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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus einer federelastischen Membran nach Gattung gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 hervor. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Membran für eine Druckmesseinrichtung zur Ermittlung eines Drucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine. Derartige Druckmesseinrichtungen sind bekannterweise entweder separat von einer Glühkerze in dem Brennraum vorgesehen, können aber auch in einer Glühkerze integriert vorgesehen sein. Dabei befindet sich ein Glühstift innerhalb einer in dem zu messenden Brennraum angeordneten Glühkerze bzw. Glühstiftkerze, der als Druckkraftübertragungselement wirkt, über das ein in der Brennkammer vorliegender Druck auf ein mit dem Glühstift in Wirkverbindung stehendes Drucksensormodul übertragen wird, welches sich dabei ebenfalls innerhalb der Glühkerze befindet oder mit dieser in Verbindung steht. Alternativ dazu kann auch ein den Glühstift führendes Stützrohr, auch Glührohr genannt, als Druckübertragungselement vorgesehen sein. Eine entsprechende Glühkerze, bei der sich das Drucksensormodul innerhalb der Glühkerze befindet, besteht dabei generell aus einem (evtl. in einem Glührohr geführten) Glühstift, der in einem Sensorgehäuse über eine Verbindungshülse in axialer Richtung beweglich gelagert ist, wobei sich das Sensorgehäuse wiederum in einem Dichtkonusgehäuse befindet, das als äußere Hülle der Glühkerze dient. Ein prinzipiell ähnlicher Aufbau kann 1 entnommen werden. Ausgehend von der Spitze des Glühstifts, auch Glühspitze genannt, befindet sich hier das Sensormodul in der Glühkerze hinter bzw. über dem axial beweglich gelagerten Glühstift und steht mit diesem in Wirkverbindung, so dass eine durch die Verbrennung erzeugte Druckkraft, die auf die Glühspitze wirkt, durch den Glühstift (oder das Glührohr) in dessen Funktion als Druckkraftübertragungselement auf das Sensormodul übertragen wird. Ein Hauptproblem dabei ist, dass die im Brennraum vorhandenen und in die Spitze der Glühkerze eindringenden Medien aufgrund ihrer Temperatur während der Verbrennung und aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften das Sensormodul und die damit verbundene Elektronik zerstören können. Um dies zu verhindern, wurden in der Vergangenheit bereits federelastische Membranen entwickelt, wie sie unter anderem nachfolgend beschrieben sind.
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In der
DE 10 2006 057 627 A1 ist eine Druckmesseinrichtung beschrieben, die zur Anordnung im Brennraum einer selbstzündenden Brennkraftmaschine dient. Die darin beschriebene Druckmesseinrichtung liegt in Form einer Glühkerze vor und umfasst ein Gehäuse, ein Kraftübertragungselement in Form eines stabförmigen Heizelements, das an einer kammerseitigen Öffnung des Gehäuses teilweise aus dem Gehäuse ragt, und einen Drucksensor. Dieser ist in einem Innenraum des Gehäuses der Druckmesseinrichtung angeordnet und steht mit dem Kraftübertragungselement in Wirkverbindung. Ferner ist eine zylinderförmige Membran vorgesehen, die den Innenraum des Gehäuses, in dem der Drucksensor angeordnet ist, gegenüber der brennkammerseitigen Öffnung abdichtet. Die Membran, die als Metallmembran ausgebildet sein kann, weist einen Kraftübertragungsabschnitt auf, der in einer axialen Richtung des Kraftübertragungselementes orientiert ist. Der Drucksensor steht bei dieser Ausführung einer Druckmesseinrichtung über den Kraftübertragungsabschnitt der Membran mit dem Kraftübertragungselement in Wirkverbindung. Dadurch erfolgt zumindest eine teilweise Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Membran, die beispielsweise durch heiße Brennstoffgase verursacht werden und zu periodischen Beeinträchtigungen der Druckmessung führen können.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2007 049 971 A1 eine Glühstiftkerze bekannt, die in einer Brennkammer einer selbstzündenden Brennkraftmaschine anzuordnen ist. Die Glühstiftkerze weist ein Gehäuse, ein Kraftübertragungselement in Form eines stabförmigen Heizelements, das teilweise aus dem Gehäuse ragt, und einen Drucksensor auf, der in einem Innenraum des Gehäuses der Glühkerze 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 Membran, hier speziell eine Federmembran dichtet den Innenraum des Gehäuses gegenüber der Brennkammer der Brennkraftmaschine ab. Dabei ist die Federmembran als im Schnitt S-förmige Federmembran ausgestaltet. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine druckausgeglichene Auslegung erreicht werden, so dass die Genauigkeit einer Druckmessung durch den Drucksensor verbessert werden kann.
