WO2009146565A1 - Drucksensor für messungen in einer kammer einer brennkraftmaschine - Google Patents

Drucksensor für messungen in einer kammer einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2009146565A1
WO2009146565A1 PCT/CH2009/000154 CH2009000154W WO2009146565A1 WO 2009146565 A1 WO2009146565 A1 WO 2009146565A1 CH 2009000154 W CH2009000154 W CH 2009000154W WO 2009146565 A1 WO2009146565 A1 WO 2009146565A1
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pressure
membrane
pressure sensor
sensor according
housing
Prior art date
Application number
PCT/CH2009/000154
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French (fr)
Inventor
Michael Müller
Original Assignee
Kistler Holding Ag
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Publication date
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Priority to US12/990,899 priority patent/US8205490B2/en
Priority to JP2011511953A priority patent/JP2011522263A/ja
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/10—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by pressure-sensitive members of the piezoelectric type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/22—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines
    • G01L23/221—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines for detecting or indicating knocks in internal combustion engines
    • G01L23/222—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines for detecting or indicating knocks in internal combustion engines using piezoelectric devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F23Q2007/002—Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Definitions

  • Pressure sensor for measurements in a chamber of an internal combustion engine
  • the invention relates to a pressure sensor for measurements in a chamber of an internal combustion engine, in particular a pressure measuring glow plug comprising a housing, a pressure element for receiving a pressure, as well as a measuring element with a sensor element arranged in the housing behind the pressure element in the pressure direction Membrane which is fixedly connected at its first end to the pressure element and at its second end directly or indirectly fixed to the housing.
  • Similar pressure sensors such as those mentioned above are known, for example, from WO 2006/089446.
  • a membrane is located in the front region of the glow plug, which seals the interior of the housing from the combustion chamber. By means of this membrane, a bias voltage can be applied to the sensor.
  • the object of the present invention is to specify a pressure measuring element of the type mentioned at the outset which has fewer sources of power transmission error.
  • the idea underlying the invention is that the pressure element is supported on the measuring element via the membrane.
  • the pressure element is arranged at a distance from the measuring element. As a result, it is no longer necessary to create a very well-defined contact surface between the pressure element and the measuring element.
  • the pressure element is no longer in the force path, which acts on the sensor during a measurement.
  • An imprecise attachment of the pressure element to a further transmission component can thus no longer cause an error on the measurement. This is important because some printing elements, such as in particular that of a glow plug, can only be edited with great effort to the required accuracy.
  • the pressure element and its attachment are therefore not critical for the measurement.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a pressure sensor in section according to the prior art with indication of
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a pressure sensor according to the invention in section, with an indication of the force transmission path;
  • FIG. 3 shows a detail from FIG. 2 in the region of the membrane with indication of the force transmission path
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a pressure sensor according to the invention in section with anti-static sleeve with indication of the force transmission path;
  • FIG. 5 shows a detail from FIG. 4 in the region of the membrane with indication of the force transmission path
  • FIG. 6 shows an alternative schematic representation of a pressure sensor according to the invention in section with antistrain sleeve
  • Fig. 7a, b two variants of a detail of Figure 6 in the region of the membrane with indication of the force transmission paths. - A -
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a pressure sensor 1 in section according to the prior art from WO 2006/089446.
  • This pressure sensor 1 comprises a housing 2, in the front region of which a pressure element 3, designed here as a glow plug, is inserted, which protrudes from the housing 2. Subsequently behind the pressure element 3 is a force transmission element 21, behind which a sensor element 5 is arranged. Behind this sensor element 5 is a fixing element 22, which bears against a connecting element 23 on the rear side. The connecting element 23 is attached at its rear end to a shoulder 24 of the housing 2. Force transmission element 21, sensor element 5 and fixing element 22 together form a measuring element 4. The sensor element 5 is in the pressure sensor 1 in the prestressed state.
  • the housing 2 For mounting the pressure sensor 1, designed as a pressure measuring glow plug, in a bore provided for this purpose in a cylinder head, the housing 2 usually has a thread 25 and a hexagon 26 as a contact surface for a tool. In the rearmost area of the glow plug is the output for the wiring 27, which also includes lines for the measuring element 4.
  • a bias voltage to the sensor element 5 can be brought.
  • the membrane 7 is in this embodiment at its first end, the inner end, fixed to the pressure element 3 and at its second end, the outer end, attached to the housing 2.
  • a pressure in the combustion chamber resp. in the chamber 29 is transmitted to the sensor element 5 via the pressure element 3 and the force transmission element 21.
  • the measuring element 4 is supported by a pin 28 extending centrally therethrough. This pin 28 has no influence on the power transmission. In this pin also runs a Glühstromdraht 30, which, in the case of a Meßglühkerze, the pressure element 3 can heat.
  • the force path 20 is indicated dotted in this figure on one side. It extends from the pressure element 3 via the force transmission element 21, via the sensor element 5, via the fixing element 22, via the connecting element 23, via the rear shoulder 24, and finally via the housing 2 via the membrane 7 back to the pressure element 3. If one of these bearing surfaces is not designed precisely and has a resilient support which can absorb energy in the event of a load, so sets a measurement error.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a pressure sensor 1 according to the invention for measurements in a chamber 29 of an internal combustion engine in a preferred embodiment.
