DE19755192A1 - Kapazitiver Druckaufnehmer zur Druckmessung im Brennraum von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Sinn und Zweck der Erfindung ist die Messung des Drucks im Brennraum eines Verbrennungsmotors als aussagekräftigste Kenngröße zur Beurteilung des Betriebsverhaltens des Motors und zur Diagnose. Diese Messungen sollen auch im Serieneinsatz ermöglicht werden. Aus diesem Drucksignal können entscheidende Rückschlüsse hinsichtlich der optimalen Verbrennung gezogen werden. Dadurch, daß das Brennraumdrucksignal auf den Kurbelwinkel der Kurbelwelle bezogen werden kann, liegt ein aussagekräftiger Regelparameter bezüglich wirkungsgradoptimaler Verbrennung vor. Damit kann der Verbrennungsverlauf selbst anhand der Lage und Höhe des Brennraumdruckes begutachtet und auf optimalen Wirkungsgrad durch Beeinflussung der Stellgrößen Zündung, Einspritzung, Gemisch, Drosselklappe und weiteren geregelt werden. Weiterhin sind Verbrennungsphänomene wie Klopfen und Aussetzer erkennbar. Somit können durch Analyse des Druckes unerwünschte Betriebszustände des Motors sicher erkannt und vermieden werden. Die durch gesetzliche Auflagen und aus Sicherheits-, Kraftstoffökonomie- sowie Ökologiegründen geforderten und gewünschten Diagnosefunktionen am Motor können durch Bereitstellung des Zylinderdrucksignals sehr differenziert und effizient durchgeführt werden.

Durch die erheblichen Vorteile motiviert, die mit der Druckmessung im Zylinder bei Motorauslegung und -regelung zu erzielen sind, sind zahlreiche Vorschläge für derartige Brennraumdruckaufnehmer bekannt. Die dazu verwendeten Meßverfahren sind entweder piezoelektrisch, wie in DE 37 14 131, oder piezoresistiv, wie der Aufnehmer nach WO 92/01912. Werden derartige Aufnehmer in einer Bohrung mit Zugang zum Brennraum angebracht, so handelt es sich um die direkteste Art der Messung des Brennraumdrucks mit dem Vorteil eines hervorragenden Signal/Rauschverhältnisses.

Nachteile des Standes der Technik

Durch die Flammfront im Brennraum entstehen sehr hohen Temperaturen, die bei Messungen im Zylinder einen extrem großen Wärmefluß in das Aufnehmergehäuse und damit auch in die jeweilige Meßzelle nach sich ziehen. Nachteilig ist bei den angegebenen Bauformen, daß insbesondere bei Hochleistungsmotoren oder beim länger andauernden Auftreten klopfender Verbrennungen diese Wärmemenge so groß sein kann, daß sie zu einer Zerstörung des Meßelementes führt. Dies gilt insbesondere bei den piezoresistiven Aufnehmern, bei denen die erste Verstärkerelektronik im Sensor integriert ist. Weiterhin ist bei erhöhten Temperaturen eine steigende Drift des piezoresistiven Dehnungsmeßstreifens und der integrierten Elektronik zu erwarten, wobei durch das verwendete Halbleitermaterial grundsätzlich schon eine obere Temperatureinsatzgrenze gegeben ist. Aus diesem Grund wird für derartige Aufnehmer in WO 92/01912 ein größerer räumlicher Abstand zwischen dem Brennraum und der eigentlichen Meßzelle dergestalt vorgesehen, daß der Zylinderdruck auf eine dem Brennraum zugewandte Membran einwirkt, die wiederum über einen längeren Transferstößel die entstehende Kraft in die eigentliche Meßzelle weiterleitet. Über die Länge des Transferstößels wird die Temperatur reduziert, mit der die Meßzelle beaufschlagt wird. Als wesentlicher Nachteil steht jener Anordnung die durch die Länge des Transferstößels in gleichem Maße herabgesetzte mechanische Eigenfrequenz gegenüber, die mit steigender Länge des Stößels bekanntermaßen sinkt. Diese Tatsache ist insofern sehr unerwünscht, als daß eine präzise Messung der Druckschwingungen bei klopfender Verbrennung mit einer derart herabgesetzten Eigenfrequenz drastisch erschwert oder sogar verhindert wird.

