WO2006072514A1

WO2006072514A1 - Stahlmembran für brennraumdrucksensoren

Info

Publication number: WO2006072514A1
Application number: PCT/EP2005/056421
Authority: WO
Inventors: Thomas Ludwig; Christian DÖRING; Christoph Kern; Steffen Schott; Juergen Krueger; Pavlo Saltikov
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2006-07-13
Also published as: DE102004063749A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Messung des Drucks im Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine. Die Einrichtung umfasst einen in eine Zylinderkopfkomponente (10), wie zum Beispiel eine Glühstiftkerze integrierten Drucksensors (16, 22, 24) mit einem stabförmig ausgebildeten Heizkörper. Dieser ist im Inneren der Zylinderkopfkomponente (10) bewegbar aufgenommen. Dem stabförmigen Heizkörper ist eine radialsymmetrisch ausgeführte Stahlmembran (36) zugeordnet, die ein Kraftmesselement (22) des Brennraumdrucksensors (16, 22, 24) gegen Brenngase abschirmt und eine von der Geometrie (64, 66) abhängige Federelastizität aufweist.

Description

Stahlmcmbran für Brennraumdrucksensoren

Technisches Gebiet

Die gesetzlichen Abgasvorschriften hinsichtlich des Partikelausstoßes selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen verschärfen sich ständig. Es wird die Anfor- derung an selbstzündender Verbrennungskraftmaschinen gestellt, einen niedrigeren

Kraftstoffverbrauch sicherzustellen sowie eine höhere Lebensdauer zu erreichen. An selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen werden daher Motormanagementsysteme eingesetzt, welche die Verbrennung im Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine optimieren, was durch eine geregelte Einsprit- zung des Kraftstoffs erreicht wird. In den derzeit Motormanagementsystemen erfolgt eine brennraumdrucksignalbasierte Motorregelung, die von der Verfügbarkeit eines geeigneten Brennraumdrucksensors abhängig ist.

Stand der Technik

Aus dem kraftfahrttechnischen Taschenbuch, 23. Auflage, Braunschweig; Wiesbaden, Vieweg 1999, ISB 3-528-03876-4, Seite 111 ist ein integrierter Silizium- Brennraumdrucksensor bekannt. Der Siliziumbrennraumdrucksensor umfasst einen Übertragungsstößel, ein Silizium-Podest, welches der Krafteinleitung dient sowie einen integrierten Silizium-Drucksensor. An einer Seite einer Stahlmontageplatte befinden sich ein oder mehrere Anschlussstifte, von dem oder von denen aus eine Verbindungsleitung zum integrierten Silizium-Drucksensor verläuft. Gemäß dieser Anordnung ist der Silizium-Chip den hohen Temperaturen in einem Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine nicht unmittelbar ausgesetzt. Dies wird durch eine metallische Trennmembran sowie eine Stößel ausreichender Länge zur Kraftübertragung erreicht. Durch das mikromechanische Aufbringen eines Podestes in der Membranmitte wird der Silizium-Chip zu einem Kraftsensor. Die von der Frontmembran aufgenommen Druckkräfte werden über den Stößel mit nur geringer zu- sätzlicher Verfälschung über das Podest in den Sensor-Chip aus Silizium eingeleitet. Dieser befindet sich in einer zurückgezogenen Montageposition und ist somit nur noch Betriebstemperaturen unterhalb von 150°C ausgesetzt.

WO 97/31251 A ist ein Brennraumdrucksensor zur Ermittlung von Klopferscheinungen und Zündaussetzern zu entnehmen. In eine Zündkerze ist ein faseroptischer Brennraumdrucksensor integriert. Dieser ist derart konfiguriert, dass der Zündkerzenkörper von einem Leiter durchzogen ist. Eine tastenförmig ausgebildete Memb- ran mit einer ungleichmäßigen Dicke reduziert die auf die Membran wirkende mechanische Beanspruchung und steigert die Zuverlässigkeit des Sensors. Auftretende Überdrücke, die auf den Brennraumdrucksensor wirken, werden dadurch reduziert, dass an der Membran gewinkelte Abschnitte ausgebildet sind.

