DE4111869A1 - Anbringungsvorrichtung fuer drucksensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anbringungsvorrichtung für einen den Verbrennungsdruck eines Motors erfassenden Drucksensor und insbesondere eine Anbrennungsvorrichtung zur Anbringung eines Drucksensors in einem Zylinderkopf, die von der Schraubverbindung einer Zündkerze am Zylinderkopf Gebrauch macht.

Ein Drucksensor, der den Verbrennungsdruck in einer Verbrennungskammer, die von einem Zylinderblock, einem Kolben und einem Zylinderkopf eingeschlossen wird, erfaßt, wird in einem Motorsteuerungssystem verwendet, mit dem der Zündzeitpunkt und die Kraftstoffeinspritzmenge gesteuert wird, um eine optimale Verbrennung zu schaffen.

Aus JP 63-11 869-A ist ein Beispiel einer herkömmlichen Anbringungsvorrichtung dieses Typs für einen Drucksensor bekannt; dieses Beispiel wird in Fig. 1 erläutert.

Fig. 1 ist ein Querschnitt, der der Erläuterung der Anbringungsbedingungen eines herkömmlichen Drucksensors dient. In den Figuren sind ein Motorzylinderkopf 1, eine in den Zylinderkopf 1 eingeschraubte Zündkerze 2 und ein Drucksensor 3 zur Erfassung des Verbrennungsdrucks gezeigt. Der Drucksensor 3 ist in einer im Zylinderkopf 1 in der Nähe des Anbringungsabschnitts der Zündkerze 2 ausgebildeten Vertiefung angeordnet. Wenn die Zündkerze 2 in einem durch eine Metalldichtung 5 definierten Abstand in den Zylinderkopf 1 eingeschraubt wird, wird der Drucksensor 3 durch Anlegung eines Drucks auf seine Oberseite mittels eines von der Dichtung 5 vorstehenden Preßelements 6 in seiner Position gehalten.

Der am Ort des so gehaltenen Drucksensors 3 herrschende Verbrennungsdruck wird über die Zündkerze 2, die Dichtung 5 und das Preßelement 6 folgendermaßen übertragen. Da der Gewindeabschnitt 2a der Zündkerze 2 eine Federkonstante besitzt, die auf den Verbrennungsdruck anspricht, wenn dieser auf die Oberfläche des freien Endes der Zündkerze 2 wirkt, wird die Zündkerze 2 entsprechend den Änderungen des Verbrennungsdrucks verschoben. Diese Verschiebung wirkt über die Dichtung 5 und das Preßelement 6 auf den Drucksensor 3. Im Ergebnis wird ein dem Verbrennungsdruck entsprechendes Signal vom Drucksensor 3 an einen Anschluß 7 ausgegeben.

In der obenbeschriebenen, herkömmlichen Drucksensor-Anbringungsvorrichtung wird der Drucksensor 3 unter Anwendung eines Drucks vom an der Dichtung 5 der Zündkerze 2 vorgesehenen Preßelement 6 befestigt. Daher ist der herkömmliche Drucksensor für einen Einsatz in einem Motor wie etwa einem Vierventilmotor mit doppelter obenliegender Nockenwelle (DOHC-Motor), der keinen freien Raum in der Umgebung der Verbrennungskammer besitzt, geeignet. Andererseits sind mit dieser Anbringungsvorrichtung die folgenden Probleme verbunden: Da der Verbrennungsdruck über die Zündkerze 2 und die Dichtung 5 an den Drucksensor 3 übertragen wird, wirken die der Zündkerze 2 eigenen Vibrationen auf den Drucksensor 3, so daß der Verbrennungsdruck nicht genau erfaßt werden kann.

Außerdem wirkt auf den Drucksensor 3 die zum Anziehen der eingeschraubten Zündkerze 2 erforderliche Kraft, so daß sich bei einer Änderung dieser Kraft die Empfindlichkeit des Drucksensors ebenfalls ändert.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, angesichts der Nachteile herkömmlicher Drucksensor-Anbringungsvorrichtungen eine Drucksensor-Anbringungsvorrichtung zu schaffen, bei der die Wirkung der Vibration und der Zündkerzenverschiebung auf den Drucksensor begrenzt wird, so daß der Verbrennungsdruck mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Anbringungsvorrichtung der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.