Beim piezoelektrischen Verfahren wie in DE 37 14 131 weisen die Materialkoeffizienten starke Temperaturabhängigkeiten auf. Dieses ist ein großer Nachteil, denn diese Konstanten werden für den Meßeffekt ausgenutzt. Oberhalb der sogenannten Curie-Temperatur verschwindet der piezoelektrische Effekt und der Aufnehmer ist zerstört. Aus diesem Grund sind derartige Aufnehmer ebenfalls thermisch nicht überlastfest. Zwar sind Materialien verfügbar, bei denen der Meßeffekt auch bei Temperaturen über 1000°C noch genutzt werden kann, jedoch driften diese stark. Als besonderer weiterer Nachteil der piezoelektrischen Sensoren kann der hohe Preis angesehen werden, der insbesondere eine Verwendung derartiger Aufnehmer in Serienfahrzeugen wirtschaftlich unmöglich macht. Der hohe Preis resultiert aus der aufwendigen Konstruktion des Sensors mit Vorspannhülsen und den teuren piezoelektrischen Materialien (z. B. Quarz) selbst. Bei allen piezoelektrischen Verfahren gilt als besonderer kostensteigernder Nachteil gemeinsam, daß es sich hier um die Messung einer elektrischen Ladung bzw. Ladungsverschiebung handelt, weshalb hochisolierende Meßkabel verwendet werden müssen, damit während der Messung keine Ladung abfließt und zu Fehlmessungen führt. Diese speziellen Meßkabel sind sehr teuer und auch für die Verwendung unter den rauhen Bedingungen des Serieneinsatzes nicht geeignet. Die zur elektronischen Auswertung notwendigen Ladungsverstärker stellen ebenfalls einen erheblichen Kostenfaktor dar. Der Serieneinsatz der Aufnehmer wird zudem durch die mangelnde Langzeitstabilität der piezoelektrischen Koeffizienten verhindert.

Aus den genannten Gründen beruhen in anderen technischen Bereichen großserientaugliche Aufnehmer oftmals auf dem kapazitiven Meßprinzip. Durch deren einfachen technischen Aufbau sind sehr preisgünstige Aufnehmer realisierbar. Da hier keine Materialkonstante, welche stets mit einer Temperaturabhängigkeit behaftet ist, den Meßeffekt bestimmt, ist eine systembedingt niedrige Drift realisierbar. Im Gegensatz zu den erwähnten Meßverfahren ist beim kapazitiven eine thermische Überlastfähigkeit bis zu höchsten Temperaturen einfach zu verwirklichen, da hierbei eine wesentlich größere Wahlfreiheit bezüglich der Materialien besteht. Allerdings sind für den Einsatz in der Druckmeßtechnik am Brennraum des Motors die aus anderen Bereichen bekannten Bauformen vollkommen ungeeignet, da die hohen Temperaturen, die im Brennraum entstehen, zu starken Temperaturgradienten in den Bauteilen am Motor und damit auch in derartigen Aufnehmern führen, die ihrerseits große thermische Dehnungen hervorrufen. Diese Dehnungen resultieren in starken Abweichungen bei den Druckmessungen, da sich thermische Geometrieänderungen in der Meßzelle des Aufnehmers nicht von druckbedingten unterscheiden lassen. Zur Kompensierung derartiger Effekte wendet man üblicherweise Differentialanordnungen der Meßkondensatoren an. Nachteilig sind an diesen jedoch der doppelt so große benötigte Bauraum und der höhere Aufwand bei der Verdrahtung. Letztere erfordert entweder ein zweites Meßkabel pro Aufnehmer, welches aus Kosten-, Bauraum- und Servicefreundlichkeitsgründen sehr nachteilig ist, oder die Differentialanordnung erfordert die Integration der ersten elektronischen Auswertestufe in den Aufnehmer mit den schon geschilderten Nachteilen der begrenzten thermischen Einsetzbarkeit. Zudem ist für die integrierte Elektronik bei derartig hohen Temperaturen wie erwähnt mit signifikanten Driften zu rechnen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfach aufgebaute Druckmeßvorrichtung zu schaffen, die die Messung des Brennraumdrucks und bei offenen Ventilen auch des Saugrohrdrucks in allen Betriebsbereichen auch bei klopfender Verbrennung ermöglicht und zu diesem Zweck eine hinreichend hohe Eigenfrequenz aufweist, sowie thermischer Überlastung über ca. 350°C Bauteiletemperatur standhält. Bezüglich der technischen Realisierbarkeit der Erfindung ist preisgünstigen Materialien und großserientauglichen Fertigungsverfahren der Vorzug gegeben worden, damit ein günstiger Systempreis zu erzielen ist. Zu den Aufgaben des Meßsystems gehört weiter eine hinreichend hohe Genauigkeit, um Verbrennungsphänomene zu detektieren und um über den Druck als Meßgröße einen Optimierungsparameter bezüglich des Motorwirkungsgrades bereitzustellen.

