EP0994250B1 - Hochdruck-Sensor - Google Patents

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EP0994250B1
EP0994250B1 EP99810565A EP99810565A EP0994250B1 EP 0994250 B1 EP0994250 B1 EP 0994250B1 EP 99810565 A EP99810565 A EP 99810565A EP 99810565 A EP99810565 A EP 99810565A EP 0994250 B1 EP0994250 B1 EP 0994250B1
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EP
European Patent Office
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welding
threaded body
pressure sensor
sensor according
pressure
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EP99810565A
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EP0994250A2 (de
EP0994250A3 (de
Inventor
Kurt Vollenweider
Hans Conrad Sonderegger
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Kistler Holding AG
Original Assignee
KK Holding AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M63/00—Other fuel-injection apparatus having pertinent characteristics not provided for in groups F02M39/00 - F02M57/00 or F02M67/00; Details, component parts, or accessories of fuel-injection apparatus, not provided for in, or of interest apart from, the apparatus of groups F02M39/00 - F02M61/00 or F02M67/00; Combination of fuel pump with other devices, e.g. lubricating oil pump

Definitions

  • the invention relates to high pressure sensors, e.g. in Injection systems for internal combustion engines or liquid jet cutting machines etc., especially where pulsating hydraulic Pressures to measure or to peak with thousands of bar are control.
  • the invention relates to surveillance systems of diesel engines, where peak values from 2000 to 3000 bar are to be measured.
  • FIGS. 4 to 7 illustrate the idea of the invention, which is defined in independent claim 1.
  • Fig. 1 represents a commercially available piezoresistive high pressure sensor consists of the four main parts: threaded body 1, Measuring head 2 and membrane part 3, on which the measuring bridge 4 is applied is.
  • Fig. 2 is the threaded body 5, the sealing section 6 and the membrane part 7, on which the capacitive measuring part 8 is mounted, in one piece executed.
  • the membrane part 11 is in one piece with the sealing section 10 executed and welded to the sealing body 10 with the threaded body 9.
  • the measuring bridge 12 consists of a silicone element that is blown onto the membrane part 11.
  • the main idea of the invention relates to the overall view of the hydraulic and mechanical part to make it permanently reliable Find a solution suitable for monitoring purposes.
  • the pressure sensor consists of the 6 main parts: threaded body 16 probe 14 membrane game 21 measuring bridge 22 sealing portion 20 welding game 15 all of which are coordinated with one another with regard to mechanically permissible material tensions.
  • the membrane section 21 is determined by the parameters ⁇ D 1 , ⁇ D3 and thickness t.
  • Minimum diameters d of the feed line are also of great importance 19 and the sealing section 20 in order to minimize material stresses to reach.
  • the further part of the invention is directed to the design of the Welding section 15, the execution of which is decisive for safe Continuous operation of the pressure sensor. Long series of tests have shown that welding gaps from the inside, i.e. from the pressure side, below must be prevented in all circumstances ..
  • Fig. 5 shows the welding process by means of internal welding in Moment of sweat start.
  • the dimensions are according to known regulations of electrical butt welding technology, where the measuring head 14 is held by the electrode 32 and is electrical connected is.
  • the fusion begins along the Welding cone surface 30, with pressure neck part 24 and welding cone 30 flow into one another, the welding path S being used up.
  • Fig. 6 shows the state after the internal welding, the Welding path S through the press welding to the external welding gap 36 was reduced.
  • the welding zone 34 has a transition radius 35, which is free of internal gaps. So that the pressure impulses find no attack surfaces from the inside due to the notch effect can lead to tears.
  • the remaining outer welding gap 36 is in another Operation with a laser, gas or electron beam welding closed.
  • the design of the balloon-like pressure measuring space according to the invention with print head part 23 and print neck part 24, with the combined Internal welding to prevent tearing from the inside, and the external welding, to ensure the mechanical strength the connection of the measuring head 14 with the threaded body 16 and the smallest possible diameter d of the feed line 19 is Basis for a high pressure sensor for continuous operation with peak pressures created up to 2500 bar.
  • the design of the membrane section 21 applied measuring bridge 22 can be based on various known technologies.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Glass Compositions (AREA)

