DE112018005938T5

DE112018005938T5 - Drucksensor

Info

Publication number: DE112018005938T5
Application number: DE112018005938.3T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Kasahara; Hirotaka Saito
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2020-07-30
Also published as: JPWO2019102781A1; US20210148774A1; JP6667722B2; US11112324B2; CN111033205A; WO2019102781A1; CN111033205B

Abstract

Die vorliegende Erfindung verhindert, dass ein Wärmeschutzteil von einer Membran abfällt. Dieser Drucksensor weist ein zylindrisches Gehäuse auf, eine Membran, die eine Öffnung an der distalen Endseite des Gehäuses verschließt und sich unter dem auf die distale Endseite der Membran wirkenden Druck verbiegt, und ein Sensorelement, das ein Ausgabesignal erzeugt, das sich in Abhängigkeit von dem Grad der Verbiegung der Membran ändert. Dieser Drucksensor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane in Loch darin aufweist, das sich von einer Oberfläche am distalen Ende zur Hinterend-Oberfläche der Membran erstreckt, wobei ein Hitzeschild mit einem ersten Teil, der im Loch angeordnet ist, und einem zweiten Teil, der benachbart zur distalen Endseite des ersten Teils ist und wenigstens einen Teil der Oberfläche der Membran am distalen Ende abdeckt, wobei der erste Teil und der zweite Teil einstückig ausgebildet sind, und der erste Teil mit der Innenoberfläche verbunden ist, die das Loch der Membran begrenzt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Drucksensor für die Messung des Drucks in einer Verbrennungskammer einer Brennkraftmaschine.
Stand der Technik
Es ist ein Drucksensor bekannt, der aufweist: ein röhrenförmiges Gehäuse, das an seinem Vorderende offen ist; eine Membran, die so ausgebildet ist, dass sie die Öffnung des Gehäuses verschließt und sich in Abhängigkeit vom auf die Vorderendseite der Membran durch das Verbrennungsgas ausgeübten Druck verformt; und ein Sensorelement, das dazu ausgebildet ist, ein sich in Abhängigkeit vom Grad der Verformung der Membran veränderndes Signal auszugeben. Außerdem ist ein anderer Drucksensor mit einer Membran und einem an der Vorderendfläche der Membran angeordneten Hitzeschild zum Verringern des Grads der thermischen Verformung der Membran durch das Verbrennungsgas mit seiner hohen Temperatur zu verringern bekannt.
Druckschrift(en)
Patentdokument(e)