Lösung der Aufgabe

Diese Aufgabe wird mit einem Druckaufnehmer mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei zusätzliche Gestaltungsmäglichkeiten und Weiterentwicklungen aus den Unteransprüchen hervorgehen.

Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß lediglich das kapazitive Verfahren die hohen Ansprüchen hinsichtlich thermischer Überlastbarkeit bei Langzeitstabilität zu einem geringen Preis erfüllen kann. Ausschlaggebend für die Einsetzbarkeit dieses Verfahrens ist die Erkenntnis, daß bei einem kapazitiven Verfahren der Wärmefluß in den Sensor sowie der Wärmefluß innerhalb der Meßzelle derart gesteuert werden müssen, daß eine Druckmessung auch bei den sich ständig ändernden thermischen Belastungen mit minimierter Drift ermöglicht werden muß. Diese Erkenntnis läßt sich in die zwei einzelnen Erkenntnisse aufspalten, nämlich daß erstens der Wärmefluß in den Sensor behindert wird, so daß die hohen Temperaturspitzen der Flammfront herausgefiltert werden und ein Teil der Wärme bereits in das Gehäuse abfließt, und daß hingegen zweitens in der Meßzelle ein sehr guter Wärmefluß angestrebt wird, damit sich thermische Dehnungen schnell ausgleichen und somit die Drift minimal wird. Diese Zielsetzung wird dadurch erreicht, daß die Meßzelle mit einer Doppelmembrankonstruktion gekapselt wird, so daß die thermischen Spitzen in einer Schutzmembran abgebaut werden und von der Meßzelle abgehalten werden und zugleich ein Teil der Wärme in das Gehäuse abfließt. Der durch eine daran angekoppelte thermische Isolierscheibe, die auch als Transferstempel ausgebildet sein kann, eindringende Teil der Wärme darf nicht zu unterschiedlichen Verschiebungen der festen Kondensatorplatte gegen die druckbeanspruchte führen, da hierdurch driftbedingte Fehlmessungen vorlägen. Somit ist im Sensorelement entweder ein schneller Temperaturausgleich durch gute Wärmeleitfähigkeit anzustreben, oder durch die Auswahl von Materialien mit angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten werden die Dehnungen im Sensorelement so gesteuert, daß die rein temperaturabhängigen Änderungen des Plattenabstandes des Meßkondensators minimal werden. Die Sensordrift ist bei kapazitiven Verfahren besonders einfach dadurch minimiert, daß keine temperaturabhängigen Materialkonstanten für den Meßeffekt ausgenutzt werden.

Als weitere Möglichkeit der Driftreduzierung kann der Meßkondensator ganz oder teilweise mit einem temperaturabhängigen Dielektrikum gefüllt werden. Bei geeigneter Auswahl lassen sich dadurch thermisch bedingte Meßkapazitätsänderungen durch Materialausdehnungen in Richtung positiver Kapazitätsänderungen durch Abnahme der relativen Dielektrizitätszahl kompensieren und ebenso umgekehrt dehnungsbedingte Kapazitätsabnahmen durch einen Anstieg der Dielektrizitätszahl.

