DE102012219824A1

DE102012219824A1 - Miniaturized combustion chamber pressure sensor with zugvorgespanntem sensor housing

Info

Publication number: DE102012219824A1
Application number: DE102012219824.5A
Authority: DE
Inventors: Holger Scholzen
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-04-30
Also published as: WO2014067722A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennraumdrucksensor (10) mit einem Sensormodul (20), umfassend ein Sensorgehäuse (48), das an einer Verbindungshülse (40) und einem Fixierelement (34) angebracht ist. Das Sensormodul (20) weist ein Piezoelement (22) auf, das zum Erfassen einer Druckkraft (70) auf einen Stößel (38) ausgebildet ist. Hierbei ist zwischen dem Stößel (38) und der Verbindungshülse (40) ein Federelement (42) aufgenommen.The invention relates to a combustion chamber pressure sensor (10) having a sensor module (20), comprising a sensor housing (48) which is attached to a connection sleeve (40) and a fixing element (34). The sensor module (20) has a piezo element (22) which is designed to detect a pressure force (70) on a plunger (38). Here, a spring element (42) is received between the plunger (38) and the connecting sleeve (40).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft einen Brennraumdrucksensor mit einem Sensormodul, der in einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird. The invention relates to a combustion chamber pressure sensor with a sensor module which is used in an internal combustion engine.

Aus DE 10 2004 043 874 A1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen des Drucks in einem Brennraum bekannt, die Teil einer Glühstiftkerze ist. Die Druckmessvorrichtung umfasst einen Glühstift, der eine Druckkraft auf eine stufenförmige Erweiterung ausübt. Die stufenförmige Erweiterung ist an ihrem brennraumabgewandten Ende mit einem Zapfen versehen, der eine Druckkraft auf einen Drucksensor ausübt. Dabei ist der Drucksensor an einem Träger gelagert, und mit einer Datenleitung verbunden, die die erfassten Messwerte des Drucksensors an eine Steuereinheit weiterleitet. Ferner ist zwischen der stufenförmigen Erweiterung und einer Anschlagfläche an einem unteren Gehäuseteil ein elastisches Dichtelement angeordnet.Out DE 10 2004 043 874 A1 a device is known for detecting the pressure in a combustion chamber, which is part of a glow plug. The pressure measuring device comprises a glow plug, which exerts a compressive force on a stepped extension. The stepped extension is provided at its end remote from the combustion chamber with a pin which exerts a pressure force on a pressure sensor. In this case, the pressure sensor is mounted on a carrier, and connected to a data line, which forwards the detected measured values of the pressure sensor to a control unit. Further, an elastic sealing element is arranged between the stepped extension and a stop surface on a lower housing part.

Aus DE 10 2011 002 596 A1 ist ein Brennraumdrucksensor bekannt, der ein Gehäuse umfasst, in dem ein Stößel zentrisch aufgenommen ist. Die im Verbrennungsraum vorherrschenden Drücke üben auf den Stößel eine Druckkraft auf, die auf ein Wandlerelement, das als Piezoelement ausgeführt sein kann, übertragen. Das Wandlerelement ist an einem oder mehreren Fixierelementen gelagert. die im Innenraum des Gehäuses aufgenommen sind. Ferner ist der Stößel an einem brennraumseitigen Ende mit einer Membran versehen, die den Brennraumdrucksensor vor den im Verbrennungsraum herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen schützt. Die Membran ist im Wesentlichen mit einem U-förmigen Querschnitt ausgeführt und stützt sich über Fixierungen an Vertiefungen in der Innenwand des Gehäuses bzw. im Stößel ab. Out DE 10 2011 002 596 A1 a combustion chamber pressure sensor is known which comprises a housing in which a plunger is received centrally. The prevailing in the combustion chamber pressures exert on the plunger to a compressive force, which is transmitted to a transducer element that can be designed as a piezoelectric element. The transducer element is mounted on one or more fixing elements. which are accommodated in the interior of the housing. Furthermore, the plunger is provided at a combustion chamber end with a membrane which protects the combustion chamber pressure sensor from the pressure and temperature conditions prevailing in the combustion chamber. The membrane is designed substantially with a U-shaped cross-section and is supported by fixations on recesses in the inner wall of the housing or in the plunger.

