DE3714131A1 - Drucksensor fuer verbrennungsmotor mit vergroesserter temperaturbelastbarkeit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor für Verbrennungsmotore, wie im Oberbegriff des Patentan­ spruches 1 angegeben.

Aus dem europäischen Patent 004 039 ist ein Drucksensor für Verbrennungsmotore mit Kompression des Treibstoff-Luftgemisches im Verbrennungsraum bekannt. Dieser Drucksensor ist mit seinem Gehäuse in den Motorblock derart einzusetzen, daß er mit einem Fühler in den Verbrennungsraum hineinragt. Der Drucksensor be­ sitzt an dem im Verbrennungsraum befindlichen Anteil des Gehäu­ ses eine Druckkräfte der Verbrennung aufnehmende Membran, von der aus diese über eine stabförmige Druckübertragungsverbindung auf das piezoelektrische Element des Sensorwandlers übertragen werden. Das die Druckkraft in ein elektrisches Signal umwandeln­ de piezoelektrische Element ist dort ein Biegewandler, be­ stehend aus mindestens zwei zu einem Bimorph-Körper zusammenge­ setzten Anteilen. Wenigstens einer dieser Anteile ist eine Scheibe aus Piezokeramik, die vorzugsweise mit Klebstoff an den übrigen Anteilen des Bimorph-Körpers befestigt ist.

Im Betrieb ist ein derartiger Drucksensor erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt. Zum einen ist die Druck aufnehmende Membran der Verbrennungswärme im Verbrennungsraum unmittelbar ausgesetzt. Über die stabförmige Druckübertragungs­ verbindung wird eine beträchtliche Wärmemenge auf den Sensor­ wandler und damit auf den Bimorph-Körper übertragen. Insbe­ sondere bei einer Klebverbindung des Bimorph-Körpers ist aber die maximal zulässige Temperatur für denselben sehr begrenzt.

Bezüglich des Aufbaus des aus der obengenannten Patentschrift bekannten Drucksensors sei auf die in dieser Patentschrift ent­ haltenen Ausführungen verwiesen, die zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen durch den Hinweis auf diese Druckschrift Be­ standteil der vorliegenden Erfindungsbeschreibung sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen einschlägigen Drucksensor anzugeben, der vergrößerte Temperaturbelastbar­ keit besitzt.

Diese Aufgabe wird mit einem Drucksensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, eine Konstruktion für den verbesserten Drucksensor zu wählen, mit der zum einen eine Verringerung der in den Drucksensor hineinfließenden Wärmemenge erzielt wird und zum anderen die dennoch an den Sensorwandler gelangende Wärmemenge dort weniger nachteilige Auswirkungen hat, und zwar dies ohne relevante Ein­ buße an Empfindlichkeit. Diese Zielsetzung wird dadurch er­ reicht, daß für die Membran eine Bemessung und Formgebung ge­ wählt wird, durch die der in den Drucksensor gelangende Anteil auf den Drucksensor übertragener Wärmemenge verringert wird, nämlich indem man dafür sorgt, daß ein Maximum der auf die Membran übertragenen Wärme an das Drucksensorgehäuse und weiter an den gekühlten Motorblock abgeleitet wird, in den das Gehäuse des Drucksensors im Betrieb eingesetzt ist. Die Dicke der vor­ gesehenen Membran hat zu ihrem freien Durchmesser ein Verhält­ nis 1 : 20 oder kleiner. Durch möglichst gut wärmeleitende Ver­ bindung des Randes der Membran mit dem Drucksensorgehäuse, die Membran ist z.B. eingeschweißt oder eingelötet, wird die Wärme­ ableitung in das Gehäuse zusätzlich verbessert. Der dann in die stabförmige Druckübertragungsverbindung und an den Sensorwand­ ler noch gelangende Wärmemengenanteil ist damit bereits erheb­ lich vermindert.

Da aber größere Dicke der Membran ohne Zusatzmaßnahmen zu höherer Steifigkeit der Membran und damit zu geringerer Signalempfindlichkeit führt, ist für die Membran eine gewellte Form vorgesehen.