Durch die erfindungsgemäße Konstruktion und Materialwahl, die am besten mit Finite-Elemente-Untersuchungen hinsichtlich der minimierten Drift und ausreichenden Festigkeit optimiert wird, kann vorteilhafterweise der thermisch isolierende Transferstempel mit sehr kurzer Länge gestaltet werden. Hierdurch ergibt sich eine hohe Sensorsteifigkeit und Eigenfrequenz, so daß auch bei den Klopffrequenzen im Brennraum gemessen werden kann und insbesondere eine wirkungsvolle Klopferkennung ermöglicht wird.

Der Verzicht auf eine Differentialanordnung ermöglicht eine einfachste Konstruktion, die lediglich einen einzelnen Plattenkondensator als Meßelement erfordert. Damit ergeben sich als weitere Vorzüge der Erfindung ein günstiger Preis durch die Verwendung eines einfacheren Anschlußkabels, denn nur ein einziger Kondensator muß verdrahtet werden.

Weiterhin ermöglicht die extrem einfache Konstruktion den Wegfall der bei piezoelektrischen Verfahren erforderlichen Vorspannelemente und deren Justierung.

Da keine Elektronik integriert werden muß, ist die thermische Überlastfestigkeit des Aufnehmers den Erfordernissen leicht anzupassen, indem auf thermisch ausreichend stabile Materialien, insbesondere bei den elektrischen Isolationsmaterialien zurückgegriffen werden kann. Diese sind zu einem günstigen Preis verfügbar. Damit ist hinsichtlich Materialwahl und Fertigungsverfahren eine größtmögliche Freiheit gegeben, die besonders vorteilhaft zu einer großserientauglichen, preisgünstigen Konstruktion ausgenutzt werden kann.

Meßkondensatoren lassen sich üblicherweise mit Schirmelektroden versehen, die von der Auswerteelektronik im Potential nachgeführt werden. Auf diese Art und Weise ist der Einfluß parasitärer Kapazitäten kompensierbar. Diese sind insbesondere im Meßkabel und in der Steckverbindung zu finden, und insbesondere von Kabellänge und -führung sowie von der Temperatur abhängig. Bei den stark schwankenden Meßbedingungen im Motorraum ist eine Kompensierbarkeit der parasitären Einflüsse entscheidend für die Funktionsfähigkeit und bei der beschriebenen Erfindung günstigerweise mit einfachen Mitteln lösbar. Zu diesem Zwecke verbessert eine zweite Schutzschirmung des Meßkabels, die an die Schirmelektrode des Meßkondensators angeschlossen wird, die gesamte Abschirmung gegenüber elektromagnetischer Störstrahlung. Damit kann insbesondere in unmittelbarer Nähe des Zündfunkens erfolgreich gemessen werden.

Das kapazitive Meßverfahren gestattet den Einsatz preisgünstiger elektronischer Auswerteverfahren. Damit ist nicht nur der Aufnehmer sondern die gesamte Meßkette zu dem für den Großserieneinsatz erforderlichen günstigen Preis verfügbar. Insbesondere die heutzutage üblichen Trägerfrequenzmeßbrücken lassen bei hoher Störsicherheit und der oben beschriebenen Nachführung der Schutzschirmelektrode eine Bestimmung von Kapazitätsänderung im Bereich von Bruchteilen eines Pikofarads zu. Somit ist auch bei einer sehr steifen Sensorauslegung eine präzise Druckmessung mit dem kapazitiven Verfahren möglich.

Zur Vermeidung höchster Präzisionsanforderungen an die Fertigung ist die kapazitätsbestimmende Geometrie des Meßelements, die reproduzierbar hergestellt werden sollte, bezüglich des Plattenabstandes auch nachträglich justierbar vorsehbar. Damit können größere Toleranzen in der Fertigung zugelassen werden, die nach der Montage wieder ausgeglichen werden können. So läßt sich der Preis der Einzelteilanfertigung weiter reduzieren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beispielen von Ausführungen der Erfindung und den Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt einen kapazitiven Zylinderdruckaufnehmer mit veränderlichem Plattenabstand im Schnitt.