In den bekannten Brennraumdrucksensoren sind die Piezoelemente durch eine Mehrzahl an Gehäusewandungen umgeben, die durch Restluftspalte voneinander getrennt sind. Hierdurch ergeben sich erhebliche Mindestdurchmesser für die Brennraumdrucksensoren.In the known combustion chamber pressure sensors, the piezoelectric elements are surrounded by a plurality of housing walls, which are separated from one another by residual air gaps. This results in considerable minimum diameter for the combustion chamber pressure sensors.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Brennraumdrucksensor weist ein Sensormodul auf, das die in einem Verbrennungsraum herrschenden Drücke erfasst, quantifiziert und an eine elektronische Messeinheit weiterleitet. Das Sensormodul umfasst ein Sensorgehäuse, das zwischen einer Verbindungshülse und einem Fixierelement angebracht ist. Dabei umschließen die Verbindungshülse, das Fixierelement und das Sensorgehäuse einen im Wesentlichen zylindrischen Sensor-Innenraum. Das Sensormodul umfasst ferner ein Piezoelement, das im Sensorinnenraum aufgenommen ist. Das Piezoelement ist ausgebildet, eine Druckkraft zu erfassen, die auf einen Stößel ausgeübt wird. Der Stößel erstreckt sich durch die Verbindungshülse in den Sensor-Innenraum und ist in der Verbindungshülse axial beweglich aufgenommen. Dabei ist zwischen dem Stößel und der Verbindungshülse ein Federelement angebracht, das auf den Stößel eine Axialkraft ausübt. Das Sensormodul ist in einer vorteilhaften Ausführungsform ferner in einer Druckhülse aufgenommen, die als ein Gehäuse des Brennraumdrucksensors dient. Eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung zwischen der Verbindungshülse und der Druckhülse gewährleistet vorteilhafterweise eine Fixierung des Sensormoduls, die eine axiale Verschiebung des Sensormoduls verhindert. The combustion chamber pressure sensor has a sensor module which detects the pressures prevailing in a combustion chamber, quantifies them and forwards them to an electronic measuring unit. The sensor module comprises a sensor housing which is mounted between a connection sleeve and a fixing element. In this case, the connecting sleeve, the fixing element and the sensor housing enclose a substantially cylindrical sensor interior. The sensor module further comprises a piezoelectric element which is accommodated in the sensor interior. The piezoelectric element is designed to detect a compressive force which is exerted on a plunger. The plunger extends through the connecting sleeve in the sensor interior and is axially movably received in the connecting sleeve. In this case, a spring element is mounted between the plunger and the connecting sleeve, which exerts an axial force on the plunger. The sensor module is also received in an advantageous embodiment in a pressure sleeve, which serves as a housing of the combustion chamber pressure sensor. A cohesive connection, in particular a welded connection between the connecting sleeve and the pressure sleeve advantageously ensures a fixation of the sensor module, which prevents an axial displacement of the sensor module.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors wirken in einem Einbauzustand keine äußeren Kräfte, beispielsweise infolge von Druck in einem Verbrennungsraum, auf den Brennraumdrucksensor ein. Ferner kann sich im Einbauzustand durch die Axialkraft des Federelements und die Rückstellkraft des Piezoelements im Piezoelement eine Druckvorspannung einstellen. Dabei wirkt im Einbauzustand vorzugsweise eine Druckkraft von maximal 800N auf das Piezoelement ein. Druckkräfte, die auf den Stößel einwirken, führen in vorteilhafter Weise im Piezoelement zu einer Druckschwellbelastung. Ferner kann zwischen dem Sensorgehäuse und der Druckhülse ein Restluftspalt ausgebildet sein, der das Sensormodul vor thermischen Schockeinwirkungen der Umgebung isoliert. Des Weiteren kann die Verbindungshülse des Brennraumdrucksensors mit einer Flammschutzmembran versehen sein, die an einer umlaufenden Verbindungsfläche am Stößel anliegt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Federsteifigkeit des Federelements die Federsteifigkeit der Flammschutzmembran übersteigen, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Flammschutzmembran eine Federsteifigkeit von Null auf. Darüber hinaus kann der Stößel als Heizkörper, der Teil einer Glühstiftkerze ist, ausgebildet sein. Ferner kann die Druckhülse einen Durchmesser aufweisen, der einem M8-Gewinde entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann im Sensormodul des Brennraumdrucksensors das Piezoelement zwischen Isolierkörpern befestigt sein, die sich an einem Fixierelement oder am Stößel abstützen. Ferner kann der Brennraumdrucksensor derart ausgebildet sein, dass der Stößel im Betrieb des Verbrennungsmotors einen Hub von 1 bis 10 µm ausführt. In a further embodiment of the combustion chamber pressure sensor according to the invention, in an installed state, no external forces, for example due to pressure in a combustion chamber, act on the combustion chamber pressure sensor. Furthermore, in the installed state, a compressive prestress can be set by the axial force of the spring element and the restoring force of the piezoelectric element in the piezoelectric element. In the installed state, preferably a compressive force of at most 800 N acts on the piezoelectric element. Compressive forces acting on the plunger lead advantageously in the piezoelectric element to a pressure threshold load. Furthermore, a residual air gap can be formed between the sensor housing and the pressure sleeve, which isolates the sensor module from thermal shock effects of the environment. Furthermore, the connecting sleeve of the combustion chamber pressure sensor can be provided with a flameproof membrane, which rests on a circumferential connecting surface on the plunger. In a preferred embodiment of the invention, the spring stiffness of the spring element may exceed the spring stiffness of the flameproof membrane, in a particularly preferred embodiment, the flameproof membrane has a spring stiffness of zero. In addition, the plunger as a radiator, which is part of a glow plug, be formed. Further, the pressure sleeve may have a diameter corresponding to an M8 thread. In a preferred embodiment of the invention, in the sensor module of the combustion chamber pressure sensor, the piezoelement can be fastened between insulating bodies, which are supported on a fixing element or on the plunger. Further, the combustion chamber pressure sensor may be configured such that the plunger performs a stroke of 1 to 10 microns during operation of the internal combustion engine.

