WO2010136229A1 - Vorrichtung zur erfassung eines brennraumdrucks einer brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung eines brennraumdrucks einer brennkraftmaschine Download PDF

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WO2010136229A1
WO2010136229A1 PCT/EP2010/053672 EP2010053672W WO2010136229A1 WO 2010136229 A1 WO2010136229 A1 WO 2010136229A1 EP 2010053672 W EP2010053672 W EP 2010053672W WO 2010136229 A1 WO2010136229 A1 WO 2010136229A1
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combustion chamber
sensor housing
mechanical
housing
transmission path
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PCT/EP2010/053672
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French (fr)
Inventor
Petra Siegenthaler
Holger Scholzen
Christian Doering
Markus Ledermann
Sven Zinober
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D11/00—Component parts of measuring arrangements not specially adapted for a specific variable
    • G01D11/24—Housings ; Casings for instruments
    • G01D11/245—Housings for sensors
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G01L23/22—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

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting a combustion chamber pressure of an internal combustion engine, which can be used in particular in gasoline engines or gasoline engines.
  • Such devices form an integral part of modem engine controls, since the combustion chamber pressure must be detected very precisely, in particular for the purpose of reducing consumption and emissions.
  • Combustion chamber pressure of an internal combustion engine which has a glow plug with a housing jacket extending in a direction of installation of the glow plug and a pressure sensing element accommodated in the glow plug.
  • the housing jacket of the glow plug is used to transmit the combustion chamber pressure to the pressure sensing element.
  • WO 2006/089446 A1 describes a component for installation in force or pressure sensors, in particular in a glow plug.
  • the component comprises a disk-shaped or perforated disc-shaped measuring element made of piezoelectric material and on both sides of the measuring element fitting hole-disc-shaped or disc-shaped electrodes with contact points for contact with lines. Furthermore, one or more transmission bodies arranged on both sides outside the electrodes are provided.
  • the device can be used in particular in gasoline engines.
  • the device comprises at least one sensor housing, that is to say an element which completely or partially encloses further components, for example a sensor housing designed at least partially in the form of a hollow cylinder.
  • the sensor housing may for example be made of a metallic material and is arranged to be at least partially introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine. For example, that can
  • Sensor housing are fixed directly or indirectly in a combustion chamber wall of the internal combustion engine, so that the sensor housing protrudes at least partially, for example, with its front end into the combustion chamber of the internal combustion engine.
  • the sensor housing has on the combustion chamber side an opening closed by at least one membrane.
  • it may be a circular or polygonal opening.
  • a membrane may, for example, be understood to mean an element which is deformable or movable at least in one direction and extends, for example, perpendicular to an axis of the sensor housing whose lateral extent preferably has its thickness at least one factor
  • the membrane can be designed, for example, as a metallic membrane, for example as a metal foil, and can also be integrally formed with the sensor housing and / or be frictionally and / or positively and / or materially connected to the sensor housing in the region of the opening. It is particularly preferred if the
  • Sensor housing is formed at least in the region of the opening of a hollow cylinder, wherein the membrane, for example as a metallic membrane, for example, to the Sen- Sorgeophuse is welded to the surrounding the opening edge of the sensor housing.
  • the membrane for example as a metallic membrane, for example, to the Sen- Sorgeophuse is welded to the surrounding the opening edge of the sensor housing.
  • another type of connection to the sensor housing is in principle possible, for example, a frictional connection, for example by a union nut.
  • the membrane should preferably close the opening completely pressure-tight, at least in the range usually occurring in combustion chambers pressures.
  • the device further comprises at least one mechanical-electrical transducer element in the sensor housing.
  • This is generally to be understood as meaning an element, which mechanical influences, for example a force and / or a force
  • Pressure action and / or a change in length of the transducer element can convert into electrical signals.
  • the mechanical-electrical transducer element can also comprise other types of transducer elements that are set up to convert mechanical signals into electrical signals.
  • the device has at least one transmission element, which is formed separately from the sensor housing, for transmitting a deformation of the diaphragm to the mechanical-electrical transducer element.
  • a combustion chamber pressure-related deflection of the membrane can be transmitted via the transmission element to the mechanical-electrical transducer element, so that an electrical signal corresponding to the deflection of the membrane and thus corresponding to the combustion chamber pressure can be generated.
  • a transmission element is basically to understand any element by means of which, preferably substantially rigid, movements and / or deformations of the membrane can also be transmitted axially to the mechanical electrical transducer element.