Patentdokument 1: JP H07-19981 A
Patentdokument 2: JP 2017-40516 A

Kurzdarstellung der Erfindung
Aufgabe(n) der Erfindung
Allerdings ist der bekannte Drucksensor insofern ungenügend, als es die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran betrifft, und hat das Problem, dass der Hitzeschild während der Verwendung in einer Brennkraftmaschine von der Membran abfallen kann.
In Anbetracht des Vorstehenden ist es wünschenswert, eine Technik anzugeben, die die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran verbessert und das Abfallen des Hitzeschilds von der Membran verhindert.
Mittel zur Lösung des Problems
Die vorliegende Offenbarung kann beispielsweise wie folgt angewendet werden.
[Beispiel 1] Ein Drucksensor weist auf: Ein Gehäuse mit Röhren-Gestalt, und mit einem Vorderende mit einer Öffnung;
eine Membran, die nahe an der Öffnung des Gehäuses angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, sich in Abhängigkeit vom auf die Vorderseite der Membran ausgeübten Druck zu verformen, und die ein Loch aufweist, das sich von einer Vorderfläche der Membran nach rückwärts erstreckt;
ein Sensorelement, das dazu ausgebildet ist, ein in Abhängigkeit von der Verformung der Membran variierendes Signal auszugeben; und einen Hitzeschild mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt, wobei: der erste Abschnitt des Hitzeschilds in dem Loch der Membran angeordnet ist, und mit einem Innenumfang der Membran verbunden ist, der das Loch der Membran begrenzt; und der zweite Abschnitt des Hitzeschilds einstückig mit dem ersten Abschnitt ausgebildet, und benachbart zu einem Vorderende des ersten Abschnitts angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, die Vorderfläche der Membran wenigstens teilweise abzudecken.
Diese Konfiguration dient dazu, zu verhindern, dass sich der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt des Hitzeschilds voneinander lösen, indem der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt nicht durch Schweißen oder dergleichen miteinander verbunden sind, sondern einstückig ausgebildet sind. Die Konfiguration dient ferner dazu, zu verhindern, dass die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran dem Verbrennungsgas ausgesetzt wird, indem der erste Abschnitt des Hitzeschilds mit dem Innenumfang der Membran verbunden ist, der das Loch in der Membran begrenzt, das sich von der Vorderendfläche der Membran nach rückwärts erstreckt. Dies dient dazu, dass das Verbrennungsgas daran gehindert wird, die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran zu beeinträchtigen und die Verbindung zu verschlechtern oder zu beschädigen, und dadurch zu verhindern, dass der Hitzeschild von der Membran abfällt.
[Beispiel 2] Der Drucksensor gemäß Beispiel 1, wobei: die Membran ferner ein in dem Gehäuse angeordnetes Hinterende aufweist; das Loch der Membran ein Loch-Hinterende am Hinterende der Membran aufweist; und der erste Abschnitt des Hitzeschilds am Loch-Hinterende mit dem Innenumfang der Membran verbunden ist.
Diese Konfiguration dient dazu, die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran von der Vorderendfläche der Membran fernzuhalten, indem das Loch in der Membran ein Loch-Hinterende am Hinterende der in dem Gehäuse angeordneten Membran aufweist, und der Hitzeschild am Loch-Hinterende mit dem Innenumfang der Membran verbunden ist. Dies dient ferner dazu, das Verbrennungsgas daran zu hindern, die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran zu verschlechtern und zu beschädigen, und dadurch ferner zu verhindern, dass der Hitzeschild von der Membran abfällt.
[Beispiel 3] Der Drucksensor gemäß Beispiel 1 oder 2, wobei: die Membran ferner einen Stab-Abschnitt und einen Flansch-Abschnitt aufweist; wobei sich der Stab-Abschnitt der Membran vom Vorderende der Membran nach rückwärts erstreckt; wobei sich der Flansch-Abschnitt der Membran vom Umfang des Stab-Abschnitts nach auswärts in radialer Richtung ausbreitet, und dazu ausgebildet ist, sich in Abhängigkeit vom auf die Vorderseite des Flansch-Abschnitts zu verformen; wobei der zweite Abschnitt des Hitzeschilds dazu ausgebildet ist, die Vorderendfläche der Membran im Flansch-Abschnitt wenigstens teilweise abzudecken; wobei das Loch der Membran im Stab-Abschnitt ausgebildet ist, und sich von der Vorderendfläche der Membran im Stab-Abschnitt nach rückwärts über eine Hinterendfläche des Flansch-Abschnitts hinaus erstreckt; und wobei der erste Abschnitt des Hitzeschilds bezogen auf die Hinterendfläche des Flansch-Abschnitts in einem hinteren Teil des Lochs mit dem Innenumfang der Membran verbunden ist.
Diese Konfiguration dient ferner dazu, die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran von der Vorderendfläche der Membran fernzuhalten, indem der Hitzeschild in Bezug auf die Hinterendfläche des Flansch-Abschnitts in einem rückwärtigen Teil des Lochs in der Membran mit dem Innenumfang der Membran verbunden ist. Dies dient ferner dazu, das Verbrennungsgas daran zu hindern, die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran zu verschlechtern oder zu beschädigen, und somit zu verhindern, dass der Hitzeschild von der Membran abfällt.
[Beispiel 4] Der Drucksensor gemäß einem der Beispiele, wobei: die Membran über eine Verbindung mit dem Vorderende des Gehäuses verbunden ist; wobei die Vorderendfläche der Membran und die Verbindung eine orthogonale Projektion auf eine Ebene aufweisen, die parallel zur Vorderendfläche der Membran ist; und wobei die orthogonale Projektion die Bedingung erfüllt, dass 0,15 ≤ (Sn/Sd) ≤ 0,25, wobei: Sd eine von der Verbindung in der orthogonalen Projektion umschlossene Fläche darstellt; und Sn eine Öffnungsfläche des Lochs der Membran in der orthogonalen Projektion darstellt.
Diese Konfiguration dient dazu, das Verhältnis der Öffnungsfläche Sn des Lochs in Bezug auf die umschlossene Fläche Sd der Verbindung unter einem Level zu halten, und die Verminderung der Verformung (oder Verbiegung) der Membran zu vermeiden, und somit die genaue Messung des Drucks in der Verbrennungskammer zu erleichtern.
Diese Konfiguration dient ferner dazu, einen ausreichenden Bereich für die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran sicherzustellen, indem das Verhältnis der Öffnungsfläche Sn zur umschlossenen Fläche Sd nicht übermäßig klein wird. Dies dient dazu, eine auf die Verbindung zwischen dem Hitzeschild und der Membran wirkende Last zu verringern, und dadurch weiter zu verhindern, dass der Hitzeschild von der Membran abfällt.
Die Technik gemäß der vorliegenden Offenbarung kann in verschiedener Art und Weise implementiert werden, so als Drucksensor und als Brennkraftmaschine mit dem Drucksensor.
Figurenliste

1 ist eine illustrierende Ansicht eines Drucksensors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Längsschnittansicht des Drucksensors 10, in welcher das Vorderende des Drucksensors 10 vergrößert ist.