Um den Sensorwandler gegen die von diesem noch aufgenommene Restwärmemenge unempfindlicher zu machen, ist für diesen vorgesehen, daß die auch bei diesem Sensorwandler verwendete Piezokeramik-Scheibe an deren Rand eingespannt ist, und zwar vorzugsweise unter bereits im Ruhezustand vorhandener Vor­ spannung. Dies gewährleistet eine stets sichere Halterung dieser Piezokeramik-Scheibe, ohne daß hierfür ein besonderer Aufwand zu treiben wäre.

Für die randständige Halterung der Piezokeramik-Scheibe hat der Sensorwandler eine Fassung, die im wesentlichen scheibenförmig ist und aus Metall besteht. Ein Ring ist ein Anteil dieser Fassung. Im Inneren dieses Ringes ist die Piezokeramik-Scheibe eingespannt gehaltert. Es ist vorgesehen, daß die stabförmige Druck-Übertragungs-Vorrichtung primär auf diese scheibenförmige Fassung einwirkt. Die Scheibe dieser Fassung ist an ihrem äußeren Rand in dem Gehäuse des Drucksensors gehaltert.

Eine im Betrieb auf diese Scheibe der Fassung einwirkende, von der Membran und der Druckübertragungsverbindung übertragene Druckkraft führt zu einer Biegung dieser scheibenförmigen Fassung, nämlich mit dem Ergebnis, daß die von dieser Fassung auf die Piezokeramik-Scheibe einwirkende Kraft sich ändert. Es ist dies hier eine Radialkraft. Diese Änderung der Kraft­ einwirkung führt zu einem piezoelektrischen Signal der Scheibe. Dieses elektrische Signal ist das Sensorsignal, das z.B. ggf. auftretendes Klopfen des Motors erkennbar macht.

Vorzugsweise ist die Konstruktion so gewählt, daß die zu er­ mittelnden Druckkräfte zu Verringerung der Einspannkraft der Piezokeramik-Scheibe führt.

Das System bestehend aus Membran, Druckübertragungsvorrichtung und Sensorwandler steht stets unter mechanischer Vorspannung, daß auch bei Schwingzuständen in diesem System dauernder Kraft­ schluß vorhanden ist.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zu bevorzugten Ausführungsbeispielen hervor.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Drucksensor.

Fig. 2 zeigt zur Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungs­ gemäß verwendeten Sensorwandler.

Fig. 3a, 3b, 4a, 4b, 5a, 5b zeigen weitere Ausführungsformen erfindungsge­ gemäß zu verwendender Sensorwandler.

Fig. 6 zeigt eine nach weitere Ausführungsform für den Sensor­ wandler.

Die Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Drucksensors 1. Mit 2 ist das gesamte Gehäuse des Drucksensors bezeichnet, das z.B. mit dem Gewinde 3 in die Wand des Motorblocks 4 ein­ geschraubt ist. Die erfindungsgemäß gewellt ausgestaltete Membran ist mit 5 bezeichnet. Mit ihrer in der Fig. 1 unteren Oberfläche 6 begrenzt diese Membran 5 an dieser Stelle den Verbrennungsraum d.h. die unter dem entsprechenden Druck stehenden Verbrennungsgase haben unmittelbaren Kontakt mit dieser Oberfläche 6 der Membran 5.

Das Verhältnis der Materialstärke der Membran 5 beträgt zu deren freien Durchmesser (innerhalb der Einspannung am Rande) etwa 1 : 20 oder weniger, z.B. 1 : 10 und liegt vorzugsweise zwischen 1 : 10 und 1 : 8.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist die Membran 5 an ihrem äußeren Rand 7 form- und/oder materialschlüssig in das Gehäuse 2 eingesetzt. Vorzugsweise ist die Membran 5 in den in der Figur unteren Anteil 8 des Gehäuses 2 eingeschweißt. Die Membran 5 besteht aus wärmefestem Stahl, insbesondere Chromnickelstahl.