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Hochdruck-Sensoren, wie sie z.B. in Einspritzsystemen von Verbrennungsmotoren oder Flüssigkeitsstrahl-Schneidemaschinen usw., insbesondere wo pulsierende hydraulische Drücke mit Spitzenwerten von tausenden von bar zu messen oder zu kontrollieren sind.
Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf Überwachungssysteme von Dieselmotoren, wo im Dauerbetrieb Spitzenwerte von 2000 bis 3000 bar zu messen sind.
Durch die Leistungssteigerung, die fast ausnahmslos mit Turboaufladung gekoppelt ist, sind immer grössere Brennstoffmengen in immer kürzerer Zeit zu verbrennen, wodurch in den letzten Jahren die Einspritzdrücke kontinuierlich gesteigert werden mussten. So sind heute Hochleistungsmotoren mit 3000 bar Einspritzdruck bekannt.
In den sogenannten Common Rail Systemen von Personenwagen Dieselmotoren, werden z.Z. Spitzendrücke von max. 1500 bar verwendet. Für die Überwachung solcher Anlagen sind eine Reihe von Hochdruck-Sensoren bekannt geworden, die in Fig. 1 bis 3 als Stand der Technik dargestellt sind.
In den folgenden Fig. 4 bis 7 ist der Gedanke der Erfindung, die im unabhängigen Patentanspruch 1 definiert ist, dargestellt.
Fig. 1 stellt einen handelsüblichen piezoresistiven-Hochdruck-Sensor dar, bestehend aus den vier Hauptteilen: Gewindekörper 1, Messkopf 2 und Membranteil 3, auf dem die Messbrücke 4 aufgebracht ist.
In Fig. 2 ist der Gewindekörper 5, die Dichtpartie 6 und der Membranteil 7, auf dem das kapazitive Messteil 8 gelagert ist, einstückig ausgeführt.
In Fig. 3 ist das Membranteil 11 mit der Dichtpartie 10 einstückig ausgeführt und an der Dichtpartie 10 mit dem Gewindekörper 9 verschweisst. Die Messbrücke 12 besteht aus einem Silikonelement, das auf dem Membranteil 11 aufgeglast ist. Diese bekannten Drucksensoren sind z.Z. für max. Drücke von 1500 bar ausgelegt und im Einsatz.
Die Erfindung befasst sich jedoch mit Hochdruck-Sensoren für Dauerbetrieb mit Spitzenwerten über 2000 bar, wo wesentliche härtere Anforderungen an Dichtpartie-Zuleitung und Membranteil gestellt werden. Alle drei Konstruktionen des Standes der Technik konnten solchen Anforderungen nicht genügen. Die Erfindungsgedanken sind in den Fig. 4 bis 7 als Beispiel dargestellt.
Fig. 4
zeigt schematisch den erfindungsgemässen Druckgeber im Schnitt,
Fig. 5
zeigt den Messkopf vor dem Innenschweissvorgang,
Fig. 6
zeigt denselben Messkopf nach dem Innenschweissvorgang und vor dem Aussenschweissvorgang,
Fig. 7
zeigt die fertige Verbindung zwischen Messkopf und Gewindeteil.
Der Hauptgedanke der Erfindung bezieht sich auf die Gesamtbetrachtung des hydraulischen und mechanischen Teils, um eine dauerbetriebssichere Lösung, geeignet für Überwachungszwecke, zu finden.
Druckspitzen in der Grössenordnung von 3500 bar müssen als Prüfwerte bei der Abnahmeprüfung der Sensoren vorgesehen werden, um Dauerbetriebswerte von 2500 bar für zwei Service-Jahre zu garantieren. Solche Prüfwerte liegen jedoch an der Elastizitätsgrenze von rostfreien Hochleistungsstählen, die noch schweissbar sind. Die Gesamtheit der Probleme:
  • Membranpartie
  • Schweisspartie
  • Zuleitungspartie
  • Dichtpartie
    • sind alle auf die Materialgrenzen zu beziehen und sorgfältig aufeinander abzustimmen.
    In Fig. 4 sind die Ziele der Erfindung schematisch dargestellt. Der Drucksensor besteht aus den 6 Hauptteilen:
    Gewindekörper 16
    Messkopf 14
    Membranpartie 21
    Messbrücke 22
    Dichtpartie 20
    Schweisspartie 15
    die alle bezüglich mechanisch zulässigen Materialspannungen aufeinander abgestimmt sind.
    Von überragender Bedeutung im Gesamtsystem ist die Gestaltung des Messkopfes 14. Um befriedigende Signale der Messbrücke 22 zu gewährleisten, ist die Membranpartie 21 durch die Parameter Ø D1, Ø D3 und Dicke t bestimmt.
    Um die hochgefährdete Schweisspartie 15 im zulässigen Materialfestigkeitsbereich zu halten, ist der Druckkopf 23 mit dem Ø D1 grösser als der Druckhals 24 mit Ø D2. Damit wird erreicht, dass für
    • das optimale Messsignal Ø D1 wirkt
