich entnehmen, dass bei dieser Ausführungsvariante eines Brennraumdrucksensors der Hohlraum 22, in dem die empfindliche piezoelektrische Messsensorik untergebracht ist, durch die Sensormembran 20 in Z-Form vom durch den Brennraumdruck beaufschlagten Druckraum 24 getrennt ist. Aus der Darstellung gemäß 5 geht hervor, dass die hier in Z-Form ausgebildete Sensormembran 20 ebenfalls die beiden Umlenkstellen 32 und 38 aufweist. Zwischen den beiden Umlenkstellen 32 und 38, von denen die erste Umlenkstelle 32 radial außen und die zweite Umlenkstelle 38 radial innenliegend positioniert ist, verläuft die den Druckraum 24 im Wesentlichen begrenzende druckbeaufschlagte Fläche 27. Aus der Darstellung gemäß 5 geht hervor, dass die Wanddicke, welche die in 5 dargestellte zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran 20 aufweist, unterhalb des Absatzes 30 in eine reduzierte, im Wesentlichen einheitlich gehaltene Wandstärke 56 übergeht. Wie 5 des Weiteren zeigt, liegt eine Verlängerung 52, die sich an einen eingestellten Bereich 50 (vgl. Darstellung gemäß 7) anschließt an einem Druckstift 58 an. 7 zeigt einen Schnitt durch die in 5 in montiertem Zustand dargestellte zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran. The representation according to 6 can be seen that in this embodiment of a combustion chamber pressure sensor of the cavity 22 in which the sensitive piezoelectric measuring sensor is housed, through the sensor membrane 20 in Z-shape from the acted upon by the combustion chamber pressure space 24 is disconnected. From the illustration according to 5 shows that the here in Z-shaped sensor membrane 20 also the two deflection points 32 and 38 having. Between the two deflection points 32 and 38 of which the first turning point 32 radially outside and the second deflection point 38 positioned radially inward, which runs the pressure chamber 24 essentially limiting pressurized area 27 , From the illustration according to 5 shows that the wall thickness, which in 5 illustrated second embodiment of the inventively proposed sensor membrane 20 has, below the paragraph 30 in a reduced, substantially uniform wall thickness 56 passes. As 5 further shows, is an extension 52 that are in a set range 50 (see illustration according to 7 ) connects to a push pin 58 at. 7 shows a section through the in 5 in the assembled state shown second embodiment of the present invention proposed sensor membrane.

Wie 7 zeigt und auch 5 schon zu entnehmen ist, nimmt die Wandstärke der Sensormembran 20 unterhalb des Absatzes 30 eine wesentlich einheitliche, reduzierte Wandstärke 56 an. Im Bereich des Durchmesserübergangs 58 der Sensormembran 20, innerhalb dessen sich der Durchmesser der Sensormembran 20 ausgehend von der ersten Umlenkstelle 32 auf die zweite radial außenliegende zweite Umlenkstelle 38 übergehend, verjüngt sich die Sensormembran 20 in einen eingeschnürten Bereich 50. Der eingeschnürte Bereich 50 stellt eine Verlängerung 52 dar. Diese Verlängerung 52 beträgt einige Millimeter, so zum Beispiel vorzugsweise 2 mm. Durch diese Verlängerung 52 kann der Thermoschockeffekt, dem die Sensormembran 20 im Betrieb ausgesetzt ist, minimiert werden. Dabei stellt die Verlängerung 52 einen Bereich zur Verfügung, in dem Wärmedehnungen infolge eines Thermoschocks aufgenommen werden können. Dabei sind die infolge eines Thermoschocks auftretenden Wärmedehnungen der Sensormembran 20 auf einer brennraum-zugewandten Seite und einer brennraum-abgewandten Seite der Sensormembran 20 kurzfristig unterschiedlich.As 7 shows and also 5 can already be seen, takes the wall thickness of the sensor membrane 20 below the paragraph 30 a substantially uniform, reduced wall thickness 56 at. In the area of the diameter transition 58 the sensor membrane 20 , within which the diameter of the sensor membrane 20 starting from the first deflection point 32 on the second radially outer second deflection 38 passing, the sensor membrane tapers 20 in a constricted area 50 , The constricted area 50 represents an extension 52 This extension 52 is a few millimeters, for example, preferably 2 mm. By this extension 52 can the thermal shock effect that the sensor membrane 20 in operation is minimized. This represents the extension 52 an area where thermal expansion due to thermal shock can be absorbed. In this case, the thermal expansion occurring as a result of thermal shock of the sensor membrane 20 on a combustion chamber-facing side and a combustion chamber-remote side of the sensor membrane 20 different in the short term.

