DE4319196A1 - Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Druckgeber zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des An­ spruchs 1. Bei einem derartigen, zum Beispiel aus der DE-OS 41 03 705.7 bekannten Druckgeber ist in einer Gehäusebohrung ein Stempel angeordnet, der den zu bestimmenden Druck auf ein Auf­ nahmeelement überträgt. Die dem Brennraum zugewandte Öffnung ist mit Hilfe einer Membran verschlossen, die ferner am Stempel anliegt. Dort sind verschiedene Membranformen beschrieben, die aber alle keine wirksame Kompensation des Thermoschockfehlers ermöglichen. Dieser Thermoschockfehler beeinflußt entscheidend die Genauigkeit des vom Aufnahmeelement erzeugten Meßsignals. Dieser Fehler entsteht aufgrund des großen Temperaturgefälles vor allem im Bereich der Mem­ bran und des vorderen Gehäusebereichs. Da der Druckgeber in den Brennraum hineinragt, hat insbesondere sein Endbereich mit der Mem­ bran Kontakt mit der Flamme und somit mit der dort herrschenden sehr hohen Temperatur. Dadurch ergeben sich Wärmedehnungen, die die Vor­ spannung der Membran beeinflussen und somit zu Meßfehlern führen können.
Ferner ist aus der EP-A-02 00 709 ein Drucksensor mit einer Membran bekannt, die eine nach innen, d. h. zum Stempel hin gerichtete Sicke aufweist. Ferner hat diese Membran in der Sickenmitte eine Bohrung, mit Hilfe der der kurze Stempel mit der Membran verschweißt wird. Die Membran ist dabei so geformt, daß bei Kontakt mit der Flamme die Verformung der Membran und die des Kraftmeßelements sich gegenseitig kompensieren. Auch diese Ausgestaltung ist noch nicht fehlerfrei, und ferner baut sie relativ aufwendig.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Druckgeber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß mit einfachen kon­ struktiven Maßnahmen eine Eliminierung des Thermoschockfehlers er­ reicht wird. Auch kann der Einfluß der verwendeten Werkstoffe auf den Thermoschockfehler durch die Auswahl der konstruktiven Parame­ ter, insbesondere der Sickentiefe und des Sickenradius eliminiert werden. Es können sehr einfach und kostengünstig herzustellende Mem­ branen, insbesondere durch Präge- oder Tiefziehvorgänge hergestellte Membranen verwendet werden. Dadurch ist der gesamte Aufbau des Brennraumsensors sehr einfach und kostengünstig. Komplizierte Wasserkühlungen, die den Thermoschockfehler gering halten, sind nicht mehr notwendig und können somit entfallen. Die Membran kann kostengünstig am Gehäuse angebracht werden, indem ein Zentrierring angelegt wird und die Membran im Bereich der stirnseitigen Auflage­ fläche auf dem Gehäuse angeschweißt wird, zum Beispiel mit Hilfe des Laserschweißverfahrens. Die so gefundene Lösung weist eine hohe Langzeitstabilität auf und gewährleistet somit einen Einsatz des Druckgebers bei sehr geringen Fehlern über einen langen Zeitraum hinweg. Ferner wirkt sich die Konstruktion auch auf eine sehr gute Linearität der Übertragung des Drucks mit Hilfe der Membran und des Stempels auf das Meßelement aus. Der Druckgeber kann ferner mit deutlich verkleinertem Durchmesser gegenüber den bisherigen Ausfüh­ rungen hergestellt werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors möglich.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch einen Druckgeber.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur ist mit 10 das Gehäuse eines Druckgebers 11 zur Be­ stimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine bezeich­ net. Es weist eine mittige, durchgehende, abgesetzte Bohrung 12 auf. Die dem Brennraum zugewandte Öffnung 13 des Gehäuses 10 wird von einer Membran 14 abgeschlossen. Sie ist als Platte ausgebildet, die auf die Stirnseite 16 des Schafts 15 des Gehäuses 10 mit Hilfe einer Schweißverbindung 17 befestigt ist. Besonders vorteilhaft ist die Membran 14 aus einer Superlegierung, d. h. aus einer Legierung von ca. 50% Nickel, 20% Chrom, 20% Eisen ausgebildet. Im mittleren Be­ reich der Membran 14 liegt ein Stempel 18 mit seinem einen Ende an, der mit seinem anderen Ende an einem piezoresistiven Meßelement 19 anliegt. Unter piezoresistiven Meßelementen sind Elemente zu ver­ stehen, die ihren Widerstandswert unter Druckeinwirkung ändern. Hierzu können zum Beispiel Dickschichtwiderstände verwendet werden. Als Materialien können hierzu Cermet-, Contactivplastic oder Metall etc. Verwendung finden. Das Meßelement 19 ist auf den Träger 22 eines Hybrids aufgedruckt. Unter einem Hybrid ist normalerweise ein Träger mit aufgedruckten Schaltungsteilen, wie zum Beispiel Widerständen und Leiterbahnen etc. mit Halbleitern wie IC′s (Inte­ grated Circuit), die auf den Träger aufgesetzt sind und mit den Schaltungsteilen zum Beispiel durch Bonddrähte verbunden sind, zu verstehen. Besonders vorteilhaft kann es aber auch sein, wenn das Gehäuse 10 und der Stempel 18 aus einem korrosionsfesten Stahl mit hoher Festigkeit, z. B. X2CrNiMoN 22 5 3 bestehen. Das dem Hybrid zugewandte Ende 20 des Stempels 18 kann konisch ausgebildet sein, so daß sein Ende 20 etwa den Durchmesser des Meßelements 19 aufweist. Dadurch ist es möglich, den Stempel 18 in der Bohrung 12 zu führen, hingegen aber den Bereich der Druckübertragung auf die Größe des Meßelements 19 zu begrenzen. Der Träger 22 des Hybrids liegt ferner an einem in die Bohrung 12 eingepreßten Gegenlagers 23 an.