    • die minimale Materialspannung Ø D2 wirkt
    und zwar beide im Quadrat der Differenz Ø D1- Ø D2.
    Von grosser Bedeutung sind auch minimale Durchmesser d der Zuleitung 19 und der Dichtpartie 20, um minimale Materialspannungen zu erreichen.
    Von Bedeutung ist auch die Herstellungsmöglichkeit eines ballonartigen Druckraumes, bestehend aus dem Druckkopfteil 23 und dem Druckhalsteil 24. Die Durchmesser derselben, deren Tiefe T und der Öffnungswinkel α sind wiederum so aufeinander abgestimmt, dass sie mit modernen Bearbeitungsmethoden wirtschaftlich herstellbar sind. Dazu kommen Zerspanungs- oder Elektroerosionsmethoden oder beide kombiniert in Frage.
    Der weitere Teil der Erfindung richtet sich auf die Gestaltung der Schweisspartie 15, deren Ausführung massgebend ist für sicheren Dauerbetrieb des Drucksensors. Lange Versuchsreihen haben gezeigt, dass Schweissspalte von innen, also von der Druckseite her, unter allen Umständen verhindert werden müssen..
    Fig. 5 zeigt den Aufschweissvorgang mittels Innenschweissung im Moment des Schweissbeginns. Dazu ist der Gewindekörper 16 mit einem Schweisskonus 30 versehen, auf dem der Messkopf 14 mit der Halskante 31 aufsitzt. Die Dimensionen sind nach bekannten Vorschriften der elektrischen Stumpfschweisstechnik ausgebildet, wobei der Messkopf 14 von der Elektrode 32 gehaltert und elektrisch verbunden ist.
    Während des Schweissvorgangs beginnt die Verschmelzung entlang der Schweisskonusfläche 30, wobei Druckhalsteil 24 und Schweisskonus 30 ineinanderfliessen, wobei der Schweissweg S verbraucht wird.
    Fig. 6 zeigt den Zustand nach der Innenschweissung, wobei der Schweissweg S durch die Pressschweissung zum Aussen-Schweissspalt 36 reduziert wurde. Die Schweisszone 34 weist einen Übergangsradius 35 auf, der frei von Innenspalten ist. Damit finden die Druckimpulse von Innen keine Angriffsflächen, die infolge Kerbwirkung zu Wanderrissen führen können.
    Der verbliebene Aussen-Schweissspalt 36 wird in einer weiteren Operation mit einer Laser-, Gas- oder Elektronen-Strahlschweissung geschlossen.
    Dieser Endzustand ist in Fig. 7 dargestellt, nach Durchführung der Aussenschweissung, welche die Aussen-Schweisszone 37 ausbildet, die auf die Innen-Schweisszone 34 übergreifen kann.
    Mit der erfindungsgemässen Innen- und Aussenschweissung wird von innen die Wanderrissgefahr und von aussen die mechanische Festigkeit der hochbelasteten Verbindung des Messkopfes 14 mit dem Gewindekörper 16 erreicht.
    Die erfindungsgemässe Gestaltung des ballonartigen Druckmessraumes mit Druckkopfteil 23 und Druckhalsteil 24, mit der kombinierten Innenschweissung zur Verhinderung von Wanderrissen von innen, und der Aussen-Schweissung, zur Gewährleistung der mechanischen Festigkeit der Verbindung Messkopf 14 mit dem Gewindekörper 16 sowie dem kleinstmöglichen Durchmesser d der Zuleitung 19, ist die Grundlage für einen Hochdruck-Sensor für Dauerbetrieb mit Spitzendrücken bis 2500 bar geschaffen. Die Gestaltung der auf der Membranpartie 21 aufgebrachten Messbrücke 22 kann auf der Basis verschiedener bekannter Technologien ausgeführt werden.
    Referenzen
    Fig.
    1
    Gewindekörper
    2
    Messkopf
    3
    Membranteil
    4
    Messbrücke
    Fig. 2
    5
    Gewindekörper
    6
    Dichtpartie
    7
    Membranteil
    8
    Messteil
    Fig. 3
    9
    Gewindekörper
    10
    Dichtpartie
    11
    Membranteil
    12
    Messbrücke
    Fig. 4
    14
    Messkopf
    15
    Schweisspartie
    16
    Gewindekörper
    17
    Schlüsselfläche
    18
    Gewinde
    19
    Zuleitung
    20
    Dichtpartie
    21
    Membranpartie
    22
    Messbrücke
    23
    Druckkopfteil
    Ø D1, Ø D3, t
    Membranparameter
    24
    Druckhalsteil
    Ød
    Zuleitungs-Durchmesser
    α
    Öffnungswinkel des Ballons
    Fig. 5
    30
    Schweisskonus
    31
    Halskante
    32
    Elektrode
    S
    Schweissweg
    Fig. 6
    34
    Innen-Schweisszone
    35
    Übergangsradius
    36
    Aussen-Schweissspalt
    Fig. 7
    37
    Aussen-Schweisszone