  • the transmission element can be designed substantially rod-shaped and can preferably be mounted on an axis of the device.
  • the transmission element can also be designed in several parts.
  • the transmission element is, as shown above, formed separately from the sensor housing.
  • the device has at least two transmission paths, via which forces and / or changes in length of components of the device exposed directly to the combustion chamber, for example the membrane and / or an end face of the sensor housing facing the combustion chamber, can be transmitted to the mechanical-electrical transducer element ,
  • the sensor housing itself may be part of a first transmission path, - A -
  • the transmission element is part of a second transmission path that is not substantially coupled to the first transmission path.
  • thermally induced expansions of the device can be transmitted to the mechanical-electrical converter element via the first transmission path and the second transmission path, preferably substantially without coupling of the two paths. This will be explained in more detail below.
  • the first transmission path may concentrically surround the second transmission path.
  • the device has at least one compensation body for compensating different thermal expansions in the two transmission paths.
  • the transmission element itself comprises at least one compensation body which is set up to compensate for different Liehe thermal expansions between the first transmission path and the second transmission path.
  • the compensation body can be set up with respect to its length and coefficient of thermal expansion such that it ensures that the thermal expansions of the first and second transmission paths are at least substantially identical, at least within typical temperature ranges to which the device may be exposed, for example in the US Pat Within a tolerable deviation of not more than 20%, in particular not more than 10% and preferably not more than 5%.
  • the described transmission path will typically not heat through homogeneously, but it will usually be a temperature gradient from the combustion chamber, for example at a membrane temperature to about 550 0 C, up to the mechanical-electrical transducer element, for example, a temperature of the piezoelectric Quartz from about up to 200 0 C, set.
  • the temperature compensation can then, for example, based on empirically determined, for example, determined by engine measurements, temperature gradients occur.
  • a temperature compensation is typically only possible for either homogeneous temperatures or for temperature gradients, in particular homogeneous temperature gradients.
  • the temperature compensation is designed so that a biasing force, such as a biasing force of the mechanical-electrical transducer element, does not change or changes only insignificantly in the transition from an idle temperature gradient to a full load temperature gradient or vice versa.
  • a biasing force such as a biasing force of the mechanical-electrical transducer element
  • An amendment tion of the biasing force by changing the ambient temperature can be tolerated in this case usually because typically has a high time constant and usually in particular in connection with a reset of a measurement signal, for example after each cycle, the influence of the measurement signal is negligible.
  • the at least one compensation body the at least one compensation body
  • Transmission element which may also be constructed in several parts, also have at least one thermal insulation body with thermally insulating properties.
  • the thermal insulation insulator may comprise at least one ceramic material, which may have high thermal insulating properties. Other types of materials are possible.
  • the thermal insulation insulator is also buildable in several parts.
  • the thermal insulation insulator may furthermore also have electrically insulating properties. This can be ensured by virtue of the fact that the heat insulation insulator with the thermally insulating properties itself also has electrically insulating properties.
  • a multi-part construction may also be provided, in which the thermal insulation body has at least one electrically insulating component in addition to at least one thermally insulating component.
  • the device may further comprise at least one contact element for electrical contacting of the mechanical-electrical transducer element.
  • it can be a rigid contact element, that is to say a contact element which does not change its shape under the effect of its own weight force or only insignificantly changes its shape.
  • the contact element can have at least one current Include rail, so a rigid element which has current-conducting properties, such as a metallic element.
  • the contact element should preferably be set up in such a way that it has at least partially, for example in sections, an axial flexibility, ie a flexibility in its longitudinal extension direction, for example parallel to the axis of the device. This can for example be achieved in that the contact element is at least partially designed with resilient properties.
  • the contact element for example, the at least one busbar, for example, at least partially allow flexibility in the sensor longitudinal direction in that a double impact is provided.
  • This can be done, for example, analogous to a corrugated board, for example by a bus bar is designed with two outer webs, between which at least one resilient element is provided, for example, a folded metallic sheet.
  • an axial flexibility of the contact element can be provided, in particular in the region of a contacting of the mechanical-electrical Wandlerele- element, for example by the contact element is designed, for example, bent, that this one or more sections having an extension perpendicular to the axis.
  • the one or more contact elements can contribute to a strain relief of the mechanical-electrical transducer element, so that although, for example, a force on the mechanical-electrical transducer element is possible, however, an example impressed by stresses path to the mechanical-electrical Transducer element is reduced. However, this path is important for an error signal generated by the tensions in the mechanical-electrical transducer element, such as a piezo-quartz.