Der zur Zeit meist verbreitete Messvorrichtungstyp zur Erfassung des Brennraumdruckes ist der so genannte „Stand-Alone-Sensor", für dessen Einsatz eine separate Bohrung in der Wand des Zylinderkopfes der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen werden muss. In der Regel ist der Preis solcher Sensoren sehr hoch, was durch ihre hohe Messgenauigkeit zwar gerechtfertigt ist, jedoch einer Serienferti- gung aus weiteren Gründen entgegensteht. In Zylinderköpfen moderner Verbrennungskraftmaschinen sind insbesondere bei 4- Ventil-Motoren keine zusätzlichen Bohrungen möglich, was dem Einsatz der oben erwähnten „Stand-Alone- Sensoren" in Serienmotoren nicht förderlich ist. Wenngleich kombinierte Geräte, wie zum Beispiel Zündkerzen mit integriertem piezo-elektrischen Kraftmessele- ment an fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden, ist aufgrund des in selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen herrschenden, wesentlich höheren Druckniveaus bisher keine kostengünstige Lösung für einen Sensor zur Erfassung des im Brennraum herrschenden Drucks bekannt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde im Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine den Druck zu erfassen, ohne dass zusätzlicher Einbauraum im Zylinderkopfbereich der Verbrennungskraftmaschine erforderlich ist.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung folgend wird eine Einrichtung zur Erfassung des Brennraumdruckes im Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, wobei der Drucksensor in eine bereits vornan- dene Zylinderkopfkomponente, wie zum Beispiel eine Glühstiftkerze integriert ist. Zur Abdichtung des Drucksensors wird bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Einrichtung ein federelastisches Element in Gestalt einer Stahlmembrane eingesetzt.

Der Einsatz einer Stahlmembran zur Abdichtung der Einrichtung zur Erfassung des Brennraumdruckes, d.h. des Drucksensors, geht mit einer Vielzahl von Vorteilen einher. So können durch die Verwendung einer aus Stahl gefertigten Membran gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllt werden. Es kann eine hermetische, lange Zeit dauernde Abdichtung des Drucksensors gegen die Einflüsse der aggressiven

Brennraummedien erreicht werden. Hier sind besonders zu nennen die bei selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen prinzipbedingt auftretenden hohen und höchsten Drücke, die Versottung durch sich anlagernde Rußpartikel sowie der Ein- fluss der sich unweigerlich einstellenden Korrosion. Ferner lässt sich mit einem fe- derelastisch ausgestalteten Element, wie zum Beispiel einer Stahlmembran, eine e- lastische Rückfederung innerhalb eines Kraftpfades erreichen. Darunter wird verstanden, dass axial bewegbare, unmittelbar dem Brennraumdruck ausgesetzte Komponenten, wie zum Beispiel ein stabförmig ausgebildeter Heizkörper, nach Abfall des Druckes im Brennraum wieder zurückfedert und seine ursprüngliche A- xialposition wieder einnimmt, so dass eine definierte Ausgangsposition für eine neu vorzunehmende Brennraumdruckmessung gegeben ist. Daneben bietet ein federelastisch ausgebildetes Element in Gestalt einer Stahlmembran eine axiale Führung entlang des Kraftpfades. Eine axiale Führung des aus einem keramischen oder einem metallischen Werkstoff ausgebildeten Heizkörpers, d.h. des Glühstiftes kann durch einen an der Stahlmembran geformten Hülsenansatz erreicht werden. Damit lässt sich eine Positionierung des Heizkörpers während der Montage durch radiale Zentrierung und axiale Führung parallel zur Achse einer Glühstiftkerze erreichen.

Durch ein federelastisches Element in Gestalt einer Stahlmembran lassen sich in ausgezeichneter Weise Eigenschwingungen der Komponente, in die der Drucksensor eingebaut ist, dämpfen, so zum Beispiel die Eigenschwingungen eines den Drucksensor aufnehmenden Glühstiftes. Die als federelastisches Bauteil ausgelegte Stahlmembran erlaubt ferner die Integration eines stabförmig ausgebildeten, aus keramischem oder metallischem Material gefertigten Heizkörpers im Gehäuse zum Beispiel eines Glühstiftes.

Im Vergleich zu Dichtungselementen, die auf Elastomeren basieren, ist eine aus Stahl gefertigte Membran zur Abdichtung des Drucksensors wesentlich hochtem- -A- peraturbeständiger, da die Formstabilität dieses Materials bei hohen Temperaturen höher ist, verglichen mit Dichtungselementen, die auf Elastomerbasis gefertigt sind. Eine aus Stahl gefertigte Membran zum Einsatz zum Beispiel in einer Glühstiftkerze weist eine hohe Dauerfestigkeit auf, wodurch eine lange Standzeit dieser Bau- komponente erzielt wird. Daneben ist Stahl ein ausgezeichnetes Material hinsichtlich seiner Alterungsbeständigkeit, verglichen mit Dichtungselementen, die auf E- lastomerbasis beruhen, da diese bei den im Zylinderkopfbereich einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine herrschenden hohen Temperaturen zur Auflösungserscheinungen neigen.