Neben dem piezoresistiven Meßelement 19 befinden sich auf derselben Seite des Trägers 22 des Hybrids auch die elektronischen Bauteile 25 der Auswerteschaltung, wie zum Beispiel Widerstände, Transistoren, etc. Die elektronischen Halbleiterbauteile 25 und das piezoresistive Meßelement 19 sind mit Hilfe von Bonddrähten 26 und Dickschichtlei­ terbahnen 27 verbunden. Über die Leitung 28 wird der Ausgang der Aufbereitungsschaltung zu einer nicht dargestellten Auswerteschal­ tung und Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine geführt. Hierzu weist das Gegenlager 23 eine etwa achsparallele, zur Bohrung 12 ver­ laufende, durchgehende Bohrung 29 auf, in der die Ableitung 28 ge­ führt wird. Die Leitung 28 ist in einer Tülle 30 des die Bohrung 12 abschließenden Deckels 31 befestigt. Zum Schutz vor schädlichen Um­ welteinflüssen, wie zum Beispiel Feuchtigkeit, ist die Bohrung 12 im Bereich des piezoresistiven Meßelements 19 und der elektronischen Bauteile 25 und im Bereich zwischen dem Gegenlager 23 und dem Deckel 31 mit einer Vergußmasse 32 ausgegossen.
Selbstverständlich ist es auch möglich, nach anderen Meßprinzipien arbeitende Meßelemente zu verwenden. So könnten zum Beispiel piezo­ elektrische Elemente verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist die Ausbildung der Membran 14 und des Gehäuse­ stegs im Bereich der Öffnung 13 der Bohrung 12. Die Membran weist eine nach innen gerichtete Sicke 35 auf, d. h. sie ist in das Innere der Bohrung 12 hineingebogen. Diese Sicke 35 ist etwa mittig ausge­ bildet und befindet sich vorzugsweise im Anlagebereich 36 der Mem­ bran 14 an dem Stempel 18. Die Tiefe der Sicke 35 ist als Sicken­ tiefe h bezeichnet. Ferner ist von der Öffnung 13 her eine Aus­ nehmung 37 ausgebildet, die eine Tiefe SL aufweist. Dadurch erhält man einen Gehäusestegabschnitt 38, der eine geringere Gehäusewand­ dicke Sd als der sonstige Gehäusesteg und die Länge SL aufweist. Der Durchmesser der Stirnseite des Gehäuses und somit auch der Durchmesser der Membran 14 beträgt 2Rm. Der Durchmesser der Aus­ nehmung 37 ist in der Zeichnung mit 2Rsma bezeichnet und beträgt 2Rm-2Sd. Es wäre ferner auch denkbar, eine konisch verlaufende Ausnehmung auszubilden.
Zur Überwachung des Drucks im Brennraum ist der Druckgeber 11 in die Gehäusewand des Brennraums eingesetzt, so daß er mit der Membran 14 in den Brennraum hineinragt. Dadurch herrscht an der Membranober­ fläche eine maximale Temperatur, während sich zum Meßelement 19 hin ein Temperaturabfall ergibt. Dadurch ergeben sich sog. Thermoschock­ fehler, da sich die Membran 14, der Stempel 18 und das Gehäuse 10 aufgrund der unterschiedlichen Temperaturen und unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe unterschiedlich ausdehnen. Dieser Thermoschockfehler verfälscht andererseits das Meßsignal.
