DE4311838C2 - Piezoelektrischer Sensor zur Aufnahme von Druckschwingungen und dessen Anordnung bei Verbrennungsmotoren - Google Patents

Piezoelektrischer Sensor zur Aufnahme von Druckschwingungen und dessen Anordnung bei Verbrennungsmotoren

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Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor zur Aufnahme von Druckschwingungen bei Verbrennungsmotoren und dessen kraftschlüssig eingespannte Anordnung im Bereich der Zylinderkopfdichtung zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf.
Vorbekannt ist es durch die Schriften DE 40 15 109 A1, DE 29 17 406 A1, Piezosensoren, kapazitive oder induktive Sensoren wie auch durch Druckbeaufschlagung variable elektrische Widerstände in der Ebene der Zylinderkopfdichtung zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf kraftschlüssig eingespannt anzuordnen. Dabei sind die in sich abgeschlossenen Sensoreinheiten in Vertiefungen innerhalb der Zylinderkopfdichtungen eingelagert. Die Sensoreinheiten kommen damit nur unter zumindestens einseitiger Zwischenschaltung von dämpfendem Dichtungsmaterial - Weichstoff - in den Kraftschluß mit der Zylinderblock- oder Zylinderkopfdichtfläche. Dies erweist sich als nachteilig für die Empfindlichkeit des Sensors unter der Wirkung der Verbrennungsdrücke.
Vorbekannt sind durch die Schriften DE 34 00 473 A1 und US 49 96 873 Dichtringe für Zündkerzen von Verbrennungsmotoren, die mit einem piezoelektrischen Druck­ sensor ausgestattet sind.
Prinzipiell besteht derartiger Drucksensor aus einer Anordnung mit einem oder zwei piezoelektrischen Ringen und einer zwischengelegten oder anliegenden Kontakt­ platte, die zwischen zwei starren elektrisch leitenden Druckplatten liegt.
Bei eingeschraubter Zündkerze ist der Drucksensor mittels der beidseitigen Druck­ platten gegen den Zylinder verspannt. Radial innen und außen sind die Druckplatten mit dem zwischenliegenden Drucksensor von elastischem und isolierendem Material umgeben.
Das gereihte Gesamtmaß der piezoelektrischen Ringe, einer zwischenliegenden bzw. anliegenden Kontaktplatte und der zwei starren, elektrisch leitenden Druck­ platten bildet die Einbaudecke der Dichtung. Das den Drucksensor radial innen und außen umgebende elastische und isolierende Material muß sich dieser Einbaudicke anpassen. Zum Verspannen des Drucksensors in der Dichtung wird kein elastisches Teil angewandt.
Bei diesen Drucksensoren besteht der Nachteil, daß sie nur am Zylinderkopf direkt angekoppelt sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Sensor der ein­ gangs genannten Gattung so zu gestalten, daß er einer kraftschlüssigen Kopplung im Bereich des Dichtspaltes der Zylinderkopfdichtung sowohl am Zylinderkopf als auch am Zylinderblock optimal angepaßt ist, um eine sichere Klopf- und Zündaus­ setzungserkennung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem piezoelektrischen Sensor gelöst, bei dem zur kraftschlüssigen Einspannung im Bereich der Zylinderkopfdichtung zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf das Piezoelement innerhalb eines in seiner Dicke verformbaren Gehäuses mit einer ersten starren axialen Gehäusewand und einer zweiten Gehäusewand an der ersten Gehäusewand fest angekoppelt befestigt ist. Dabei liegt diese erste Gehäusewand an der Dichtfläche von Zylinderblock oder Zylinderkopf an und weist einen das Piezoelement überragenden Rand auf.
Die zweite Gehäusewand liegt an der Dichtfläche von Zylinderkopf oder Zylinder­ block an und ist als federnd verformbare Kontur des überragenden Randes der ersten Gehäusewand oder als getrennte, auf der federnd verformbaren Kontur abge­ stützte Gehäusewand ausgebildet.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführung ist der piezoelektrische Sensor gleichfalls innerhalb eines in seiner Dicke verformbaren Gehäuses mit der ersten und der zweiten starren axialen Gehäusewand an den Dichtflächen von Zylinderblock oder Zylinderkopf fest angekoppelt. Dabei ist das Piezoelement an der ersten Gehäusewand befestigt, jedoch stützt sich die zweite Gehäusewand, die an der Dichtfläche von Zylinderkopf oder Zylinderblock anliegt, mittels einer Feder auf ihm direkt ab.