Mit 11 ist ein Stab bezeichnet, der der Druckkraftübertragung zwischen der Membran 5 und dem Sensorwandler 12 dient. Vorzugs­ weise ist die Membran 5 auch mit diesem Stab 11 form- und/oder materialschlüssig verbunden, z.B. sind diese beiden Teile eben­ falls miteinander verschweißt. Es wird damit eine gute Zentrierung des Stabes 11 in der Bohrung 13 des Gehäuses 2 er­ zielt.

In dem in der Fig. 1 oberen Anteil ist der bereits erwähnte Sensorwandler 12 derart fest eingesetzt, daß er die vom Stab 11 übertragene Druckkraft aufzunehmen vermag. Mit 14 ist eine elektrische Anschlußleitung bezeichnet, die zu dem Sensorwandler 12 in dem Gehäuse 2 führt.

Durch die gewählte Dicke der Membran 5 einerseits und die Wellung derselben ist erreicht, daß die von der Membran 5 aus dem Verbrennungsraum aufgenommene Wärmemenge zu einem großen Anteil in den Anteil 8 des Gehäuses 2 übergehen kann und den­ noch die vergleichsweise zum Stand der Technik dicker be­ messene Membran keine wesentlich höhere Steifigkeit besitzt, so daß von dem Stab 11 zumindest keine wesentlich verringerte Arbeit auf den Sensorwandler 12 im Betrieb übertragen wird.

In dem Sensorwandler 12 ist die Piezokeramik-Scheibe in einer Fassung gehaltert, die im wesentlichen Scheibenform hat.

Für ein bei der Erfindung zu verwendenden Sensorwandler 12 lassen sich mehrere vorteilhafte Ausgestaltungen angeben, die nachfolgend erörtert werden.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines Sensorwandlers mit der Piezokeramikscheibe 21 und der Fassung 22. An ihrem äußeren Rand ist die Fassung in dem in der Fig. 1 oberen Teil des Gehäuses 2 befestigt. Mit 23 ist ein Ring bezeichnet, der ein Anteil der im Prinzip scheibenförmigen Fassung 22 ist. Innerhalb dieses Ringes 23 ist die Piezokeramik-Scheibe 21 an deren Rand unter radial auf diese Scheibe einwirkende Vor­ spannung fest eingespannt.

Mit 24 und 25 sind Elektrodenbelegungen der Piezokeramik­ Scheibe 21 bezeichnet. Zum Beispiel ist die Elektrode 25 als Masseanschluß mit der Fassung 22 elektrisch verbunden. Mit der Elektrode 24 ist die Anschlußleitung 14 verbunden.

Die Fig. 3a und 3b zeigen eine (übertriebene) Prinzipdar­ stellung, in welcher Weise die auf die Piezokeramik-Scheibe einwirkende, durch den Ring 23 der Fassung 22 ausgeübte radiale Vorspannung verringert wird, wenn durch eine mittels des Stabes 11 übertragenen Kraft auf die Fassung 22 des Sensorwandlers 12 diese eine wie aus der Fig. 3 ersichtliche Durchbiegung erfährt.

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine Variante zur Ausführungsform der Fig. 2. Der Ring 123 der Fassung 122 ist höher und z.B. weist diese Fassung 122 im Bereich dieses Ringes 123 und weiter im Inneren desselben die aus der Fig. 4 ersichtliche Form­ gebung auf. Ein Sensorwandler nach Fig. 4 hat vergleichsweise zu einem solchen nach Fig. 2 bei sonst gleichen Abmessungen vergrößerte Wegübersetzung in bezug auf den Hub des Stabes 11.

Eine Variante zur Ausführungsform der Fig. 4a und 4b zeigen die Ausführungsform nach den Fig. 5a und 5b. Die Fassung 222 besitzt wie aus diesen Figuren ersichtliche Einstiche E und/ oder Querschnittsabweichung V ₂, die dieser Fassung 222 geringe­ re Steifigkeit gegenüber der von dem Stab 11 zu übertragenden Kraft verleiht. Diese Einstiche und/oder Querschnittsabweichun­ gen sind so verteilt, daß bei dieser Scheibe der Fassung 222 ringförmige Federgelenke wirksam werden, wie sie Fig. 5b zeigt.