Vorteile der Erfindung Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Druckraumsensor stellt ein kompaktes Messinstrument zur Verfügung, das dazu geeignet ist, mit hoher Präzision die in einem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors herrschenden Druckbedingungen zu erfassen. Dabei ist der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor einfach und kostengünstig herzustellen. Zur Erzielung einer erhöhten Messgenauigkeit befinden sich Piezoelemente in einem Einbauzustand stets unter einer Vorspannung. Das Federelement im erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor erlaubt es, in einem Einbauzustand, in dem keine Druckkräfte aus einem Verbrennungsraum auf den Stößel einwirken, das Piezoelement unter einer Druckvorspannung zu halten. Druckkräfte, die auf den Stößel einwirken, führen im laufenden Betrieb des Brennraumdrucksensors zu einer Druckschwellbelastung des Piezoelements. Bei einer Druckschwellbelastung liegt zwischen der einwirkenden Druckkraft und der vorliegenden Verformung ein linearer Zusammenhang vor. Ein nichtlinearer Zusammenhang kann ferner durch einen ASIC linearisiert werden. Ein linearer Zusammenhang liefert präzise Messwerte, so dass der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor eine hohe Messgenauigkeit aufweist. Ferner wird durch die Druckschwellbelastung des Piezoelements eine exakt reproduzierbare, möglichst gleichbleibende Kennlinie gewährleistet.The pressure space sensor according to the invention provides a compact measuring instrument which is suitable for detecting with high precision the pressure conditions prevailing in a combustion chamber of an internal combustion engine. In this case, the combustion chamber pressure sensor according to the invention is simple and inexpensive to manufacture. To achieve an increased measurement accuracy, piezo elements are always under a bias in an installed state. The spring element in the combustion chamber pressure sensor according to the invention makes it possible to keep the piezoelement under a compressive prestress in an installed state in which no pressure forces from a combustion space act on the tappet. Compressive forces acting on the plunger, during operation of the combustion chamber pressure sensor to a pressure threshold load of the piezoelectric element. At a pressure threshold load, a linear relationship exists between the applied compressive force and the present deformation. A nonlinear relationship may also be linearized by an ASIC. A linear relationship provides precise measured values, so that the combustion chamber pressure sensor according to the invention has a high accuracy of measurement. Furthermore, an exactly reproducible, as constant as possible characteristic is ensured by the pressure threshold load of the piezoelectric element.

Des Weiteren bewirkt die Druckvorspannung des Piezoelements, dass sich das Sensorgehäuse in einem Einbauzustand in axialer Richtung in einem Zustand der Zugbelastung befindet. Das Sensorgehäuse ist ein rotationssymmetrisches Bauteil, das auch bei einer geringen Wandstärke einer hohen Zugbeanspruchung standhält. Steht ein Sensorgehäuse in einem Einbauzustand hingegen unter einer Druckbeanspruchung, ist für das Sensorgehäuse eine hohe Wandstärke erforderlich, die eine hinreichende Stabilität gegen Beulen gewährleistet. Das Sensormodul des erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors vermeidet den beschriebenen Nachteil und kann folglich in einfacher Weise mit einem verhältnismäßig dünnwandigen Sensorgehäuse hergestellt werden. Ferner erlaubt das axiale Aufbringen einer Vorspannung des Piezoelements durch das Federelement, den Brennraumdrucksensor in radialer Richtung zu verkleinern und platzsparend auszuführen. Furthermore, the compressive bias of the piezoelectric element causes the sensor housing to be in an installed state in the axial direction in a state of tensile load. The sensor housing is a rotationally symmetrical component that withstands high tensile stress even with a small wall thickness. If a sensor housing in an installed state, however, under a compressive stress, a high wall thickness is required for the sensor housing, which ensures a sufficient stability against dents. The sensor module of the combustion chamber pressure sensor according to the invention avoids the described disadvantage and can consequently be produced in a simple manner with a relatively thin-walled sensor housing. Further, the axial application of a bias voltage of the piezoelectric element by the spring element allows to reduce the combustion chamber pressure sensor in the radial direction and to save space.

Auf zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Spannhülsen, die im Piezoelement im Einbauzustand eine Vorspannung einstellen, kann verzichtet werden. Ferner entfällt mit der Spannhülse auch der zusätzliche Restluftspalt zwischen der Spannhülse und dem Sensorgehäuse. Der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor weist lediglich einen umlaufenden Restluftspalt zwischen dem Sensorgehäuse und der Druckhülse auf. Infolgedessen kann das Sensormodul im erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor mit einem verhältnismäßig geringen Durchmesser ausgeführt werden. Ferner kann ohne Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit oder Zuverlässigkeit des Brennraumdrucksensors der Durchmesser der Druckhülse ebenfalls verringert ausgeführt werden. Ferner können die Restluftspalte im erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor vergrößert ausgebildet sein, was eine bessere Temperaturkompensation des Piezoelements und höhere Robustheit des Brennraumdrucksensors gewährleistet. Insgesamt stellt die Platzersparnis in radialer Richtung Bauraum zur Verfügung, der Spielraum für die mechanische Auslegung des Piezoelements bietet. On additional components, such as clamping sleeves, which set a bias in the piezoelectric element in the installed state, can be dispensed with. Furthermore, eliminates the additional residual air gap between the clamping sleeve and the sensor housing with the clamping sleeve. The combustion chamber pressure sensor according to the invention has only one circumferential residual air gap between the sensor housing and the pressure sleeve. As a result, the sensor module in the combustion chamber pressure sensor according to the invention can be designed with a relatively small diameter. Furthermore, without affecting the functionality or reliability of the combustion chamber pressure sensor, the diameter of the pressure sleeve can also be reduced. Furthermore, the residual air gaps in the combustion chamber pressure sensor according to the invention can be enlarged, which ensures better temperature compensation of the piezoelectric element and greater robustness of the combustion chamber pressure sensor. Overall, the space savings in the radial direction space available that provides scope for the mechanical design of the piezoelectric element.

