WO1994029687A1 - Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen - Google Patents

Druckgeber zur druckerfassung im brennraum von brennkraftmaschinen Download PDF

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Werner Herden
Matthias Kuesell
Andreas Philippi
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Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/14—Housings

Definitions

  • the invention is based on a pressure sensor according to the type of claim 1.
  • a bore is formed in the housing, in which a stamp is arranged.
  • the hole is closed on one side by a membrane, on which one end of the plunger rests.
  • the other end of the stamp is operatively connected to a measuring element.
  • these pressure transmitters are arranged in the cylinder head of the internal combustion engine.
  • the pressure transmitter is exposed to high and strongly changing temperatures.
  • the membrane protrudes directly into the combustion chamber it can be exposed to temperatures up to around 600 ° C. In contrast, this is at the other end of the stamp on which the measuring element is arranged, at temperatures of approx. Max. 150 ° C.
  • the temperature gradient is necessary in order not to expose the measuring element to the temperatures in the combustion chamber. On the other hand, if the engine is switched off, temperatures of up to approximately -40 ° can also be reached if the ambient temperature is appropriate.
  • different materials are used for the housing and for the stamp in order to ensure the temperature gradient mentioned above and thus a temperature-related separation of the measuring element from the temperature prevailing in the combustion chamber.
  • the housing and the stamp deform to different extents due to the different thermal loads. Due to the rigidity of the mem- bran is an interference signal which is noticeable in the generated measurement signal as a zero point error and thus falsifies the measurement signal.
  • US Pat. No. 5,068,635 proposes arranging a shim between the membrane and the stamp.
  • the thermal expansion coefficient of this shim is matched to the different thermal expansion of the housing and stamp.
  • EP-A-0 145 146 power transmission means, i.e. a good heat-conducting, incompressible liquid is used as a replacement for the stamp.
  • a copper conductive adhesive is used to lower the temperature of the stamp between the piezoceramic stamp and the metallic housing. This is intended to reduce the high temperature of the stamp so that the Curie temperature of the piezoceramic is not exceeded.
  • all of these proposals are relatively complex and complex and still do not guarantee a sufficient zero point correction.
  • the pressure transmitter according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage over the prior art that thermal zero point drift can no longer occur.
  • the pressure transmitter is relatively simple and inexpensive to build. No additional water cooling is necessary. This means that the pressure transmitter can be used regardless of the place of use and the type of thermal load. If the gap between the housing and the stamp is additionally filled with a medium which is a good conductor of heat, radial temperature compensation is possible and the micro-friction between the stamp and the housing is reduced, which in addition also Sensor hysteresis improved.
  • the stamp guide can also be designed very inexpensively. For the fact that metallic materials can be used for the housing and stamp, the production and processing is very simple compared to, for example, ceramics.
  • the pressure transmitter also enables a static pressure measurement, whereby further control functions for the internal combustion engine can be achieved.
  • 10 denotes the housing of a pressure transmitter 11 for determining the pressure in the combustion chamber of an internal combustion engine. It has a central, continuous, stepped bore 12. The opening 13 of the housing 10 facing the combustion chamber is closed by a membrane 14. The membrane 14 is welded to the end face 15 of the housing 10 in the region of the edge. At the central area of the membrane 14, ie in the bending area of the membrane, there is a stamp 18 with one end, which acts on a measuring element 19 with its other end. Piezoresistive elements or else piezoelectric elements can be used as the measuring element. Piezoresistive elements are understood to mean elements that change their resistance value under the action of pressure. Thick film resistors can be used for this purpose, for example.
  • 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. Electrical components of an evaluation device can be applied to the measuring element 19, or on its carrier, not shown in the figure.
  • the drain lines of the evaluation circuit or of the measuring element 19 can be led out of the housing 10 of the pressure sensor 11 through bores in the counter bearing 20, which are not shown, and can be fed to an evaluation circuit and control device of the internal combustion engine, not shown.
  • a recess 21 is formed in the region of the opening 13, so that the opening 13 has a stepped shape.
  • the gap 23 there is a narrow gap 23 between the wall of the bore 12 and the stamp 18.
  • This gap 23 should be kept as small as possible in order to enable good heat transfer between the housing 10 and the stamp 18.
  • the gap 23 can also be filled with a highly heat-conducting medium. This medium should also be resistant to high temperatures and long-term.
  • the annular recess 21 located in the area of the opening 13 between the housing 10 and the membrane 14 can likewise be filled with a medium which is a good conductor of heat.
  • the quotient of is an essential component of the thermal time constant
  • the pressure transmitter 11 can be screwed into the combustion chamber wall 29.
  • the heat flowing from the combustion chamber into the housing 10 of the pressure sensor 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, i.e. a heat dissipation.
  • a smaller part of the heat flow flows via the membrane 14, the plunger 18, the counter bearing 20, the housing 10 and in the region of the thread 28 also into the wall 29 and thus also to the heat sink mentioned above.
  • the materials should each be from a family of materials.
  • the expansion coefficients of the respective material for the housing and for the plunger 18 can differ slightly from one another, for example in order to be able to compensate for different expansion coefficients for the measuring element 10 and for the counter bearing 20.
  • the measurement effect can also be improved in that the membrane 14 is made relatively thin and has good mobility due to the recess 21.
  • the membrane 14 should therefore be thin so that it can have a low axial rigidity.
  • the membrane 14 also has the function of a prestressing spring, on the basis of which the transmission force connection between the membrane, the plunger and the measuring element is prestressed.