Durch die im eingeschnürten Bereich 50 vorgesehene Verlängerung 52 kann die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran in diesem Bereich arbeiten, d.h. seitlich ausweichen, was zu einer signifikanten Reduzierung des Thermoschockeffekts führt. Die Verlängerung 52, die im eingeschnürten Bereich 50 liegt, erlaubt eine Verringerung des Thermoschockeffektes auf 0,54 bar. Die Länge der Verlängerung 52 beeinflusst ferner in Wechselwirkung mit weiteren Maßen der Sensormembran 20 die Wirkung eines Thermoschocks auf die Messgenauigkeit des Brennraumdrucksensor. Derartige Maße können die Übergangsradien 54 und/oder die Lage von Dichtschweißverbindungen sein. Durch aufeinander abgestimmte Variation der Länge der Verlängerung 52 im eingeschnürten Bereich 50 sowie der Übergangsradien 54, kann eine weitere Optimierung des Thermoschockeffektes von nur noch 0,3 bar bei gleichzeitig gekürzter Einschnürlänge, d.h. bei Kürzen der Verlängerung 52 erreicht werden. By in the constricted area 50 planned extension 52 For example, the sensor membrane proposed according to the invention can work in this area, ie deviate laterally, which leads to a significant reduction in the thermal shock effect. The extension 52 in the constricted area 50 is located, allows a reduction of the thermal shock effect to 0.54 bar. The length of the extension 52 further influences in interaction with other dimensions of the sensor membrane 20 the effect of a thermal shock on the accuracy of the combustion chamber pressure sensor. Such dimensions can the transition radii 54 and / or the location of seal welded joints. By concerted variation of the length of the extension 52 in the constricted area 50 as well as the transition radii 54 , can further optimize the thermal shock effect of only 0.3 bar at the same time reduced Einschnürlänge, ie when shortening the extension 52 be achieved.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran in den beiden anhand der 3 bis 7 beschriebenen Ausführungsvarianten zeichnet sich dadurch aus, dass sie sowohl den Hohlraum 22, in dem die piezoelektrisch arbeitende Messsensorik aufgenommen ist, gegen die hohen auftretenden Drücke abschirmt und abdichtet sowie aufgrund ihrer Gestaltung mit den gezielten Schwächungszonen an den Umlenkstellen 32 und 38 mehrere hundert Millionen Drucklastwechsel bei den auftretenden hohen Temperaturen bewältigt. Insbesondere ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran 20 gemäß der beschriebenen beiden Ausführungsvarianten so ausreichend biegeschlaff ausgebildet, dass der Pfad des zu messenden Drucksignales nicht behindert ist, was zum einen auch durch die Minimierung der Wandstärke auf die reduzierten zweiten und dritten Wandstärken 34 bzw. 40 gemäß der ersten Ausführungsvariante bzw. auf die reduzierte einheitliche Wandstärke 56 gemäß der zweiten Ausführungsvariante zurückzuführen ist. Des Weiteren wird die Biegeschlaffheit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran in den oben stehend beschriebenen beiden Ausführungsvarianten dadurch unterstützt, dass die beiden gezählte Wandstärkenschwächungen darstellenden Umlenkstellen 32, 38 radial zueinander versetzt angeordnet sind, d.h. in einem radialen Abstand 42 in Bezug aufeinander positioniert sind. The inventively proposed sensor membrane in the two based on the 3 to 7 described variants is characterized in that they both the cavity 22 in which the piezoelectrically operating measuring sensor is accommodated, shields and seals against the high pressures occurring, and due to its design with the targeted weakening zones at the deflection points 32 and 38 coped with several hundred million pressure load changes at the high temperatures that occur. In particular, the sensor membrane proposed according to the invention is 20 according to the described two embodiments so sufficiently limp formed that the path of the pressure signal to be measured is not hindered, on the one hand also by minimizing the wall thickness to the reduced second and third wall thicknesses 34 respectively. 40 according to the first embodiment or on the reduced uniform wall thickness 56 is due to the second embodiment. Furthermore, the bending slackness of the sensor membrane proposed according to the invention in the two variants described above is supported by the fact that the two counted wall thickness weakenings represent deflection points 32 . 38 are arranged offset radially to each other, ie at a radial distance 42 are positioned with respect to each other.