Aufgrund der hohen Materialdichte benötigt ein federelastisch ausgebildetes Element in Gestalt einer Stahlmembran einen sehr geringen Bauraum. Kann die Stahlmembran zur Abdichtung des Drucksensors gegen die aggressiven Medien im Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine sehr dünn ausge- führt werden, so stellt sich ein geringer Kraftnebenschluss ein. Die Stahlmembran

36 stellt einen Kraftteiler dar. Dies bedeutet, dass ein Teil der eingeleiteten Kraft zum Kraftmesselement übertragen und der verbleibende Anteil der Kraft über einen an der Stahlmembran ausgebildeten Kragen in das Gehäuse abgeleitet werden kann. Dies stellt den Kraftnebenschluss dar. Je dickwandiger die Membran ausge- führt wird, desto niedriger liegt ihre Federelastizität. Dies bedeutet jedoch, dass der

Kraftanteil, der auf das Kraftmesselement wirkt, geringer wird, so dass sich eine geringere Empfindlichkeit des Kraftmesselementes einstellt und ein größerer Kraftanteil ins Gehäuse der Glühstiftkerze abgeleitet wird. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, wird eine möglichst dünnwandige Ausführung der Stahlmembran angestrebt.

Der Werkstoff Stahl bietet zudem in fertigungstechnischer Hinsicht den Vorteil, dass dieser mittels gängigen Fügeverfahren, wie zum Beispiel Schweißen, Laserschweißen, Reibschweißen, Löten, Hartlöten oder drgl. im Rahmen der Montage sehr einfach und mit ausgereiften Fertigungsverfahren verarbeitet werden kann.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt: Figur 1 eine Schnittdarstellung durch einen Glühstift zum Einbau im Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine,

Figur 2 eine in den Glühstift eingesetzte Stahlmembran zur Abdichtung eines in die Glühstiftkerze integrierten Drucksensors in vergrößertem Maßstab,

Figur 3 eine S-förmig ausgestaltete Ausführungsvariante der Stahlmembran und

Figur 4 eine in U-Form ausgestaltete Ausführungsvariante der Stahlmembran.

Ausführungsvarianten

Der Darstellung gemäß Figur 1 ist eine Glühstiftkerze in Schnittdarstellung zu ent- nehmen, in die ein Drucksensor integriert ist.

Eine Glühstiftkerze 10 umfasst einen Kerzenkörper 12, in den ein metallisch oder keramisch ausbildbarer stabförmig konfigurierter Heizkörper 16 aufgenommen ist. Dieser ist im vorderen Bereich des Kerzenkörpers 12 befestigt und von einem Dichtkonus 18 umgeben. Der stabförmig ausgebildete aus metallischem oder keramischem Material herstellbare Heizkörper 16 ragt über den Dichtkonus 18 hinaus und in einen in der Darstellung gemäß Figur nicht dargestellten Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine hinein. Zwischen dem Dichtkonus 18 und dem Heizkörper 16 verläuft ein minimaler Ringspalt. Die in den Brennraum hineinragende Stirnseite des aus keramischem oder metallischem Material herstellbaren stabförmigen Heizkörpers 16 ist den entsprechend den Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschinen herrschenden Drücken im Brennraum ausgesetzt.

Die auf die Stirnseite des Heizkörpers 16 einwirkende Druckkraft - in der Darstel- lung gemäß Figur 1 angedeutet durch F - wird über den Heizkörper 16 entlang eines Kraftpfades 20 an ein Kraftmesselement 22 übertragen. In der Darstellung gemäß Figur 1 befinden sich zwischen der dem Brennraum abgewandten Stirnseite des Heizkörpers 16 und dem Kraftmesselement 22, d.h. dem Drucksensor stabförmig oder hülsenförmig ausgebildete Übertragungselemente 24. Diese sind jedoch nicht notwendigerweise erforderlich, können jedoch von Fall zu Fall erforderlich sein, wenn aus Gründen der thermischen Beanspruchung das Kraftmesselement 22 weiter entfernt vom Heizkörper 16 untergebracht werden muss und die Wärmeleitung eine bedeutende Rolle spielt. Der Brennraumdruck wird an der Stirnseite des Heizköφers 16 an diesen übertragen und entweder unmittelbar durch den stabför- mig ausgebildeten Heizkörper 16 an das Kraftmesselement 22 oder mittelbar durch Zwischenschaltung der erwähnten Kraftübertragungselemente 24 dem Kraftmesselement 22 aufgegeben. Eine Druckeinwirkung auf die brennraumseitige Stirnseite des Heizkörpers 16 verursacht eine linear-elastische Einfederung der im Kraftpfad

20 befindlichen Bauteile, die im Mikrometerbereich liegt. Dadurch lässt sich ein Kraftimpuls übertragen, der direkt mit dem im Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine jeweils herrschenden Druck korreliert.