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Innerhalb eines Brennraumdrucksensors wird die Membran demzufolge generell dazu benötigt, den Innenraum der Glühstiftkerze bzw. der Druckmesseinrichtung gegenüber dem Brennraum abzudichten, um zu verhindern, dass die eindringenden Medien aufgrund ihrer Temperatur und ihrer aggressiven chemischen Eigenschaften die Bauteile des Sensormodules und der Elektronik binnen kürzester Zeit zerstören. Gleichzeitig sollte die Membran aber auch die Belastungen während des Sensorbetriebes über eine möglichst lange Lebensdauer aushalten, zu denen im Wesentlichen die zyklischen Belastungen des Druckwechsels (mehrere hundert Millionen Lastwechsel pro Lebensdauer) sowie das hohe Niveau der Durchschnittstemperatur zu zählen sind. Darüber hinaus muss eine sich verändernde Empfindlichkeit der Druckmesseinrichtung und daraus entstehende Messfehler verhindert werden (sog. „Kalibrierfaktor“-Effekt), die aus Änderungen der mittleren Temperatur an der Membran, beispielsweise durch unterschiedliche Motorlastzustände, entsteht. Weiterhin müssen ebenfalls zu Messfehlern führende Kurzzeiteffekte innerhalb eines Lastspiels verhindert werden, wie z.B. der sog. „Thermoschock“-Effekt, bei dem schnelle, schockartige Veränderungen der Temperatur an der Membran zu mechanischen Spannungen zwischen dem äußeren und inneren Teil des Membranmaterials führen, da die Wärme zur oder von der Oberfläche schneller übertragen bzw. abgeführt wird als zum Inneren.
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Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden bereits Membranen mit Auflageanordnungen entwickelt, bei denen eine zu starke Verformung der Membran durch speziell ausgebildete Auflageelemente verhindert werden kann. Ein entscheidender Nachteil derartiger Membranbaugruppen mit Auflage ist eine in Versuchen nachgewiesene Abhängigkeit des Druckmesssignals vom Auflagepunkt der Membran auf der Auflagefläche des Auflageelements. Abhängig von Druck- und Temperaturlasten, die während des Betriebs des Brennraumdrucksensors auftreten, kann sich dieser Auflagepunkt verschieben, wodurch sich die Messempfindlichkeit des Messsignals auf Druck unerwünscht verändert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße federelastische Membran mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass der Sensorinnenraum ausreichend abgedichtet werden kann, wobei auf Auflageflächen verzichtet wird, indem die Geometrie der Membran zur Vermeidung zu hoher Zugspannungen in der Membran optimiert ist. Genauer gesagt wird dieser Vorteil durch eine federelastische Membran für eine Druckmesseinrichtung zur Ermittlung eines Drucks in einem Brennraum einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine erzielt, wobei die Membran in einem Gehäuse der Druckmesseinrichtung aufgenommen ist, genauer gesagt innerhalb eines Dichtkonusgehäuses einer in dem Brennraum angeordneten Glühkerze, um einen sog. Druckraum von einem sog. Hohlraum innerhalb der Glühkerze zu trennen und das Gehäuse gegen den zu messenden Druck im Brennraum abzudichten. Die Membran umfasst dabei einen druckbeaufschlagten Bereich, auf den der in dem Brennraum vorherrschende Druck während des Betriebs der Brennkraftmaschine hauptsächlich wirkt. Die Membran ist dabei ringförmig ausgebildet und weist im Querschnitt eine zum Hohlraum hin offene U-Form auf, wobei der druckbeaufschlagte Bereich der Membran geometrisch durch zwei miteinander verbundene Viertelkreise ausgebildet ist, so dass der druckbeaufschlagte Bereich eine gegen die auftretenden Verbrennungsdrucklasten selbsttragende Struktur aufweist. Bereits mit der beschriebenen U-Querschnittsform der Membran wird eine geometrische Stabilität gegen den von außen wirkenden Druck nach dem Prinzip eines Staudamms erreicht und die Membran kann generell sowohl materialtechnisch als auch dimensionsbezogen weicher aufgebaut werden. In einer bevorzugten Ausführung der federelastischen Membran ist der radial äußere Schenkel der U-Form der Membran kürzer als der radial innere Schenkel der U-Form ausgebildet, wodurch sich eine bessere Führung des Glühstifts durch die Membran sowie eine leichtere Zugänglichkeit zu den Befestigungsbereichen bzw. den zu verschweißenden Bereichen zwischen dem Glühstift und der Membran ergibt.
