JPH08511099A - 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサ（１１）においてダイヤフラム（１４）がそのほぼ中央に圧刻部（３５）を有している。前記圧刻部（３５）の領域で圧力センサ（１１）のプランジャ（１８）がダイヤフラム（１４）に接している。更にまた、該ダイヤフラム（１４）によって被覆された開口（１３）の領域ではケーシングウェブが、その他の領域よりも小さな壁厚を有している。ケーシングウェブ区分（３８）の形状とダイヤフラム（１４）の圧刻部（３５）の圧刻深さとを設計的に調和させることによって、所謂「熱ショック誤差」を補償することが可能である。圧力センサ（１１）の構造が単純になるので、圧力センサの製作費も低廉になる。ダイヤフラム（１４）の領域とケーシング前域とにおける温度勾配によって発生する測定誤差を排除することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための圧力センサ ［技術分野］ 本発明は、請求の範囲の請求項１に上位概念として記載した通り、燃焼室内の 圧力に比例した測定信号を測定値受信素子によって発生させるように該測定値受 信素子に作用する少なくとも１つのプランジャを、ケーシングに穿設された孔内 に配置し、前記ケーシングの孔を、前記プランジャに接するダイヤフラムによっ て閉塞している形式の、特に自動車の内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するため の圧力センサに関するものである。 ［背景技術］ 例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第４１０３７０５号明細書に基づいて公 知になっている前記形式の圧力センサでは、ケーシング孔内に、被測定圧力を受 信素子に伝達するプランジャが配置されている。燃焼室寄りの開口はダイヤフラ ムによって閉塞されており、しかも該ダイヤフラムはプランジャに接している。 前掲の特許出願公開明細書には種々のダイヤフラム形状が開示されてはいるが、 しかしながらこれらのダイヤフラム形状はすべて、熱ショック誤差を効果的に補 償 することができない。該熱ショック誤差は、受信素子によって発生される測定信 号の精度に決定的な影響を及ぼす。前記熱ショック誤差は、就中ダイヤフラム領 域及びケーシング前部域において発生する大きな温度勾配に基因している。圧力 センサは燃焼室内へ侵入しているので、特にダイヤフラムを有する圧力センサ端 部域は火炎と接触し、従ってそこで生じる著しく高い温度に曝される。その結果 、ダイヤフラムの張設予荷重に影響を及ぼす熱膨張が生じ、ひいては測定誤差が 生じることになる。 更にまた、内向きに、つまりプランジャの方に向って設けられた圧刻部を備え たダイヤフラムを有する圧力センサが欧州特許出願公開第０２００７０９号明細 書に基づいて公知である。前記ダイヤフラムは圧刻部中央に孔を有し、該孔を介 して短いプランジャがダイヤフラムと溶接される。この場合ダイヤフラムは、火 炎との接触時にダイヤフラムの変形と圧力測定子の変形が相互に補償し合うよう に成形されている。この構成も依然として誤差を免れないばかりか、製作費が比 較的高くつく。 ［発明の開示］ 本発明の圧力センサの構成手段は、請求の範囲の請求項１に特徴部分として記 載した通り、ダイヤフラムが、プランジャの方に向いた圧刻部を有し、かつ、前 記プランジャの端部領域では、ケーシング内壁とプラ ンジャとの間の間隔が、前記孔のその他の領域よりも大きい点にあり、かつ背景 技術に対比して、簡単な構成手段によって熱ショック誤差を排除できるという利 点を有している。また熱ショック誤差に及ぼす使用材料の影響は、設計上のパラ メータ特に圧刻深さと圧刻部半径の選択によって排除することができる。極めて 簡単かつ低廉に製作できるダイヤフラム、特に型打ち操作又は深絞り操作によっ て製作されたダイヤフラムを使用することが可能である。これによって燃焼室用 の圧力センサの構造が著しく単純になりかつ低廉になる。熱ショック誤差を微小 にする複雑な水冷装置はもはや必要とせず、従って省くことができる。ダイヤフ ラムは、センタリングリングを付設して例えばレーザー溶接法によりケーシング の端面側支承面域にダイヤフラムを溶着することによって、低廉にケーシングに 装着することができる。本発明による解決手段は、高い長期安定性を有し、従っ て著しく僅かな誤差で長期間にわたる圧力センサの使用を保証する。更に本発明 の構造は、ダイヤフラムとプランジャとによる圧力伝達の極めて良好な直線性に 対しても作用する。更にまた、従来慣用の構造に対比して著しく縮径された直径 で圧力センサを製作することが可能である。 請求の範囲の請求項２以降に記載した手段によって、請求項１に記載した圧力 センサの更なる改良が可能になる。 ［図面の簡単な説明］ 図１は本発明による圧力センサの縦断面図である。 ［発明を実施するための最良の形態］ 図１には、内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するための圧力センサ１１のケー シングが符号１０で図示されている。該ケーシングは、中央を貫通する段付き孔 １２を有している。燃焼室寄りのケーシング１０の開口１３はダイヤフラム１４ によって密閉される。該ダイヤフラムは、ケーシング１０のシャフト１５の端面 に溶接継手１７によって固着されたプレートとして構成されている。ダイヤフラ ム１４は超合金から、つまリ約５０％のニッケルと２０％のクロムと２０％の鉄 との合金から形成されているのが特に有利である。ダイヤフラム１４の中央区域 にはプランジャ１８の一方の端部が接触し、該プランジャの他方の端部は、ピエ ゾ抵抗性測定子１９に接触している。ピエゾ抵抗性測定子とは、その抵抗値が圧 力作用を受けて変化する素子のことである。このために例えば厚膜抵抗を使用す ることが可能である。このための材料としてはサーメットプラスチック、導電性 プラスチック又は金属などが使用される。前記測定子１９はハイブリッドの支持 体２２の面にプリントされている。ハイブリッドとは通常のように、例えば抵抗 と導体路などのようなプリントされた回路部分及びＩＣ（集積回路）のような半 導体を有する支持体を意味し、前記半導体は支持体上 に装着されて例えばボンディング線材によって前記回路部分と接続されている。 前記ケーシング１０とプランジャ１８は高強度の不銹鋼例えばX2CrNiMoN 22 53 から成っているのが特に有利である。ハイブリッドに対面した方のプランジャ１ ８の端部２０は、截頭円錐形に構成することができるので、該プランジャの端部 ２０はほぼ測定子１９の直径を有している。これによってプランジャ１８を段付 き孔１２の内周に沿ってガイドする一方、圧力伝達領域を測定子１９の大きさに 制限することが可能になる。またハイブリッドの支持体２２は、段付き孔１２内 にプレス嵌めされた対応受け２３に接触している。 ピエゾ抵抗性測定子１９以外に、支持体２２の同一の側には、評価回路の、例 えば抵抗、トランジスタ等のような半導体電子素子２５も位置している。半導体 電子素子２５とピエゾ抵抗性測定子１９とはボンディング線材２６及び厚膜導体 路２７によって接続されている。導電線２８を介して処理回路の出力端子は、評 価回路（図示せず）と内燃機関の制御装置に接続されている。この接続のために 前記対応受け２３は、段付き孔１２に対してほぼ軸平行に延びる貫通孔２９を有 し、該貫通孔内を前記導電線２８はガイドされている。導電線２８は、段付き孔 １２を閉塞する蓋３１のグロメット３０内に固定されている。例えば水分のよう な有害な外的影響に対して防護するために前記段付き孔 １２は、ピエゾ抵抗性測定子１９と半導体電子素子２５の領域並びに対応受け２ ３と蓋３１との間の領域では、注入コンパウンド３２によって閉塞充填されてい る。 勿論、別の測定原理に基づいて動作する測定子を使用することも可能である。 例えばこのために圧電素子を採用することも可能である。 本発明では、ダイヤフラム１４の構成並びに段付き孔１２の開口１３の領域に 設けられたケーシングウェブの構成が重要である。ダイヤフラム１４は、内向き の圧刻部３５を有し、つまり該ダイヤフラムは段付き孔１２内へ湾曲成形されて いる。前記圧刻部３５はダイヤフラムのほぼ中央部に成形されており、かつ殊に 有利にはプランジャ１８におけるダイヤフラム１４の接触域３６に位置している 。圧刻部３５の深さは圧刻深さｈ_sと呼ばれる。また開口１３の端面を起点とし て、深さＳ_Lを有する凹設部３７が形成されている。これによって、他のケーシ ング区分よりも肉薄の壁厚Ｓ_dと長さＳ_Lを有するケーシングウェブ区分３８が得 られる。ケーシングの端面の直径、ひいてはダイヤフラム１４の直径は２Ｒ_mで ある。図面では凹設部３７の直径は２Ｒ_msaで表示されており、２Ｒ_m−２Ｓ_dで ある。また截頭円錐形に延びる凹設部を形成することも可能である。 燃焼室内の圧力を監視するために圧力センサ１１は 燃焼室のケーシング壁内に嵌込まれているので、該圧力センサ１１はダイヤフラ ム１４と共に燃焼室内に侵入している。これによってダイヤフラム表面に最大温 度が生じる一方、測定子１９の方に向かって温度勾配が生じる。その結果、ダイ ヤフラム１４、プランジャ１８及びケーシング１０が、異なった帯熱温度と材料 の異なった熱膨張係数とに基づいて異なった膨張を示すので、所謂「熱ショック 誤差」が生じる。他面において該熱ショック誤差は測定信号誤差を生ぜしめるこ とになる。 前記温度勾配に基因して生じる、個々の構成部分の変形を次に説明する。ケー シングウェブに関して云えば、漏斗状の膨隆（以下これを漏斗効果と呼ぶ）が生 じる。