  • This illustration also includes a housing 2 and a pressure element 3, which here protrudes from the housing 2.
  • a measuring element 4 in the housing 2 is arranged in the printing direction behind this pressure element 3.
  • This fixing 22 may, as in the prior art, supported on other components of the pressure sensor 1, as here on the connecting element 23 and finally on the projection 24 of the housing. 2
  • the force path 20 is shown in dashed lines in Fig. 2. It leads via the membrane 7 and in particular not via the pressure element. 3
  • this pressure element 1 is also configured in the preferred embodiment as Druckmessglühkerze.
  • the membrane 7 is connected differently, as shown in Fig. 3. At its first end 9, it is still attached to the pressure element 3 with a connection 16. This connection is preferably cohesive. In the region of the second end 10, it is also attached, directly or indirectly, with a connection 19 on the housing 2. Thus, a seal to the housing interior 6 is still guaranteed.
  • the membrane 7 has a recess in the middle for the passage of a glow wire 30. As shown in the detail view in Fig. 3, the pressure element 3 but supported via the membrane 7 on a membrane support surface 8 on the measuring element 4 from.
  • the force path 20 extends from the housing 2 via the connection point 19 to the diaphragm 7 and further via the membrane support surface 8 to the measuring element 4, without passing through the pressure element.
  • FIGS. 4 and 5 show embodiments according to the invention as shown in FIGS. 2 and 3, the embodiments in FIGS. 4 and 5 having a tensioning element 13.
  • This tensioning element 13 which is arranged between the housing 2 and the measuring element 4, serves to preload the measuring element 4, which always has to be present in the prestressed state for a measurement. Characterized in that the measuring element 4 via a clamping element 13 and not, as usual and as shown in Fig. 1, is supported via the housing 2, the pressure sensor 1 is insensitive to stresses and forces acting on the housing 2.
  • Such a clamping element 13 is preferably in the region of its first end 14, in the region of the diaphragm 7, directly or indirectly fixedly connected to the housing 2 at a connection 19. At its second end 15, viewed in the pressure direction behind the sensor element 5, it is firmly connected to the measuring element 4 at a connection 17. Thus, it ensures a decoupling of the housing 2 in the rear region, ie in the region which, viewed in the pressure direction, lies behind the fixed connection 19 between the housing and the clamping element.
  • the second end of the membrane 10 is fixedly connected to the first end of the clamping element 14. This is illustrated in Figs. 4 and 6, especially in Figs. 5 and 7a and 7b.
  • This solid connection 18 is preferably a weld. By an I-weld a very good connection 18 can be achieved, which is why such a connection is preferred. A welding through in the Rich overlaying membrane 7 and clamping element 13 is also possible.
  • a second connection 17 between the clamping element and the rear part of the measuring element 4 is finally attached after this first connection 18.
  • This connection 17 must be arranged behind the sensor element 5 in the direction of compression.
  • the measuring element 4 can be biased only with the clamping element 13 before the pressure element 3 is attached, or the membrane is first attached to the pressure element 3 and then the measuring element 4 is prestressed in the clamping element 13 by attachment the second welding 17.
  • the prestressed measuring element 4 can be attached to the housing with a through-welding 19.
  • This weld 19 must be tight in order to seal the housing interior 6 from the pressure chamber 29, in particular when used in a combustion chamber.
  • This connection 19 can be applied through the membrane 7 in the second end region 10 or through the tensioning element 13.
  • both the second end of the diaphragm 10 and the first end of the tensioning element 14 are respectively attached directly or indirectly to the housing 2.
  • the tensioning element 13 is preferably a tensioning sleeve which extends around the measuring element 4. Alternatively, it can also be configured as a clamp with two or more arms which extend into the rear region of the measuring element 4.
  • the advantage of a continuous clamping sleeve is the ease of production and the ability to attach them to the measuring element 4 in the entire circumference.
  • the force path 20 is also indicated by dashed lines in FIGS. 4 and 5. In contrast to FIGS. 2 and 3, this now runs over the tensioning element 13 and no longer over the housing 2. Thanks to the shortened force path, in which fewer components are affected, the source of the error is again severely limited.
  • the membrane 7 extends at least partially into the region between the pressure element 3 and the measuring element 4.
  • the membrane 7 is preferably attached to a rear in the pressure direction of the pressure element 3 level ,
  • the membrane 7 is essentially designed as a disk-shaped disk. This has the advantage that such a membrane 7 can be produced as a stamped / pressed part, whereas a membrane 7 according to FIGS. 3 and 4 can only be manufactured as a turned part, which is considerably more expensive.
  • the membrane 7 is preferably attached to a lateral plane of the pressure element 3, which extends transversely to the printing direction.
  • FIGS. 7a and 7b show various connections 16 of the membrane 7 to the pressure element 3.
  • the attachment 16 is realized by a V-weld
  • Fig. 7b by an I-weld.
  • a Fuzzi is also possible with appropriate design adjustments, not shown here.
  • V-weld The advantage of a V-weld is that an attachment of the pressure element 3 to the measuring element 4 even after the
  • Bias of the sensor element 5 can take place.