In der erfindungsgemäßen Drucksensor-Anbringungsvorrichtung wird der auf den Drucksensor wirkende Druck, der an einem Preßelement durch das Festziehen einer Zündkerze erzeugt wird, über ein Vibrationsabsorptionselement auf ein Gehäuse des Drucksensors angelegt, so daß er nicht auf ein piezoelektrisches Element wirkt. Da die durch den Verbrennungsdruck erzeugten Vibrationen und Verschiebungen der Zündkerze nicht auf das piezoelektrische Element wirken, kann der Verbrennungsdruck unbeeinflußt von der Vibration der Zündkerze genau gemessen werden.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind im Nebenanspruch und in den Unteransprüchen, die sich auf besondere Ausführungsformen der Erfindung beziehen, angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines auf herkömmliche Weise angebrachten Drucksensors;

Fig. 2 einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 einen vollständigen Querschnitt zur Erläuterung des montierten Zustandes einer Zündkerze und eines Drucksensors gemäß dieser Ausführungsform;

Fig. 4 einen Querschnitt des Drucksensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 einen Querschnitt des Drucksensors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine perspektivische Seitenansicht des in der dritten Ausführungsform verwendeten piezoelektrischen Elements;

Fig. 7, 8 Darstellungen zur Erläuterung des Herstellungsprozesses des in Fig. 6 gezeigten piezoelektrischen Elements;

Fig. 9 eine Darstellung zur Erläuterung der auf das in Fig. 6 gezeigte piezoelektrische Element wirkenden Schwerkraft.

Nun wird mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anbringungsvorrichtung für den Drucksensor beschrieben. In dem in Fig. 2 gezeigten Querschnitt werden Einzelheiten des Aufbaus des Drucksensors 3 und der Anbringungsvorrichtung gezeigt. In dem in Fig. 3 gezeigten Querschnitt ist der montierte Zustand einer Zündkerze 2 und des Drucksensors 3 gezeigt. In Fig. 3 ist ein von einem Wassermantel 51a umgebener Zylinderkopf 51 gezeigt. Eine Verbrennungskammer 8 wird vom Zylinderkopf 51, einem Zylinderblock und einem Kolben eingeschlossen, wobei der Zylinderblock und der Kolben in der Zeichnung weggelassen sind. Ein Zündkerzengehäuseabschnitt 10 wird als Vertiefung im Zylinderblock 51 ausgebildet. Ein Gewindeabschnitt 2a an der Zündkerze 2 wird durch eine Dickeneinstelldichtung 11 in eine im Boden des Gehäusebereichs 10 ausgebildete Zündkerzengewindebohrung 10a eingeschraubt. Eine Elektrode 2b, die einen Zündfunken erzeugt, ragt in die Verbrennungskammer 8 hinein. Im Boden des Gehäuses 10 ist eine trichterförmige Sensorgehäuseöffnung 12 ausgebildet, die mit der Verbrennungskammer 8 in Verbindung steht; in diese Sensorgehäuseöffnung 12 ist der Drucksensor 13, der den Verbrennungsdruck erfassen soll, eingesetzt. Die Sensorgehäuseöffnung 12 besitzt einen konischen Abschnitt 12a, der als Sensoraufnahmeabschnitt dient.

Die Oberseite des Drucksensors 13 wird zusammen mit einem Federelement 15 wie etwa einer Blattfeder, die aufgrund der Verschraubung der Zündkerze 2 als Vibrationsabsorptionselement dient, durch ein Preßelement 14, das durch Klemmen an der Dichtung 11 befestigt ist, gepreßt. Im Ergebnis wird der Drucksensor 13 auf stabile und luftdichte Weise in der Sensorgehäuseöffnung 12 befestigt. Der Drucksensor 13, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, umfaßt ein Gehäuse 16, das in die Sensorgehäuseöffnung 12 eingesetzt ist, ein piezoelektrisches Element 17, das den Verbrennungsdruck in ein elektrisches Signal umwandelt, und einen Stab 18, der den Verbrennungsdruck an das piezoelektrische Element 17 überträgt.

Das Gehäuse 16 umfaßt einen zylindrischen Abschnitt 16b mit großem Durchmesser und einen an seiner inneren Umfangsfläche ausgebildeten Gewindebuchsenbereich 16a, einen dickwandigen zylindrischen Bereich 16d mit kleinem Durchmesser, der mit dem unteren Ende des zylindrischen Bereichs 16b mit großem Durchmesser mittels eines als Dichtung verwendeten konischen Abschnitts 16c verbunden ist, und einen Druckaufnahmebereich 16e, der am unteren Ende des zylindrischen Bereichs 16d mit kleinem Durchmesser ausgebildet ist.