    Claims (9)

    1. Hochdruck-Sensor, insbesondere zur Messung von pulsierenden Drücken hydraulischer Systeme, vorzugsweise im Bereich von über 2000 bar Spitzenwerten, mit einem Messkopf (14), der eine Membranpartie (21) aufweist und einem Messdruckraum umschliesst, und mittels Schweissung (15) mit einem Gewindekörper (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messdruckraum ballonartig gestaltet ist und in einen Druckkopfteil (23) mit grösserem Durchmesser (Ø D1) und einem Druckhalsteil (24) mit kleinerem Durchmesser (⊘ D2) aufgeteilt ist.
    2. Hochdruck-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung des Messkopfes (14) mit dem Gewindekörper (16) derart gestaltet ist, dass sie von der Druckseite her frei von Schweissspalten ist, welche infolge Kerbwirkung zu Wanderrissen führen.
    3. Hochdruck-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Strukturverbindung des Messkopfes (14) mit dem Gewindekörper (16) mit einer Aussenschweissung (37) durchgeführt ist, die eine Elektronenstrahl-, Schutzgas- oder Laserschweissung sein kann.
    4. Hochdruck-Sensor nach einem der Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen Messkopf (14) und Gewindekörper (16) mittels Doppelschweissung in zwei Stufen sichergestellt ist, wobei zuerst mittels Elektrostauchschweissung eine Innenschweissung (34), mittels Elektronenstrahl-, Schutzgas- oder Laserschweissung anschliessend eine Aussenschweissung (37) erstellt wird.
    5. Hochdruck-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschweissung (34) über einen Schweisskonus (30) erfolgt, der am Gewindekörper (16) angedreht ist, und über eine Halskante (31) so durchgeführt wird, dass durch Schweissstrom und Presskraft (P) auf die Elektrode (32) ein Schweissweg (S) zurückgelegt wird, der Flüssigmaterial so verdrängt, dass ein spaltfreier Übergangsradius (35) entsteht.
    6. Hochdruck-Sensor nach Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschweisszone (37) und die Innenschweisszone (34) teilweise überlappen, sodass im ganzen Verbindungsteil zwischen Messkopf (14) und Gewindekörper (16) eine verbindende Zone aus Schweissmaterial besteht.
    7. Hochdruck-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Messkopf (14) und Gewindekörper (16) mit nur einer Schweissung verbunden sind.
    8. Hochdruck-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindekörper (16) mit einer kleinstmöglichen Durchgangsbohrung (19) ausgeführt ist.
    9. Hochdruck-Sensor nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtpartie (20) einstückig mit dem Gewindekörper (16) ausgeführt ist.
    EP99810565A 1998-07-14 1999-07-01 Hochdruck-Sensor Expired - Lifetime EP0994250B1 (de)

    Applications Claiming Priority (2)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    CH01500/98A CH693490A5 (de) 1998-07-14 1998-07-14 Hochdruck-Sensor.
    CH150098 1998-07-14

    Publications (3)

    Publication Number Publication Date
    EP0994250A2 EP0994250A2 (de) 2000-04-19
    EP0994250A3 EP0994250A3 (de) 2000-08-09
    EP0994250B1 true EP0994250B1 (de) 2003-04-23

    Family

    ID=4211909

    Family Applications (1)

    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP99810565A Expired - Lifetime EP0994250B1 (de) 1998-07-14 1999-07-01 Hochdruck-Sensor

    Country Status (5)

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    US (1) US6092426A (de)
    EP (1) EP0994250B1 (de)
    AT (1) ATE238536T1 (de)
    CH (1) CH693490A5 (de)
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    Also Published As

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    EP0994250A2 (de) 2000-04-19
    EP0994250A3 (de) 2000-08-09
    DE59905161D1 (de) 2003-05-28
    US6092426A (en) 2000-07-25
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