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Abstract

Bei einem Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen ist in einer Bohrung (12) des Gehäuses (10) ein Stempel (18) angeordnet, der mit seinem einen Ende an einer die Öffnung (13) der Bohrung (12) abschließenden Membran (14) anliegt. Mit dem anderen Ende wirkt der Stempel (18) auf das Meßelement (19) ein, so daß ein dem Druck im Brennraum proportionales Meßsignal erzeugt wird. Das Gehäuse (10) und der Stempel (18) bestehen jeweils aus einem Werkstoff, der die gleiche thermische Zeitkonstante hat. Dadurch wird eine gleichsinnige Temperaturausbreitung im Stempel (18) und im Gehäuse (10) erreicht. Auftretende thermische Verspannungen, die das Meßsignal verfälschen würden, werden dadurch verhindert.

Description

Druckσeber zur Druckerfassunα im Brennraum von Brennkraftmaschinen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des An¬ spruchs 1. Bei derartigen bekannten Druckgebern ist im Gehäuse eine Bohrung ausgebildet, in der ein Stempel angeordnet ist. Die Bohrung wird auf der einen Seite von einer Membran abgeschlossen, an der auch das eine Ende des Stempels anliegt. Das andere Ende des Stem¬ pels steht mit einem Meßelement in Wirkverbindung. Zur Drucker¬ fassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen werden diese Druckgeber im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet. Hierbei ist der Druckgeber hohen und stark wechselnden Temperaturen ausgesetzt. Die Membran kann hierbei, da sie direkt in den Brennraum hineinragt, Temperaturen bis etwa 600°C ausgesetzt sein. Im Unterschied dazu be¬ findet sich das am anderen Ende des Stempels, an dem das Meßelement angeordnet ist, bei Temperaturen von ca. max. 150°C. Das Temperatur¬ gefälle ist notwendig, um das Meßelement nicht den Temperaturen im Brennraum auzusetzen. Andererseits können bei entsprechender Um¬ gebungstemperatur bei abgestelltem Motor auch Temperaturen bis ca. -40° erreicht werden. Im allgemeinen werden für das Gehäuse und für den Stempel unterschiedliche Werkstoffe verwendet, um das oben er¬ wähnte Temperaturgefälle und somit eine temperaturbedingte Trennung des Meßelements von der im Brennraum herrschenden Temperatur zu ge¬ währleisten. Andererseits verformen sich aber aufgrund der unter¬ schiedlichen thermischen Belastungen das Gehäuse und der Stempel un¬ terschiedlich stark. Dies bewirkt aufgrund der Steifigkeit der Mem- bran ein Störsignal, das sich im erzeugten Meßsignal als Nullpunkts¬ fehler bemerkbar macht und somit das Meßsignal verfälscht.
Zur Kompensation dieser unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Gehäuse und Stempel wird in der US-PS 5 068 635 vorgeschlagen, zwischen der Membran und dem Stempel eine Ausgleichsscheibe anzu¬ ordnen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient dieser Ausgleichs- scheibe ist hierbei auf die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Gehäuse und Stempel abgestimmt.
Ferner wird in der EP-A-0 145 146 als Kraftübertragungsmittel, d.h. als Ersatz für den Stempel eine gut wärmeleitende, inkompressible Flüssigkeit verwendet. In der DE-OS 37 272 21 wird zur Absenkung der Temperatur des Stempels zwischen dem piezokeramischen Stempel und dem metallischen Gehäuse ein Kupferleitkleber verwendet. Dieser soll die hohe Temperatur des Stempels reduzieren, damit die Curie-Temperatur der Piezokeramik nicht überschritten wird. Alle diese Vorschläge bauen aber relativ aufwendig und kompliziert und gewährleisten trotzdem keine ausreichende Nullpunktskorrektur.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Druckgeber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß keine thermische Null- punktsdrift mehr auftreten kann. Gleichzeitig baut der Druckgeber aber relativ einfach und preisgünstig. Es ist keine zusätzliche Wasserkühlung notwendig. Dadurch ist der Druckgeber unabhängig vom Einsatzort und der Art der thermischen Belastung verwendbar. Ist der Spalt zwischen dem Gehäuse und dem Stempel zusätzlich noch mit einem gut wärmeleitenden Medium ausgefüllt, so ist ein radialer Temperaturausgleich möglich, und die Mikroreibung zwischen dem Stempel und dem Gehäuse wird verringert, was zusätzlich auch die Hysterese des Sensors verbessert. Die Stempelführung kann dadurch auch sehr preisgünstig gestaltet werden. Dafür, daß für Gehäuse und Stempel metallische Werkstoffe verwendet werden können, ist die Herstellung und die Bearbeitung gegenüber zum Beispiel Keramik sehr einfach. Der Druckgeber ermöglicht auch eine statische Druckmessung, wodurch weitere Steuerungs- und Regelungsfunktionen für die Brennkraftmaschine erreicht werden können.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Druckgebers 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 schematisch darge¬ stellten Druckgeber.