  • the mechanical-electrical transducer element may be mounted directly or indirectly against an insulating body on its side facing away from the combustion chamber side.
  • This insulating body can, for example, have electrically insulating properties.
  • the mechanical-electrical converter element alternatively or additionally, may be mounted directly or indirectly against the sensor housing on its side facing away from the combustion chamber via at least one fixing.
  • the fixation can be, for example, a metallic fixation, for example a metal ring, which can be connected to the sensor housing, for example, in a material-locking and / or positive-locking and / or force-locking manner. Particularly preferred is a welding of the
  • the mechanical-electrical transducer element may be further separated from the sensor housing by at least one sensor holder.
  • this sensor holder can comprise a sensor holder which at least partially surrounds the mechanical-electrical converter element, in particular enclosing it, for example a sensor holder surrounding this converter element concentrically.
  • This sensor holder may for example be configured at least partially as a sleeve.
  • the sensor holder may have, for example, thermally and / or electrically insulating properties and / or vibration-damping properties.
  • the sensor holder may for example wholly or partly made of plastic, ceramic, polyceramic or
  • the sensor holder may also at least partially enclose at least part of the transmission element, for example the thermal insulation body and / or the compensation body. In this way, the two transmission paths described above can be additionally separated from each other.
  • the sensor holder itself should not have direct contact with the membrane, so that the sensor holder itself preferably does not form part of the above-mentioned transmission paths.
  • the sensor holder may comprise and / or enclose further elements of the device, in particular further elements which form part of the second transmission path.
  • the sensor holder can at least partly surround elements, for example the insulating body, on the side of the mechanical-electrical converter element facing away from the combustion chamber.
  • the device may further comprise at least one sealing housing enclosing at least partially the sensor housing, for example a sealing cone housing.
  • This sealing housing can be set up to allow a fixation of the device in a combustion chamber wall, so that at least the membrane can be acted upon by a chamber-side pressure.
  • this fixation may include a non-positive and / or positive fixing, for example screwing into a room wall.
  • a sealing cone on the sealing housing for example, increase the sealing effect, for example, to induce no leaks in a cylinder head.
  • the sealing housing should be configured in this way, for example, be connected to the sensor housing such that the mechanical-electrical transducer element is mounted outside of the combustion chamber.
  • the mechanical-electrical conversion element may be arranged in a region in which temperatures of not more than 200 ° C occur.
  • the sealing housing may for example be connected to the sensor housing in such a way that the sensor housing remains substantially tension-free and / or torsion-free during fixing of the sealing housing in the combustion chamber wall, for example when screwed into a cylinder head, so that no axial stresses and / or torsional stresses be transferred to the mechanical-electrical transducer element.
  • This can be ensured, for example, by virtue of the fact that the sealing housing at least partially surrounds the sensor housing, but is connected to it, for example, only in one area or in several uncritical areas, for example by a cohesive and / or positive connection, for example in the form of a welded seam, preferably a single one
  • Weld for example, a single circumferential weld.
  • Axial stresses and / or torsional stresses in the sealing housing which may occur during fixing in the combustion chamber wall, are then not transferred to the interior of the sensor housing, and thus not to the mechanical-electrical transducer element.
  • transmission of radial stresses can be tolerated to some extent.
  • the sensor housing and the first and / or the second transmission path can thus be configured mechanically decoupled from the sealing housing, for example by the one weld.
  • an axial compression and / or a torsional stress which can be generated in particular by a screwing in within the sealing housing, do not act on the first and / or second transmission path, so that they not or only insignificantly on the pressure measurement or force measurement can affect.
  • the proposed device in one or more of the embodiments described above has numerous advantages over known devices, which have a positive effect in particular when used in gasoline engines.
  • the device is designed such that high temperatures occurring during combustion in the combustion chamber can not or only insignificantly influence the signals.
  • the pressure signal from the combustion chamber can be forwarded within the device into a region in which compatible temperatures for the mechanical-electrical transducer element are present.
  • the proposed structure also enables measurement signal transmission with minimal signal reduction and / or signal transmission. change.
  • external mechanical influences such as the screwing-in torque, are kept away from the second transmission path, ie from the transmission path of the pressure, the force and the electrical signal.