  • the advantage of an I-weld is that even with a small ra- Dialen offset between the diaphragm 7 and the pressure element 3 provides a good connection 16.
  • Through-welding can be achieved if the membrane 7 of FIG. 7 a has a web surrounding the pressure element 3 at its first end 9. A through-welding then connects the web to the pressure element 3.
  • the advantage of a through-welding is that the relative position between the pressure element 3 and the measuring element 4 only has to be determined during the through-welding.
  • the fixed connection 16 from the membrane 7 to the pressure element 3 is preferably a weld.
  • this connection 16 must be gas-tight, so that the housing interior 6 is sealed off from the combustion chamber 29.
  • this connection 16 is the only firm connection from the pressure element 3 to the pressure sensor 1, so that no further force path can falsify the measurement. Therefore, the connection must be strong, in particular cohesive, preferably a weld.
  • the Glühstromdraht 30 transmits no force and therefore is not suitable for mounting the pressure element. 3
  • the measuring element 4 has a projection 12 opposite the membrane support surface 8, both inwards and outwards. This ensures that the membrane 7 always rests completely on the measuring element 4, even if the measuring element 4 should move laterally relative to the membrane 7. If the supernatant 12 were not given, the membrane property would change due to the changed support 8 and thereby influence the measurement.
  • the diaphragm 7 has, between the diaphragm support surface 8 and the connection 19 to the housing 2, an area 11 which is elastic for pressure transmission.
  • the elastically effective region 11 of the membrane 7 is arranged at a distance from the measuring element 4, so that this region 11 always has the same length, regardless of a possible displacement between measuring element 4 and membrane 7.
  • this elastically effective region should Otherwise, there is also the danger that the effective length of the membrane depends on the exact positioning relative to this other component, which in turn causes a measurement error would.
  • Stainless steel has proved to be a suitable material for the membrane 7 because of its favorable properties for welding us to its corrosion resistance and mechanical strength. Preference is given to using materials of the categories of martensite stainless steel, particle-hardening martensitic stainless steel and corrosion-resistant plastic mold steels, in particular the alloys according to DIN material number 1.4542, 1.4534, 1.4545, to the UNS standard UNS S17700, UNS S 15700 or Marvac 125 (from the company Vakuumschmelze GmbH & Co KG in Hanau, Germany).
  • the pressure element 3 is usually made of other materials than the membrane 7, because other requirements are placed on it. Nevertheless be able to enter into a material connection with the membrane 7, in particular in order to be able to be welded to this, the pressure element 3 must have metallic components at least in its rear region.
  • the connection between the membrane 7 and the housing 2 is preferably cohesive.
  • the components exposed to the pressure chamber 29, namely the pressure element 3, the membrane 7 and / or the front region of the housing 2, are treated with a surface coating which prevents or reduces soot deposits, corrosion and abrasion.
  • This surface coating may in particular be nanostructured and / or refined by nanoparticles.
  • the anti-stick coating E2C 408 has shown good results. Shutting the housing 2 in the front area to the pressure element 3 would mean that another force path would run from the pressure element to the housing and over the measuring element, which would again cause a measurement error. Therefore, the pressure element 3 may be attached except on the membrane to any other components.

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Abstract

Die der Erfindung betrifft einen Drucksensor 1 für Messungen in einer Kammer 29 einer Brennkraftmaschine, insbesondere Druckmessglühkerze. Dieser Drucksensor 1 umfasst ein Gehäuse 2, ein Druckelement 3 für die Aufnahme eines Drucks, sowie ein in Druckrichtung hinter dem Druckelement 3 im Gehäuse 2 angeordnetes Messelement 4 mit einem Sensorelement 5, und eine Membran 7. Diese Membran ist an ihrem ersten Ende 9 fest mit dem Druckelement 3 und an ihrem zweiten Ende 10 direkt oder indirekt fest mit dem Gehäuse 2 an einer Verbindung 19 verbunden, wobei sich das Druckelement 3 über die Membran 7 am Messelement 4 abstützt.

Description

Drucksensor für Messungen in einer Kammer einer Brennkraftmaschine
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor für Messungen in ei- ner Kammer einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine Druck- messglühkerze, umfassend ein Gehäuse, ein Druckelement für die Aufnahme eines Drucks, sowie ein in Druckrichtung hinter dem Druckelement im Gehäuse angeordnetes Messelement mit einem Sensorelement, und eine Membran, welche an ihrem ersten Ende fest mit dem Druckelement und an ihrem zweiten Ende direkt oder indirekt fest mit dem Gehäuse verbunden ist.
Stand der Technik
Ähnliche Drucksensoren wie ein eingangs erwähnter sind beispielsweise aus der WO 2006/089446 bekannt. Bei diesem Druck- sensor befindet sich im vorderen Bereich der Glühkerze eine Membran, welche das Innere des Gehäuses vom Brennraum abdichtet. Mittels dieser Membran kann auch eine Vorspannung auf den Sensor gebracht werden.