Ausführungsform(en) der Erfindung
Erste Ausführungsform
1 zeigt einen Drucksensor 10 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der Drucksensor 10 wird zur Messung des Drucks im Verbrennungsraum einer Brennkraftmaschine an der Brennkraftmaschine angebracht. Wie in 1 gezeigt, weist der Drucksensor 10 als Hauptkomponenten eine erste Metallhülse 20, eine zweite Metallhülse 80, eine dritte Metallhülse 35, eine Membran 40, einen Hitzeschild 90, einen Elementabschnitt 50 und ein Kabel 60 auf.
Jede der ersten Metallhülse 20, der zweiten Metallhülse 80 und der dritten Metallhülse 35 weist eine Röhren-Gestalt auf. Der Drucksensor 10 weist eine Mittenachse CL auf, die auch einfach als Achse CL bezeichnet wird. In der nachfolgenden Beschreibung bezeichnet „axiale Richtung“ eine Richtung parallel zur Achse CL, und „radiale Richtung“ bezeichnet eine radiale Richtung eines Kreises um die Achse CL, und „Umfangsrichtung“ bezeichnet eine Umfangsrichtung des Kreises um die Achse CL. Außerdem bezeichnet „Vorwärtsrichtung Df“ eine Richtung von der ersten Metallhülse 20 zur Membran 40 entlang der Achse CL, und „Rückwärtsrichtung Dr“ bezeichnet eine Richtung entgegengesetzt zur Vorwärtsrichtung Df. „Vorwärts“ oder „vorne“ basiert auf der Vorwärtsrichtung Df, und „rückwärts“ oder „hinten“ basiert auf der Rückwärtsrichtung Dr.
1 zeigt auf der linken Seite einen Längsschnitt einer vorderen Hälfte des Drucksensors 10 mit Bezug auf die Achse CL. Dieser Längsschnitt ist ein Schnitt in einer Ebene, die die Achse CL beinhaltet. 1 zeigt auch die Gesamtansicht des Drucksensors 10. Die Mittenachse CL des Drucksensors 10 ist auch die Mittenachse jeder der ersten Metallhülse 20, der zweiten Metallhülse 80, der dritten Metallhülse 35, des Druckaufnehmers 40, des Hitzeschilds 90 und des Elementabschnitts 50.
Jede der ersten Metallhülse 20, der zweiten Metallhülse 80 und der dritten Metallhülse 35 weist eine Röhren-Gestalt auf, die sich in der axialen Richtung erstreckt und in einem Querschnitt senkrecht auf die Achse CL ringförmig erscheint. Die erste Metallhülse 20, die zweite Metallhülse 80 und die dritte Metallhülse 35 sind gemäß der vorliegenden Ausführungsform aus rostfreiem Stahl gebildet, obgleich sie aus anderem Material einschließlich Stahl wie kohlenstoffarmem Stahl und diversen Metallen gebildet sein können. Die erste Metallhülse 20, die zweite Metallhülse 80 und die dritte Metallhülse 35 stellen ein röhrenförmiges Bauteil dar, das dem „Gehäuse“ in den Ansprüchen entspricht.
Die erste Metallhülse 20 beinhaltet ein axiales Loch 21, welches ein auf der Achse CL zentriertes Durchgangsloch ist. Die erste Metallhülse 20 weist ferner einen Schraubabschnitt 22 und einen Werkzeug-Eingriffsabschnitt 24 an einem Außenumfang des hinteren Teils der ersten Metallhülse 20 auf. Der Schraubabschnitt 22 weist eine Gewindenut zum Anbringen des Drucksensors 10 an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine auf. Der Werkzeug-Eingriffsabschnitt 24 ist so gestaltet, dass er mit einem Werkzeug (nicht dargestellt) zum Anbringen und Abmontieren des Drucksensors 10 in Eingriff tritt, und weist beispielsweise einen hexagonalen Querschnitt auf.
Die zweite Metallhülse 80 beinhaltet ein axiales Loch 81, welches ein auf der Achse CL zentriertes Durchgangsloch ist. Die dritte Metallhülse 35 beinhaltet ein axiales Loch 39, welches ein auf der Achse CL zentriertes Durchgangsloch ist. Das axiale Loch 21 der ersten Metallhülse 20, das axiale Loch 81 der zweiten Metallhülse 80 und das axiale Loch 39 der dritten Metallhülse 35 bilden ein durchgängiges Loch, das mit dem axialen Loch 21 der ersten Metallhülse 20 in Verbindung steht. Das axiale Loch 81 der zweiten Metallhülse 80 enthält den Elementabschnitt 50 und eine Andrück-Schraube 32, in dieser Reihenfolge in der Rückwärtsrichtung. Das axiale Loch 39 der dritten Metallhülse 35 enthält die Membran 40.