Beidseits des Kraftmesselementes 22, welches den Drucksensor darstellt, sind eine erste Kontaktierung 28.1 sowie eine zweite Kontaktierung 28.2 aufgebracht. Die Kontaktierungen 28.1 bzw. 28.2 können durch Metallisierungen gebildet werden und dienen der Signalerfassung bei Druckbeaufschlagung des Kraftmesselementes 22. Das Kraftmesselement 22 kann sowohl als Druckdose als auch als piezo- elektrisches Sensorelement ausgebildet sein und ist in der Lage bei Beaufschlagung durch eine mechanische Beanspruchung ein elektrisches Signal zu generieren. Eine Eriassungsmöglichkeit des zum Brennraumdruck korrelierenden Signales ist dadurch gegeben, dass das im Kraftpfad 20 angeordnete Kraftmesselement 22 vorgespannt ist und derart im Kerzenkörper 12 fixiert ist, dass es die Kraftimpulse von stabförmig oder hülsenförmig ausgebildeten Heizkörper 16 an seiner in Richtung des Heizkörpers 16 gerichtete Stirnfläche aufnimmt, wozu zum Beispiel die optional vorsehbaren zusätzlichen Kraftübertragungselemente 24 dienen können, die in der Darstellung gemäß Figur 1 stabförmig ausgebildet sind.

Für den Fall, dass das Kraftmesselement 22 als piezo-elektrisches Sensorelement ausgebildet ist, wird bei einer mechanischen Beanspruchung desselben eine Ladung und somit eine Spannung erzeugt, die wiederum von den Oberflächen des Sensorelementes mittels der erwähnten ersten Kontaktierung 28.1 bzw. mittels der zweiten Kontaktierung 28.2 abgegriffen werden kann. Das derart abgegriffene elektri- sehe Signal wird über Signalleitungen an einer Steckverbindung 34 übertragen, von der es über Zuleitungen zu einem nicht dargestellten Motormanagementsystem der Verbrennungskraftmaschine übertragen werden kann. Dort dient das über die Glühstiftkerze 10 mit integriertem Drucksensor erfasste Signal dazu, eine an die jeweils ablaufende Verbrennung angepasste Kraftstoffmenge zu bestimmen, die entsprechend den Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine in den

Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen ist, um einen möglichst geringen Partikelausstoß bei gleichzeitig maximierter Leistung der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine zu erzielen. Falls notwendig und um den erhöhten Bauraumanforderungen gerecht zu werden, können in der Darstellung gemäß Figur 1 die üblicherweise für die dem Heizkörper 16 den Glühstrom zuleitenden Anschlussbahnen 30 auch durch dünnwandige bzw. nachgiebig ausgebildete Drahtglühstromleitungen ersetzt werden.

Der Abdichtung des Kraftmesselementes 22 dient eine Stahlmembran 36, die in der Ausführungsvariante gemäß Figur 1 zwischen dem Dichtkonus 18 und einer Stirnseite 46 des Kerzenkörpers 12 an einer Einspannstelle 54 angeordnet ist. Das Stützrohr 38 hat die Aufgabe der Befestigung des keramisch oder metallisch ausgebildeten Heizkörpers 16, d.h. der des Glühstiftes. Das dem Brennraum abgewandte Ende des Heizkörpers 16 ragt nur wenig aus dem Stützrohr 38 heraus. Der keramisch oder metallisch ausbildbare Heizkörper 16 wird in das Stützrohr 38 eingelötet. In der Darstellung gemäß Figur 1 liegt das Stützrohr 38 unmittelbar Kraft- Übertragungselementen 24 gegenüber, die als Hülsen ausgebildet sind. Ein am

Stützrohr 38 ausgebildeter Kragen 38.1 dient zur Kraftübertragung auf das Kraftmesselement 22 (vgl. auch Darstellung gemäß Figur 2). Die Mantelfläche des Stützrohrs 38 ist mit Bezugszeichen 38.2 bezeichnet.

Die symmetrisch zur Symmetrieachse 42 ausgebildete Stahlmembran 36 ist in der

Darstellung gemäß Figur 1 an einer ersten Anlagefläche 48 mit einer Mantelfläche 56 des stabförmig ausgebildeten Heizkörpers 16 verbunden. Mit einer zweiten Anlagefläche 50 liegt der Außenrand der Stahlmembran 36 an der Stirnseite 46 des Kerzenkörpers 12 der Glühstiftkerze 10 an.