  • the pressure signal can be converted into a force with low losses, forwarded to the measuring element and converted there into an electrical signal, which in turn are led to an evaluation circuit which is integrated in the device itself and / or which is arranged completely or partially outside the device.
  • the mechanical-electrical transducer element and / or the evaluation circuit can be arranged in areas with acceptable temperatures.
  • the components of the device described above can be optimized such that the measurement signal is not affected by mechanical and / or thermal influences.
  • temperature influences and / or mechanical influences which could occur, for example, by the conductor rails, can be minimized by the embodiment according to the invention described above.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an inventive device for detecting a combustion chamber pressure of an internal combustion engine.
  • the device 1 10 for detecting a combustion chamber pressure of an internal combustion engine is shown, which can be used in particular in a gasoline engine or gasoline engine.
  • the device 1 10 comprises a multi-part housing 1 12, with a base body 1 14 and designed as a sealing cone housing 116 sealing housing 1 18, with a combustion chamber side sealing cone 120.
  • the main body 1 14, which for example made of a plastic material and / or a ceramic material can be, picks up a contacting module 122.
  • signals of the device 1 10 can be already completely or partially processed and / or forwarded via one or more not shown in Figure 1 interfaces to the outside.
  • Attached to the main body is the substantially cylindrically shaped sealing housing 1 18, which in turn concentrically a sensor housing
  • This sensor housing 124 encloses.
  • This sensor housing 124 has on its combustion chamber 126 side facing an opening 128 which is closed by a membrane 130.
  • This membrane 130 is adapted to deform when a pressure is exerted from the combustion chamber 126 in a direction of an axis 132 of the device 110.
  • a compensation body 134 is connected to the diaphragm 130 along the axis 132. In turn, this is adjoined in the axial direction by a heat insulation insulator 136, which extends on a first contact region, which extends otherwise perpendicularly to the axis 132, and which is otherwise located in the
  • a piezoelectric quartz 144 can basically, alternatively or in addition to a quartz with piezoelectric properties, be understood to mean any piezoelectric material.
  • a second contact portion 146 which is formed as extending substantially perpendicular to the axis 132 extending portion of an otherwise preferably substantially parallel to the axis 132 extending second Stromschiende 148 , The two contact areas 138 and 146 form contacts and / or electrodes of the piezoelectric
  • electrodes of the piezoelectric quartz 144 may also be configured in other ways and / or as separate from the bus bars 140, 148 components.
  • Quartz 144 connects to the second contact region 146 an insulating 150 at.
  • the insulating body 150 has a combustion chamber-side portion 152 of reduced diameter, which, together with the piezoelectric quartz 144 and the thermal insulation insulator 136, is enclosed by a sensor holder 154.
  • a fixation 156 in the form of a metallic ring adjoins the insulating body in the axial direction on the side facing away from the combustion chamber 126. This metallic ring can, as explained below, for example, with the sensor housing 124th be welded.
  • the metallic ring of the fixing 156 in turn encloses in the illustrated embodiment an insulating sleeve 158, via which the fixing 156 is separated from an extension 160 of the insulating body 150.
  • the device 110 which is designed as a combustion chamber pressure sensor, protrudes on the membrane side into the combustion chamber 126 of the internal combustion engine. Within the diaphragm 130, the pressure applied in the combustion chamber is converted into a force which acts on the compensation body 134.
  • the compensating body 134 has the task of forwarding the force to the thermal insulating body 136, which, together with the compensating body 134, forms a transmission element 162.
  • the compensation body 134 has the task of compensating for different thermal expansions of adjacent components.
  • the piezoelectric quartz 144 is part of a structure that consists of two parallel transmission paths.
  • a first transmission path may include the diaphragm 130, the sensor housing 124, and the fixation 156.
  • a second transmission path may include the membrane 130, the compensation body 134, the thermal insulation insulator 136, the first busbar 140 and its first contact region 136, the piezoelectric quartz 144, the second busbar 148 and its second contact region 146, the insulating body 150 and the fixation 156 include.
  • the inner second transmission path expands differently than the outer, second transmission path enclosing this differential expansion ultimately leads to an additional loading or unloading of the piezo-quartz 144, which is the force effect resulting from the combustion chamber pressure results, superimposed and can not be distinguished from this in the rule.
  • This overlay thus usually leads to a measurement error. Therefore, it is proposed according to the invention to prevent the differential expansion by virtue of the fact that the compensation body 134 is preferably designed with respect to its length and / or its thermal expansion coefficient such that it ensures that the thermal expansion of the inner and outer transmission paths are identical.