2 ist eine Längsschnittansicht des Drucksensors 10 mit einem vergrößerten Vorderende des Drucksensors 10: Insbesondere ist ein Bereich X in 1 vergrößert. Dieser Längsschnitt ist ein Schnitt in einer Ebene, die die Achse CL beinhaltet. Die dritte Metallhülse 35 ist mit einem Vorderende der zweiten Metallhülse 80 über die Verbindung 89 verbunden. Die Verbindung 89 ist eine durch Verschweißen (wie Laserschweißen) gebildete Schweißnaht zwischen der dritten Metallhülse 35 und der zweiten Metallhülse 80, und wird auch als Schweißteil 89 oder Schweißmarke 89 bezeichnet. Die dritte Metallhülse 35 weist an ihrem Vorderende einen Durchmesser-erweiternden Abschnitt 34 auf, in welchem ihr Durchmesser nach rückwärts größer wird. Der Durchmesser-erweiternde Abschnitt 34 ist so ausgebildet, dass er in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine passt, wenn der Drucksensor 10 an der Brennkraftmaschine angebracht wird.
Die Membran 40 weist einen Stab-Abschnitt 44 und einen Flansch-Abschnitt 42 auf. Der Stab-Abschnitt 44 ist ein zylindrischer röhrenförmiger Abschnitt, der auf der Achse CL zentriert ist und sich in der rückwärtigen Richtung Dr erstreckt.
Der Flansch-Abschnitt 42 ist ein im Wesentlichen kreisförmiges Membranartiges Bauteil, das sich von einem Umfang des Stab-Abschnitts 44 in radialer Richtung nach auswärts erstreckt. Der Flansch-Abschnitt 42 weist an seinem Umfang einen Rand 42o auf, der mittels Laserschweißen o. dgl. gänzlich mit dem Vorderende der dritten Metallhülse 35 über eine Verbindung 45 verbunden ist. Die Membran 40 ist nahe an einer Öffnung an einem Vorderende des röhrenförmigen Gehäuses angeordnet: d. h. einer Öffnung am Vorderende der dritten Metallhülse 35 mit dem axialen Loch 39.
Der Flansch-Abschnitt 42 und der Stab-Abschnitt 44 bestehen aus rostfreiem Stahl und sind durch Schmieden oder Drehen (shaving) einstückig gebildet. In anderer Weise können der Flansch-Abschnitt 42 und der Stab-Abschnitt 44 separat gebildet und danach durch Schweißen o. dgl. integriert werden. Außerdem können der Flansch-Abschnitt 42 und der Stab-Abschnitt 44 aus einem anderen Material als rostfreiem Stahl gebildet sein, einschließlich kohlenstoffarmem Stahl und diversen Metallen.
Die Membran 40 weist eine Vorderendfläche 43 auf, die so angeordnet ist, dass sie dem Verbrennungsgas ausgesetzt wird. Der Flansch-Abschnitt 42 der Membran 40 ist so ausgebildet, dass er sich in Abhängigkeit von dem in der Verbrennungskammer herrschenden, auf die Vorderseite des Flansch-Abschnitts 42 ausgeübten Druck verbiegt (verformt). Der Stab-Abschnitt 44 ist so ausgebildet, dass er im Wesentlichen parallel zur Achse CL verschoben wird, in Abhängigkeit von der Verbiegung (der Verformung) des Flansch-Abschnitts 42. Dies erlaubt dem Stab-Abschnitt 44, eine Last in Abhängigkeit von dem Druck Pc auf den Element-Abschnitt 50 (unten beschrieben) zu übertragen, der mit eine Hinterende des Stab-Abschnitts 44 verbunden ist.
Die Membran 40 weist ferner auf: ein Loch 46, das sich von der Vorderendfläche 43 der Membran 40 nach rückwärts erstreckt; und einen Innenumfang 47, der das Loch 46 begrenzt. Die Membran 40 ist über den Innenumfang 47 mit dem unten beschriebenen Hitzeschild 90 verbunden. Der Innenumfang 47 weist eine Bodenoberfläche und eine Seitenoberfläche auf, die das Loch 46 begrenzt.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist die Membran 40 ein Hinterende auf, das in dem Gehäuse angeordnet ist (nämlich in der dritten Metallhülse 35).Das Loch 46 weist Ein Loch-Hinterende 46r auf, das am Hinterende der Membran 40 angeordnet ist. Der obige Ausdruck „in dem Gehäuse (nämlich in der dritten Metallhülse 35)“ bedeutet in einem Raum, der sich in an einer hinteren Seite in Bezug auf das Vorderende des Gehäuses befindet (nämlich der dritten Metallhülse 35) und in radialer Richtung vom Gehäuse umgriffen wird. Der Hitzeschild 90 ist am Loch-Hinterende 46r mit dem Innenumfang 47 der Membran 40 verbunden.
Der Hitzeschild 90 beinhaltet: einen ersten Abschnitt 91, der die Gestalt eines Stabes aufweist und in dem Loch 46 der Membran 40 angeordnet ist; und einen zweiten Abschnitt 92, der die Gestalt einer kreisförmigen Platte aufweist, die auf der Achse CL zentriert ist und zum ersten Abschnitt 91 benachbart angeordnet ist. Der Hitzeschild 90 gemäß der vorliegenden Ausführungsform besteht aus rostfreiem Stahl, obgleich er aus einem anderen Metall bestehen könnte. Der erste Abschnitt 91 und der zweite Abschnitt 92 sind durch Schmieden oder Drehen (shaving) einstückig gebildet.