Ein Stab 18, der lang genug ist, damit sein unteres Ende den Druckaufnahmebereich 16e erreicht, wird bei diesem Aufbau in den zylindrischen Bereich 16d mit kleinem Durchmesser des Gehäuses 16 eingesetzt. Die Konzentrizität zwischen dem Stab 18 und dem zylindrischen Bereich 16d mit kleinem Durchmesser wird durch einen O-Ring 19 gewährleistet, der an der Außenfläche des oberen Endes des Stabs 18 angebracht ist. Dabei ist das obere Ende des Stabs 18 mit dem offenen Rand des zylindrischen Bereichs 16d mit kleinem Durchmesser, an dem dieser mit dem zylindrischen Bereich 16b mit großem Durchmesser verbunden ist, in Eingriff. Ferner sind eine kreisförmige Isolierplatte 20, eine Elektrodenplatte 21, das reifenförmige piezoelektrische Element 17 und ein metallisches Ringelement 22 in dieser Reihenfolge auf einem am oberen Ende des Stabs 18 ausgebildeten, nach unten konisch zulaufenden Bereich 18a übereinander geschichtet. Dieses übereinandergeschichtete Element und der Stab 18 sind einteilig miteinander verbunden und werden gleichzeitig durch den Druck der äußeren Umfangsfläche des aufeinandergeschichteten Elements mittels eines kontrahierbaren Buchsenmaterial 23 wie etwa Teflon oder dergleichen in einem konzentrischen Zustand gehalten. In den buchsenförmigen Gewindebereich 16a des zylindrischen Bereichs 16b mit großem Durchmesser ist ein metallisches, zylindrisches Schraubenelement 24 eingeschraubt. Der gesamte Stab 18, der das piezoelektrische Element 17 enthält, wird durch den Druck des Schraubenelements 24 gegen ein Ringelement 22 stabil im Gehäuse 16 gehalten. Weiterhin wird in die obere Öffnung des zylindrischen Bereichs 16b mit großem Durchmesser ein metallisches Kappenelement 25 eingeschraubt.

Mit dem Mittelbereich der Oberseite des Kappenelements 25 ist ein Ummantelungselement 25a, das zur Isolierung eines Signals dient, einteilig verbunden und erstreckt sich durch eine im Preßelement 14 ausgebildete Durchgangsbohrung 14a nach oben. In diesem langgestreckten Abschnitt ist ein mit einer Isolation überzogener Abschnitt 26a eines geschirmten Kabels eingesetzt. Ein Kerndraht 26b des geschirmten Kabels 26 ist mittels eines Bleidrahts 28 mit der Elektrodenplatte 21 verbunden. Der Verbindungsbereich des Kerndrahts 26b mit dem Bleidraht 28 ist von einem Isolierrohr 29 abgedeckt. Außerdem ist an der äußeren Umfangsfläche des Ummantelungselements 25a, in das das geschirmte Kabel 26 eingesetzt wird, ein äußerer Leiter 26c des geschirmten Kabels 26 angeordnet. Eine aus Kupfer oder dergleichen hergestellte Muffe 30 ist mit diesem äußeren Umfangsbereich in Eingriff. Das geschirmte Kabel 26 und das Ummantelungselement 25a sind durch ein Verstemmen der Muffe 30 eng miteinander verbunden und werden elektrisch leitend.

Wie in Fig. 3 gezeigt, durchsetzt das andere Ende des geschirmten Kabels 26 ein Gummielement 31, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in das Gehäuse, das am Haltebereich 14b des Preßelements 14 befestigt ist, zu verhindern. Dieses Ende des geschirmten Kabels 26 wird aus dem System herausgeführt. Am außerhalb des Systems befindlichen Ende des geschirmten Kabels 26 ist ein Verbindungsstück 32 angebracht.

Das Federelement 15 absorbiert die Verschiebung und die Vibration der Zündkerze 2 und gewährleistet einen sicheren Halt des Drucksensors 13 in der Sensorgehäuseöffnung 12. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das Federelement 15 zwischen das Preßelement 14 und die Oberseite des Gehäuses 16 eingesetzt. Dieser Aufbau hat zum Ergebnis, daß die Wirkung der Verschiebung und der Vibrationen der Zündkerze 2 auf das piezoelektrische Element 17 des Drucksensors 13 begrenzt werden.

Indem in die Hohlräume des zylindrischen Bereichs 16b mit großem Durchmesser des Gehäuses 16 ein isolierendes Formmittel eingefüllt wird, werden die Isolation des piezoelektrischen Elements 17 und der anderen Elemente und eine gute Wärmeübertragung gewährleistet und ein Anstieg der Innentemperatur verhindert.

Außerdem wird das Gehäuse 16, das den Drucksensor 13 bildet, vorzugsweise aus einem Metall mit einem hohen Korrosionswiderstand, etwa 403 SS (18 Cr, 8 Ni-Stahl) hergestellt. Es ist insbesondere wünschenswert, daß der Druckaufnahmebereich 16e nickelplattiert oder chromplattiert oder dergleichen ist und daß eine Spiegeloberfläche erzeugt wird, um den Wärmezustrom zu minimieren. Der Stab 18 sollte aus 304 SS, 42 Ni-Stahl oder 36 Ni-Stahl oder dergleichen hergestellt werden, um eine geringe Wärmeübertragung und eine hohe Steifigkeit zu erzielen.