Des Weiteren erlaubt der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor ein hohes Maß an Messgenauigkeit beim Erfassen der im Verbrennungsraum herrschenden Drücke. Das Federelement, das zwischen dem Stößel und der Verbindungshülse aufgenommen ist, weist vorzugsweise eine Federsteifigkeit auf, die die Federsteifigkeit der Flammschutzmembran deutlich übersteigt. Hierdurch wird der Anteil der Federkraft, die die Flammschutzmembran auf den Stößel ausübt, gering. Es erfolgt praktisch keine Beeinträchtigung des Messergebnisses durch die Federkraft der Flammschutzmembran. Stattdessen ist bei der Auswertung der erfassten Werte des Piezoelements lediglich die Wirkung der Federkraft des Federelements zu berücksichtigen. Hierzu kann ein Federelement, beispielsweise in Form einer Tellerfeder gewählt werden, das auch über eine lange Betriebsdauer eine exakte Feder-Kennlinie aufweist. Das dem Piezoelement in Reihe vorgeschaltete Federelement gewährleistet einen Zugewinn an Bauraum, was mit Flexibilität in der Auslegung des Federelements einhergeht. Das Federelement kann eine erhöhte Empfindlichkeit aufweisen oder eine Biegung durchführen. Eine erhöhte Empfindlichkeit des Federelements geht mit einem größeren Rausch-Abstand einher. Ferner ist eine Tellerfeder stets selbstzentrierend und erfordert keine präzisen und aufwendigen Montageschritte. Eine Spiralfeder stellt eine Möglichkeit zur Verfügung, das Federelement mit einer niedrigeren Federsteifigkeit als eine Tellerfeder auszuführen. Ein Hohlzylinder stellt eine Möglichkeit zur Verfügung, das Federelement mit einer höheren Federsteifigkeit als eine Tellerfeder auszuführen. Der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor ist an eine breite Spanne von Einsatzzwecken optimal anpassbar.Furthermore, the combustion chamber pressure sensor according to the invention allows a high degree of measurement accuracy when detecting the pressures prevailing in the combustion chamber. The spring element, which is received between the plunger and the connecting sleeve, preferably has a spring stiffness, which significantly exceeds the spring stiffness of the flameproof membrane. As a result, the proportion of the spring force that exerts the flameproof membrane on the plunger, low. There is virtually no impairment of the measurement result by the spring force of the flameproof membrane. Instead, only the effect of the spring force of the spring element is taken into account in the evaluation of the detected values of the piezoelectric element. For this purpose, a spring element, for example in the form of a plate spring can be selected which has an exact spring characteristic over a long period of operation. The piezoelectric element in series upstream spring element ensures an increase in space, which is associated with flexibility in the design of the spring element. The spring element can have an increased sensitivity or perform a bend. An increased sensitivity of the spring element is accompanied by a greater noise ratio. Furthermore, a plate spring is always self-centering and does not require precise and expensive assembly steps. A coil spring provides a way to perform the spring element with a lower spring stiffness than a plate spring. A hollow cylinder provides a way to perform the spring element with a higher spring stiffness than a plate spring. The combustion chamber pressure sensor according to the invention is optimally adaptable to a wide range of application purposes.

Zusätzlich wird die Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors in wirtschaftlicher Weise erzielt. Dadurch, dass im erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor auf eine zusätzliche Spannhülse verzichtet werden kann, wird ein Teil des in radialer Richtung eingesparten Bauraums dazu genutzt, die Fertigungstoleranzen im Bereich einer radial außenliegenden Schulter des Verbindungselements zu vergrößern, was eine einfache und kostengünstige Fertigung erlaubt. Gleichermaßen können das Piezoelement, die Isolierkörper, das Sensorgehäuse und der Dichtkonus mit vergrößerten Fertigungstoleranzen hergestellt werden, was eine effiziente Herstellung ermöglicht. Ferner wird eine Miniaturisierung des Sensormoduls und des Brennraumdrucksensors ohne Veränderung des Piezoelements, der Isolierkörper und der zugehörigen elektrischen Kontaktplättchen erzielt. Eine Verkleinerung des Piezoelements, der Isolierkörper und der elektrischen Kontaktplättchen kann nur unter einem erhöhten Fertigungs- und Kostenaufwand erzielt werden. Insgesamt erzielt der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor eine erhebliche Miniaturisierung bei Vermeidung erheblicher Einbußen in puncto Messgenauigkeit, Fertigungsaufwand und Kosten.In addition, the miniaturization of the combustion chamber pressure sensor according to the invention is achieved in an economical manner. Due to the fact that an additional clamping sleeve can be dispensed with in the combustion chamber pressure sensor according to the invention, a part of the installation space saved in the radial direction is used to control the manufacturing tolerances in the Enlarge region of a radially outer shoulder of the connecting element, which allows a simple and cost-effective production. Similarly, the piezoelectric element, the insulator, the sensor housing and the sealing cone can be manufactured with increased manufacturing tolerances, which enables efficient production. Furthermore, a miniaturization of the sensor module and the combustion chamber pressure sensor without changing the piezoelectric element, the insulating body and the associated electrical contact pads is achieved. A reduction of the piezoelectric element, the insulating body and the electrical contact pads can be achieved only at an increased manufacturing and cost. Overall, the combustion chamber pressure sensor according to the invention achieves considerable miniaturization while avoiding considerable losses in terms of measurement accuracy, production costs and costs.

Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor mit einem Durchmesser gefertigt werden, der es erlaubt, auf die Druckhülse ein Normgewinde der Größe M8 zu schneiden. Hierdurch kann der Brennraumdrucksensor auch in schmale Abschnitte von Motorkomponenten eingeschraubt werden, die für eine Bohrung, die größer als M8 ist, keinen hinreichend breiten Rand bieten. Folglich weist der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor ein vergrößertes Einsatzspektrum auf.In addition, the combustion chamber pressure sensor according to the invention can be manufactured with a diameter which allows to cut a standard thread of size M8 on the pressure sleeve. As a result, the combustion chamber pressure sensor can also be screwed into narrow sections of engine components, which do not offer a sufficiently wide edge for a bore that is larger than M8. Consequently, the combustion chamber pressure sensor according to the invention has an increased range of use.

Des Weiteren gewährleistet der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor bei einem Hub des Stößels von 1 bis 10 µm präzise Messergebnisse. Infolge des geringen Hubs treten am Federelement während des Betriebs nur geringe Verformungen auf. Das Federelement erfährt im Betrieb des Verbrennungsmotors mit jedem Arbeitszyklus des Kolbens ebenfalls einen Lastzyklus. Die Materialermüdung, die auf das Federelement infolge dieser Lastzyklen einwirkt, wird durch die geringe Verformung des Federelements reduziert. Dadurch ist das Federelement während der gesamten Lebensdauer des Brennraumdrucksensors keiner Änderung der Federsteifigkeit bzw. der Feder-Kennlinie unterworfen, so dass stets eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist. Der Hubweg des Piezoelements ist prinzipbedingt gering, so dass das Piezoelement das Prinzip eines Kraftsensors verwirklicht. Über die Federsteifigkeit des Federelements kann die Empfindlichkeit des Brennraumdrucksensors eingestellt werden.Furthermore, the combustion chamber pressure sensor according to the invention ensures precise measurement results with a stroke of the plunger of 1 to 10 μm. Due to the small stroke occur on the spring element during operation only small deformations. The spring element also experiences a load cycle during operation of the piston during operation of the internal combustion engine. The material fatigue, which acts on the spring element as a result of these load cycles, is reduced by the slight deformation of the spring element. As a result, the spring element is not subjected to any change in the spring stiffness or the spring characteristic during the entire service life of the combustion chamber pressure sensor, so that a high measuring accuracy is always ensured. The stroke of the piezoelectric element is inherently low, so that the piezoelectric element realizes the principle of a force sensor. About the spring stiffness of the spring element, the sensitivity of the combustion chamber pressure sensor can be adjusted.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines bekannten Brennraumdrucksensors, 1 shows a schematic cross section of a known combustion chamber pressure sensor,

2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Sensormoduls nach dem Stand der Technik, 2 shows a schematic cross section of a sensor module according to the prior art,

3 zeigt eine schematische Schrägansicht eines Sensormoduls eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors, 3 shows a schematic oblique view of a sensor module of a combustion chamber pressure sensor according to the invention,

4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Sensormoduls eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors. 4 shows a schematic cross section of a sensor module of a combustion chamber pressure sensor according to the invention.

In 1 ist ein Brennraumdrucksensor 10 gemäß dem Stand der Technik abgebildet. Der Brennraumdrucksensor 10 umfasst eine Druckhülse 45, die als Gehäuse dient. In der Druckhülse 45 ist ein Sensorgehäuse 48 aufgenommen, das von der Druckhülse 45 über einen Restluftspalt 50 isoliert ist. Ferner ist an einem brennraumseitigen Ende die Druckhülse 45 in Form eines Dichtkonus 46 ausgebildet. Im Bereich des Dichtkonus 46 ist ferner eine Flammschutzmembran 44 angebracht, die ein Sensormodul 20 vor Druck- und Temperatureinwirkung aus dem Verbrennungsraum schützt. Ferner ist im Sensorgehäuse 48 das Sensormodul 20 aufgenommen, das eine Spannhülse 32 aufweist. Zwischen der Spannhülse 32 und dem Sensorgehäuse 48 ist ein Restluftspalt 51 ausgebildet, der das Sensormodul 20 vor Temperatur- und Druckeinwirkungen isoliert. Die radialen Abmessungen des Sensormoduls 20 bestimmen die radialen Abmessungen des Sensorgehäuses 48, und damit einen in der Druckhülse 45 erforderlichen Durchmesser 78 des Einbauraums. Durch den Durchmesser 78 des Einbauraums und die Wandstärke der Druckhülse 45 ist der Durchmesser 80 des Brennraumdrucksensors 10 vorgegeben. In 1 is a combustion chamber pressure sensor 10 imaged according to the prior art. The combustion chamber pressure sensor 10 includes a pressure sleeve 45 , which serves as a housing. In the pressure sleeve 45 is a sensor housing 48 picked up by the pressure sleeve 45 over a residual air gap 50 is isolated. Furthermore, the pressure sleeve is at a combustion chamber end 45 in the form of a sealing cone 46 educated. In the area of the sealing cone 46 is also a flame retardant membrane 44 attached, which is a sensor module 20 Protects against pressure and temperature from the combustion chamber. Furthermore, in the sensor housing 48 the sensor module 20 taken, which is a clamping sleeve 32 having. Between the clamping sleeve 32 and the sensor housing 48 is a residual air gap 51 formed, which is the sensor module 20 isolated from temperature and pressure effects. The radial dimensions of the sensor module 20 determine the radial dimensions of the sensor housing 48 , and one in the pressure sleeve 45 required diameter 78 of the installation space. By the diameter 78 the installation space and the wall thickness of the pressure sleeve 45 is the diameter 80 the combustion chamber pressure sensor 10 specified.