Die Stahlmembran 36 befindet sich innerhalb des Kerzenkörpers 12 der Glühstiftkerze 10 hinter dem durch Druckeinwirkung axial bewegbaren Heizkörper 16, der in der Ausführungsvariante gemäß Figur 1 stabförmig ausgebildet ist. Die Stahlmembran 36 dichtet das Kraftmesselement 22, welches hinter dem in axiale Rich- tung bei Druckeinwirkung bewegbaren Heizkörper 16 angeordnet ist, gegen die

Brennraumgase ab. Dazu ist die Stahlmembran 36 vorzugsweise radialsymmetrisch und als federelastisches Element ausgebildet. Die Stahlmembran 36 kann mittels moderner Herstellungsverfahren in unterschiedlichen Geometrieabmessungen gefertigt werden. Die Vorteile der Stahlmembran 36, die bevorzugt aus einem nicht- rostenden Stahl gefertigt wird, im Vergleich zu anderen bekannten Dichtungen auf

Elastomerbasis, liegen zum Beispiel darin, dass die Stahlmembran 36 eine wesentlich höhere Temperaturbeständigkeit von Tiefsttemperaturen bis zu Temperaturen von 450°C aufweist, sowie ihr eine hohe chemische Beständigkeit gegen fast alle Medien, insbesondere gegen die aggressiven Medien im Brenngas sowie gute mechanische Eigenschaften über den genannten Temperaturbereich innewohnen. Daneben weist die Stahlmembran 36 eine ausgezeichnete Alterungsbeständigkeit auf, so dass auch bei vergleichsweise lang andauernden hohen Prozesstemperaturen ausreichende Standzeiten erreicht werden können.

Die Stahlmembran 36, die in der Darstellung gemäß Figur 1 beispielhaft in die Glühstiftkerze 10 integriert ist, weist einen Außendurchmesser auf, der zwischen 3 und 5 mm liegt. Dies ist insbesondere für die Integration in Glühstiftkerzen 10 zur Abdichtung des dort integrierten Brennraumdrucksensors wichtig, da der verfügbare Bauraum äußerst begrenzt ist. Eine Abdichtung des Kraftmesselementes 22 innerhalb der Glühstiftkerze 10 mittels der Stahlmembran 36 ist trotz sehr geringem Bauraum, geringer Wandstärke und engen Toleranzen fertigungstechnisch realisierbar.

Der Darstellung gemäß Figur 2 ist die Stahlmembran, die zwischen Dichtkonus und Kerzenkörper angeordnet ist, in einem vergrößerten Maßstab entnehmbar.

Die verformte Stahlmembran 36 ist zwischen der Stirnseite 46 des Kerzenkörpers 12 und der gegenüberliegenden Stirnseite des Dichtkonus 18 aufgenommen. Der

Dichtkonus 18 umschließt die Mantelfläche 56 des stabförmig ausgebildeten Heizköpers 16, der durch den Anschlussbolzen 30 bestrombar ist. Innerhalb des Dichtkonus' 18 ist ein Hohlraum 52 ausgebildet, durch den sich ein Teil der Stahlmembran 36 erstreckt. An der ersten Anlagefläche 48 ist die verformte Stahlmembran 36 mit der Mantelfläche 56 des stabförmig ausgebildeten Heizkörpers 16 verbunden.

An der zweiten Anlagefläche 50 ist der radial außenliegende Bereich der Stahlmembran 36 mit der Stirnseite 46 des Kerzenkörpers 12 verbunden. Die genannten Verbindungen können aufgrund des Werkstoffes, nämlich Stahl, aus dem die Stahlmembran 36 beschaffen ist, in fertigungstechnisch einiacher Weise durch ein stoffschlüssiges Fügeverfahren, wie zum Beispiel Schweißen, hier insbesondere Laserschweißen, durch Löten oder durch Hartlöten hergestellt werden.

Die Signalübertragungsleitungen, mit welchen das Kraftmesselement 22 kontaktiert ist, sind vom Glühstrom, d.h. dem Strom, der dem metallischen oder keramischen Heizkörper 16 zugeführt wird, zu isolieren. Daher ist ein Kontakt der Kontaktierungen 28.1, 28.2 des Kraftmesselementes 22 mit einem Anschlussbolzen 30 bzw. unmittelbar mit dem Heizkörper 16 zu unterbinden. Dazu werden die Kraftübertragungselemente 24 aus einem isolierenden Werkstoff wie zum Beispiel Isolationske- ramik hergestellt. Falls das Kraftmesselement 22 unmittelbar hinter dem keramischen oder metallischen Heizkörper 16 angeordnet werden soll, sollte anstelle keramischer Kraftübertragungselemente 24 - wie dargestellt - zumindest eine Isolationsscheibe eingesetzt werden. Position 30 in der Darstellung gemäß Figur 2 zeigt den Anschlussbolzen 30, der zur elektrischen Kontaktierung des Heizkörpers 16, sei er aus keramischem oder metallischem Material beschaffen, dient.