Wenn in der Drucksensor-Anbringungsvorrichtung mit diesem Aufbau die Zündkerze mit der spezifizierten Kraft von 24,5 N angezogen wird, wird der Drucksensor 13 mit einer Axialkraft von ungefähr 10 000 N eingespannt. Wenn die Schraubenfeder 15 insbesondere eine anfangs konische Tellerfeder mit einem Innendurchmesser von 2,4 mm, einem Außendurchmesser von 5,8 mm und einer Dicke von 0,35 mm ist, wird in diesem Moment von dieser Schraubenfeder 15 eine Federkraft von ungefähr 24,5 N erzeugt. Daher hat diese Federkraft einen sehr geringen Einfluß auf die Einspannung der Zündkerze 2. Wenn die Federkraft 245 N beträgt, wird zwischen dem konischen Bereich 16c des Drucksensors 13 und dem konischen Bereich 12a der Sensorgehäuseöffnung 12 eine Oberflächenbeanspruchung von ungefähr 10 000 N/cm² erzeugt. Im Ergebnis wird zwischen den beiden genannten Bereichen ein geeigneter Haftungsgrad erhalten, so daß eine Gasundichtigkeit der Sensorgehäuseöffnung 12 verhindert wird. Wenn in diesem Fall eine Kupferdichtung oder dergleichen verwendet wird, wird die Luftdichtheit weiter verbessert.

Wie in Fig. 2 gezeigt, sind das Gummielement 31 und der Drucksensor 13 mit dem Preßelement 14 kombiniert, wenn sich der Drucksensor 13 im aufrechten Zustand befindet. Wenn daher der Drucksensor 13 im Zylinderkopf 51 montiert ist, wird der Drucksensor im voraus unter Verwendung des Haltebereichs 14a des Preßelements 14 in die Sensorgehäuseöffnung 12 eingesetzt, wonach der Gewindeabschnitt 2a der Zündkerze 2 in den Gehäusebereich 10 des Zylinderkopfs 51 eingeschoben und dort verschraubt wird. Folglich ist es möglich, lediglich die Zündkerze 2 vom Zylinderkopf 51 abzunehmen oder im Zylinderkopf 51 anzubringen.

Wenn das Verbrennungsgas in der Verbrennungskammer 8 gezündet wird, wirkt der Verbrennungsdruck auf den Druckaufnahmebereich 16e. Daher wird der zylindrische Bereich 16d mit kleinem Durchmesser, der den Druckaufnahmebereich 16e enthält, in axialer Richtung so verbogen, daß die Biegekraft über den Stab 18 auf das piezoelektrische Element 17 wirkt, so daß dessen Beanspruchung geändert wird. Dies hat zur Folge, daß das piezoelektrische Element 17 aufgrund des Piezoeffekts eine dem Verbrennungsdruck entsprechende Spannung erzeugt. Diese Spannung wird über die Elektrodenplatte 21, den Bleidraht 28 und das geschirmte Kabel 26 vom System ausgegeben.

Da der Verbrennungsdruck ebenfalls auf die Zündkerze 2 wirkt, wird die Zündkerze 2 in diesem Moment in Schwingungen versetzt. Das Federelement 15 ist zwischen das Preßelement 14 und dem Drucksensor 13 eingesetzt, so daß die Vibration der Zündkerze 2 vom Federelement 15 absorbiert und nicht an den Drucksensor 13 übertragen wird. Daher kann der Verbrennungsdruck genau erfaßt werden.

Während der Verbrennung wird an den Druckaufnahmebereich 16e außerdem Wärme übertragen, die durch den zylindrischen Bereich 16d mit kleinem Durchmesser und den konischen Bereich 16c hindurchgeht und aus dem Zylinderkopf 51 austritt. Da der Stab 18 aus einem Material mit niedriger Wärmeübertragung hergestellt ist, hat diese Wärme auf den Drucksensor 13 nur einen geringen Einfluß.

Zum Einbau des Drucksensors 13 ist es lediglich erforderlich, den Drucksensor 13 in die Sensorgehäuseöffnung 12 einzusetzen. Daher ist im Vergleich zu den meisten typischen herkömmlichen Drucksensoren 13, die durch Einschrauben montiert werden, ein freier Raum für Werkzeuge und dergleichen nicht notwendig. Außerdem kann die Einheit mit kleinen Abmessungen hergestellt und somit eine Verbesserung beim Einbau erzielt werden.

Die Preßkraft vom Preßelement 14 auf den Drucksensor 13 wird vom konischen Bereich 16c des Gehäuses 16 aufgenommen, so daß diese Preßkraft nicht auf das piezoelektrische Element 17 wirkt. Ferner wird bei der Montage oder bei der Demontage der Zündkerze 2 die Druckempfindlichkeit des piezoelektrischen Elements 17 selbst dann gleichmäßig gehalten, wenn die Preßkraft geändert wird.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.

Das Hauptmerkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Wirkung der Wärme auf den Drucksensor verringert wird.

Der in Fig. 4 gezeigte Drucksensor 13 umfaßt ein Gehäuse 40, das in die Sensorgehäuseöffnung 12 des Zylinderkopfs 51 auf die gleiche Weise wie in der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform eingesetzt wird, ein zylindrisches Druckaufnahmegehäuse 41, ein Paar von piezoelektrischen Elementen 42 und 43, einen Stab 44, über den der Verbrennungsdruck an die piezoelektrischen Elemente 42 und 43 übertragen wird, und ein Verschlußelement 45. Das Gehäuse 40 ist mit einem zylindrischen Bereich 40b mit großem Durchmesser, der an seiner inneren Umfangsfläche einen Gewindebuchsenbereich 40a aufweist, und mit einem zylindrischen Bereich 40c mit kleinem Durchmesser, der mit dem unteren Ende des zylindrischen Bereichs 40b mit großem Durchmesser verbunden ist, versehen.