Alternative Ausführungen sind auch bekannt, bei denen eine sogenannte „Antistrain"-Hülse um das Messelement angebracht ist. Diese Hülse stützt den hinteren Bereich des Messelements ab und ist frontseitig mit dem Gehäuse verbunden. Dadurch wird der Sensor unempfindlich gegen Spannungen und Kräfte, die auf das Gehäuse einwirken.
Es hat sich gezeigt, dass ein Sensor gemäss der erwähnten WO 2006/089446, bei dem eine Antistrainhülse angebracht wurde, noch nicht zufriedenstellend arbeitet. Wenn die Kraftübertra- gung vom Druckelement zum Kraftübertragungselement elastisch ist, schleicht sich bei einer Messung dadurch ein Fehler ein.
Darstellung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Druckmessele- ment eingangs erwähnter Art anzugeben, welches weniger kraftübertragungsbedingte Fehlerquellen aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Kennzeichen des unabhängigen Patentanspruchs.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass sich das Druckelement über die Membran am Messelement abstützt. Somit ist das Druckelement vom Messelement beabstandet angeordnet. Dadurch ist es nicht mehr notwendig, eine sehr genau definierte Berührungsfläche zwischen Druckelement und Messelement zu schaffen.
Dank dieser konstruktiven Anordnung der Membran liegt das Druckelement nun nicht mehr im Kraftpfad, der während einer Messung auf den Sensor wirkt. Eine unpräzise Anbringung des Druckelements auf eine weitere Übertragungskomponente kann somit keinen Fehler mehr auf die Messung verursachen. Dies ist daher wichtig, weil manche Druckelemente, wie insbesondere das einer Glühstiftkerze, nur mit grossem Aufwand zu der erforderlichen Genauigkeit bearbeitet werden kann. In der er- findungsgemässen Ausführung ist das Druckelement und deren Anbringung demnach unkritisch für die Messung. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung unter Beizug der Zeichnungen näher erklärt. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Drucksensors im Schnitt nach dem Stand der Technik mit Angabe des
Kraftübertragungsweges ;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsge- mässen Drucksensors im Schnitt mit Angabe des Kraftübertragungsweges ;
Fig. 3 einen Ausschnitt aus Fig. 2 im Bereich der Membrane mit Angabe des Kraftübertragungsweges;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsge- mässen Drucksensors im Schnitt mit Antistrainhülse mit Angabe des Kraftübertragungsweges;
Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 4 im Bereich der Membrane mit Angabe des Kraftübertragungsweges;
Fig. 6 eine alternative schematische Darstellung eines er- findungsgemässen Drucksensors im Schnitt mit Antistrainhülse;
Fig. 7 a, b: zwei Varianten eines Ausschnittes aus Fig. 6 im Bereich der Membrane mit Angabe der Kraftübertragungswege; - A -
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Bezugszeichen sind für alle Figuren identisch.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Drucksensors 1 im Schnitt nach dem Stand der Technik aus der WO 2006/089446.
Dieser Drucksensor 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dessen vorderem Bereich ein Druckelement 3, hier als Glühstift ausgestaltet, eingesetzt ist, der aus dem Gehäuse 2 herausragt. An- schliessend hinter dem Druckelement 3 befindet sich ein Kraftübertragungselement 21, hinter welchem ein Sensorelement 5 angeordnet ist. Hinter diesem Sensorelement 5 befindet sich ein Fixierelement 22, welches rückseitig an einem Verbindungselement 23 anliegt. Das Verbindungselement 23 ist an seinem hinteren Ende an einem Absatz 24 des Gehäuses 2 ange- bracht. Kraftübertragungselement 21, Sensorelement 5 und Fixierelement 22 bilden zusammen ein Messelement 4. Das Sensorelement 5 ist im Drucksensor 1 im vorgespannten Zustand.
Zur Anbringung des Drucksensors 1, ausgestaltet als Druck- messglühkerze, in einer dafür vorgesehenen Bohrung eines Zy- linderkopfes verfügt das Gehäuse 2 in der Regel über ein Gewinde 25 und über einen Sechskant 26 als Angriffsfläche für ein Werkzeug. Im hintersten Bereich der Glühkerze befindet sich der Ausgang für die Verkabelung 27, der auch Leitungen für das Messelement 4 umfasst.
Im vorderen Bereich des Drucksensors 1 befindet sich eine Membran 7, welche das Innere 6 des Gehäuses beispielsweise vom Brennraum abdichtet. Mittels dieser Membran 7 kann auch eine Vorspannung auf das Sensorelement 5 gebracht werden. Die Membran 7 ist in dieser Ausführung an ihrem ersten Ende, dem inneren Ende, fest am Druckelement 3 und an ihrem zweiten Ende, dem äusseren Ende, am Gehäuse 2 angebracht.
Ein Druck im Brennraum resp. in der Kammer 29 wird über das Druckelement 3 und das Kraftϋbertragungselement 21 auf das Sensorelement 5 übertragen. Das Messelement 4 wird durch einen Stift 28 getragen, der mittig durch dieses verläuft. Dieser Stift 28 hat keinen Einfluss auf die Kraftübertragung. In diesem Stift verläuft auch ein Glühstromdraht 30, der, im Falle einer Messglühkerze, das Druckelement 3 beheizen kann.