Gemäß des der Erfindung zugrunde liegenden Gedankens wird eine vorzugsweise ringförmig ausgebildete Stahlmembran 36 auf den Umfang ihres Innendurchmes- sers zum Beispiel mit der Mantelfläche 56 des stabförmig ausgebildeten Heizkörpers 16 verbunden. Der stabförmig ausgebildete Heizkörper 16 kann sowohl aus Metall als auch aus Keramik gefertigt werden. Der stabförmig ausgebildete Heizkörper 16 kann auch in dem Stützrohr 38, welches aus Stahl gefertigt werden kann, aufgenommen sein. Eine weitere Fixierung der vorzugsweise ringförmig aus- gebildeten Stahlmembran 36 erfolgt auf dem Umfang des Außendurchmessers mit dem Kerzenkörper 12 an einer Einspannstelle 54. Diese weitere Fixierung kann zum Beispiel als eine stoffschlüssige Verbindung auf dem Wege des Schweißens, insbesondere des Laserschweißens hergestellt werden. Der stabförmig ausgebildete Heizkörper 16 und das Stützrohr 38 befinden sich direkt innerhalb des Kraftpfades 20 und sind bei Beaufschlagung des Brennraumes der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mit einem Druck, eben diesem Druck ausgesetzt. Sowohl der stabförmig ausgebildete Heizkörper 16 als auch das Stützrohr 38 fungieren als Kraftübertragungselemente des Druckes aus dem Brennraum der selbstzündenden Kraftmaschine zum Kraftmesselement 22, welches im Inneren der Glühstiftkerze 10 angeordnet ist. Die Stahlmembran 36 wird bevorzugt mit dem Stützrohr 38 bewegungsgekoppelt, d.h. die Stahlmembran 36 folgt den Axialbewegungen des Stützrohrs 38. Durch das dimensionierungsgemäß der Stahlmembran 36 innewohnende Rückstellmoment, wird der stabförmig ausbildbare Heizkörper 16 nach jedem Druckimpuls in seine ursprüngliche Lage zurückbewegt. Die dazu erforderli- che Verbindung zwischen der Stahlmembran 36 und dem Stützrohr 38 kann insbesondere auf dem Wege des Laserschweißens hergestellt werden.

Die durch die Stahlmembran 36 erzielbare Abdichtung der Glühstiftkerze 10 mit integriertem Drucksensor gegen die Einflüsse der im Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine vorherrschenden Medien, wie zum Beispiel hohe Drücke, Partikel, Korrosionsbeanspruchung kann zum Beispiel durch die Anordnung der Stahlmembran 36 zwischen dem Dichtkonus 18 und einer Gewindehülse, die an einem zweiteilig ausbildbaren Kerzenkörper 12 ausgebildet werden kann, realisiert werden. Die geteilte Gehäuseausführung des Kerzenköφers 12 ist insbesondere für die Montage der Glühstiftkerze 10 sehr vorteilhaft. Wird eine Verbindung zwischen der Stahlmembran 36 und dem Dichtkonus 18 bzw. mit einer am Kerzenkörper 12 ausgebildeten Gewindehülse geschaffen, kann dies ebenfalls bevorzugt mit- tels des Laserschweißens erfolgen.

Die Empfindlichkeit sowie der Druckbereich des in die Glühstiftkerze 10 integrierten Drucksensors, d.h. Kraftmesselement 22, gegebenenfalls Kraftübertragungselement 24 sowie stabförmig ausgebildete Heizkörper 16, wird durch die Feder- elastizität der Stahlmembran 36 bestimmt. Die jeweils gewünschte Federelastizität kann durch die Geometrie der Stahlmembran 36 sowie deren Materialdicke gezielt eingestellt werden. Zur Messung kleiner Drücke im Brennraum der selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine sollte die Stahlmembran 36 durch eine entsprechende Formgebung vergleichsweise weich gestaltet werden. Für einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine mit hohen Spitzendrücken ist es vorteilhaft, die Stahlmembran 36 aus einem hochfesten Werkstoff anzufertigen. Dies hängt ab vom Einsatzzweck der jeweiligen selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine. Da die Membranwandstärken der Stahlmembran 36 in der Regel sehr gering ausgelegt sind, ist bei deren Herstellung zu berücksichtigen, dass sich toleranzbedingt ver- gleichsweise starke Schwankungen der Materialstärke der Stahlmembran 36 einstellen können, wodurch die Empfindlichkeit der Drucksensoren starken Streuungen unterworfen ist. Die fertigungsbedingt auftretenden Toleranzen können durch die Auswahl eines geeigneten Herstellungsverfahrens gezielt reduziert werden.