  • the thermal insulation insulator 136 has the task of interrupting the heat path from the combustion chamber 126 to the piezo-quartz 144, that is to protect the piezo-quartz 144 against overheating.
  • this preferably also serves as an electrical insulator, which ensures that the electrical charges transferred from the piezoelectric quartz 144 to the busbars 140, 148 are forwarded only on the path provided for this purpose via the busbars 140, 148 itself.
  • the thermal insulation insulator 136 it may be useful or necessary to make the thermal insulation insulator 136 in several parts, and split, for example, in a heat-insulating component and in an electrically insulating component whose materials then for the corresponding Requirements can be optimized.
  • the piezoelectric quartz 144 is made of piezoelectric material and converts a force, here the force resulting from the combustion chamber pressure signal, into an electrical charge which is proportional to the applied force, that is, the applied pressure.
  • the piezo-quartz 144 converts the force via the detour of a change in length into an electrical charge.
  • the electrical charge is, for example, in an evaluation circuit, not shown in Figure 1, which may be wholly or partially included in the contacting module 122, which may alternatively or additionally also be wholly or partially outside the device 110, in one of the charge and / or converted to the force and / or the pressure proportional voltage, which can then be passed to an engine control unit.
  • the bus bars 140, 148 each have substantially the same tasks. On the one hand, they transfer the charges which are generated in the piezo-quartz 144 to the evaluation circuit. As can be caused by tension in the busbars 140, 148 itself, which, for example, by thermal expansion or by internal mechanical stresses after welding the busbars with other components in the rear, the combustion chamber 126 facing away from the device 1 10, also a force on the piezoelectric Quartz 144 may arise, which in turn may generate a fault-relevant measurement signal, the busbars preferably have a strain relief function. The busbars can accordingly, in particular in the region between the insulating body 150 and the fixing 156, have a double impact, which allows a certain flexibility in the sensor longitudinal direction, ie along the axis 132.
  • the bus bars 140, 148 for example, as described above, in the manner of a corrugated cardboard be designed.
  • the busbars 140, 148 also have one or more kinks and / or bends, which serve as spring elements and can ensure the described strain relief.
  • the busbars 140, 148 may be designed to be resilient, ie have an elastic effect in the direction of the axis 132.
  • Insulating body 150 which may be made of, for example, a ceramic material and / or a plastic material, has the primary function of electrically isolating piezoelectric quartz 144 and one or both of bus bars 140, 148, such as second bus bar 148, from adjacent components , Furthermore, the insulating body 150 provides space for the busbars 140, 148, so that they to
  • the insulator 150 preferably also provides space for strain relief strikes 164 and / or other types of spring members of the bus bars 140, 148 to achieve the strain relief effect described above.
  • the fixation 156 which is designed, for example, as a metallic fixation, serves as an abutment for the previously described second transmission path, ie the inner force path. It is preferably welded to the sensor housing 124 in the first transmission path, that is to say the outer force path. The welding can be carried out, for example, by using a pre-tension, which may be necessary so that in each operating state all components lie securely and firmly on top of each other. In addition, such a bias voltage for the operation of the piezo-quartz 144 may be required.
  • the insulating sleeve 158 serves to avoid an electrical short circuit between the busbars 140, 148 and the fixing 156, even under high mechanical loads during use of the device 110, for example mechanical shocks.
  • the first transmission path that is to say the outer force path, likewise begins with the above-described membrane 130 which, for example, can be welded to the sensor housing 124 in the region of the opening 128.
  • the sensor housing 124 serves as Carrier components of the second transmission path, so the inner force path, as well as to protect it from external mechanical influences.
  • the rear end of the sensor housing 124 is, as shown above, preferably welded to the fixation 156. Between the sensor housing 124 and the inner force path of the sensor holder 154 is arranged. This can, for example, completely or partially off
  • Plastic, ceramic, polyceramic or the like for example, as a one-piece, sleeve-shaped part. It may further be configured to receive the piezoelectric quartz 144, the busbars 140, 148, the thermal insulation insulating body 136 and the insulating body 150, and to electrically isolate them from the sensor housing 124.
  • the sensor housing 124 encloses the inner force path and, since the diaphragm 130 and the fixation 156 are welded to the sensor housing 124, in conjunction with the inner and outer force paths, form an independent assembly that incorporates the full sensor function and could theoretically function as a separate sensor ,
  • This sensor-functional module is added in this embodiment, still in the sealing housing 1 18, for example, welded into the sealing cone housing 116.