Der Kraftpfad 20 ist in dieser Figur einseitig gepunktet angegeben. Er verläuft vom Druckelement 3 über das Kraftübertragungselement 21, über das Sensorelement 5, über das Fixierelement 22, über das Verbindungselement 23, über den hinteren Absatz 24, und schliesslich über das Gehäuse 2 über die Membran 7 wieder zum Druckelement 3. Wenn eine dieser Auflageflächen nicht präzise ausgestaltet ist und eine federnde Auflage aufweist, die im Falle einer Belastung Energie aufnehmen kann, so stellt sich ein Messfehler ein.
Am meisten Probleme in dieser Ausführung bereitet die Kraft- Übertragung vom Druckelement 3 auf das Kraftübertragungselement 21. In der Regel ist das Material des Druckelements 3 unterschiedlich vom Material der Membran. Es ist sehr anspruchsvoll und teuer, ein Druckelement 3 mit der erforderlichen Ebenheit herzustellen.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemässe Ausgestaltung eines Drucksensors 1 für Messungen in einer Kammer 29 einer Brennkraftmaschine in einer bevorzugten Ausführung. Diese Darstellung umfasst ebenfalls ein Gehäuse 2 und ein Druckelement 3, welches hier aus dem Gehäuse 2 hervor steht. In Druckrichtung hinter diesem Druckelement 3 ist ein Messelement 4 im Gehäuse 2 angeordnet. Dieses umfasst ein Kraftübertragungselement 21, daran in Druckrichtung angrenzend ein Sensorelement 5 und daran in Druckrichtung angrenzend ein Fixierelement 22. Dieses Fixierelement 22 kann sich, wie im Stand der Technik, an weiteren Komponenten des Drucksensors 1 abstützen, wie hier am Verbindungselement 23 und schliesslich am Ansatz 24 des Gehäuse 2. Der Kraftpfad 20 ist in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet. Er führt über die Membran 7 und insbesondere nicht über das Druckelement 3.
Insbesondere ist dieses Druckelement 1 in der bevorzugten Ausführung ebenfalls als Druckmessglühkerze ausgestaltet. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist in dieser erfindungsge- mässen Ausführung die Membran 7 anders angebunden, wie in Fig. 3 dargestellt. An ihrem ersten Ende 9 ist sie nach wie vor am Druckelement 3 mit einer Verbindung 16 angebracht. Diese Verbindung ist bevorzugt Stoffschlüssig. Im Bereich des zweiten Endes 10 ist sie ebenfalls, direkt oder indirekt, mit einer Verbindung 19 am Gehäuse 2 angebracht. Somit ist auch eine Dichtung zum Gehäuseinnenraum 6 nach wie vor gewährleistet. Die Membran 7 weist mittig eine Aussparung auf für die Durchführung eines Glühstromdrahtes 30. Wie in der Detailansicht in Fig. 3 dargestellt stützt sich das Druckelement 3 aber über die Membran 7 an einer Membranauflagefläche 8 am Messelement 4 ab. Somit berührt das Druckelement 3 das Messelement 4 nicht, diese beiden Komponenten 3, 4 sind durch die Membranführung 7 beabstandet zueinander. Der Kraftpfad 20 verläuft vom Gehäuse 2 über die Verbindungsstelle 19 zur Membran 7 und weiter über die Membransuflagefläche 8 zum Messelement 4, ohne durch das Druckelement zu verlaufen.
Dadurch, dass der Kraftpfad 20 nun nicht mehr, wie beispiels- weise in Fig. 1, durch das Druckelement 3 verläuft, ist die für die Messung kritische Auflagefläche zwischen Druckelement
3 und Messelement 4 eliminiert worden. Dadurch können Messun- gen von wesentlich höherer Genauigkeit erzielt werden. Da die hintere Fläche des Druckelements 3 nun keine Auflagefläche mehr darstellt, kann sie ungenau und somit preisgünstig gefertigt werden, eine Nachbearbeitung entfällt.
In Fig. 4 und 5 sind erfindungsgemässe Ausführungen wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, wobei die Ausführungen in Fig. 4 und 5 über ein Spannelement 13 verfügen.
Dieses Spannelement 13, welches zwischen Gehäuse 2 und Messelement 4 angeordnet ist, dient dem Vorspannen des Messele- ments 4, das für eine Messung immer im vorgespannten Zustand vorliegen muss. Dadurch, dass das Messelement 4 über ein Spannelement 13 und nicht, wie üblich und wie in Fig. 1 dargestellt, über das Gehäuse 2 abgestützt ist, wird der Drucksensor 1 unempfindlich gegen Spannungen und Kräfte, die auf das Gehäuse 2 einwirken.