Kleine Herstellungstoleranzen ergeben sich insbesondere dann, wenn ein Zerspanverfahren, zum Beispiel Drehen, Schleifen und drgl. eingesetzt wird. Bei Umformverfahren, wie zum Beispiel Kaltfließpressen oder Tiefziehen sind vergleichsweise geringe Herstellungstoleranzen erreichbar. Die Federungscharakteristik der Stahlmembran 36 kann durch ein entsprechendes Design gezielt beeinflusst werden. Im einfachsten Fall kann die Membran als ein Ring oder L-förmig ausgebildet werden, wie die Stahlmembran 36, die den Figuren 1 und in vergrößertem Maßstab der Figur 2 zu entnehmen ist. Es lassen sich anstelle eines Ringes auch andere, insbesondere abgestufte Ringgeometrien der Stahlmembran 36 herstellen. Die Federungseigenschaften der Stahlmembran 36 hängen im Wesentlichen von deren Formgebung, dem eingesetzten Material, der Elastizität sowie der Dimensionierung der Stahlmembran 36 ab. Wie den in Figur 3 und 4 dargestellten Ausfuhrungsvarianten entnommen werden kann, kann die Stahlmembran für die Glühstiftkerze 10 mit integriertem Drucksensor auch in S-Form oder in U-Form ausgeführt werden. Anstelle der S-Form oder der U-Form ist auch eine L-förmige Ausbildung der Stahlmembran 36 für eine Glühstiftkerze möglich, wobei durchaus auch andere Membrangeometrien möglich sind.

Der Darstellung gemäß Figur 3 ist eine in S-Form gestaltete Stahlmembran zu entnehmen, die zwischen dem Dichtkonus und dem Kerzenkörper angeordnet ist.

Der Darstellung gemäß Figur 3 ist zu entnehmen, dass die in S-Form 64 beschaffene Stahlmembran 36 an der Einspannstelle 54 zwischen dem Kerzenkörper 12 und dem Dichtkonus 18 aufgenommen ist. Die in S-Form 64 beschaffene Stahlmembran 36 ist an einer ersten Verbindungsstelle 58 mit der Mantelfläche 56 des stabfÖrmig ausgebildeten Heizkörpers 16 verbunden. Ferner ist die Stahlmembran 36 an einer zweiten Verbindungsstelle 62 mit dem Dichtkonus 18, zum Beispiel durch eine stoffschlüssige Schweißverbindung verbunden. Die Stahlmembran 36 weist in axiale Richtung gesehen etwa mittig eine Ringfläche 60 auf. Die Ringfläche 60 teilt die Stahlmembran 36 in axiale Richtung gesehen in einen Bereich, der in einer ersten Axiallänge 70 ausgebildet ist und in einen Bereich, der in einer zweiten Axiallänge

72 ausgeführt ist. Die Stahlmembran 36 in S-Form 64 ist im Wesentlichen in einem Hohlraum 52 aufgenommen, der durch den Dichtkonus 18 begrenzt ist. Mit Bezugszeichen 38 ist das Stützrohr bezeichnet, welches den stabförmig ausgebildeten Heizkörper 16 umschließt.

In Bezug auf die Steifigkeit der drei Formen, sei es U-förmig, sei es L-förmig oder sei es S-förmig, sind diese bezüglich einer Relatiwerschiebung ihrer Fixpunkte in axialer und radialer Richtung in erster Näherung gleichwertig. In fertigungstechnischer Hinsicht bietet die L-förmige Ausbildung der Stahlmembran 36 Vorteile, da nur ein einziger rechter Winkel auszubilden ist. Ein erheblicher Vorteil der U-Form liegt in dem Umstand begründet, dass beide Fixpunkte eine identische axiale Position haben. Eine lokale Übertemperatur der Stahlmembran 36 führt somit nicht zu einer nennenswerten axialen Relativbewegung der Fixpunkte. Die U-Form zeichnet sich darüber hinaus dadurch aus, dass sie einen geringen axialen Bauraum benötigt. Zwischen der durch Bezugszeichen 54 gekennzeichneten Einspannstelle ist zwischen der Stirnseite 46 des Kerzenkörpers 12 und der diese gegenüberliegenden Stirnseite des Dichtkonus 18 ebenfalls eine stoffschlüssige Verbindung ausbildbar. Der Darstellung gemäß Figur 4 ist eine in U-Form ausgebildete Stahlmembran zu entnehmen, die zwischen dem Dichtkonus 18 und dem Kerzenkörper der Glühstiftkerze angeordnet ist.

