DE4332539A1

DE4332539A1 - Pressure transmitter for registering the pressure in the combustion chamber of internal combustion engines

Info

Publication number: DE4332539A1
Application number: DE19934332539
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Dr Herden; Matthias Dipl Ing Kuesell; Helmut Dipl Ing Suesser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-09-24
Filing date: 1993-09-24
Publication date: 1995-03-30

Abstract

In the case of a pressure transmitter (11) for registering the pressure in the combustion chamber of internal combustion engines, a plunger (15) is arranged in a hole (12) of the housing (10) and acts with one of its ends on a measuring element (19), with the result that a measurement signal which is proportional to the pressure in the combustion chamber is generated. The other end of the plunger (16) is in direct effective connection to the pressure prevailing in the combustion chamber. In addition, there is arranged in the wall of the hole (12) a seal (25) which protects the measuring element (19) from a direct pressure and temperature effect. Since, by comparison with previously used pressure transmitters, there is no longer a diaphragm, no thermally caused zero point and sensitivity errors of the measurement signal can occur. <IMAGE>

Description

State of the art

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.The invention is based on a pressure sensor according to the type of saying 1. In such a case, for example from the DE-OS 41 03 705.7 known pressure transmitter is in a housing bore a stamp arranged, the pressure to be determined on an up transmission element transmits. The opening facing the combustion chamber is with Closed with the help of a membrane, which also bears against the stamp. Various membrane shapes are described there, but all of them do not allow effective compensation of the thermal shock error. This thermal shock error has a decisive influence on the accuracy of the measurement signal generated by the recording element. This error arises due to the large temperature gradient, especially in the area of the mem bran and the front housing area. Since the pressure sensor in the Combustion chamber protrudes, in particular has its end area with the mem bran contact with the flame and thus with the very prevailing there high temperature. This results in thermal expansion, which is the pre affect the tension of the membrane and thus lead to measurement errors can.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Druckgeber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß auf eine Membran vollständig verzichtet wird und somit die Fehlerquelle des Thermo schockfehlers vollständig eliminiert wird. Dadurch sind auch keine aufwendigen und teueren Kompensationsvorrichtungen notwendig. Durch den Wegfall der Membran und des damit verbundenen Montageaufwands, insbesondere der Membranverschweißung baut der Druckgeber relativ preiswert. Es wäre sogar denkbar, auf ein separates Gehäuse des Drucksensors zu verzichten und dafür die Wand des zu überwachenden Druckraums entsprechend auszugestalten und hierfür zu verwenden. Hierfür wären nur wenige Änderungen notwendig, insbesondere der Ein bau der Dichtung und eine Befestigungsstelle fuhr die Montageplatte, an der der Stempel befestigt ist. Damit die Dichtung sowohl die Dichtfunktion als auch die Wärmeleitfunktion ausüben kann, kann ein Verbundwerkstoff bzw. eine aus wenigstens zwei Schichten bestehende Dichtung verwendet werden. Die Eigenschaften der einzelnen Schichten sind dann auf die entsprechenden gewünschten Eigenschaften abge stimmt. Ferner ist es möglich, den Stempel mit Hilfe einer Vorspann feder im Gehäuse im Bereich niedriger Temperaturen anzuordnen. Da durch ist keine feste Verbindung zwischen dem Stempel und dem Kraft meßelement notwendig. Ein exaktes Zentrieren bzw. Justieren des Stempels auf dem Kraftmeßelement kann dadurch entfallen.The pressure transmitter according to the invention with the characteristic features of claim 1 has the advantage that on a membrane is completely dispensed with and thus the source of errors for the thermo shock error is completely eliminated. Because of that there are none complex and expensive compensation devices necessary. By the elimination of the membrane and the associated assembly effort, the pressure transducer builds the membrane welding relatively inexpensive. It would even be conceivable to have a separate housing for the To dispense with the pressure sensor and instead the wall of the monitored To design and use the pressure chamber accordingly. Only a few changes would be necessary for this, especially the one construction of the seal and a fastening point drove the mounting plate, to which the stamp is attached. So that the seal both the Can perform sealing function as well as the thermal conductivity function Composite or one consisting of at least two layers Seal can be used. The properties of each layer are then tailored to the corresponding desired properties Right. It is also possible to stamp the stamp using a leader arrange spring in the housing in the area of low temperatures. There through there is no fixed connection between the stamp and the force measuring element necessary. An exact centering or adjustment of the Stamp on the force measuring element can be omitted.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksensors möglich.The measures listed in the subclaims provide for partial developments of the pressure sensor specified in claim 1 possible.

drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 einen Schnitt durch einen schematisch dargestellten Druck geber, Fig. 2 eine Einzelheit, Fig. 3 und 4 je eine Abwandlung des Druckgebers nach der Fig. 1.Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. They show: Fig. 1 is a sectional donor through a schematically shown pressure, Fig. 2 shows a detail, Fig. 3 and 4 each show a modification of the pressure transducer of FIG. 1.

Description of the embodiments

In der Fig. 1 ist mit 10 das Gehäuse eines Druckgebers 11 zur Be stimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine be zeichnet. Es weist eine mittige, durchgehende, abgesetzte Bohrung 12 auf. Die dem Brennraum zugewandte Öffnung 13 des Gehäuses 10 ist offen und wird im Unterschied zum Stand der Technik von keiner Mem bran oder einem sonstigen Verschlußelement verschlossen. In der Boh rung 12 ist ein Stempel 15 angeordnet, der mit seinem einen Ende in etwa bündig mit der Stirnseite des Gehäuses 10 abschließt und mit seinem anderen Ende auf ein Meßelement 19 einwirkt. Es wäre auch denkbar, daß der Stempel 15 länger als das Gehäuse 10 ist und somit in den Brennraum hineinragt oder der Stempel 15 kann auch kurzer als das Gehäuse 10 sein. Bei diesen beiden Fällen ist aber zu berück sichtigen, daß die Druckwelle des im Druckraum herrschenden Drucks nicht mehr ausschließlich auf die Stirnseite des Stempels 15 trifft, sondern auch die Mantelfläche des Stempels 15 mit erfassen wurde. Als Meßelement können zum Beispiel piezoresistive Elemente oder auch piezoelektrische Elemente verwendet werden. Ferner können auch in der sog. Mikromechanik, d. h. in Dickschicht-, oder Dünnschicht- oder Ätztechnik hergestellte Meßelemente eingesetzt werden. Unter piezo resistiven Elementen sind Elemente zu verstehen, die ihren Wider standswert unter Druckeinwirkung ändern. Hierzu können zum Beispiel Dickschichtwiderstände verwendet werden. Als Materialien können hierzu Cermet, Contactivplastik oder Metall usw. Verwendung finden. Das Meßelement 19 wiederum liegt an einem Gegenlager 20 an, das in die Bohrung 12 eingesetzt und mit dem Gehäuse 10 fest ver bunden ist. Auf dem Meßelement 19 oder auf dessen Träger können, in der Figur nicht dargestellt, elektrische Bauteile einer Auswerte einrichtung aufgebracht sein. Durch nicht dargestellte Bohrungen im Gegenlager 20 können die Ableitleitungen der Auswerteschaltung oder des Meßelements 19 aus dem Gehäuse 10 des Druckgebers 11 herausge führt und einer nicht dargestellten Auswerteschaltung und Steuerein richtung der Brennkraftmaschine zugeführt werden.In Fig. 1, the housing of a pressure sensor 11 for determining the pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine is 10 . It has a central, continuous, stepped bore 12 . The combustion chamber facing opening 13 of the housing 10 is open and, in contrast to the prior art, is not closed by any membrane or any other closure element. In the drilling tion 12 , a stamp 15 is arranged, which with its one end is approximately flush with the end face of the housing 10 and acts with its other end on a measuring element 19 . It would also be conceivable that the plunger 15 is longer than the housing 10 and thus protrudes into the combustion chamber, or the plunger 15 can also be shorter than the housing 10 . In these two cases, however, it must be taken into account that the pressure wave of the pressure prevailing in the pressure chamber no longer exclusively hits the end face of the stamp 15 , but also the outer surface of the stamp 15 was also included. Piezoresistive elements or even piezoelectric elements can be used as the measuring element. Furthermore, measuring elements produced in so-called micromechanics, ie in thick-film or thin-film or etching technology, can also be used. Piezo resistive elements are to be understood as elements that change their resistance value under pressure. Thick film resistors can be used for this purpose, for example. Cermet, contact plastic or metal etc. can be used as materials for this. The measuring element 19 in turn rests on a counter bearing 20 which is inserted into the bore 12 and is firmly connected to the housing 10 . Electrical components of an evaluation device can be applied to the measuring element 19 or to its carrier, not shown in the figure. Through holes, not shown, in the counter bearing 20 , the discharge lines of the evaluation circuit or of the measuring element 19 can be led out of the housing 10 of the pressure sensor 11 and an evaluation circuit and control device (not shown) of the internal combustion engine can be supplied.