Ein solches Spannelement 13 ist vorzugsweise im Bereich seines ersten Endes 14, im Bereich der Membrane 7, direkt oder indirekt fest an einer Verbindung 19 mit dem Gehäuse 2 verbunden. An seinem zweiten Ende 15, in Druckrichtung betrach- tet hinter dem Sensorelement 5, ist es fest an einer Verbindung 17 mit dem Messelement 4 verbunden. Somit gewährleistet es eine Entkopplung vom Gehäuse 2 im hinteren Bereich, also in dem Bereich, der, in Druckrichtung betrachtet, hinter der festen Verbindung 19 zwischen Gehäuse und Spannelement liegt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das zweite Ende der Membran 10 fest mit dem ersten Ende des Spannelements 14 verbunden. Dies ist in Fig. 4 und 6, besonders auch in Fig. 5 und 7a und 7b dargestellt. Diese feste Verbindung 18 ist vorzugsweise eine Schweissung. Durch eine I-Verschweissung kann eine sehr gute Verbindung 18 erreicht werden, weshalb eine solche Verbindung bevorzugt ist. Eine Durchschweissung im Be- reich von überlagernder Membran 7 und Spannelement 13 ist auch möglich.
Zum Vorspannen des Sensorelements 5 im Messelement 4 wird nach dieser ersten Verbindung 18 schliesslich eine zweite Verbindung 17 zwischen Spannelement und hinterem Teil des Messelementes 4 angebracht. Diese Verbindung 17 muss in Druckrichtung betrachtet hinter dem Sensorelement 5 angeordnet sein. Je nach Anbringung 16 der Membrane 7 am Druckelement 3 kann das Messelement 4 erst mit dem Spannelement 13 vorgespannt werden, bevor das Druckelement 3 angebracht wird, oder die Membran wird erst am Druckelement 3 angebracht und anschliessend wird das Messelement 4 im Spannelement 13 vorgespannt durch Anbringung der zweiten Schweissung 17.
Schliesslich kann das vorgespannte Messelement 4 mit einer Durchschweissung 19 am Gehäuse angebracht werden. Diese Ver- schweissung 19 muss dicht sein, um den Gehäuseinnenraum 6 vom Druckraum 29 abzudichten, insbesondere beim Einsatz in einem Brennraum. Diese Verbindung 19 kann durch die Membran 7 im zweiten Endbereich 10 oder durch das Spannelement 13 ange- bracht werden. Durch die Verbindung 18 zwischen Membran 7 und Spannelement 13 sind dadurch sowohl das zweite Ende der Membran 10 wie auch das erste Ende des Spannelements 14 jeweils direkt oder indirekt am Gehäuse 2 angebracht 19.
Das Spannelement 13 ist vorzugsweise eine Spannhülse, die um das Messelement 4 herum verläuft. Alternativ dazu kann sie auch als Klemme ausgestaltet sein mit zwei oder mehreren Armen, die bis in den hinteren Bereich des Messelements 4 verlaufen. Der Vorteil einer durchgehenden Spannhülse ist die einfache Produktion sowie die Möglichkeit, diese im gesamten Umfang am Messelement 4 anzubringen. Der Kraftpfad 20 ist in den Fig. 4 und 5 ebenfalls gestrichelt angegeben. Im Gegensatz zu Fig. 2 und 3 verläuft dieser nun über das Spannelement 13 und nicht mehr über das Gehäuse 2. Dank dem verkürzten Kraftpfad, bei dem weniger Komponenten betroffen sind, ist die Fehlerquelle erneut stark eingeschränkt.
In einer ersten Ausführungsform, dargestellt in Fig. 2 bis 5, erstreckt sich die Membran 7 mindestens teilweise in den Bereich zwischen dem Druckelement 3 und dem Messelement 4. In dieser Anordnung ist die Membran 7 bevorzugt an einer in Druckrichtung hinteren Ebene des Druckelements 3 angebracht.
In einer alternativen Ausführung, dargestellt in den Figuren 6, 7a und 7b, ist die Membran 7 im Wesentlichen lochscheibenförmig ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, dass eine solche Membran 7 als Stanz/Pressteil hergestellt werden kann, während eine Membran 7 nach Fig. 3 und 4 nur als Drehteil gefertigt werden kann, was erheblich teurer kommt.
In Fig. 7a und 7b ist die Membran 7 bevorzugt an einer seitlichen Ebene des Druckelements 3 angebracht, welche quer zur Druckrichtung verläuft.
In den Figuren 7a und 7b sind verschiedene Anbindungen 16 der Membrane 7 an das Druckelement 3 dargestellt. In Fig. 7a ist die Anbringung 16 durch eine V-Schweissnaht, in Fig. 7b durch eine I-Schweissnaht realisiert. Eine Durchweissung ist auch möglich mit entsprechenden konstruktiven Anpassungen, hier nicht dargestellt.
Der Vorteil einer V-Schweissnaht ist, dass eine Anbringung des Druckelements 3 an das Messelement 4 auch noch nach der
Vorspannung des Sensorelements 5 erfolgen kann. Der Vorteil einer I-Schweissnaht ist, dass sie auch bei einem kleinen ra- dialen Versatz zwischen der Membrane 7 und dem Druckelement 3 eine gute Verbindung 16 liefert. Eine Durchschweissung kann erreicht werden, wenn die Membran 7 der Fig. 7a an ihrem ersten Ende 9 einen das Druckelement 3 umhüllenden Steg auf- weist. Eine Durchschweissung verbindet dann den Steg mit dem Druckelement 3. Der Vorteil einer Durchschweissung liegt darin, dass die relative Position zwischen Druckelement 3 und Messelement 4 erst bei der Durchschweissung festgelegt werden muss .