Gesehen in der Rückwärtsrichtung Dr erscheint der Drucksensor 10 derart, dass der zweite Abschnitt 92 des Hitzeschilds 90 wenigstens teilweise die Vorderendfläche 43 der Membran 40 bedeckt: d. h., die Vorderendfläche 43 des Flanschbereichs 42. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Vorderendfläche 43 des Flanschabschnitts 42 im Wesentlichen vollständig vom zweiten Abschnitt 92 des Hitzeschilds 90 abgedeckt.
Der erste Abschnitt 91 des Hitzeschilds 90 ist durch eine Verbindung 99 mittels Laserschweißen o. dgl. am Loch-Hinterende 46r des Lochs 46 der Membran 40 mit dem Innenumfang 47 der Membran 40 verbunden. Die Verbindung 99 ist am Loch-Hinterende 46r des Lochs 46 gebildet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Loch 46 der Membran 40 in dem Stab-Abschnitt 44 gebildet, und erstreckt sich von der Vorderendfläche 43 des Stab-Abschnitts 46 rückwärtig, über eine Hinterendfläche 42r des Flanschabschnitts 42 hinaus. Der erste Abschnitt 91 des Hitzeschilds 90 ist mit dem Innenumfang 47 der Membran 40 in einem Hinterend-Teil des Lochs 46 in Bezug auf die Hinterendfläche 42r des Flansch-Abschnitts 42 verbunden.
Die Andrück-Schraube 32 (siehe 1) ist in einem hinteren Teil des axialen Lochs der zweiten Metallhülse 80 gebildet. Die Andrück-Schraube 32 beinhaltet: ein axiales Loch, das ein auf der Achse CL zentriertes Durchgangsloch ist; und ein externe Schraube, die an einem Außenumfang der Andrück-Schraube 32 vorgesehen ist. Die zweite Metallhülse 80 beinhaltet eine interne Schraube zum Eingriff mit der externen Schraube der Andrück-Schraube 32, an einem Innenumfang der zweiten Metallhülse 80 im hinteren Teil des axialen Lochs der zweiten Metallhülse 80. Die Andrück-Schraube 32 ist dazu ausgebildet, vom Hinterende der zweiten Metallhülse 80 in das axiale Loch der zweiten Metallhülse 80 geschraubt zu werden. Die Andrück-Schraube 32 und der Stab-Abschnitt 44 der Membran 40 halten zwischen einander den Element-Abschnitt 50. Die Andrück-Schraube 32 ist dazu ausgebildet, eine Vorspannung auf den Element-Abschnitt 50 auszuüben. Die Vorspannung ist leicht durch Anpassen einer Umdrehungszahl der Andrück-Schraube 32 regulierbar, durch Einschrauben der Andrück-Schraube 32 in die zweite Metallhülse 80. Dies dient der Verbesserung der genauen Messung des Drucks. Die Andrück-Schraube 32 besteht aus rostfreiem Stahl, obgleich sie aus anderem Material einschließlich kohlenstoffarmem Stahl und diversen Metallen bestehen kann.
Der Element-Abschnitt 50 beinhaltet: ein Paar von Elektroden 52; ein Sensorelement 51, nämlich gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein piezoelektrisches Element, welches zwischen dem Paar von Elektroden 52 gehaltert ist; eine Halteplatte 54, die an der Vorderseite einer vorderen der Elektroden 52 angeordnet ist; und eine Zuleitung 53, eine andere Halteplatte 54, und eine Isolatorplatte 55, die in dieser Reihenfolge in der Rückwärtsrichtung Dr an der Rückseite der hinteren der Elektroden 52 angeordnet sind. Wie in 2 gezeigt, sind die Halteplatte 54, die Elektrode 52, das Sensorelement 51, die Elektrode 52, die Halteplatte 54 und die Isolatorplatte 55 in dieser Reihenfolge nach rückwärts gestapelt. Die Isolatorplatte 55 weist eine von der Vorderendfläche der Andrück-Schraube 32 gehalterte Hinterendfläche auf. Das Hinterende 49 des Stab-Abschnitts 44 ist in Kontakt mit einer Vorderendfläche der vorderen der Halteplatten 54. Das Sensorelement 51 ist über die vordere der Elektroden 52 und die vordere der Halteplatten 54 mit dem Stab-Abschnitt 44 verbunden. Das Sensorelement 51 ist dazu ausgebildet, ein sich in Abhängigkeit von der Verbiegung der Membran 40 änderndes Signal auszugeben; genauer der Verbiegung des Flansch-Abschnitts 42. Das Sensorelement 51 kann ein anderes als ein piezoelektrisches Element sein, wie ein Dehnungssensor-Typ-Element.