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Vorzugsweise sind die beiden Viertelkreise, die die Querschnittsform der Membran maßgeblich vorgeben, über eine gerade, also nicht gebogene Stirnfläche des druckbeaufschlagten Bereichs miteinander verbunden, wodurch sich eine am unteren Ende abgeflachte U-Form der Membran ergibt. Dies hat den Vorteil, dass die Membran leicht zu fertigen ist, beispielsweise durch einen Tiefziehvorgang oder dergleichen. In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen federelastischen Membran weisen die beiden Viertelkreise des druckbeaufschlagten Bereichs unterschiedliche Radien auf, wodurch die Belastung der Membran oder die Empfindlichkeit des gesamten Druckmesssystems an variable Radien des Dichtkonusgehäuses angepasst und eine Messfunktion optimiert werden kann. Vorzugsweise weisen hier die Viertelkreise im Wesentlichen gleiche Radien auf.
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In einer alternativen Ausführung der erfindungsgemäßen federelastischen Membran bilden die beiden Viertelkreise zusammen einen Halbkreis aus, ohne eine Stirnfläche zwischen sich anzuordnen. Mit der dadurch erzielten teilweise halbkreisförmigen U-Gestalt der Membran wird auf geometrische Art und Weise eine maximale statische Stabilität der Membran erreicht, wodurch sich wiederum eine erhöhte Lebensdauer der Membran ergibt.
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Weiter vorzugsweise ist der radial äußere Schenkel der U-förmigen Membran mit dem Gehäuse der Druckmesseinrichtung und der radial innere Schenkel der U-förmigen Membran mit einem Kraftübertragungselement der Druckmesseinrichtung verbunden, wobei beispielsweise der Glühstift der Glühkerze als Kraftübertragungselement dient. Es kann sich bei dem Kraftübertragungselement aber auch um ein Stützrohr des Glühstifts der Glühkerze handeln, bzw. bei einer reinen, also separat von einer Glühkerze vorgesehenen Druckmessvorrichtung um einen Metallstift ohne jegliche Heizfunktion. Durch eine derartige feste Verbindung der Membran zwischen dem Kraftübertragungselement und dem Gehäuse der Druckmesseinrichtung wird sichergestellt, dass der Hohlraum im Inneren der Druckmesseinrichtung fluiddicht gegenüber dem Druckraum abgedichtet ist. Die Verbindungen zwischen der Membran und dem Gehäuse bzw. dem Kraftübertragungselement können dabei Schweißverbindungen sein. In einer weiteren vorzuziehenden Ausführung der erfindungsgemäßen federelastischen Membran ist die Membran ein tiefgezogenes Bauteil und/oder eine Metallmembran, was den Vorteil mit sich bringt, dass die Membran leicht zu fertigen ist und eine hohe Lastwechselsteifigkeit aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittabbildung eines Ausschnitts einer Glühkerze mit einer federelastischen Membran gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine geschnittene Detailabbildung der in 1 gezeigten federelastischen Membran; und
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3 eine geschnittene Detailabbildung einer federelastischen Membran gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine geschnittene Detailansicht einer erfindungsgemäßen federelastischen Membran 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform in einer Glühkerze. Die Membran 1 ist dabei zwischen einem Glühkerzengehäuse oder Glühkerzendichtkonusgehäuse 2 und einem Stützrohr 5 des Glühstifts bzw. einem Glührohr 5 angeordnet, wobei die Glühkerze selbst innerhalb eines Zylinderkopfs (nicht gezeigt) einer selbstzündenden Brennkraftmaschine angeordnet ist. Anstelle des Glührohrs 5, das in der ersten bevorzugten Ausführungsform als Kraftübertragungselement 5 der Druckmesseinrichtung wirkt, ist es auch denkbar, dass ein Glühstift 8 direkt als Kraftübertragungselement vorgesehen ist und mit der Membran 1 in Verbindung steht. Es wäre aber auch jedes andere zylindrische Kraftübertragungselement denkbar, wie z.B. ein einfacher zylindrischer Metallstift oder dergleichen, wobei es sich in diesem Fall nicht mehr um eine Glühkerze sondern alternativ dazu um eine reine Druckmesseinrichtung handeln würde.