Der sich ergebende Aufbau als eine axial elastisch verformbare Ronde, bei der Metallteile die Ankopplung des Piezoelementes bewirken, sichert eine optimale Ankopplung des erfindungsgemäßen Sensors an die angrenzenden Dichtflächen. Zusätzlich wird eine Wiederverwendbarkeit auch nach Demontage der Zylinderkopfdichtung bei einer Ausführung als loser oder aus der Zylinderkopfdichtung lösbarer Sensor erzielt.
Die Vorteile und Auswirkungen der übrigen Merkmale gemäß der Unteransprüche werden im Zusammenhang mit den Erläuterungen zu den Ausführungsbeispielen beschrieben.
Anhand einer Zeichnung sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung erläuter werden. Es zeigt:
Fig. 1a einen erfindungsgemäßen Sensor zur Anwendung innerhalb des Bereiches einer Zylinderkopfdichtung im Längsschnitt, mit nur einer starren axialen Gehäusewand;
Fig. 1b einen erfindungsgemäßen Sensor mit zwei fest verbundenen axialen Gehäusewänden;
Fig. 1c einen erfindungsgemäßen Sensor mit zwei axialen Gehäusewänden, wobei das Piezoelement über eine Feder eine axiale Gehäusewand stützt;
Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Sensor im Bereich der Zylinderkopfdichtung und eingesenkt in eine der angrenzenden Dichtflächen;
Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Sensor im Bereich der Zylinderkopfdichtung mit einer durch diesen Bereich hindurchgeführten Kontaktzunge;
Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Sensor im Bereich der Zylinderkopfdichtung und eingesenkt in eine der angerenzenden Dichtflächen mit einer durch eine Nute verlaufenden Kontaktzunge;
Fig. 5 vorteilhafte Zuordnung des erfindungsgemäßen Sensors zu Zylinderelementen.
Fig. 1a zeigt einen Sensor (1) gebildet durch eine starre Gehäusewand (2a) mit einem radialen Rand, der in einer elastisch verformbaren Kontur (2f) ausläuft. An der Gehäusewand (2a) ist innen das Piezoelement (4) festangekoppelt befestigt und mit weichelastischem Material (7) überdeckt. Das Gehäuse (2) weist bei dieser Ausführung eine feste und eine elastische axiale Wand auf. Primär sichert die verformbare Kontur (2f) den elastischen Andruck der Gehäusewand (2a) an eine der Dichtflächen von Zylinderblock (20) oder Zylinderkopf (21) in dem von der Dicke der Zylinderkopfdichtung (11) bestimmten Dichtspalt.
Denkbar wäre es auch, an der Gehäusewand (2a) einen radialen Rand mittels einer an ihr befestigten ringförmigen Feder zu bilden - nicht dargestellt - und die damit umgrenzte Kontur mit dem Piezoelement (4) und den Zwischenräumen mit weichelastischem Material (7) auszufüllen. Dies ergibt ein Gehäuse (2) mit einer starren (2a) und einer weichelastischen axialen Gehäusewand, jedoch einer besonders elastisch federnden Radialzone.
In Fig. 1b ist ein Sensor (1) mit einer starren, einen radialen Rand aufweisenden Gehäusewand (2a) dargestellt. Die verformbare Kontur (2f) des Randes ist mit der zweiten starren Gehäusewand (2b) zum Beispiel mittels Elektronenstahl- oder Laserschweißung verbunden. Es wird ein elastisches Gehäuse (2), ähnlich einer Barometerdose, gebildet.
Der in Fig. 1c dargestellte Sensor (1) weist ein mindestens zweiteiliges, elastisch nachgiebiges Gehäuse (2) auf, dabei ist eine Gehäusewand (2a) zweckmäßig napfförmig mit einem radialen Rand geringerer Höhe als der axiale Einbauraum ausgestattet. Sie bildet damit eine radiale Führung für den Sensor (1). Die Gehäusewand (2a) weist an ihrer Außenseite eine Isolierschicht (3) und an ihrer Innenseite ein festaufgebrachtes Piezoelement (4) auf. Eine zweite Gehäusewand (2b) ist über eine Druck- und Kontaktplatte (5) sowie eine zwischengeschaltete Feder (6) auf dem Piezoelement (4) abgestützt.