Das zylindrische Gehäuse 41 umfaßt einen Bundbereich 41b, der in den Gewindebuchsenbereich 40a des zylindrischen Bereichs 40b mit großem Durchmesser eingeschraubt ist und an dem eine Werkzeugeingriffnut 41a befestigt ist, einen dickwandigen Rohrbereich 41c, der mit dem unteren Ende des Bundbereichs 41b verbunden ist, und einen im unteren Abschnitt des Rohrbereichs 41c ausgebildeten Druckaufnahmebereich 41d.

Das zylindrische Gehäuse 41 wird in das Gehäuse 40 so weit eingeschraubt, daß der Bundbereich 41b einen Stufenbereich 40d an der Innenseite des zylindrischen Bereichs 40b mit großem Durchmesser berührt. Der Rohrbereich 41c wird im zylindrischen Bereich 40c mit kleinem Durchmesser des Gehäuses 40 angeordnet, so daß die Endfläche des Druckaufnahmebereichs 41d in der Öffnung des zylindrischen Bereichs 40c mit kleinem Durchmesser freiliegt.

Der Stab 44 zum Übertragen des Verbrennungsdrucks wird von oben in das zylindrische Gehäuse 41 eingesetzt, wobei das bogenförmige untere Ende des Stabs 44 die konische Bodenfläche 41d des zylindrischen Gehäuses 41 berührt und der Stab 44 und das zylindrische Gehäuse 41 konzentrisch zueinander ausgerichtet sind.

Dann werden die piezoelektrischen Elemente 42 und 43 in einem entgegengesetzt konischen Bereich 44a, der in den zylindrischen Bereich 40b mit großem Durchmesser hineinragt, übereinander geschichtet, wobei eine Elektrodenplatte 47 von den piezoelektrischen Elementen 42 und 43 eingeschlossen wird. Auf dem piezoelektrischen Element 43 ist ein Ringbereich 48 aufgesetzt, der der Verringerung der konzentrierten Beanspruchung dient. Die äußere Umfangsfläche des auf diese Weise gebildeten Schichtelements ist von einem Isolierrohrmaterial 49 aus Teflon oder dergleichen abgedeckt. Dadurch wird außerdem die Konzentrizität der piezoelektrischen Elemente 42 und 43 und des Stabs 44 aufrechterhalten, ferner wird auf die piezoelektrischen Elemente 42 und 43 eine gleichmäßige Beanspruchung ausgeübt.

Das hohle Verschlußelement 45 wird in den offenen Bereich des zylindrischen Bereichs 40b mit großem Durchmesser eingeschraubt. Der Stab 44 und die piezoelektrischen Elemente 42 und 43 werden durch das Festziehen des Verschlußelements 45 mit einer bestimmten Preßkraft in den Druckaufnahmebereich 41d des zylindrischen Gehäuses 41 gepreßt. Ein Ende des Bleidrahts 50 wird mittels Punktschweißens oder dergleichen mit der Elektrodenplatte 47 verbunden, während das andere Ende durch das Verschlußelement 45 und nach außen geführt wird und auf die gleiche Weise wie in dem in Fig. 2 gezeigten Fall mit dem geschirmten Kabel verbunden wird.

Der Stab 44 und das zylindrische Gehäuse 41 werden zur Erdung beispielsweise aus rostfreiem Stahl 13 Cr oder dergleichen hergestellt. Zur Vermeidung eines wärmebedingten Verziehens ist vorzugsweise ein Material mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie derjenige dieser Teile zu verwenden.

Wenn in dem Drucksensor 13 mit diesem Aufbau der Verbrennungsdruck auf den Druckaufnahmebereich 41d des zylindrischen Gehäuses 41 wirkt, wird der Rohrbereich 41c in axialer Richtung gebogen, so daß diese Biegekraft über den Stab 44 auf die piezoelektrische Elemente 42 und 43 wirkt und in einen Druck umgewandelt wird. Aufgrund des Piezoeffekts wird in den piezoelektrischen Elementen 42 und 43 eine dem Verbrennungsdruck entsprechende Spannung erzeugt.

Gleichzeitig wird ein Teil der auf den Druckaufnahmebereich 41d des zylindrischen Gehäuses 41 ausgeübten Kraft über den Rohrbereich 41c an das Gehäuse 40 übertragen, so daß es wünschenswert ist, daß die Wand des Rohrbereichs 41c so dünn wie möglich hergestellt wird und der Stab 44 einen möglichst großen Durchmesser besitzt.