ケーシング内の熱伝導に基づいて、指数的に経過する温度分布がケーシン グウェブの軸方向全長にわたって生じ、つまり温度は指数的に測定子の方に向か って減少する。その結果、ケーシングウェブの異なった半径方向平面内では、異 なった半径方向膨張が発生してケーシングウェブを漏斗状に変形させることにな るので、開口１３の端面域のケーシングウェブは、測定子寄りの区域よりも強く 膨張させられる。これによってケーシングウェブの端面１６も前記漏斗効果に基 づいて傾斜される。このようなケーシングウェブ上面（端面１６）の傾度変化は 、ケーシングウェブ上面に載設されているダイヤフラム１４にも当然強いられる ことになる。ダイヤフラムが扁平に形成されていて、つまり圧刻部を有していな ければ、前記の強いられた傾度変化は、ダイヤフラムばねの張設力（張設予荷重 ）を著しく低下させることになる。このことは、ダイヤフラムがプランジャ区域 に上反りを有することになることに他ならない。これに対して圧刻部を有するダ イヤフラムの場合には、変形方向が規定されている。圧刻部３５、特にその斜面 は、ダイヤフラムの半径が一定である場合には膨張時にダイヤフラムの実際の長 さを増大させる。従って圧刻部によってダイヤフラムの熱膨張は半径方向で増大 し、しかもダイヤフラムは張設力を失うことはない。ダイヤフラムの半径方向剛 さとケーシングウェブの曲げ剛さとの比は、ダイヤフラムの湾曲ひいては軸方向 の変形を生ぜしめることになるダイヤフラムの半径方向膨張分と、前記の漏斗効 果つまりケーシングウェブの上反りを生ぜしめる膨張分とを決定する。ケーシン グウェブの高い曲げ剛さの場合、ダイヤフラムの半径方向効果によって、ダイヤ フラムの中点の軸方向シフトつまり撓みが生じる。半径方向効果は、ケーシング の端面１６の傾度変化並びに半径方向膨張、つまり、前記のケーシングの漏斗効 果を補償せねばならない。凹設部３７を有していないケーシングウェブを使用す るとすれば、漏斗効果及び半径方向効果を完全に補償するためにはダイヤフラム は、約２０μｍの圧刻深さｈ_sを有していなければならな いことになる。しかしながら、このような圧刻深さは、製造技術的に見て極めて 困難であり、ほとんど実現することができない。ケーシングウェブ区分３８によ って、約５０μｍの圧刻深さｈ_sを有するダイヤフラムが可能である。その場合 ケーシングウェブ区分３８は壁厚Ｓ_d＝１ｍｍ、幅Ｓ_T＝０．７５ｍｍを有するこ とになる。内向きに圧刻されたダイヤフラムとケーシングウェブとによって、製 作技術的に簡単に製作可能な圧刻深さｈ_sが使用され、簡単に熱ショック誤差を 補償することが可能になる。設計上のパラメータが各使用材料に関連しているの は勿論である。しかし本発明によれば、圧刻深さｈ_sとケーシングウェブ区分の 壁厚Ｓ_dと相応の外側圧刻半径Ｒ_msaとは、熱ショック誤差を補償するために互い に調和すべき大きさである。該熱ショック誤差を補償し得るようにするために、 次の等式が使用される。すなわち： 外側圧刻半径Ｒ_msa＝（０．００２４×圧刻深さｈ_s ／μｍ）ｍｍ＋２．１３ｍｍ 念のために付記しておくが、漏斗効果及び半径方向効果に加えて、プランジャ 及びケーシング全体の軸方向膨張が付加的に存在している。しかし熱ショック誤 差に関与するこの膨張分は無視することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フィリッピ， アンドレアス ドイツ連邦共和国 71563 アファルター バッハ ホーホドルファー シュトラーセ 13

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃焼室内の圧力に比例した測定信号を測定値受信素子（１９）によって発生 させるように該測定値受信素子（１９）に作用する少なくとも１つのプランジャ （１８）を、ケーシング（１０）に穿設された孔（１２）内に配置し、前記ケー シング（１０）の孔（１２）を、前記プランジャ（１８）に接するダイヤフラム （１４）によって閉塞している形式の、特に自動車の内燃機関の燃焼室内の圧力 を検出するための圧力センサ（１１）において、ダイヤフラム（１４）が、プラ ンジャ（１８）の方に向いた圧刻部（３５）を有し、かつ、前記プランジャ（１ ８）の端部領域では、ケーシング内壁とプランジャ（１８）との間の間隔が、前 記孔（１２）のその他の領域よりも大きいことを特徴とする、内燃機関の燃焼室 内の圧力を検出するための圧力センサ。 ２．ケーシング（１０）が、孔（１２）の開口（１３）の領域に環状の凹設部（ ３６）を有している、請求項１記載の圧力センサ。 ３．ケーシング（１０）の開口（１３）が段状に形成されている、請求項１又は ２記載の圧力センサ。 ４．ダイヤフラム（１４）の圧刻部（３５）の外側半径が次式： 外側圧刻半径Ｒ_msa＝（０．００２４×圧刻深さｈ_s ／μｍ）ｍｍ＋２．１３ｍｍ に等しい、請求項からまでのいずれか１項記載の圧力センサ。