Zwischen der Wand der Bohrung 12 und dem Stempel 15 befindet sich ein enger Spalt 23. Dieser Spalt 23 sollte möglichst gering gehalten sein, um eine gute Wärmeübertragung zwischen dem Gehäuse 10 und dem Stempel 15 zu ermöglichen. Ferner ist in der Wand der Bohrung 12 eine Ringnut 24 ausgebildet, in der eine als Dichtring 25 ausgebildete Dichtung angeordnet ist. Der Dichtring 25 liegt mit seiner Dichtlippe 26 am Stempel 15 an. Die Dichtung 25 ist im Bereich zwischen der Öffnung der Bohrung 12 und dem Meßelement 19 angeordnet. Hierbei ist aber darauf zu achten, daß die Dichtung 25 möglichst weit von der Öffnung 13 der Bohrung 12 entfernt ist und sich somit im Bereich niedrigerer Temperaturen befindet. Die Dichtung 25 hat die Aufgabe, das Meßelement 19 vor den im Brennraum herrschenden Verbrennungsgasen zu schützen und ferner den Spalt 23 gegen den Druckraum abzudichten. Ferner leitet die Dichtung 25 die Wärme des Stempels 15 an das Gehäuse 10 ab. Deshalb muß die Dichtung 25 aus temperaturbeständigem Material mit sehr hoher Wärmeleit fähigkeit bestehen. Hierzu eignen sich zum Beispiel Kupfer oder Kupferverbundwerkstoffe. In der Fig. 2 ist hierzu ein Beispiel für eine Dichtung 25a aus Verbundwerkstoff dargestellt. Die Dichtung 25a besteht hierbei auf der der Öffnung der Bohrung 12 zugewandten Seite aus einer Werkstoffschicht 35 aus hitzebeständigem Dichtmaterial, zum Beispiel PTFE, PTFE-beschichtete Metalle, Perfluorelastomer, Graphit, und einer Schicht 36 aus wärmeleitendem Material, zum Bei spiel Kupfer.There is a narrow gap 23 between the wall of the bore 12 and the punch 15 . This gap 23 should be kept as small as possible in order to enable good heat transfer between the housing 10 and the stamp 15 . Furthermore, an annular groove 24 is formed in the wall of the bore 12 in which a seal designed as a sealing ring 25 is arranged. The sealing ring 25 lies with its sealing lip 26 on the plunger 15 . The seal 25 is arranged in the area between the opening of the bore 12 and the measuring element 19 . However, it should be ensured that the seal 25 is as far as possible from the opening 13 of the bore 12 and is therefore in the range of lower temperatures. The seal 25 has the task of protecting the measuring element 19 from the combustion gases prevailing in the combustion chamber and also to seal the gap 23 against the pressure chamber. Furthermore, the seal 25 dissipates the heat of the stamp 15 to the housing 10 . Therefore, the seal 25 must consist of temperature-resistant material with very high thermal conductivity. Copper or copper composite materials are suitable for this. In FIG. 2 this is an example of a seal 25 a is shown of composite material. The seal 25 a here consists on the opening of the bore 12 side of a material layer 35 made of heat-resistant sealing material, for example PTFE, PTFE-coated metals, perfluoroelastomer, graphite, and a layer 36 of heat-conducting material, for example copper.