In 2 ist ein Sensormodul, wie in 1 dargestellt, im Detail abgebildet. Das Sensormodul 20 weist ein Fixierungselement 34 auf, in dem eine zentrische Ausnehmung ausgebildet ist, durch die sich ein Stößel 38 erstreckt. Das Fixierungselement 34 ist mit einer Spannhülse 32 verbunden, die an einer Kontaktfläche 72 eines Fixierbolzens 36 anliegt. Ferner sind am Fixierungselement 34 und am Fixierbolzen 36 Isolierkörper 24 angebracht, zwischen denen ein Piezoelement 22 aufgenommen ist. Das Piezoelement 22 wird über Kontaktplättchen 26, die an den Isolierkörpern 24 anliegen, mit Sensorkabeln 28 verbunden. In einem Einbauzustand steht das Piezoelement 22 unter einer Vorspannung 76, die eine Druckbelastung darstellt. Infolge der Vorspannung 76 im Piezoelement 22 steht die Spannhülse 32 unter einer Zugbeanspruchung. Ferner wirkt auf den Stößel 38 eine Druckkraft 70 ein, die sich infolge von Druck- und Temperaturschwankungen im Verbrennungsraum eines (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors einstellt. Im Betrieb wirkt auf das Piezoelement 22 folglich eine Schwellbelastung ein. In 2 is a sensor module, as in 1 shown, shown in detail. The sensor module 20 has a fixing element 34 in which a central recess is formed, through which a plunger 38 extends. The fixing element 34 is with a clamping sleeve 32 connected to a contact surface 72 a fixing bolt 36 is applied. Furthermore, the fixing element 34 and at the fixing bolt 36 insulator 24 attached, between which a piezoelectric element 22 is included. The piezo element 22 is about contact plates 26 attached to the insulators 24 abutment, with sensor cables 28 connected. In an installed state is the piezoelectric element 22 under a bias 76 which represents a compressive load. As a result of the bias 76 in the piezo element 22 is the clamping sleeve 32 under a tensile load. It also acts on the plunger 38 a compressive force 70 a, which occurs as a result of pressure and temperature fluctuations in the combustion chamber of a (not shown) internal combustion engine. During operation, the piezo element acts 22 thus a threshold load.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

In 3 ist ein Sensormodul 20 eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors 10 in einer schräggestellten Schnittansicht abgebildet. In 3 is a sensor module 20 a combustion chamber pressure sensor according to the invention 10 imaged in a tilted sectional view.

Das Sensormodul 20 ist zentrisch in einer Druckhülse 45 aufgenommen, an der an einem brennraumseitigen Ende ein Dichtkonus 46 ausgebildet ist. Das Sensormodul 20 umfasst eine Verbindungshülse 40, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und über eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine radiale Schweißverbindung 56 fest mit der Druckhülse 45 verbunden ist. Benachbart zur Schweißverbindung 56 sind an der Verbindungshülse 40 ferner eine umlaufende Schulter 58, ein ringförmiger Anschlag 64 und eine umlaufende Kontaktfläche 62 ausgebildet. Des Weiteren weist die Verbindungshülse 40 eine zentrische Ausnehmung 41 auf, in der ein Stößel 38 aufgenommen ist. Der Stößel 38 weist im Wesentlichen eine Kolbenform auf, an der eine Stützfläche 54 ausgebildet ist. Des Weiteren ist der Stößel 38 in der Verbindungshülse 40 axial beweglich gelagert. Zwischen dem Stößel 38 und der Verbindungshülse 40 ist ein Federelement 42 aufgenommen, das sich an der Stützfläche 54 am Stößel 38 und an einer umlaufenden Schulter 52 der Verbindungshülse 40 abstützt. Die Summe der auf den Stößel 38 einwirkenden Druckkraft 70 und der Federkraft des Federelements 42 entspricht der Kraft, mit der der Stößel 38 auf ein Piezoelement 22 drückt, das zwischen Isolierkörpern 24 aufgenommen ist. Die auf den Stößel 38 einwirkende Druckkraft 70 wird durch Druckänderungen im Verbrennungsraum eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors hervorgerufen.The sensor module 20 is centric in a pressure sleeve 45 taken on the at a combustion chamber end of a sealing cone 46 is trained. The sensor module 20 includes a connection sleeve 40 , which is formed substantially rotationally symmetrical and via a cohesive connection, in particular a radial welded connection 56 firmly with the pressure sleeve 45 connected is. Adjacent to the welded joint 56 are at the connection sleeve 40 also a circumferential shoulder 58 , an annular stop 64 and a circumferential contact surface 62 educated. Furthermore, the connection sleeve 40 a central recess 41 on, in which a pestle 38 is included. The pestle 38 has substantially a piston shape, on which a support surface 54 is trained. Furthermore, the plunger 38 in the connection sleeve 40 mounted axially movable. Between the pestle 38 and the connection sleeve 40 is a spring element 42 taken up, attached to the support surface 54 on the pestle 38 and on a circumferential shoulder 52 the connection sleeve 40 supported. The sum of the tappet 38 acting pressure force 70 and the spring force of the spring element 42 corresponds to the force with which the plunger 38 on a piezo element 22 push that between insulators 24 is included. The on the pestle 38 acting pressure force 70 is caused by pressure changes in the combustion chamber of an internal combustion engine, not shown.