Die Verbrennungswärme wird ebenfalls auf den Druckaufnahmebereich 41d des zylindrischen Gehäuses 41 übertragen, so daß durch einen möglichst kleinen Spalt zwischen dem Rohrbereich 41c und dem zylindrischen Bereich 40c mit kleinem Durchmesser die Wärme im zylindrischen Gehäuse 41 an das Gehäuse 40 entweichen kann und die Wärmeausdehnung der piezoelektrischen Elemente 42 und 43 gering gehalten werden kann. Indem auf die äußere Umfangsfläche des Rohrbereichs 41c und die innere Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 40c mit kleinem Durchmesser ein Material mit guter thermischer Absorption, beispielsweise ein schwarzer Film, aufgebracht wird, kann die Wärmeübertragung weiter verbessert werden, was sich auf die Wärmeübertragung auf die piezoelektrischen Elemente günstig auswirkt.

Indem ferner der Spalt zwischen dem zylindrischen Bereich 40c mit kleinem Durchmesser und dem zylindrischen Gehäuse 41 eng gemacht wird, kann die Menge der Verbrennungsgase, die in den Spalt zwischen dem zylindrischen Bereich 40c mit kleinem Durchmesser und das zylindrische Gehäuse 41 eindringen, gering gehalten werden, so daß eine Membran unnötig wird. Dadurch ist es möglich, die durch das Rollen des zylindrischen Gehäuses 41 und des Stabs 44 erzeugte Resonanz zu begrenzen, ohne daß hierfür eine Membran erforderlich wäre. Wenn in diesem Fall die Kontaktfläche zwischen dem Rohrbereich 41c und dem zylindrischen Bereich 40c mit kleinem Durchmesser mit einem Antifriktionsmaterial wie etwa Teflon, Molybdändisulfid oder dergleichen überzogen wird, wird der Vibrationsdämpfungseffekt weiter erhöht.

Auf diese Weise kann die Wirkung der Verbrennungswärme auf die piezoelektrischen Elemente in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform verringert werden. Daher ist es möglich, den Verbrennungsdruck genau zu erfassen. Der auf den Druckaufnahmebereich 41d wirkende Druck kann über den Stab 44 direkt auf die piezoelektrischen Elemente angelegt werden, so daß der Druck mit guter Genauigkeit erfaßt werden kann.

Die Erläuterung der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ist für den Fall gegeben worden, in dem ein Paar von piezoelektrischen Elementen vorgesehen ist. Eines dieser piezoelektrischen Elemente kann ein Isolierelement sein. Wenn in diesem Fall ein keramisches Material wie etwa Steatit verwendet wird, ist ein Wärmeübertragungskoeffizient möglich, der ungefähr ¹/₁₀ desjenigen von Stahl beträgt, so daß die Temperaturerhöhung bei den piezoelektrischen Elementen weiter begrenzt werden kann.

In Fig. 5 ist ein Querschnitt einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Figur bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 2 und 3 jeweils die gleichen Bauteile wie in jenen Figuren.

In Fig. 5 ist ein Stab 55 in den zylindrischen Bereich 16d mit kleinem Durchmesser des Gehäuses 16 eingesetzt. Der Stab 55 ist an seiner Spitze 55a abgerundet, um eine Konzentrizität zwischen dem Stab 55 und dem zylindrischen Bereich 16d mit kleinem Durchmesser zu gewährleisten. Das obere Ende des Stabs 55 besitzt eine Schrägung 55b, die um den Winkel R gegenüber der Mittelachse geneigt ist.

Auf der Schräge 55b ist ein piezoelektrisches Element 56 mit einer Polarisierung 57 in Scherrichtung angeordnet. Auf dem piezoelektrischen Element 56 ist ein Halteelement 58 angeordnet, das eine Schräge 58a besitzt, die im wesentlichen um den gleichen Winkel wie die Schräge 55b gegenüber der Mittelachse geneigt ist. Das Halteelement 58 ist über eine Isolierplatte 59 aus einem hochfesten Material wie etwa Aluminiumoxid mittels eines Schraubenelements 60 befestigt. Das Halteelement 58 besitzt einen Leitungsabschnitt 58b, der mit dem Kerndraht 26b eines geschirmten Kabels 26 verbunden ist, um den Kerndraht 26b mit dem Halteelement 58 elektrisch zu verbinden.

Die äußere Umfangsfläche des Stabes 55 wird mittels Wärmeschrumpfens oder dergleichen mit einem dünnen Teflonrohr 61 überzogen. An der inneren Umfangsfläche des zylindrischen Bereichs 16b mit kleinem Durchmesser des Gehäuses 16 ist ein Teflonrohr 62 befestigt.