Damit keine Reibung, insbesondere im Bereich der Dichtung 25, an der Wand des Stempels 15 auftritt, muß der Stempel 15 einen hohen Elastizitätsmodul aufweisen und den gleichen Wärmeausdehnungskoeffi zienten wie der Werkstoff für das Gehäuse 10 haben. Zudem sollte das Material für den Stempel gut wärmeleitfähig sein, um die Temperatur am Ende des Stempels 15, d. h. auf der dem Druckraum zugewandten Seite niedrig zu halten. Als Material für den Stempel eignet sich zum Beispiel Aluminiumoxid-Keramik, aber auch Stahl.So that no friction, especially in the area of the seal 25 , occurs on the wall of the stamp 15 , the stamp 15 must have a high modulus of elasticity and the same coefficient of thermal expansion as the material for the housing 10 . In addition, the material for the stamp should have good thermal conductivity in order to keep the temperature at the end of the stamp 15 , ie on the side facing the pressure chamber, low. Suitable materials for the stamp are, for example, aluminum oxide ceramic, but also steel.

Mit Hilfe des an der Außenwand des Gehäuses 10 ausgebildeten Gewin des 28 ist der Druckgeber 11 in die Brennraumwand 29 einer Brenn kraftmaschine einschraubbar. Die aus dem Brennraum in das Gehäuse 10 des Druckgebers 11 einfließende Wärme fließt zu einem großen Teil über das Gehäuse 10, den an der Wand 29 anliegenden Sensorsitz sowie die Gewindeflanken 28 in die Wand 29 des Brennraums und von dort zu einer Wärmesenke, d. h. einer Wärmeableitung. Ein kleinerer Teil des Wärmestroms fließt über den Stempel 15, das Gegenlager 20, das Ge häuse 10 und im Bereich des Gewindes 28 ebenfalls in die Wand 29 und somit ebenfalls zu der oben erwähnten Wärmesenke. Ferner kann auch ein Wärmestrom vom Stempel 15 über die Dichtung 25 in das Gehäuse 10 fließen. With the help of the formed on the outer wall of the housing 10 thread 28 , the pressure sensor 11 can be screwed into the combustion chamber wall 29 of an internal combustion engine. The heat flowing from the combustion chamber into the housing 10 of the pressure transmitter 11 largely flows via the housing 10 , the sensor seat against the wall 29 and the thread flanks 28 into the wall 29 of the combustion chamber and from there to a heat sink, ie heat dissipation . A smaller part of the heat flow flows through the plunger 15 , the counter bearing 20 , the Ge housing 10 and in the area of the thread 28 also in the wall 29 and thus also to the heat sink mentioned above. Furthermore, a heat flow can also flow from the stamp 15 into the housing 10 via the seal 25 .

Während beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 der Stempel 15 fest mit dem Meßelement 19 verbunden ist, ist beim Ausführungsbei spiel nach der Fig. 3 keine feste Verbindung zwischen dem Stempel 15a und dem Meßelement 19a notwendig. Dadurch ist eine einfachere Montage, insbesondere Zentrierung möglich. Um aber eine einwandfreie Druckübertragung zwischen dem Stempel 15a und dem Kraftmeßelement 19a zu ermöglichen, ist eine Vorspannfeder 30 vorgesehen. Diese Vor spannfeder 30 befindet sich im Bereich zwischen der Dichtung 25 und dem Kraftmeßelement 19a, somit also im Bereich niedriger Temperatu ren und Temperaturänderungen. Dadurch kann eine Feder 30 aus ein fachen Materialien hergestellt Verwendung finden. Die Feder 30 liegt hierbei an einer in der Wand der Bohrung 12 im Gehäuse 10 ausge bildeten Schulter 31 an. Mit ihrem anderen Ende liegt die Feder 30 an einem Fortsatz 32 des Stempels 15a an. Aufgrund der Vorspannung der Feder 30 wird somit der Stempel 15a auf das Meßelement 19a ge drückt.While in the embodiment of FIG. 1, the punch 15 is fixedly connected to the measuring element 19 is at Ausführungsbei game of FIG. 3 is no fixed connection between the plunger 15a and the measuring element 19 a necessary. This enables easier assembly, in particular centering. However, in order to enable perfect pressure transmission between the stamp 15 a and the force measuring element 19 a, a biasing spring 30 is provided. This before tension spring 30 is located in the area between the seal 25 and the force measuring element 19 a, thus in the area of lower temperatures and temperature changes. As a result, a spring 30 made of simple materials can be used. The spring 30 lies against a shoulder 31 formed in the wall of the bore 12 in the housing 10 . With its other end, the spring 30 abuts an extension 32 of the stamp 15 a. Due to the bias of the spring 30 , the plunger 15 a is thus pressed onto the measuring element 19 a.