Die Wandstärken, d.h. die reduzierte zweite Wandstärke 32, die reduzierte dritte Wandstärke 40 sowie die reduzierte einheitliche Wandstärke 56 sind im Bereich der Umlenkstellen 32, 38 soweit minimiert, wie es die Festigkeit der Bauteilesensormembran zulässt. The wall thicknesses, ie the reduced second wall thickness 32 , the reduced third wall thickness 40 as well as the reduced uniform wall thickness 56 are in the area of the deflection points 32 . 38 minimized as far as the strength of the component sensor membrane allows.

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Claims (12)

Druckmesseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zur Ermittlung eines Brennraumdruckes mit einem Gehäuse (10), in dem eine Sensormembran (19, 20) aufgenommen ist, die einen Druckraum (24) von einem Hohlraum (22) trennt und die eine druckbeaufschlagte Fläche (27) umfasst, wobei die Sensormembran (19, 20) das Gehäuse (10) gegen den zu messenden Druck abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass die druckbeaufschlagte Fläche (27) der Sensormembran (20) zwischen einer ersten Umlenkstelle (32) und einer zweiten Umlenkstelle (38) liegt, die jeweils in reduzierter Wandstärke (34, 40) in Bezug auf eine erste Wandstärke (28) der Sensormembran (20) ausgeführt sind. Pressure measuring device for an internal combustion engine, in particular for determining a combustion chamber pressure with a housing ( 10 ), in which a sensor membrane ( 19 . 20 ), which has a pressure chamber ( 24 ) of a cavity ( 22 ) and the one pressurized surface ( 27 ), wherein the sensor membrane ( 19 . 20 ) the housing ( 10 ) seals against the pressure to be measured, characterized in that the pressurized surface ( 27 ) of the sensor membrane ( 20 ) between a first deflection point ( 32 ) and a second deflection point ( 38 ), each in reduced wall thickness ( 34 . 40 ) with respect to a first wall thickness ( 28 ) of the sensor membrane ( 20 ) are executed. Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierten zweiten und dritten Wandstärken (34, 40) identisch sind.Pressure measuring device according to claim 1, characterized in that the reduced second and third wall thicknesses ( 34 . 40 ) are identical. Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierten zweiten und dritten Wandstärken (34, 40) verschieden voneinander sind. Pressure measuring device according to claim 1, characterized in that the reduced second and third wall thicknesses ( 34 . 40 ) are different from each other. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkstellen (32, 38) in der Sensormembran (20) in einem radialen Abstand (42) zueinander angeordnet sind.Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the deflection points ( 32 . 38 ) in the sensor membrane ( 20 ) at a radial distance ( 42 ) are arranged to each other. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandstärke (28) der Sensormembran (20) bei bis zu 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 1,0 mm liegt. Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the first wall thickness ( 28 ) of the sensor membrane ( 20 ) is up to 1.0 mm, preferably between 0.2 mm and 1.0 mm. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reduzierten zweiten und dritten Wandstärken (34, 40) zwischen 0,15 mm und 0,4 mm liegen. Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the reduced second and third wall thicknesses ( 34 . 40 ) are between 0.15 mm and 0.4 mm. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormembran (20) einen eingeschnürten Bereich (50) umfasst. Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor membrane ( 20 ) a constricted area ( 50 ). Druckmesseinrichtung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeschnürte Bereich (50) eine Verlängerung (52) aufweist, die sich ausgehend von der druckbeaufschlagten Fläche (27) in Richtung des Druckraumes (24) erstreckt.Pressure measuring device according to the preceding claim, characterized in that the constricted area ( 50 ) an extension ( 52 ), starting from the pressurized surface ( 27 ) in the direction of the pressure chamber ( 24 ). Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (52) sich ausgehend von der zweiten Umlenkstelle (38) der Sensormembran (20) erstreckt. Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the extension ( 52 ) starting from the second deflection point ( 38 ) of the sensor membrane ( 20 ). Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (52) mehrere Millimeter, insbesondere 2 mm beträgt.Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the extension ( 52 ) is several millimeters, in particular 2 mm. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (52) zur Aufnahme unterschiedlicher Wärmedehnungen auf einer brennraum-zuwandten Seite und einer brennraumabgewandten Seite der Sensormembran (20) zu einer Reduzierung des Thermoschockeffekts ausgebildet ist. Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the extension ( 52 ) for receiving different thermal expansions on a combustion chamber-facing side and a combustion chamber side facing away from the sensor membrane ( 20 ) is designed to reduce the thermal shock effect. Druckmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung (52) unter Berücksichtigung weiterer Maße der Sensormembran (20) eine Länge zur Reduzierung des Thermoschockeffekts aufweist.Pressure measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the extension ( 52 ) taking into account further dimensions of the sensor membrane ( 20 ) has a length for reducing the thermal shock effect.
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