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Die federelastische Membran 1 ist ringförmig ausgebildet und befindet sich auf ihrer radial inneren Seite mit dem Glührohr 5 in Anlage und auf ihrer radial äußeren Seite mit einem Sensorgehäuse 7 in Anlage. Wie es in 1 und in 2 zu sehen ist, ist die Membran 1 an der radial inneren Seite durch ein Ende 61 einer Verbindungshülse 6 fest mittels einer Schweißnaht 50 mit dem Glührohr 5 verbunden. An der radial äußeren Seite ist die Membran 1 demgegenüber mit einem Ende 71 des Sensorgehäuses 7 mittels einer Schweißnaht 10 verbunden, wobei das Sensorgehäuse 7 selbst mittels der Schweißnaht 20 an dem Gehäuse 2 befestigt ist. Das Ende 71 des Sensorgehäuses 7 als auch das Ende 61 der Verbindungshülse 6 haben im Querschnitt eine sich stufenweise verjüngende Gestalt, so dass sich Aussparungen ergeben, in die die Membran 1 eingesetzt werden kann. Durch diese Verbindungsanordnung wird sichergestellt, dass ein im Inneren der Glühkerze angeordneter Hohlraum 4 fluiddicht von einem ebenfalls im Inneren der Glühkerze angeordneten Druckraum 3 abgeschlossen ist, so dass keine Brenngase von dem Druckraum 3, der mit der Brennkammer (nicht gezeigt) eines Zylinders der Brennkraftmaschine in Fluidverbindung steht, in den Hohlraum 4 eindringen können. Die federelastische Membran 1, die ausgehend von der Schweißnaht 50 bis zur Anlage an dem Sensorgehäuse 7 mit Druck aus dem Druckraum 3 beaufschlagt wird, weist im Schnitt generell eine U-Form auf, wobei die U-Form der Membran 1 einen Bodenabschnitt 11 umfasst, der den sog. druckbeaufschlagten Bereich 11 der Membran 1 darstellt. Der druckbeaufschlagte Bereich 11 hat eine Außenseite bzw. Unterseite 111, die im Betrieb der Glühkerze zu dem Druckraum 3 hin freiliegt, wodurch die Außenseite bzw. Unterseite 111 der Membran 1 mit dem Verbrennungsdruck eines jeden Verbrennungszykluses innerhalb des Zylinders beaufschlagt wird. Weiterhin weist der druckbeaufschlagte Bereich 11 eine Innenseite bzw. Oberseite 112 auf, die zu dem Inneren der U-Form der Membran 1, also zu dem Hohlraum 4 hin angeordnet ist. Ferner weist die U-Form der Membran 1 einen radial innen angeordneten langen Schenkel 12 und einen radial außen angeordneten kurzen Schenkel 13 auf, wobei der lange Schenkel 12 mit dem Ende 61 der Verbindungshülse 6 und der kurze Schenkel 13 mit dem Ende 71 des Sensorgehäuses 7 in Verbindung steht, so dass sowohl die Verbindungshülse 6 als auch das Sensorgehäuse 7 innerhalb des U-förmigen Querschnitts der Membran 1 angeordnet sind.
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Der druckbeaufschlagte Bereich 11 ist gemäß 2 im Schnitt geometrisch aus einem ersten Viertelkreis 113 und einem zweiten Viertelkreis 114 geformt, zwischen denen eine gerade Stirnfläche 110 angeordnet ist. Jeder der Viertelkreise 113 und 114 hat in dieser Ausführungsform einen Radius, die im Wesentlichen gleich zueinander sind.
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In 3 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen federelastischen Membran 1 gezeigt. Die generelle Anordnung der Membran 1 in dieser Ausführungsform ist ähnlich zu der Anordnung in der ersten bevorzugten Ausführungsform und wird daher hier nicht noch einmal wiederholt. Der druckbeaufschlagte Bereich 11 der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Membran 1 besteht hier im Schnitt geometrisch aus zwei direkt verbundenen Viertelkreisen 113 und 114, zwischen denen keine Stirnfläche angeordnet ist, wodurch sich aus den beiden Viertelkreisen 113 und 114 ein Halbkreis 115 ergibt, der bezüglich seiner Form den gesamten druckbeaufschlagten Bereich 11 ausbildet. Bei einer Verwendung der Membran 1 gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfährt bei einer Beaufschlagung durch einen im Brennraum (von unten) wirkenden Verbrennungsdruck der Bereich 116 der Membran 1 in Versuchen eine wesentlich geringere Stresslast. Dadurch kann die Lebensdauer der federelastischen Membran 1 deutlich verbessert werden, da die Zugspannungen in der Membran 1 minimiert werden können. Darüber hinaus wird eine deutlich verbesserte Konstanz der Empfindlichkeit über Druck- und Temperaturlasten erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006057627 A1 [0002]
- DE 102007049971 A1 [0003]