Die Stahlmembran 36, die gemäß der Darstellung in Figur 4 in U-Form 66 ausge- fiihrt ist, ist an einer ersten Verbindungsstelle 58 zum Beispiel stoffschlüssig mit der Mantelfläche 56 des stabförmig ausgebildeten Heizkörpers 16 verbunden. Der stabförmig ausgebildete Heizkörper 16, der aus einem metallischen oder auch aus einem keramischen Material hergestellt sein kann, ist von dem Stützrohr 38 um- schlössen. Die in U-Form 66 ausgebildete Stahlmembran 36 kann einerseits an der

Einspannstelle 54 mit einer der Stirnseite der einander kontaktierenden Bauteile Ringkonus 18 und Kerzenkörper 12 verbunden werden und andererseits an der ersten Verbindungsstelle 58 stoffschlüssig an der Mantelfläche 56 des stabförmig ausgebildeten Heizkörpers 16 aufgenommen sein. Mit Bezugszeichen 74 ist die Länge der Stahlmembran 36 in axiale Richtung bezeichnet.

Den in Figur 3 und 4 dargestellten Ausführungsvarianten der Stahlmembran 36 wohnt aufgrund der Geometrie, sei es durch die U-Form 66, sei es durch die S- Form 64, insbesondere durch die Ringfläche 60 eine von der Geometrie und der gewählten Materialdicke abhängige Elastizität inne. Je nachdem wie hoch der Materialanteil ist, der zwischen den einzelnen vorzugsweise stoffschlüssig ausgebildeten Verbindungsstellen 58, 62 (Figur 3) bzw. 54, 58 (vgl. Figur 4) ist, stellt sich ein Maß an Verformbarkeit ein, welches die Federelastizität des Bauteiles Stahlmembran 36 entscheidend beeinflusst.

Claims

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Messung des Drucks im Brennraum einer selbstzündenden Verbrennungskraftmaschine mit einem in eine Zylinderkopfkomponente (10) integ- rierten Drucksensor (16, 22, 24) mit einem stabförmig ausgebildeten Heizkörper

(16), der im Inneren der Zylinderkopfkomponente (10 bewegbar aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem stabförmigen Heizkörper (16) eine radialsymmetrisch ausgeführte Stahlmembran (36) zugeordnet ist, die ein Kraftmesselement (22) des Brennraumdrucksensors (16, 22, 24) gegen die Brenngase abschirmt und eine von der Geometrie (64, 66) abhängige Federelastizität aufweist.

2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlmembran (36) zwischen einem Dichtkonus (18) und einem Kerzenkörper (12) angeordnet ist und an mindestens einer Verbindungsstelle (48, 50, 54, 58, 62) mit dem Dichtkonus (18), oder dem stabförmig ausgebildeten Heizkörper (16) oder mit dem Kerzenkörper (12) verbunden ist.

3. Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen (48, 50, 54, 58, 62) als stoffschlüssige Verbindungen ausgeführt sind.

4. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem stabförmig ausgebildeten Heizkörper (16) und dem Kraftmesselement (22) mindestens ein Kraftübertragungselement (24) angeordnet ist.

5. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftmesselement (22) zwei Kontaktierungen (28.1, 28.2) zugeordnet sind, welche bei Verformung des Kraftmesselementes (22) aufgrund mechanischer Beanspruchung ein elektrisches Signal abgreifen.

6. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlmembran (36) in Ringform oder L-förmig ausgebildet ist.

7. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlmembran (36) in S-Form (64) ausgebildet ist.

8. Stahlmembran gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlmembran (36) in U-Form (66) ausgebildet ist.

9. Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlmembran (36) an einer ersten Verbindungsstelle (48, 58) stoffschlüssig mit der Mantelfläche (56) des Heizkörpers (16) verbunden ist.

10. Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlmembran (36) an einer zweiten Verbindungsstelle (62) mit dem Dichtkonus (18) stoffschlüssig verbunden ist.

11. Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahl- membran (36) an der Einspannstelle (54) stoffschlüssig mit dem Dichtkonus (18) und/oder dem Kerzenkörper (12) verbunden ist.

12. Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlmembran (36) im Wesentlichen in einem Hohlraum (52) innerhalb des Dichtkonus (18) aufgenommen ist.

13. Einrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlmembran (36) in S-Form (64) eine Ringfläche (60) aufweist, die senkrecht zum Kraftpfad (20) orientiert ist.