Im folgenden wird nun die durch das Temperaturgefälle hervorgerufene Verformung der einzelnen Bauteile erläutert. Betrachtet man den Ge­ häusesteg, so erhält man eine trichterförmige Aufwölbung, die im folgenden als Trichtereffekt bezeichnet wird. Aufgrund der Wärme­ leitung im Gehäuse ergibt sich eine exponential verlaufende Tempe­ raturverteilung über die axiale Länge des Gehäusestegs, d. h. die Temperatur nimmt exponential in Richtung zum Meßelement hin ab. Da­ durch entstehen in den unterschiedlichen radialen Ebenen des Ge­ häusestegs unterschiedliche radiale Ausdehnungen, die zu einer trichterförmigen Verformung des Gehäusestegs führen, so daß der Ge­ häusesteg im Bereich der Öffnung 13 stärker gedehnt ist als in den dem Meßelement zugewandten Bereichen. Dadurch wird aber auch die Stirnseite 16 des Gehäusestegs aufgrund des Trichtereffektes ge­ neigt. Diese Neigungsänderung der Gehäusestegoberfläche (Stirnseite 16) wird auch der auf der Gehäusestegoberfläche aufliegenden Membran 14 aufgezwungen. Ist die Membran eben ausgeführt, d. h. weist sie keine Sicke auf, so führt diese aufgezwungene Neigungsänderung zu einer starken Abnahme der Vorspannkraft der Feder. Dies bedeutet, daß die Membran im Bereich des Stempels eine Aufwölbung aufweisen würde. Die radiale Ausdehnung der Membran führt im Fall ohne Sicke zu einer starken Abnahme der Vorspannkraft der Membran. Hingegen ist im Fall einer Membran mit einer Sicke eine Verformungsrichtung vor­ gegeben. Die Sicke 35, d. h. insbesondere die Schräge bewirkt bei der Dehnung eine Erhöhung der realen Länge der Membran bei konstantem Radius der Membran. Durch die Sicke wird somit die thermische Aus­ dehnung der Membran in radialer Richtung erhöht, ohne daß die Mem­ bran an Vorspannkraft verliert. Das Verhältnis von Steifigkeit in radialer Richtung der Membran zu der Biegesteifigkeit des Gehäuse­ stegs bestimmt den Anteil der radialen Ausdehnung der Membran, die zu der Wölbung und somit zu einer axialen Verformung der Membran­ mitte führt, und den Anteil der zu dem oben genannten Trichter­ effekt, d. h. der Aufwölbung des Gehäusestegs führt. Bei einer hohen Biegesteifigkeit des Gehäusestegs bewirkt der Radialeffekt der Mem­ bran vorwiegend eine axiale Verschiebung, d. h. eine Durchwölbung der Membranmitte. Der Radialeffekt muß sowohl die Neigungsänderung der Gehäuseoberfläche 16 als auch die radiale Ausdehnung, d. h. den oben genannten Trichtereffekt des Gehäuses kompensieren. Würde man Ge­ häusestege ohne die Ausnehmung 37 verwenden, so müßte für eine voll­ ständige Kompensation des Trichter- und des Radialeffektes die Mem­ bran eine Sickentiefe hs von ca. 20 µm aufweisen. Diese Sicken­ tiefen sind aber fertigungstechnisch nur sehr schwer bzw. kaum zu realisieren. Durch den Gehäusestegabsatz 35 sind Membranen mit einer Sickentiefe hs von ca. 50 µm möglich. Der Gehäusestegabsatz 38 würde dann eine Länge Sd =1 mm und eine Breite ST=0,75 mm auf­ weisen. Durch die nach innen gesickte Membran und durch einen Ge­ häusesteg können fertigungstechnisch einfach herstellbare Sicken­ tiefen hs verwendet werden, um in einfacher Weise den Thermo­ schockfehler kompensieren zu können. Selbstverständlich sind die konstruktiven Parameter jeweils vom verwendeten Werkstoff abhängig. Erfindungsgemäß sind aber die Sickentiefe hs, die Gehäusestegdicke Sd und der entsprechende äußere Sickenradius Rmsa die aufeinan­ der abzustimmenden Größen, um den Thermoschockfehler zu kompen­ sieren. Um den Thermoschockfehler kompensieren zu können, kann fol­ gende Gleichung verwendet werden:
Der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewiesen, daß zusätz­ lich zum Trichtereffekt und zum Radialeffekt auch axiale Aus­ dehnungen des Stempels und des Gesamtgehäuses vorhanden sind. Diese Anteile am Thermoschockfehler sind aber vernachlässigbar.

Claims (4)

1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraft­ maschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) in einer Bohrung (12) mindestens ein auf einen Meßwertaufnehmer (19) einwirkender Stempel (18) angeordnet ist, so daß ein zum Druck im Brennraum proportionales Meßsignal vom Aufnehmer (19) erzeugt wird und wobei die Bohrung (12) des Gehäuses (10) von einer Membran (14) abgeschlossen wird, die am Stempel (18) anliegt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Membran (14) eine zum Stempel (18) hin gerichtete Sicke (35) aufweist und daß im Bereich des Stempelendes (18) ein größerer Abstand zwischen der Gehäuseinnenwand und dem Stempel (18) als im übrigen Bereich der Bohrung (12) vorhanden ist.
2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge­ häuse (10) im Bereich der Öffnung (13) der Bohrung (12) eine ring­ förmige Ausnehmung (36) aufweist.
3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Öffnung (13) des Gehäuses (10) stufenförmige aus­ gebildet ist.
4. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der äußere Radius der Sicke (35) der Membran (14) der Gleichung entspricht.
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