Somit dient der Drucksensor 10 gemäß der ersten Ausführungsform dazu, zu verhindern, dass sich der erste Abschnitt 91 und der zweite Abschnitt 92 des Hitzeschilds 90 voneinander trennen, indem der erste Abschnitt 91 und der zweite Abschnitt 92 nicht durch Schweißen o. dgl. miteinander verbunden, sondern einstückig gebildet sind. Der Drucksensor 10 dient ferner dazu, zu verhindern, dass die Verbindung 99 zwischen der Membran 40 und dem Hitzeschild 90 dem Verbrennungsgas ausgesetzt wird, indem der erste Abschnitt 91 des Hitzeschilds 90 mit dem Innenumfang 47 der Membran 40, der das Loch 46 begrenzt, das sich von der Vorderendfläche 43 der Membran 40 nach rückwärts erstreckt, verbunden ist. Dies dient dazu, zu verhindern, dass das Verbrennungsgas die Verbindung 99 angreift und jene verschlechtert oder beschädigt, und verhindert dadurch, dass der Hitzeschild 90 von der Membran 40 abfällt.
Zudem dient der Drucksensor 10 gemäß der ersten Ausführungsform dazu, die Verbindung 99 zwischen der Membran 40 und dem Hitzeschild 90 weiter von der Vorderendfläche 43 der Membran 40 zu entfernen, indem das Loch 46 der Membran 40 das Loch-Hinterende 46r am Hinterende der Membran 40 aufweist, das in dem Gehäuse angeordnet ist, und der Hitzeschild 90 ist mit dem Innenumfang 47 der Membran 40 verbunden, der das Loch-Hinterende 46r begrenzt. Dies dient weiter dazu, zu verhindern, dass das Verbrennungsgas die Verbindung 99 angreift und jene verschlechtert oder beschädigt, und verhindert dadurch weiter, dass der Hitzeschild 90 von der Membran 40 abfällt.
Der Drucksensor 10 gemäß der ersten Ausführungsform dient ferner dazu, die Verbindung 99 zwischen der Membran 40 und dem Hitzeschild 90 weiter von der Vorderendfläche 43 der Membran 40 zu entfernen, indem der Hitzeschild 90 in Bezug auf die Hinterendfläche 42r des Flansch-Abschnitts 42 im hinteren Teil des Lochs 46 mit dem Innenumfang 47 der Membran 40 verbunden ist. Dies dient dazu, weiter zu verhindern, dass das Verbrennungsgas die Verbindung 99 angreift und jene verschlechtert oder beschädigt, und verhindert dadurch weiter, dass der Hitzeschild 90 von der Membran 40 abfällt.
Erster Test
Im Folgenden wird ein erster Test beschrieben, der mit Exemplaren des Drucksensors 10 durchgeführt wurde.
Der erste Test wurde implementiert durch: Anbringen jedes der Sensor-Exemplare und eines beispielhaften Sensors an denselben Zylinder (d. h., einer Verbrennungskammer) einer Brennkraftmaschine; Starten der Brennkraftmaschine; und Erhalten einer Wellenform des Drucks von jedem der Sensor-Exemplare und dem beispielhaften Sensor.
Die Sensor-Exemplare waren Exemplare des Drucksensors 10 gemäß der in 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform. Sie wurden als sieben Sensor-Exemplare mit unterschiedlichen Verhältnissen Sn/Sd der Öffnungsfläche Sn des Lochs 46 der Membran 40 zur umschlossenen Fläche Sd der Verbindung 45 hergestellt, durch Anpassen des Innendurchmessers des Lochs 46. Jedes der Sensor-Exemplare wies einen Wert für Sn/Sd innerhalb des Bereichs von 0,05 bis 0,35 auf.
Die Brennkraftmaschine war ein Reihenvierzylinder-Saugmotor mit einem Hubraum von 1.3 L. Die Brennkraftmaschine wurde bei einer Drehzahl von 1500 UPM und einem Drosselöffnungsgrad von 10 % betrieben.
Der beispielhafte Drucksensor war vorab eingestellt worden, um die Druckmessung mit ausreichender Genauigkeit durchzuführen. Der erste Test beinhaltete die Schritte: Messen des auf jeden der Sensor-Exemplare ausgeübten Drucks G2 und des auf den beispielhaften Sensor ausgeübten Drucks G1 für fünf Zyklen; Berechnen der Differenz zwischen den Drücken G1 und G2 zur gleichen Zeit; Bestimmen eines Maximums Em der Differenz während jedes Zyklus; und Berechnen eines Durchschnitts von fünf maximalen Differenzen Em als Druck-Fehler Ep jedes der Sensor-Exemplare. Jedes Sensor-Exemplare wurde als o (wünschenswert) beurteilt, wenn der Druck-Fehler Ep weniger war als 200 kPa, und wurde als △ (ungenügend) beurteilt, wenn der Druck-Fehler Ep größer war als 200 kPa. Tabelle 1