Fig. 2 stellt die Bereiche guter sowie schlechter Wärmeleitfähigkeit dar, soweit sie für die Funktionsweise der Erfindung entscheidend sind.

Fig. 3 zeigt eine Variation des Aufnehmers aus Fig. 1 mit einer zusätzlichen thermischen Isolierung

Fig. 4 gibt durch die Gestaltung des Transferstößels eine vorteilhafte Ausführung des Aufnehmers nach Fig. 1 an.

Fig. 5 stellt einen Sensor mit einer zusätzlichen elektrischen Isolierung dar, um Kurzschlüsse zwischen den Kondensatorplatten wirkungsvoll zu verhindern.

Fig. 6 veranschaulicht eine Justagevorrichtung für das Sensorinnenteil, um Fertigungstoleranzen, die sich auf den Plattenabstand des Meßkondensators auswirken, auszugleichen.

Fig. 7 demonstriert einen Sensor, bei dem die druckabhängige Plattenabstandsänderung im Meßkondensator durch die Dehnung eines Schaftes hervorgerufen wird.

Nach Fig. 8 ist als Meßeffekt die druckabhängige Änderung der Dielektrizitätszahl eines Stoffes ausgenutzt.

Fig. 9 zeigt einen Aufnehmer variabler Meßkondensatorfläche.

In Fig. 10 ist ein Sensor mit druckabhängiger variabler Dielektrizitätszahl durch Eindringen eines Isolators in den Meßkondensator dargestellt.

Der kapazitive Brennraumdrucksensor nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einer dem Brennraumdruck zu gewandten Schutzmembran 1, einem Transferstößel 2, einer Meßmembran 4, die mit einer Elektrode 18 versehen ist, sowie einem feststehenden Innenteil 7, welches eine Meßelektrode 6a trägt. Dieser Sensor wird vorzugsweise mit der Schutzmembran 1 bündig zur Brennraumwand eingebaut oder es wird ihm über einen Kanal ein Zugang zum Brennraum verschafft. Der im Zylinder entstehende Brennraumdruck wird über die Schutzmembran 1, welche vorzugsweise aus einer hochfesten Stahllegierung oder Keramik besteht und zum Abbau mechanischer Spannungen auch eine Sicke oder eine andere dazu geeignete Form tragen kann, auf einen Transferstößel 2 weitergeleitet. Dieser dient der thermischen Isolation und überträgt die eingeleitete Kraft an die Meßmembran 4. Diese ist am Innengehäuse 5 befestigt. Am Innengehäuse wiederum ist das Innenteil wirkend als Elektrodenhalter 7 untergebracht, der die Meßelektrode 6a und eine eventuelle Schutzringelektrode 6b trägt. Durch die Materialwahl wird ein sehr guter Temperaturausgleich zwischen der Meßmembran 4, dem Innengehäuse 5 und dem Elektrodenhalter 7 angestrebt, so daß Temperatureinflüsse nur zu einer vernachlässigenden Änderung des Plattenabstandes zwischen der Meßelektrode 6a und einer Gegenelektrode 18 führen können. Das Innengehäuse 5 sowie die Schutzmembran 1 sind an einem Außengehäuse 3 befestigt. Das Außengehäuse wird üblicherweise über ein Gewinde 10 oder eine Passung im Zylinderkopf befestigt. Die Kontaktierung der Meßelektrode 6a und der Schutzringelektrode 6b erfolgt über Drähte 14 oder ähnliche Kontaktierungselemente mit einem Meßkabel 19, welches koaxial aus Meßleitung 13, Isolierung 12 und Schutzring 11 aufgebaut sein sollte. Die Kontaktierung der Elektrode 18 muß über die Membran 4 verwirklicht werden, wobei bei Verwendung elektrisch leitenden Materials für die Membran 4 die Elektrode 18 mit dieser eine Einheit bildet. Vorzugsweise ist zur guten Abschirmung an dieses Bauteil das elektrische Massepotential anzuschließen.