Beschreibung des Ausführungεbeispiels
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. Die Membran 14 ist im Bereich des Randes an der Stirnseite 15 des Gehäuses 10 angeschweißt. Am mittleren Bereich der Membran 14, d.h. im Biegebereich der Membran liegt ein Stempel 18 mit seinem einen Ende an, der mit seinem anderen Ende auf ein Meßelement 19 einwirkt. Als Meßelement können z.B. piezoresistive Elemente oder auch piezoelektrische Elemente verwendet werden. Unter piezoresistiven Elementen sind Elemente zu verstehen, 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 wiederum liegt an einem Gegenlager 20 an, das in die Bohrung 12 eingesetzt und mit dem Gehäuse fest verbunden ist. Auf dem Meßelement 19, oder auf dessen Träger können, in der Figur nicht dargestellt, elektrische Bauteile einer Auswerteeinrichtung aufgebracht sein. Durch nicht dargestellte Bohrungen im Gegenlager 20 können die Ableitleitungen der Auswerte¬ schaltung oder des Meßelements 19 aus dem Gehäuse 10 des Druckgebers 11 herausgeführt und einer nicht dargestellten Auswerteschaltung und Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Im Be¬ reich der Öffnung 13 ist eine Ausnehmung 21 ausgebildet, so daß die Öffnung 13 stufenförmige Gestalt hat.
Zwischen der Wand der Bohrung 12 und dem Stempel 18 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 18 zu ermöglichen. Um diese Wärmeübertragung ferner noch zu verbessern, kann der Spalt 23 auch mit einem gut wärmeleitenden Me¬ dium ausgefüllt sein. Dieses Medium sollte ferner auch hochtempera¬ turbeständig und langzeitstabil sein. Um eine weitere Verbesserung der Wärmeleitf higkeit zu erreichen, kann die sich im Bereich der Öffnung 13 befindliche ringförmige Ausnehmung 21 zwischen dem Ge¬ häuse 10 und der Membran 14 ebenfalls mit einem gut wärmeleitenden Medium ausgefüllt sein.
Erfindungsgemäß besteht das Gehäuse 10 und der Stempel 18, d.h. die Kraftübertragungselemente aus Werkstoffen mit gleicher thermischer Zeitkonstante. Ein wesentlicher Bestandteil der thermischen Zeit¬ konstante ist der Quotient aus
Dichte x spezifische Wärmekapazität Wärmeleitf higkeit Der Quotient aus diesen drei Werkstoffkennwerten für den Werkstoff des Gehäuses 10 und für den Werkstoff des Stempels 18 soll gleich sein.
Mit Hilfe des an der Gehäuseaußenwand ausgebildeten Gewindes 28 ist der Druckgeber 11 in die Brennraumwand 29 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 Wärmeab¬ leitung. Ein kleinerer Teil des Wärmestroms fließt über die Membran 14, den Stempel 18, das Gegenlager 20, das Gehäuse 10 und im Bereich des Gewindes 28 ebenfalls in die Wand 29 und somit ebenfalls zu der oben erwähnten Wärmesenke. Um in einfacher Weise die geforderte gleiche thermische Zeitkonstante des Werkstoffs für das Gehäuse 10 und für den Stempel 18 zu erreichen, sollten die Werkstoffe jeweils aus einer Werkstoffamilie sein. Ergänzend können die Ausdehnungsko¬ effizienten des jeweiligen Werkstoffs für das Gehäuse und für den Stempel 18 leicht voneinander abweichen, um zum Beispiel abweichende Ausdehnungskoeffizienten für das Meßelement 10 und für das Gegen¬ lager 20 kompensieren zu können.
Weiterhin kann der Meßeffekt auch dadurch verbessert werden, daß die Membran 14 relativ dünn ausgebildet ist und aufgrund der Ausnehmung 21 eine gute Beweglichkeit aufweist. Die Membran 14 sollte deswegen dünn ausgebildet sein, um eine geringe axiale Steifigkeit aufweisen zu können. In bekannter Weise hat ferner die Membran 14 gleichzeitig die Aufgabe einer Vorspannfeder, aufgrund der der Ubertragungskraft- schluß zwischen der Membran, dem Stempel und dem Meßelement vorge¬ spannt wird.