An der Oberseite bzw. an der Unterseite des piezoelektrischen Elements 56 sind ein Paar von Elektroden 56a bzw. 56b aus einer dünnen Metallschicht befestigt, wie in Fig. 6 gezeigt ist. Das piezoelektrische Element 56 besitzt eine Polarisation 57 in der in Fig. 6 durch den Pfeil angegebenen Richtung. Das piezoelektrische Element 56 wird in einem Prozeß hergestellt, in dem ein Paar von Elektroden 66a, 66b aus einer dünnen Metallschicht jeweils auf einer Seite eines piezoelektrischen Keramikmaterials 65 befestigt werden, zwischen die zwei Elektroden 66a und 66b eine Hochspannung 67 angelegt wird, um das Material 65 zu polarisieren, anschließend die Elektroden 66a und 66b vom Material 65 abgenommen werden, das Material entlang der in Fig. 8 gezeigten Schnittlinie 68 durchtrennt wird und die Elektroden 56a bzw. 56b jeweils an einer Seite des durchtrennten Materials 65 befestigt werden.

Wenn auf das piezoelektrische Element 56 eine Scherkraft angewendet wird, die die Elektrode 56a gegenüber der Elektrode 56b in der in Fig. 9 gezeigten Polarisierungsrichtung 57 verschiebt, wird zwischen den zwei Elektroden 56a und 56b aufgrund des d₁₅-Piezoeffekts eine Spannung erzeugt. Der erste Index 1 in dem Ausdruck d₁₅ bedeutet, daß in einer zur Polarisationsrichtung 57 vertikalen Richtung (1) ein elektrisches Feld erzeugt wird. Der zweite Index 5 im Ausdruck d₁₅ bedeutet, daß die Oberfläche in der zur Polarisationsrichtung 57 vertikalen Richtung (1) in der Richtung (3) der Polarisation 57 gezogen wird. Die Herstellung des piezoelektrischen Elements 56 für den d₁₅-Piezoeffekt ist kompliziert, weil es u. a. schwierig ist, eine mechanische Spannung an das Element anzulegen. Andererseits besitzt das piezoelektrische Element 56 für den d₁₅-Piezoeffekt eine höhere Empfindlichkeit als dasjenige des d₃₃-Piezoeffekts, ferner besitzt es den großen Vorteil, daß keine Pyroelektrizität erzeugt wird, weil die Richtung des erzeugten elektrischen Feldes nicht mit der Polarisationsrichtung 57 übereinstimmt.

Wenn in dem Drucksensor 13 mit diesem Aufbau der Verbrennungsdruck auf den Druckaufnahmebereich 16e angelegt wird, wirkt ein Teil der mechanischen Spannung auf den Stab 55. In diesem Fall wird die mechanische Spannung in axialer Richtung geeignet auf den Stab 55 angelegt, weil der Stab 55 aufgrund der abgerundeten Spitze 55a im mittigen Bereich im Inneren des Druckaufnahmebereichs 16e gehalten wird.

Das piezoelektrische Element 56 wird aufgrund der Schrägen 55b und 58a des Stabes 55 bzw. des Halteelements 58 im Winkel R bezüglich der Mittelachse gepreßt, so daß die auf das piezoelektrische Element 56 wirkende Kraft in eine zur Oberfläche des piezoelektrischen Elements 56 vertikale bzw. horizontale Kraftkomponente zerlegt werden kann.

Wenn beispielsweise der Winkel R in Fig. 5 30° beträgt, wirkt die Hälfte (= sin 30°) der vom Stab 55 ausgeübten Kraft auf das piezoelektrische Element 56 als horizontale Komponente, die aufgrund des d₁₅-Piezoeffekts in ein elektrisches Feld umgewandelt und ausgegeben wird. Es wird nur das zur horizontalen Kraftkomponente proportionale elektrische Feld, d. h. dessen entsprechende Spannung, ausgegeben, weil das piezoelektrische Element 56 auf die vertikale Komponente der Kraft nicht anspricht.

Die horizontale Kraftkomponente wirkt auf den Stab 55 und das Halteelement 58 in seitlicher Richtung; der Stab 55 und das Halteelement 58 können sich jedoch relativ zur Mittelachse aufgrund der Teflonrohre 61 und 62 nicht verschieben. Ferner verhindern die Teflonrohre 61 und 62, daß das piezoelektrische Element 56 das Gehäuse 16 berührt, indem der Stab 55 in seiner Mittelposition gehalten wird.

Darüber hinaus ist es notwendig, daß die Schrägen 55b und 58b einen hohen Reibungskoeffizienten besitzen, um zu verhindern, daß die Schrägen 55b und 58a gleiten. Daher muß verhindert werden, daß auf die Schrägen 55b und 58a Öl und/oder Staub gelangt, um die Erzeugung eines Oxidationsfilms auf der Metalloberfläche der Schrägen 55b und 58a zu verhindern, bevor sie das piezoelektrische Element 56 berühren. Es ist ferner wirksam, die Metalloberflächen der Schrägen 55b und 58a an den Oberflächen der Elektroden 56a und 56b mittels eines Klebematerials zu befestigen, um ein Gleiten der Schrägen 55b und 58a zu verhindern.