Der Elektrodenhalter 7 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material wie Keramik oder Kunststoff, kann aber auch zur Erzielung der gewünschten Wärmeausdehnungskoeffizienten aus verschiedenen Einzelteilen mit geeigneten Materialien aufgebaut sein.

Die Vorteile des gesteuerten Temperaturausgleichs und damit der prinzipbedingt geringen thermischen Drift dieses Aufnehmertyps sollen anhand eines Wärmeflußbildes in Fig. 2 dargestellt werden. Die hohen Temperaturen im Brennraum dringen durch die Materialauswahl bevorzugt über die Schutzmembran 1 in das Gehäuse 3 ein und werden dort abgeleitet (Wärmefluß 8a). Hingegen ist ein Wärmefluß 8b in den Transferstößel 2 durch dessen schlechte Wärmeleitung gering, ebenso ein Wärmefluß 8c in die Meßmembran 4, so daß auf diesem Weg schon ein Großteil der hohen Temperaturen abgebaut werden können. Zwischen Meßmembran 4, Innengehäuse 5 und Elektrodenhalter 7 werden durch die Materialwahl schnelle Temperaturausgleichsvorgänge 8d und 8e realisiert, so daß die thermische Drift minimal wird. Die Aufgabe des Transferstößels 2 ist vornehmlich in der Filterung der Temperaturspitzen durch die motorische Verbrennung zu sehen, die absolute Höhe der Temperatur an den Kondensatorplatten 6a und 18 ist durch die Verwendung des kapazitiven Meßprinzips in weiten Bereichen unbeschränkt.

In Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine Sensorvariante dargestellt, die zur Erreichung einer homogenen Temperaturverteilung im Sensorinnenteil 5 und Elektrodenhalter 7 einen Abfluß der Wärme in das Gehäuse 3 über einen Isolationsring 9 aus thermisch schlecht leitendem Material behindert. Die gleichmäßige Temperatur führt zu einer minimierten Drift im Meßkondensator.

In Fig. 4 ist eine Abwandlung der Erfindung gezeigt, in der der Wärmefluß vom Brennraum über die Schutzmembran 1, den Transferstempel 2 in die Meßmembran 4 dadurch vermindert wird, daß der Transferstempel 2 eine Verjüngung 2a aufweist. Durch diese Verjüngung wird die thermische Isolation durch das Bauteil 2 heraufgesetzt. Somit können Temperaturspitzen und -gradienten aus dem Brennraum besser gefiltert und von der Meßmembran 4 fern gehalten werden.

In Fig. 5 ist eine Variante des inneren Aufbaus der Erfindung aufgezeigt, durch die Kurzschlüsse zwischen den Elektroden 6a und 18 vermieden werden, welche durch mechanische Überlastung oder durch bei der Herstellung zurückgebliebene elektrisch leitende Partikel zwischen den Kondensatorplatten 6a und 18 entstehen können. Zu diesem Zweck wird mindestens eine der Elektroden mit einer elektrisch isolierenden Schicht 20 versehen, welche z. B. als Plättchen aus Keramik oder Kunststoff, als Folie oder auch als Beschichtung ausgeführt sein kann. Wenn zudem derartige Schichten einen Temperaturgang der Dielektrizitätszahl aufweisen, können auf geschickte Weise Kapazitätsdriften hervorgerufen durch thermische Dehnungen kompensiert werden.

In Fig. 6 ist ein Schnitt durch einen Sensor mit einem justierbarem Innenteil 7 dargestellt. Durch Fertigungsungenauigkeiten, die auch aus Kostengründen zur Vermeidung unnötig präziser und teurer Bearbeitungsvorgänge beabsichtigt sein können, ist eine reproduzierbare Einhaltung eines vorgegebenen Grundplattenabstands des Meßkondensators, bestehend aus den Kondensatorplatten 6a und 18, vorzugsweise auch durch eine Justage nach der Fertigung einzustellen. Zu diesem Zweck erhält der Elektrodenträger 7 eine Justagemöglichkeit durch ein Gewinde 15. Durch Drehung des Bauteils 7 um die Achse 22 im Gewinde 15 läßt sich eine Verschiebung des Elektrodenhalters 7 in Richtung 21 erreichen. Damit ist eine nachträgliche Korrektur des Plattenabstandes zwischen den Elektroden 6a und 18 gewährleistet. Prinzipiell kann das Gewinde 15 auch ersetzt werden durch eine Schiebevorrichtung in Richtung 21.