Die feste Verbindung 16 von der Membran 7 zum Druckelement 3 ist vorzugsweise eine Schweissung. Einerseits muss diese Verbindung 16 gasdicht sein, damit der Gehäuseinnenraum 6 gegenüber dem Brennraum 29 abgedichtet ist. Andererseits ist diese Verbindung 16 die einzige feste Verbindung vom Druckelement 3 zum Drucksensor 1, damit kein weiterer Kraftpfad die Messung verfälschen kann. Daher muss die Verbindung fest, insbesondere Stoffschlüssig, vorzugsweise eine Schweissung sein. Der Glühstromdraht 30 überträgt keinerlei Kraft und eignet sich daher auch nicht zum Befestigen des Druckelements 3.
In beiden Ausgestaltungen nach Fig. 5 oder nach Fig. 7 weist das Messelement 4 gegenüber der Membranauflagefläche 8 einen Überstand 12 auf, und zwar sowohl nach innen wie sich nach aussen. Dadurch wird gewährleistet, dass die Membran 7 immer vollständig am Messelement 4 aufliegt, auch wenn sich das Messelement 4 relativ zur Membrane 7 seitlich verschieben sollte. Wäre der Überstand 12 nicht gegeben, würde sich die Membraneigenschaft durch die veränderte Auflage 8 verändern und die Messung dadurch beeinflussen.
Die Membran 7 weist zwischen der Membranauflagefläche 8 und der Verbindung 19 zum Gehäuse 2 einen für die Druckübertragung elastischen Bereich 11 auf. Dieser sollte vorzugsweise eine dünnere Materialstärke aufweist als der Rest der Membran 7. Der wirksame Membrandurchmesser ist innerhalb des elastischen Membranbereichs 11. Je grösser der wirksame Membrandurchmesser ist, desto höher ist die Empfindlichkeit des Drucksensors 1. Daher sollte der elastisch wirksame Bereich 11 möglichst weit aussen angebracht werden. Dies kann durch eine entsprechende Formgebung der Membran 7 erreicht werden, beispielsweise mit einem Hinterschnitt im äusseren Bereich, wie in Fig. 5 dargestellt.
Von grossem Vorteil ist aber, wenn der elastisch wirksame Bereich 11 der Membran 7 vom Messelement 4 beabstandet angeordnet ist, damit dieser Bereich 11 stets dieselbe Länge aufweist, ungeachtet einer möglichen Verschiebung zwischen Messelement 4 und Membrane 7. Zudem sollte dieser elastisch wirk- same Bereich 11 auch von anderen Komponenten des Drucksensors beabstandet angeordnet sein, insbesondere von vom Spannelement 13 und vom Gehäuse 2. Andernfalls besteht auch hier die Gefahr, dass die wirksame Länge der Membran von der genauen Positionierung relativ zu dieser anderen Komponente abhängt, was wiederum einen Messfehler verursachen würde.
Als geeignetes Material für die Membran 7 hat sich Edelstahl erwiesen wegen seinen günstigen Eigenschaften zum Schweissen uns seiner Korrosionsbeständigkeit und mechanischer Belastbarkeit. Vorzugsweise werden Materialien der Kategorien mar- tensitischer Edelstahl, partikelaushärtender martensitischer Edelstahl und korrosionsbeständige Kunststoffformstähle verwendet, insbesondere die Legierungen nach der DIN Werkstoffnummer 1.4542, 1.4534, 1.4545, nach der UNS-Norm UNS S17700, UNS S 15700 oder Marvac 125 (von der Firma Vakuumschmelze GmbH & Co KG in Hanau, Deutschland) . Das Druckelement 3 besteht in der Regel aus anderen Materialien als die Membran 7, weil andere Anforderungen daran gestellt werden. Um dennoch eine stoffschlüssige Verbindung mit der Membran 7 eingehen zu können, insbesondere um mit dieser verschweisst werden zu können, muss das Druckelement 3 mindestens in seinem hinteren Bereich metallische Komponenten aufweisen. Auch die Verbin- düng zwischen Membran 7 und dem Gehäuse 2 ist vorzugsweise stoffschlüssig.
Insbesondere von Vorteil ist, wenn die der Druckkammer 29 ausgesetzten Komponenten, namentlich das Druckelement 3, die Membran 7 und/oder der vordere Bereich des Gehäuses 2 mit ei- ner Oberflächenbeschichtung behandelt sind, welche Russablagerungen, Korrosion und Abrasion verhindern oder reduzieren. Diese Oberflächenbeschichtung kann insbesondere nanostruktu- riert und/oder durch Nanopartikel veredelt sein. Die Anti- haftbeschichtung E2C 408 hat gute Resultate gezeigt. Eine Verschiessung des Gehäuses 2 im vorderen Bereich zum Druckelements 3 würde bedeuten, dass ein weiterer Kraftpfad vom Druckelement auf das Gehäuse und über das Messelement verlaufen würde, was erneut einen Messfehler verursachen würde. Daher darf das Druckelement 3 ausser an der Membran an keinen weiteren Komponenten angebracht sein.