Die vorliegende Erfindung kann in einem Sensor für mechanische Spannung, der die im Druckaufnahmebereich erzeugte mechanische Spannung mißt, angewendet werden.

Claims (11)

1. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gekennzeichnet durch

• (a) einen Zylinderkopf (51) mit einer Gewindebohrung (10a) zum Anbringen einer Zündkerze (2), einer Sensorgehäuseöffnung (12), die sich in der Nähe der Gewindebohrung (10a) in eine Verbrennungskammer (8) öffnet, und einen in der Sensorgehäuseöffnung (12) ausgebildeten Sensoraufnahmebereich (12a);
• (b) einen Drucksensor (13), der
  • (1) ein in die Sensorgehäuseöffnung (12) eingesetztes Gehäuse (16) mit einem am verbrennungskammerseitigen Ende vorgesehenen und direkt den Verbrennungsdruck aufnehmenden Druckaufnahmebereich (16e) und
  • (2) ein piezoelektrisches Element (17), das im Gehäuse (16) untergebracht ist und eine dem vom Druckaufnahmebereich (16e) aufgenommenen Verbrennungsdruck entsprechende Spannung erzeugt, aufweist;
• (c) ein Preßelement (14), das den Drucksensor (13) durch das Festziehen der Zündkerze (2) gegen den Druckaufnahmebereich (16e) preßt, wenn die Zündkerze (2) in den Zylinderkopf (51) eingeschraubt wird; und
• (d) ein Vibrationsabsorptionselement (15), das zwischen das Preßelement (14) und den Drucksensor (13) eingesetzt ist und die vom Preßelement (14) übertragenen Vibrationen und Verschiebungen absorbiert.

2. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationsabsorptionselement ein Federelement (15) aufweist.

3. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Stab (18), der den vom Druckaufnahmebereich (16e) aufgenommenen Verbrennungsdruck an das piezoelektrische Element (17) überträgt.

4. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (18) im Gehäuse (16) untergebracht ist und das verbrennungskammerseitige Ende des Stabs (18) den Druckaufnahmebereich (16e) berührt.

5. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (18) aus einem Material mit kleinem Wärmeübertragungskoeffizienten hergestellt ist.

6. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Stab (55) an seinem an der Seite des piezoelektrischen Elements (56) befindlichen Ende eine Schräge (55b) besitzt und das piezoelektrische Element (56) eine Polarisierung (57) in Richtung der Schräge (55b) aufweist;
die Anbringungsvorrichtung ein Halteelement (58) mit einer der Schräge (55b) des Stabs (55) entsprechenden Schräge (58a) umfaßt und
das Halteelement (58) so angeordnet ist, daß sich das piezoelektrische Element (56) zwischen der Schräge (55b) des Stabs (55) und der Schräge (58a) des Halteelements (58) befindet.

7. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor, gekennzeichnet durch

• (a) einen Zylinderkopf (51) mit einer Gewindebohrung (10a), in der eine Zündkerze (2) angebracht wird, einer Sensorgehäuseöffnung (12), die sich in der Umgebung der Gewindebohrung (10a) in die Verbrennungskammer (8) öffnet, und einem Sensoraufnahmebereich (12a) in der Sensorgehäuseöffnung (12);
• (b) einen Drucksensor (13), der
  • (1) ein in die Sensorgehäuseöffnung (12) eingesetztes Gehäuse mit einer verbrennungskammerseitigen Öffnung,
  • (2) ein im Gehäuse (40) untergebrachtes zylindrisches Gehäuse (41) mit einem am verbrennungskammerseitigen Ende vorgesehenen Druckaufnahmebereich (41d), der direkt den Verbrennungsdruck aufnimmt, und
  • (3) ein piezoelektrisches Element (42, 43), das im Gehäuse (40) untergebracht ist und eine dem vom Druckaufnahmebereich (41d) aufgenommenen Verbrennungsdruck entsprechende Spannung erzeugt, aufweist;
• (c) ein Preßelement (14), das den Drucksensor (13) durch das Festziehen der Zündkerze (2) gegen den Druckaufnahmebereich (41d) preßt, wenn die Zündkerze (2) in den Zylinderkopf (51) eingeschraubt wird; und
• (d) ein Vibrationsabsorptionselement (15), das zwischen das Preßelement (14) und den Drucksensor (13) eingesetzt ist und die vom Preßelement (14) übertragenen Vibrationen und Verschiebungen absorbiert.

8. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationsabsorptionselement ein Federelement (15) umfaßt.

9. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Stab (44), der den am Druckaufnahmebereich (41d) aufgenommenen Verbrennungsdruck an das piezoelektrische Element (42, 43) überträgt.

10. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (44) in dem zylindrischen Gehäuse (41) untergebracht ist und das verbrennungskammerseitige Ende des Stabs (44) den Druckaufnahmebereich (41d) berührt.

11. Anbringungsvorrichtung für einen Drucksensor gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (44) aus einem Material mit kleinem Wärmeübertragungskoeffizienten hergestellt ist.