Claims

Ansprüche
1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftma¬ schinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) eine Bohrung (12) ausgebildet ist, wobei in der Bohrung (12) ein Stempel (18) angeordnet ist, der mit seinem einen Ende an einer die Bohrung (12) abschließenden Membran (14) anliegt und mit seinem an¬ deren Ende auf ein Meßelement (19) einwirkt, so daß ein dem zu be¬ stimmenden Druck proportionales Meßsignal erzeugt wird, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Gehäuse (10) und der Stempel (18) aus Werk¬ stoffen mit der gleichen thermischen Zeitkonstante bestehen und daß zwischen dem Stempel (18) und dem Gehäuse (10) ein Spalt (23) vor¬ handen ist.
2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Quo¬ tient aus
Dichte x spezifische Wärmekapazität Wärmeleitfähigkeit
für das Material des Gehäuses (10) dem des Materials für den Stempel (18) entspricht.
3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten für das Material des Gehäuses (10) und für das Material des Stempels (18) gleich sind.
4. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermischen Ausdehnungskoeffizienten für das Material des Gehäuses (10) und für das Material des Stempels (18) unterschiedlich sind.
5. Druckgeber nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (23) mit einem gut wärmeleitenden Medium ausgefüllt ist.
6. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß in der Öffnung (13) der Bohrung (12) eine Ausnehmung (21) ausgebildet ist und daß die Ausnehmung (21) mit einem gut wärmeleitenden Medium ausgefüllt ist.
7. Druckgeber nach Anspruch 5 und/oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium hochtemperaturbeständig und langzeitstabil ist.
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