Bezugszeichenliste
1 Drucksensor
2 Gehäuse
3 Druckelement 4 Messelement
5 Sensorelement
6 Gehäuseinnenraum
7 Membran
8 Membranauflagefläche zum Messelement 9 Erstes Ende der Membran
10 Zweites Ende der Membran
11 Elastischer Bereich der Membran
12 überstand
13 Spannelement 14 Erstes Ende des Spannelements
15 Zweites Ende des Spannelements
16 Verbindung von Membrane zum Druckelement
17 Verbindung von Spannelement zu Messelement
18 Verbindung zwischen Spannelement und Membrane 19 Verbindung vom Gehäuse zur Membrane / zum Spannelement
20 Kraftpfad
21 Kraftübertragungselement
22 Fixierelement
23 Verbindungselement 24 Absatz
25 Gewinde
26 Sechskant
27 Verkabelung
28 Stift 29 Brennraum oder Druckraum, Kammer
30 Glühstromdraht

Claims

Patentansprüche
1. Drucksensor (1) für Messungen in einer Kammer (29) einer Brennkraftmaschine, insbesondere Druckmessglühkerze, um- fassend ein Gehäuse (2), ein Druckelement (3) für die Aufnahme eines Drucks, sowie ein in Druckrichtung hinter dem Druckelement (3) im Gehäuse (2) angeordnetes Messelement (4) mit einem Sensorelement (5), und eine Membran (7), welche an ihrem ersten Ende (9) fest, mit dem Druck- element (3) und an ihrem zweiten Ende (10) direkt oder indirekt fest, mit dem Gehäuse (2) an einer Verbindung (19) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Druckelement (3) über die Membran (7) abstützt, wobei sich diese am Messelement (4) abstützt, sodass der ge- schlossene Kraftpfad (20) im Betrieb von der Membrane (7) direkt über das Messelement (4) und insbesondere nicht über das Druckelement (3) verläuft.
2. Drucksensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (3) mindestens teilweise aus dem Gehäuse (2) heraus ragt.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) mittig eine Aussparung aufweist für die Durchführung von Fremdelementen, insbesondere für die Durchführung eines Glühstromdrahtes (30) .
4. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Membran (7) mindestens teilweise in den Bereich zwischen Druckelement (3) und Messelement (4) erstreckt.
5. Drucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) an einer in Druckrichtung hinteren Ebene des Druckelements (3) angebracht ist.
6. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Membran (7) im Wesentlichen lochscheibenförmig ausgestaltet ist.
7. Drucksensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) an einer seitlichen Ebene des Druckelements (3) angebracht ist, welche quer zur Druckrichtung verläuft.
8. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (16) zwischen dem Druckelement (3) und der Membran (7) eine I- Schweissnaht , eine V- Schweissnaht oder eine Durch- schweissung ist.
9. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (16) zwischen dem Druckelement (3) und der Membran (7) eine gasdichte Verbindung ist.
10. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) sowohl innen als auch aussen einen Überstand (12) an der Auflagefläche (8) zur Membran (7) aufweist.
11. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass die Membran (7) zwischen dem am Messelement (4) abgestützten Bereich (8) und der Verbindung (19) zum Gehäuse 2 einen für die Druckübertragung elastisch wirksamen Bereich (11) aufweist, welcher beabstandet von allen Fremdkomponenten angeordnet ist.
12. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) zwischen dem am Messelement (4) abgestützten Bereich (8) und der Verbindung (19) zum Gehäuse 2 einen für die Druckübertragung elastisch wirksamen Bereich (11) aufweist, der eine dünnere Materialstärke aufweist als der Rest der Membran 7.
13. Drucksensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der elastisch wirksame Bereich (11) vom Messelement (4) beabstandet angeordnet ist.
14. Drucksensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Druckübertragung elastisch wirksamen Bereich (11) beabstandet von allen weiteren Komponenten des Drucksensors angeordnet ist, insbesondere zum Spannelement (13) und zum Gehäuse (2) .
15. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) aus Edelstahl besteht, insbesondere aus einem Edelstahl nach der DIN Werkstoffnummer 1.4542, 1.4534, 1.4545 UNS S17700 oder UNS S 15700, oder Marvac 125.
16. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckelement (3), die Membran (7) und/oder der vordere Bereich des Gehäuses (2) mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sind, insbesondere mit einer nanostrukturierten und/oder mit Nano- partikeln veredelten Oberfläche, zur Verhinderung oder Reduzierung von Russablagerungen, Korrosion und Abrasion.
17. Drucksensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (2) und dem Messelement (4) ein Spannelement (13) zum Vorspannen des Messelements (4) angeordnet ist, welches im Bereich seines ersten Endes (14), in der Nähe der Membrane (7), direkt oder indirekt fest mit dem Gehäuse (2) und an seinem zweiten Ende (15) , in Druckrichtung hinter dem Sensorelement (5), fest mit dem Messelement (4) verbunden ist.
18. Drucksensor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende der Membran (10) fest mit dem ersten Ende des Spannelements (14) verbunden ist.
19. Drucksensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (18) zwischen der Membrane (7) und dem Spannelement (13) eine I-Naht ist.
20. Drucksensor nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannelement (13) hülsenförmig ausgestaltet ist.
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