Die zweite Gehäusewand (2b) ist damit elastisch nachgiebig, wobei der Sensor (1) sich der Dicke des durch die Zylinderkopfdichtung (10) bestimmten Einbaumaßes anpassen kann. Zum Schutze des Innenaufbaues des Sensors (1) können die Zwischenräume zwischen der ersten und zweiten Gehäusewand (2a, 2b) mit einem kompressiblen weichelastischen Material (7) ausgefüllt sein. Es ist vorteilhaft, wenn die das Piezoelement (4) verspannende Feder (6) als metallische Well- oder Tellerfeder ausgeführt ist.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor (1) in einer nach Anspruch (7) gekennzeichneten Ausgestaltung. Das weichelastische Material (7) steht, eine elastische Membrane (9) bildend, über die Gehäusewandungen (2a, 2b) hinaus. Diese Membrane (9) ist in einer Zylinderkopfdichtung (11) in geeigneter Weise befestigt und garantiert, unbeachtlich dieser Befestigung und der damit verbundenen Führung, daß der Sensor (1) mit seinen Gehäusewänden (2a, 2b) direkt zwischen Zylinderblock (20) und Zylinderkopf (21) eingespannt ist. Die Gehäusewände (2a, 2b) können sich frei ausrichten und völlig plan an die Dichtflächen vom Zylinderblock (20 und Zylinderkopf (21) anlegen.
Vorteilhaft wird der Sensor (1), wenn notwendig, vorgefertigt in der nachstehend beschriebenen Form in eine Zylinderkopfdichtung (11) eingefügt.
Gezeigt ist in Fig. 3 ein erfindungsgemäßer Sensor (1), der in seiner Dicke auf die Stärke der Zylinderkopfdichtung (11) ausgelegt ist. Eine radial aus dem Gehäuse (2) herausgeführte Kontaktzunge (14) durchreicht eine nach außen offene Aussparung in der Zylinderkopfdichtung (11) und steht sowohl über den Zylinderkopf (21) als auch den Zylinderblock (20) hinaus.
Zur Abdichtung der Aussparung in der Zylinderkopfdichtung (11) und der Kontaktzunge (14) ist diese, ebenso wie die Innenteile und das Gehäuse (2) des Sensors (1), mit weichelastischem Material (7) umgeben.
Das weichelastische Material (7) isoliert und verspannt die Kontaktzunge (14) im von der Dicke der Zylinderkopfdichtung (11) bestimmten Dichtspalt.
Diese Anordnung ermöglicht es auch, mit der Gehäusewand (2a) eine Öffnung (22) der Kühlmittelräume, z. B. im Zylinderkopf (21), zu überdecken und abzudichten. Es wird eine Ankopplung des Sensors (1) sowohl am Zylinderhohlkörper als auch an dessen Kühlmittelraum erzielt.
Fig. 4 zeigt eine Ausführung und Anordnung des erfindungsgemäßen Sensors (1) entsprechend der Ansprüche 9 bis 11. Er ist in einer Einsenkung (23), vorzugsweise in der Dichtfläche des Zylinderkopfes (21), mit seiner das Piezoelement (4) tragenden Gehäusewand (2a) abgestützt und durchreicht die Zylinderkopfdichtung (11) bis auf die Dichtfläche des Zylinderblockes (20). Mit dieser Anordnung besteht die beste Kopplung des Piezoelementes (4) mit dem Zylinderkopf (21), der vom Brennraum her mit Druckschwingungen unmittelbar beaufschlagt ist. Es wird eine Empfindlichkeit des Sensors (1) erreicht, die seine Anordnung in Zonen maximaler Aufweitung des von der Zylinderkopfdichtung (11) gefüllten Dichtspaltes erübrigt.
Die Einsenkung (23) ist vorteilhaft mit einer radial nach außen führenden Nute (24) verbunden, durch die eine mit isolierten Leiterbahnen versehene Kontaktzunge (14) für den Außenanschluß des Sensors (1) verläuft. Damit wird es unnötig, Leiterbahnen in die Zylinderkopfdichtung (11) einzubringen oder aufzukaschieren. Zum Zwecke der Abdichtung und Isolierung als auch ihrer Abstützung ist die Kontaktzunge (14), ebenso wie die Innenteile des Sensors (1), mit weichelastischem Material (7) umgeben, das im eingelegten Zustand die Nute (24) im Zylinderkopf (21), zur Zylinderkopfdichtung (11) hin, abdichtend ausfüllt. Die Kontaktierung und Isolierung des Piezoelementes, als auch die Ableitung der Ladung kann in irgendeiner zweckmäßigen Ausgestaltung erfolgen, deshalb soll darauf nicht weiter eingegangen werden.
Bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Sensoren entsprechend den in Fig. 5 gezeigten Positionen A beziehungsweise B zwischen benachbarten Zylinderelementen (30, 31), etwa in der Verbindungsebene C der Zylinderkopfbolzen (32), ist es möglich, sowohl Klopfvorgänge als auch Zündaussetzer in diesen Zylinderelementen (30, 31) an den Sensorsignalen zu erkennen. Dies ist ein besonderer Vorteil gegenüber am Zylinderblock oder Zylinderkopf direkt montierter Sensoren bekannter Bauarten.

Claims (10)

1. Piezoelektrischer Sensor zur Aufnahme von Druckschwingungen bei Verbrennungsmotoren, bei dem zur kraftschlüssigen Einspannung im Bereich der Zylinderkopfdichtung zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf
das Piezoelement (4) innerhalb eines in seiner Dicke verformbaren Gehäuses (2) mit einer ersten starren axialen Gehäusewand (2a) und einer zweiten Gehäusewand (2b) an der ersten Gehäusewand (2a) festangekoppelt befestigt ist,
diese erste Gehäusewand (2a) an der Dichtfläche von Zylinderblock (20) oder Zylinderkopf (21) anliegt und einen das Piezoelement (4) überragenden Rand aufweist,
die zweite Gehäusewand (2b) an der Dichtfläche von Zylinderkopf (21) oder Zylinderblock (20) anliegt
und die zweite Gehäusewand (2b) als federnd verformbare Kontur (2f) des überragenden Randes der ersten Gehäusewand (2a) oder als getrennte, auf der federnd verformbaren Kontur (2f) abgestützte Gehäusewand ausgebildet ist.
2. Piezoelektrischer Sensor zur Aufnahme von Druckschwingungen bei Verbrennungsmotoren, bei dem zur kraftschlüssigen Einspannung im Bereich der Zylinderkopfdichtung zwischen Zylinderblock und Zylinderkopf
das Piezoelement (4) innerhalb eines in seiner Dicke verformbaren Gehäuses (2) mit einer ersten (2a) und einer zweiten (2b) starren axialen Gehäusewand an der ersten Gehäusewand (2a) festangekoppelt befestigt ist,
diese erste Gehäusewand (2a) an der Dichtfläche von Zylinderblock (20) oder Zylinderkopf (21) anliegt und einen das Piezoelement (4) überragenden Rand aufweist,
die zweite Gehäusewand (2b) an der Dichtfläche von Zylinderkopf (21) oder Zylinderblock (20) anliegt
und die zweite Gehäusewand (2b) mittels einer Feder (6) auf dem Piezoelement (4) direkt abgestützt ist.
3. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (6) als Well- oder Tellerfeder ausgeführt ist.
4. Piezoelektrischer Sensor und dessen Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) in einer Einsenkung (23) in einer der an der Zylinderkopfdichtung (11) angrenzenden Dichtflächen von Zylinderblock (20) oder Zylinderkopf (21) abgestützt und die Zylinderkopfdichtung (11) durchreichend angeordnet ist.
5. Piezoelektrischer Sensor und dessen Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Gehäusewand (2a) mit dem angekoppelten Piezoelement (4) in der Einsenkung (23) abgestützt ist.
6. Piezoelektrischer Sensor und dessen Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kontaktzunge (14) an der Gehäusewand (2a) radial aus der Einsekung (23) eine Nute (24) im Zylinderblock (20) oder Zylinderkopf (21), oder eine Aussparung in der Zylinderkopfdichtung (11) durchreichend angeordnet ist.
7. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen den Gehäusewänden (2a, 2b) und dem Piezoelement (4) mit einem weichelastischen Material (7) ausgefüllt ist.
8. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das weichelastische Material (7) zusätzlich eine über die axiale Kontur des Gehäuses (2) radial hinausreichend und so eine Membrane (9) bildend geformt ist, wobei diese Membrane (9) an ihren Rändern in einer Aussparung der Zylinderkopfdichtung (11) befestigt oder geführt ist.
9. Piezoelektrischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1) zwischen zwei benachbarten Zylinderelementen (30, 31) des Verbrennungsmotors etwa in der Verbindungsebene (C) der Zylinderkopfbolzen (32) nach außen versetzt (A) oder zwischen diesen (B) angeordnet ist.
10. Piezoelektrischer Sensor und dessen Anordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das Gehäuse (2) eine an der Dichtfläche angrenzende Öffnung (22) der Kühlmittelräume des Zylinderblockes (20) oder Zylinderkopfes (21) überdeckend angeordnet ist.
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