Ferner ist die Verbindungshülse 40 mit einer Flammschutzmembran 44 versehen, die an der umlaufenden Kontaktfläche 62 und dem ringförmigen Anschlag 64 anliegt. Die Flammschutzmembran 44 ist mit der Verbindungshülse 40 entlang einer umlaufenden Schweißnaht laserverschweißt. Ferner ist die Flammschutzmembran 44 mit dem Stößel 38 verbunden, und liegt an einer umlaufenden Verbindungsfläche 66 des Stößels 38 an. Insgesamt üben die Flammschutzmembran 44 und das Federelement 42 auf den Stößel 38 eine Federkraft aus. Dabei weist die Flammschutzmembran 44 eine Federsteifigkeit auf, die deutlich kleiner ist als die Federsteifigkeit des Federelements 42, so dass die Federkraft der Flammschutzmembran 44 auf den Stößel 38 vernachlässigt werden kann. Furthermore, the connection sleeve 40 with a flameproof membrane 44 provided at the peripheral contact surface 62 and the annular stop 64 is applied. The flameproof membrane 44 is with the connection sleeve 40 laser welded along a circumferential weld. Furthermore, the flameproof membrane 44 with the pestle 38 connected, and is located on a circumferential connection surface 66 of the plunger 38 at. Overall, practice the flameproof membrane 44 and the spring element 42 on the pestle 38 a spring force. In this case, the flame retardant membrane 44 a spring stiffness, which is significantly smaller than the spring stiffness of the spring element 42 , so that the spring force of the flameproof membrane 44 on the pestle 38 can be neglected.

Des Weiteren liegt an der umlaufenden Schulter 58 das Sensorgehäuse 48 an, das den Sensorinnenraum 47 umschließt. Zwischen dem Sensorgehäuse 48 und der Druckhülse 45 ist ein umlaufender Restluftspalt 50 ausgebildet. Im Sensorinnenraum 47 befindet sich ferner das zwischen zwei Isolierkörpern 24 gelagerte Piezoelement 22. Das Piezoelement 22 ist mit Kontaktplättchen 26 versehend, die eine Verbindung zu Sensorkabeln 28 gewährleisten, die aus dem Fixierungselement 34 heraustreten. Die Kontaktplättchen 26 leiten eine elektrische Spannung, die im Piezoelement 22 infolge einer Verformung durch den Stößel 38 hervorgerufen wird, über die Sensorkabel 28 an eine nicht dargestellte Messeinheit zur Auswertung weiter. Das Sensorgehäuse 48 ist fest mit der Verbindungshülse 40 und dem Fixierungselement 34 verbunden, so dass in einem Einbauzustand des Brennraumdrucksensors 10, in dem keine Druckkräfte 70 auf den Stößel 38 vorliegen, das Piezoelement 22 unter einer Vorspannung 76 steht. Die Vorspannung 76 des Piezoelements 22 wirkt hierbei als Druckbeanspruchung, während gleichzeitig das Sensorgehäuse 48 einer Zugbelastung unterworfen ist. Druckkräfte 70, die im laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors auf den Stößel 38 einwirken, rufen im Piezoelement 22 eine Druckschwellbelastung hervor, deren Größe durch das Piezoelement 22 erfasst wird. Der Bereich der Verbindungshülse 40, der die Schweißverbindung 56 mit der Druckhülse 45 herstellt, definiert den Durchmesser 78 des für das Sensormodul 20 erforderlichen Einbauraums. Des Weiteren weist die Druckhülse 45 einen Durchmesser 80 auf, der die Einbaumaße des Brennraumdrucksensors 10 definiert. Furthermore, lies on the circumferential shoulder 58 the sensor housing 48 on, that the sensor interior 47 encloses. Between the sensor housing 48 and the pressure sleeve 45 is a circumferential residual air gap 50 educated. In the sensor interior 47 is also located between two insulators 24 mounted piezoelectric element 22 , The piezo element 22 is with contact plates 26 Providing a connection to sensor cables 28 ensure that from the fixing element 34 stepping out. The contact plates 26 conduct an electrical voltage in the piezoelectric element 22 due to deformation by the plunger 38 caused by the sensor cables 28 to a measuring unit, not shown, for evaluation on. The sensor housing 48 is fixed to the connection sleeve 40 and the fixing element 34 connected, so that in an installed state of the combustion chamber pressure sensor 10 in which no pressure forces 70 on the pestle 38 present, the piezoelectric element 22 under a bias 76 stands. The bias 76 of the piezoelectric element 22 acts as compressive stress, while the sensor housing 48 subjected to a tensile load. compressive forces 70 , during operation of the internal combustion engine on the ram 38 act, call in the piezoelectric element 22 a pressure threshold load, the size of which through the piezoelectric element 22 is detected. The area of the connection sleeve 40 who made the weld 56 with the pressure sleeve 45 produces, defines the diameter 78 for the sensor module 20 required installation space. Furthermore, the pressure sleeve 45 a diameter 80 on, the installation dimensions of the combustion chamber pressure sensor 10 Are defined.