Sn/Sd 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4

BEURTEILUNG ◯ ◯ ◯ ◯ ◯ Δ Δ
Tabelle 1 zeigt Ergebnisse des ersten Tests. Die Sensor-Exemplare mit Verhältnissen Sn/Sd von 0,3 und 0,4 hatten Druck-Fehler Ep von größer als 200 kPa, und wurden als △ beurteilt. Andererseits hatten die Sensor-Exemplare mit Verhältnissen Sn/Sd von 0,05, 0,10, 0,15, 0,20 und 0,25 Druck-Fehler Ep von weniger als 200 kPa, und wurden als o beurteilt. Es wird angenommen, dass dies daran liegt, dass: die Öffnungsfläche Sn des Lochs 46 nicht übermäßig groß war, in Bezug auf die eingeschlossene Fläche Sd der Verbindung 45; die Membran 40 wurde nicht an der Verbiegung (Verformung) gehindert; und die Messung des Drucks in der Verbrennungskammer wurde präzise durchgeführt.
Zweiter Test
Im Folgenden wird ein zweiter Test beschrieben. Der zweite Test wurde implementiert durch: Anbringen der sich im Verhältnis Sn/Sd der Öffnungsfläche Sn des Lochs 46 zur eingeschlossenen Fläche Sd der Verbindung 45 unterscheidenden Sensor-Exemplare an eine Brennkraftmashine; Betreiben der Brennkraftmaschine für hundert Stunden; und dann Untersuchen und Beurteilen der Sensor-Exemplare. Jedes der Sensor-Exemplare wurde als △ (ungenügend) beurteilt, wenn es beschädigt war, und wurde als o (wünschenswert) beurteilt, wenn es unbeschädigt war.
Die in dieser Dauertest eingesetzte Brennkraftmaschine war ein Reihenvierzylinder-Saugmotor mit einem Hubraum von 1.3 L. Die Brennkraftmaschine wurde bei einer Drehzahl von 6000 UPM und einem Drosselöffnungsgrad von 100 % betrieben. Dies sind härtere Betriebsbedingungen als die gewöhnlichen. Tabelle 2

Sn/Sd 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4

BEURTEILUNG Δ Δ ◯ ◯ ◯ ◯ ◯
Tabelle 2 zeigt Ergebnisse des zweiten Tests. Die Sensor-Exemplare mit Verhältnissen Sn/Sd von 0,05 und 0,1 erlitten Schäden am Hitzeschild 90, und wurden als △ beurteilt. Andererseits erlitten die Sensor-Exemplare mit Verhältnissen Sn/Sd von 0,15, 0,20, 0,25, 0,30 und 0,40 keine Schäden am Hitzeschild 90, und wurden als o beurteilt. Es wird angenommen, dass dies daran liegt, dass das Loch nicht übermäßig klein in Bezug auf die eingeschlossene Fläche Sd war; die Membran 40 und der Hitzeschild 90 einen ausreichenden Bereich für die Verbindung zwischen ihnen hatten; die auf die Verbindung 99 zwischen der Membran 40 und dem Hitzeschild 90 verringert war; und der Hitzeschild 90 eher daran gehindert war, von der Membran 40 abzufallen.
Variationen

(1) Gemäß der ersten Ausführungsform ist der erste Abschnitt 91 des Hitzeschilds 90 mit dem Innenumfang 47 der Membran 40 im Gehäuse verbunden: genauer, in der dritten Metallhüse. Alternativ kann der Hitzeschild 90 mit der Membran 40 in einem Abschnitt der Membran 40 verbunden sein, der außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
(2) Gemäß der ersten Ausführungsform ist der Hitzeschild 90 mit der Membran 40 durch Laserschweißen verbunden. Alternativ kann diese Verbindung durch anderes Schweißen wie Widerstandsschweißen und Elektronenstrahlschweißen gebildet werden, oder durch ein anderes Verfahren als Schweißen wie Druck-Einpassen, Caulken und Bonden durch ein wärmebeständiges Adhäsiv.
(3) Gemäß der ersten Ausführungsform ist das Loch 46 der Membran 40 im Stab-Abschnitt 44 der Membran 40 gebildet. Alternativ kann das Loch 46 im Flansch-Abschnitt 42 der Membran 40 gebildet sein.
(4) Gemäß der ersten Ausführungsform ist die Anzahl der Löcher 46 der Membran 40 und der ersten Abschnitte 91 des Hitzeschilds 90 jeweils Eins. Alternativ kann die Membran 40 mehrere Löcher 46 aufweisen, und der Hitzeschild 90 kann mehrere erste Abschnitte 91 aufweisen.