Die Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Piezo­ keramik-Scheibe eine wie aus der Figur ersichtliche Freibohrung aufweist. Diese Piezokeramik-Scheibe 321 ist wiederum in einem ringförmigen Ansatz 23 der Fassung 322 mittels Anpreßdruck ge­ haltert. Die Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig. 6 unterscheidet sich von den Ausführungsformen nach den Fig. 2, 4 und 5 darin, daß die vom Stab 11 auf die Fassung 322 über­ tragene Druckkraft dazu führt, daß die Piezokeramik-Scheibe 321 in der ringförmigen Halterung 23 nicht entlastet, sondern statt­ dessen (infolge der auch in der Fig. 6 nach oben gewölbten Biegung der Fassung 322) unter zunehmenden radialen Preßdruck kommt.

Claims (5)

1. Drucksensor für Verbrennungsmotore mit Kompression des Treibstoff-Luftgemisches im Verbrennungsraum, wobei der mit seinem Gehäuse (2) in den Motorblock (4) einzu­ setzende Drucksensor (1) einen Sensorwandler (12) mit einer Piezokeramik-Scheibe (21, 321), eine stabförmige Drucküber­ tragungsverbindung (11) und eins zur Druckkraftübernahme aus dem Verbrennungsraum vorgesehene Membran (5) hat, deren äußere Oberfläche (6) bei in dem Motorblock (4) eingesetztem Druck­ sensor (1) einen Anteil der Begrenzung des Verbrennungsraums bildet, gekennzeichnet dadurch,
daß zur Erhöhung der Wärme-Belastbarkeit des Drucksensors (1) gegenüber aus dem Verbrennungsraum auf den Drucksensor ein­ wirkende Wärme
eine solche Membran (5) vorgesehen ist, deren Dicke (d) im Ver­ hältnis zu ihrem freien Durchmesser (D) innerhalb ihrer Befesti­ gung (7) am wärmeableitenden Sensorgehäuse (2, 8) kleiner als 1 : 20 beträgt und die zur Verringerung der Durchbiegungssteifig­ keit gewellte Form (Fig. 1) hat und
daß der Sensorwandler (12) die Piezokeramik-Scheibe (21, 321) und eine solche Fassung (22, 122, 222, 322) besitzt, die im wesentlichen die Form einer Scheibe hat und mit einem im wesentlichen ringförmigen Ansatz (23, 123) versehen ist, wobei die Piezokeramik-Scheibe (21, 321) in diesem Ansatz unter Vor­ spannung radial eingespannt gehaltert ist und
daß vorgesehen ist, daß die vom Stab (11) zu übertragende longitudinale Kraft primär auf diese Fassung und von dieser als Radialkraft auf die Piezokeramik-Scheibe (21, 321) übertragen wird.

2. Drucksensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch , daß das Dicke/Durchmesserverhältnis (d/D) zwischen 1 : 12 bis 1 : 8 beträgt.

3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Fassung (122, 222) mit Einstichen (E) und/oder Quer­ schnittsverringerungen (V 1; Ve) versehen ist (Fig. 4a, 4b; Fig. 5a, 5b).

4. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Fassung (122) vom Bereich ihres Zentrums zum Bereich des Ringes (123) hin abnehmende Dicke hat (Fig. 4a, 5b).

5. Drucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß bei vorgegebenem Hub der Druckübertragungsvorrichtung (11) die Höhe (h) der Einspannung der Piezokeramik-Scheibe (21) in dem ringförmigen Ansatz (23, 123) für die sich ergebende Unter­ setzung so bemessen ist, daß die Piezokeramik-Scheibe (21) piezoelektrisch wenigstens nahezu voll ausgesteuert wird (Fig. 3a, 3b; 4a, 4b).