In 4 ist ein Sensormodul 20 eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors 10 abgebildet. In 4 is a sensor module 20 a combustion chamber pressure sensor according to the invention 10 displayed.

Das Sensormodul 20 umfasst eine Verbindungshülse 40, die stabil und belastbar ausgebildet ist. Dies gewährleistet, dass die Verbindungshülse 40 als stabiles Widerlager für den Sensoraufbau dient, so dass sich im Betrieb lediglich das Federelement 42 bewegt und Nichtlinearitäten des Sensormoduls 20 vermieden werden. Ferner gewährleistet die Geometrie der Verbindungshülse 40, dass die auf das Sensormodul 20 einwirkenden Kräfte keine Lagerreaktionskräfte an der Verbindungshülse 40 hervorrufen, die zu einer Verformung oder Bewegung des Sensormoduls 20 führen. Derartige Verformungen oder Bewegungen reduzieren die mit dem Brennraumdrucksensor 10 erzielbare Messgenauigkeit. The sensor module 20 includes a connection sleeve 40 , which is stable and resilient. This ensures that the connection sleeve 40 serves as a stable abutment for the sensor structure, so that in operation only the spring element 42 moved and nonlinearities of the sensor module 20 be avoided. Furthermore, the geometry of the connecting sleeve ensures 40 that on the sensor module 20 acting forces no bearing reaction forces on the connection sleeve 40 cause the deformation or movement of the sensor module 20 to lead. Such deformations or movements reduce the with the combustion chamber pressure sensor 10 achievable measurement accuracy.

Ferner ist an der Verbindungshülse 40 eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung 56 ausgebildet, deren Festigkeit und Genauigkeit die Ausrichtung und die Fixierung des Sensormoduls 20 in der Druckhülse 45 bestimmt. Die Verbindungshülse 40 und die Druckhülse 45 sind in Bereich der Schweißverbindung 56 mit einer Spiel- oder Übergangspassung gefertigt, die eine leichtgängige Montage gewährleistet. Dabei weist die Spiel- oder Übergangspassung zwischen der Druckhülse 45 und der Verbindungshülse 40 einen geringen radialen Spalt auf, der in einfacher Weise durch ein Laserschweißen überbrückt werden kann. Die präzise Fertigung der Schweißverbindung 56 gewährleistet, dass der umlaufende Restluftspalt 50 schmal ausgebildet werden kann, was den erforderlichen Durchmesser 78 des Einbauraums reduziert. Ferner erlaubt die präzise Fertigung der Schweißverbindung 56 eine gleichmäßige Krafteinleitung von der Verbindungshülse 40 in die Druckhülse 45. Die gleichmäßige Krafteinleitung in die Druckhülse 45 gewährleistet eine niedrigen erforderlichen Wandstärke der Druckhülse 45 und damit einen niedrigen Durchmesser 80 des Brennraumdrucksensors 10. Further, on the connection sleeve 40 a cohesive connection, in particular a welded connection 56 whose strength and accuracy the orientation and the fixation of the sensor module 20 in the pressure sleeve 45 certainly. The connection sleeve 40 and the pressure sleeve 45 are in the area of the welded joint 56 manufactured with a play or transition fit, which ensures a smooth-running installation. In this case, the play or transition fit between the pressure sleeve 45 and the connection sleeve 40 a small radial gap, in a simple manner by a Laser welding can be bridged. The precise production of the welded joint 56 ensures that the circumferential residual air gap 50 can be made narrow, giving the required diameter 78 reduced installation space. Furthermore, the precise production of the weld allows 56 a uniform force from the connection sleeve 40 in the pressure sleeve 45 , The uniform force in the pressure sleeve 45 ensures a low required wall thickness of the pressure sleeve 45 and therefore a low diameter 80 the combustion chamber pressure sensor 10 ,

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102004043874 A1 [0002]
DE 102011002596 A1 [0003]

Claims

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) with a sensor module ( 20 ), which is a sensor housing ( 48 ) connected to a connecting sleeve ( 40 ) and a fixing element ( 34 ) is mounted, and a piezoelectric element ( 22 ), which is used to grasp one on a pestle ( 38 ) acting pressure force ( 70 ), characterized in that between the plunger ( 38 ) and the connecting sleeve ( 40 ) a spring element ( 42 ) is recorded.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to claim 1, characterized in that between the connecting sleeve ( 40 ) and a pressure sleeve ( 45 ) a welded connection ( 56 ) is trained.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the piezo element ( 22 ) in a fitted state, a compression bias ( 76 ) having.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the sensor housing ( 48 ) and the pressure sleeve ( 45 ) a residual air gap ( 50 ) is trained.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the connecting sleeve ( 48 ) with a flameproof membrane ( 44 ), which at a circumferential connecting surface ( 66 ) on the plunger ( 38 ) is present.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the spring element ( 42 ) Is designed as a plate spring, coil spring or hollow cylinder.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to one of claims 5 to 6, characterized in that the spring stiffness of the spring element ( 42 ) the spring stiffness of the flameproof membrane ( 44 ) exceeds.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the plunger ( 38 ) is designed as a radiator.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to one of claims 2 to 8, characterized in that the pressure sleeve ( 45 ) a diameter ( 80 ), which corresponds to an M8 thread.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the piezo element ( 22 ) between insulators ( 24 ) is attached.

Combustion chamber pressure sensor ( 10 ) according to one of claims 1 to 10, characterized in that the plunger ( 38 ) has a stroke of 1 to 10 microns in operation.