Ferner wäre es, wie in Fig. 4 dargestellt, auch denkbar, auf das Gehäuse des Druckgebers zu verzichten und nur ein Gebilde bestehend aus Stempel 15, Meßelement 19 und Gegenlager 20a in eine durchgehen de Bohrung in der Wand des Brennraums einzusetzen. Das Gegenlager 20a ist dann in der Wand 29b der Bohrung, d. h. der Wand des Brenn raums einschraubbar. Es ist auch eine zusätzliche Spannschraube 35 verwendbar. Ferner ist die Dichtung 25b in einer Nut 24a in der Wand des Brennraums angeordnet.Furthermore, it would also be conceivable, as shown in Fig. 4, to dispense with the housing of the pressure transmitter and only use a structure consisting of stamp 15 , measuring element 19 and counter bearing 20 a in a continuous hole in the wall of the combustion chamber. The counter bearing 20 a is then screwed into the wall 29 b of the bore, ie the wall of the combustion chamber. An additional clamping screw 35 can also be used. Furthermore, the seal 25 b is arranged in a groove 24 a in the wall of the combustion chamber.

Claims

1. Pressure transmitter ( 11 ) for pressure detection in the combustion chamber of internal combustion engines, in particular of motor vehicles, in the housing ( 10 ) a bore ( 12 ) is formed, wherein in the bore ( 12 ) a stamp ( 15 ) is arranged, in one End of the pressure prevailing in the combustion chamber is introduced and which acts with its other end on a measuring element ( 19 ) so that a measurement signal proportional to the pressure to be determined is generated, characterized in that the housing ( 10 ) is open to the pressure to be determined and the stamp ( 15 ) is directly connected to the pressure, and that between the wall of the bore ( 12 ) and the stamp ( 15 ) a device ( 25 ) is arranged.

2. Pressure sensor according to claim 1, characterized in that the device ( 25 ) consists of a material which has good thermal conductivity and good tightness.

3. Pressure sensor according to claim 2, characterized in that the device ( 25 ) is a composite material.

4. Pressure sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the seal ( 25 ) consists of a layer ( 35 ), be standing made of elastic sealing material and a layer ( 36 ), be standing made of heat-conducting material.

5. Pressure sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the stamp ( 15 ) consists of a material which has a high modulus of elasticity (modulus of elasticity) and the same thermal expansion coefficient as the material for the housing ( 10 ) points and which has good thermal conductivity.

6. Pressure sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the stamp ( 15 ) consists of aluminum azide.

7. Pressure sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the stamp ( 15 ) with a mechanical bias in the Ge housing ( 10 ) is arranged.

8. Pressure sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the spring ( 30 ) is located between the seal ( 25 ) and the measuring element ( 19 ).

9. Pressure sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that on one in the housing ( 10 ) formed shoulder ( 31 ) one end of a spring ( 30 ) and on an extension ( 32 ) on the stamp ( 15 A) other end of the spring ( 30 ) rests.

10. Pressure sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the housing ( 10 ) is the wall ( 29 ) of the combustion chamber.