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung des kapazitiven Aufnehmers, bei dem eine Änderung des Plattenabstandes nicht durch die druckabhängige Durchbiegung einer Membran 4 erreicht wird, sondern durch die Stauchung eines dünnwandigen zylindrischen Schaftes 23. Die Krafteinleitung erfolgt in gleicher Weise wie in Fig. 1, wobei die Membran 4 durch ihre Dicke durchaus nahezu biegesteif sein kann. Durch die Ausnutzung der Stauchung des Zylinderquerschnittes 23 erreicht man als besonderen Vorteil die hohe Linearität zwischen einwirkendem Druck und Änderung des Plattenabstandes zwischen den Elektroden 6a und 18.

Bei der Variation der Erfindung nach Fig. 8 wird der Meßeffekt durch die druckabhängige Änderung der relativen Dielektrizitätszahl erreicht. Zu diesem Zweck ist der Bauraum zwischen den Elektroden 18 und 6a mit einer Flüssigkeit 23 aufgefüllt, die wie Silikonöl mit dem Druck ihre Dielektrizitätszahl ändert. Durch die Wahl der Flüssigkeit können geometrische Driften der Bauteile kompensiert werden. Weiterhin lassen sich so Aufnehmer mit geringstem Meßweg und hoher Eigenfrequenz realisieren.

Fig. 9 zeigt eine Ausführung eines Sensors mit einem Meßkondensator variabler Plattenfläche. Bei diesem Sensor als Abwandlung des Aufnehmers aus Fig. 7 wird der Meßweg ebenfalls durch Stauchung eines Rohrzylinders 23 erzielt. Durch höhere Druckbeanspruchung werden die Kondensatorplatten 6a und 18 weiter zur Überdeckung gebracht, so daß die Kapazität im Meßkondensator insgesamt ansteigt. Vorteil dieser Konfiguration ist die gute Linearität und die einfache Realisierbarkeit von Differentialanordnungen zur Kompensierung von Driften. Eine Schutzringelektrode 6b kann wie in Fig. 9 dargestellt angeordnet werden.

Fig. 10 ist eine Abwandlung der Konstruktion nach Fig. 7, in der druckabhängig ein Dielektrikum im Plattenkondensator verändert wird. Nach der gezeigten Anordnung wird durch den Druck eine Stauchung im Rohrzylinder 23 verursacht, wodurch die dicke Platte 4 eine Bewegung in Richtung 21 vollführt. Durch diese Bewegung wird das an der Platte 4 befestigte Dielektrikum 24 weiter in den Plattenkondensator aus den feststehenden Elektroden 6a und 18 geschoben, wodurch sich dessen Kapazität ändert. Durch die Anordnung als Zylinderkondensator ist ein einfacher Aufbau als Differentialkondensator realisierbar, ebenso ist als Nebeneffekt eine sehr große Kondensatorfläche für eine hohe Grundkapazität des Meßkondensators zu verwirklichen.

Claims (15)

1. Kapazitiver Sensor zur Messung des Drucks im Zylinder von Brennkraftmaschinen und zur Erkennung von Verbrennungsphänomenen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor durch eine Schutzmembran, in die der Brennraumdruck eingeleitet wird, gekapselt ist, von der Schutzmembran der Druck als Kraft auf einen Stempel zur thermischen Entkopplung weitergeleitet wird, von diesem Stempel ein Hubglied bewegt wird, durch das die eingeleitete Kraft in einen Meßweg umgeformt wird, durch den Meßweg die Kapazität eines Kondensators verändert wird und im Meßkondensator durch Materialwahl mit angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten reine Temperaturbeaufschlagung des Sensors zu keiner oder vernachlässigbar geringer Kapazitätsänderung führt.

2. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubglied als Membran ausgeführt ist, an die eine Elektrode des Meßkondensators befestigt ist, die einen Plattenkondensator bildet gegen eine feststehende Elektrode, und daß die Kapazitätsänderung im Meßkondensator durch die druckabhängige Bewegung der ersten Elektrode gegenüber der zweiten Elektrode erreicht wird.

3. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubglied als biegesteife Platte ausgeführt und an einem Rohrquerschnitt befestigt ist, so daß die eingeleitete Kraft zu einer Stauchung des Rohres und damit zu einem Meßweg führt, eine erste Elektrode an der biegesteifen Platte befestigt ist oder die Platte selbst als Elektrode wirksam ist und gegenüber einer feststehenden Elektrode eine druckabhängige Kapazitätsänderung durch den Meßweg erzielt wird.

4. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Hubglied eine Elektrode befestigt ist und der Raum zwischen dieser und einer feststehenden Elektrode mit einer Flüssigkeit aufgefüllt ist, deren Dielektrizitätszahl sich bei Druckbeanspruchung ändert und somit der Meßweg in einen Druck und damit in eine Kapazitätsänderung umgeformt wird.

5. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den erzielten Meßweg eine zylindrische Elektrode verschoben wird, so daß gegenüber einer feststehenden ebenfalls zylindrischen Elektrode eine geänderte Überdeckung der Elektrodenflächen aufgrund des Meßwegs und somit des Druckes erzielt wird, so daß das Prinzip eines Meßkondensators variabler Fläche ausgenutzt wird.

6. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den druckabhängigen Meßweg ein an dem Hubglied befestigtes Dielektrikum verschoben wird, welches in einen Meßkondensator mit feststehenden Elektroden hineinragt und sich somit in diesem das Verhältnis zwischen diesem Dielektrikum und einem weiteren Dielektrikum anderer Dielektrizitätszahl, vorzugsweise Luft oder Vakuum, aufgrund des Meßweges ändert.

7. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Hubglied aus elektrisch leitfähigem Material besteht und damit als eine Elektrode wirkt, die sich durch Druckbeanspruchung bewegt oder wölbt und damit eine Plattenabstandsänderung gegenüber einer feststehenden Elektrode hervorruft.

8. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel aus einem thermisch isolierendem Material wie Keramik oder Chromstahl besteht und durch eine Verjüngung seines Querschnittes die thermische Isolation noch gesteigert wird

9. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter für die feststehende Elektrode aus einem Material besteht, welches durch seinen Wärmeausdehnungskoeffizienten die thermischen Dehnungen des Hubglieds und eines Innengehäuses, an der das Hubglied befestigt ist, kompensiert und sehr gute Wärmeleitung auf dem Weg vom Hubglied über das Innengehäuse zum Elektrodenhalter zum schnellen Temperaturausgleich vorliegt, so daß Temperaturänderungen im Sensor zu nahezu keiner Änderung der Meßkapazität führen.

10. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Innengehäuse thermisch gegenüber einem Außengehäuse an einigen oder allen Befestigungspunkten gekapselt ist.

11. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden zur Vermeidung von Kurzschlüssen mit einer Isolierschicht versehen ist.

12. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum mindestens zu einem Teil aus einem Stoff mit einer von der Temperatur abhängigen Dielektrizitätszahl besteht, um Kapazitätsänderungen, die durch thermische Dehnungen hervorgerufen werden, über entgegengesetzt wirkende Zu- oder Abnahme der Dielektrizitätszahl zu kompensieren.

13. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Elektrode nach der Montage noch mit einer Justiervorrichtung in die endgültige Position verschoben werden kann, um reproduzierbar auch bei fertigungsbedingten Ungenauigkeiten die angestrebte Grundkapazität einzustellen.

14. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Elektroden mit einer Schutzringelektrode versehen ist zur Homogenisierung des elektrischen Feldes und zur besseren Abschirmung gegen Störimpulse, wie sie z. B. durch den Zündfunken auftreten.

15. Kapazitiver Sensor gemäß Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzmembran eine Formgebung beispielsweise in der Art einer Sickung erhält, um den Kraftnebenschluß zu mindern und mechanische Spannungen durch Wärmedehnungen abzubauen.