Die vorliegende Erfindung wurde unter Bezugnahme auf die Ausführungsform und ihre Variationen beschrieben. Die Ausführungsform und ihre Variationen sollen das Verständnis der vorliegenden Erfindung erleichtern, und sollen die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränken. Diverse Änderungen und Modifikationen können an der Ausführungsform und ihren Variationen gemacht werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung beinhaltet Äquivalente davon.
Bezugszeichenliste

10: Drucksensor,
20: erste Metallhülse,
21: axiales Loch,
22: Schraub-Abschnitt,
24: Werkzeug-Eingriff-Abschnitt,
26: Verbindung,
30: zweite Metallhülse,
34: Durchmesser- Erweiterungs-Abschnitt,
35: dritte Metallhülse,
39: axiales Loch,
40: Membran,
42: Flansch-Abschnitt,
42r: Hinterendfläche,
42o: Rand,
43: Vorderendfläche,
44: Stab-Abschnitt,
45: Verbindung,
50: Element-Abschnitt,
51: Sensorelement (piezoelektrisches Element),
52: Elektrode,
53: Zuführung,
54: Halteplatte,
54h: Durchgangsloch,
55: Isolatorplatte,
55h: Durchgangsloch,
56: Anschluss,
57: Scheiben-Abschnitt,
60: Kabel,
80: zweite Metallhülse,
89: Verbindung,
90: Hitzeschild,
99: Verbindung,
X: Bereich,
CL: Mittenachse,
Sd: eingeschlossene Fläche der Verbindung zwischen der Membran und dem Hitzeschild,
Df: Vorwärtsrichtung,
Dr: Rückwärtsrichtung,
Sn: Öffnungsfläche des Lochs,
Ep: Druck-Fehler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP H0719981 A [0002]
JP 2017040516 A [0002]

Claims

Drucksensor, mit: einem Gehäuse mit Röhren-Gestalt, und mit einem Vorderende mit einer Öffnung; einer Membran, die nahe an der Öffnung des Gehäuses angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, sich in Abhängigkeit vom auf die Vorderseite der Membran ausgeübten Druck zu verformen, und die ein Loch aufweist, das sich von einer Vorderfläche der Membran nach rückwärts erstreckt; einem Sensorelement, das dazu ausgebildet ist, ein in Abhängigkeit von der Verformung der Membran variierendes Signal auszugeben; und einem Hitzeschild mit einem ersten Abschnitt und einem zweiten Abschnitt, wobei: der erste Abschnitt des Hitzeschilds in dem Loch der Membran angeordnet ist, und mit einem Innenumfang der Membran verbunden ist, der das Loch der Membran begrenzt; und der zweite Abschnitt des Hitzeschilds einstückig mit dem ersten Abschnitt ausgebildet, und benachbart zu einem Vorderende des ersten Abschnitts angeordnet ist, und dazu ausgebildet ist, die Vorderfläche der Membran wenigstens teilweise abzudecken.
Drucksensor wie in Anspruch 1 beansprucht, wobei: die Membran ferner ein in dem Gehäuse angeordnetes Hinterende aufweist; das Loch der Membran ein Loch-Hinterende am Hinterende der Membran aufweist; und der erste Abschnitt des Hitzeschilds am Loch-Hinterende mit dem Innenumfang der Membran.
Drucksensor wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, wobei: die Membran ferner einen Stab-Abschnitt und einen Flansch-Abschnitt aufweist; wobei sich der Stab-Abschnitt der Membran vom Vorderende der Membran nach rückwärts erstreckt; wobei sich der Flansch-Abschnitt der Membran vom Umfang des Stab-Abschnitts nach auswärts in radialer Richtung ausbreitet, und dazu ausgebildet ist, sich in Abhängigkeit vom auf die Vorderseite des Flansch-Abschnitts zu verformen; wobei der zweite Abschnitt des Hitzeschilds dazu ausgebildet ist, die Vorderendfläche der Membran im Flansch-Abschnitt wenigstens teilweise abzudecken; wobei das Loch der Membran im Stab-Abschnitt ausgebildet ist, und sich von der Vorderendfläche der Membran im Stab-Abschnitt nach rückwärts über eine Hinterendfläche des Flansch-Abschnitts hinaus erstreckt; und wobei der erste Abschnitt des Hitzeschilds bezogen auf die Hinterendfläche des Flansch-Abschnitts in einem hinteren Teil des Lochs mit dem Innenumfang der Membran verbunden ist.
Drucksensor wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht, wobei: die Membran über eine Verbindung mit dem Vorderende des Gehäuses verbunden ist; wobei die Vorderendfläche der Membran und die Verbindung eine orthogonale Projektion auf eine Ebene aufweisen, die parallel zur Vorderendfläche der Membran ist; und wobei die orthogonale Projektion die Bedingung erfüllt, dass 0,15 ≤ (Sn/Sd) ≤ 0,25, wobei: Sd eine von der Verbindung in der orthogonalen Projektion umschlossene Fläche darstellt; und Sn eine Öffnungsfläche des Lochs der Membran in der orthogonalen Projektion darstellt.