  • a structure can be achieved, which can be screwed by a user in a cylinder head. When screwing in, high torques (bolting moments) and high axial preloads arise.
  • the sensor function assembly is preferably welded only at one point circumferentially in the sealing cone housing 116. A transmission of axial preload forces or torques on the sensor function module is thus preferably largely excluded.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Otto-Motors, vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) umfasst ein Sensorgehäuse (124), welches eingerichtet ist, um zumindest teilweise in einen Brennraum (126) der Brennkraftmaschine eingebracht zu werden. Das Sensorgehäuse (124) weist brennraumseitig eine durch mindestens eine Membran (130) verschlossene Öffnung (128) auf. Innerhalb des Sensorgehäuses (124) ist mindestens ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement (142) aufgenommen. Weiterhin ist mindestens ein von dem Sensorgehäuse (124) getrennt ausgebildetes Übertragungselement (162) zur Übertragung einer Verformung der Membran (130) auf das mechanischelektrische Wandlerelement (142) vorgesehen.

Description

Beschreibung
Titel
Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, welche insbesondere in Otto-Motoren bzw. Benzinmotoren einsetzbar ist. Derartige Vorrichtungen bilden einen wesentlichen Bestandteil modemer Motorregelungen, da der Brennraumdruck insbesondere zum Zweck einer Reduzierung von Verbrauch und Emissionen sehr genau erfasst werden muss.
Aus dem Stand der Technik sind daher Vorrichtungen zur Erfassung des Brennraumdrucks bekannt, welche jedoch überwiegend für Dieselmotoren entwickelt wurden. So beschreibt beispielsweise DE 10 2005 035 062 A1 eine Vorrichtung zur Erfassung des
Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, welche eine Glühstiftkerze mit einem sich in einer Einbaurichtung der Glühstiftkerze erstreckenden Gehäusemantel und einem in der Glühstiftkerze aufgenommenen Druckerfassungselement aufweist. Der Gehäusemantel der Glühstiftkerze wird zur Übertragung des Brennraumdrucks auf das Drucker- fassungselement eingesetzt. WO 2006/089446 A1 beschreibt ein Bauteil zum Einbau in Kraft- oder Drucksensoren, insbesondere in eine Glühkerze. Das Bauteil umfasst ein scheibenförmiges oder lochscheibenförmiges Messelement aus piezoelektrischem Material sowie beiderseitig des Messelements anliegende lochscheibenförmige oder scheibenförmige Elektroden mit Kontaktstellen für den Kontakt zu Leitungen. Weiterhin sind ein oder mehrere beidseitig außerhalb der Elektroden angeordnete Übertragungskörper vorgesehen.
Großserientaugliche Brennraumdrucksensoren, welche als Stand-Alone- Brennraumdrucksensoren insbesondere für Otto-Motoren einsetzbar sind, sind jedoch aus dem Stand der Technik derzeit nicht bekannt. Die für Dieselmotoren entwickelten
Konzepte lassen sich jedoch nicht ohne weiteres auch auf Otto-Motoren übertragen. Generell treten bei der Konstruktion von Brennraumdrucksensoren, insbesondere für Otto-Motoren, zahlreiche technische Herausforderungen auf. So treten durch die Verbrennung im Brennraum des Verbrennungsmotors hohe Temperaturen auf, welchen aktuelle Mess- und Auswerteprinzipien in der Regel nicht standhalten. Weiterhin müssen die Vorrichtungen innerhalb eines breiten Temperaturbereichs störungsfrei ar- beiten, ohne dass sich Messsignale durch thermische Spannungen ändern. Äußere mechanische Einflüsse, wie beispielsweise Einschraubmomente beim Einbringen der Vorrichtung in eine Brennraumwand, beispielsweise ein Zylinderkopf, dürfen sich nicht auf die Qualität der Signale auswirken oder die Messsignale der Vorrichtungen verändern.
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher eine Vorrichtung zur Erfassung eins Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche diesen Herausforderungen gerecht wird. Die Vorrich- tung ist insbesondere in Otto-Motoren einsetzbar. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorgehäuse, also ein Element, welches weitere Bauelemente ganz oder teilweise umschließt, beispielsweise ein zumindest teilweise hohlzylinderförmig ausgestaltetes Sensorgehäuse. Das Sensorgehäuse kann beispielsweise aus einem metallischen Material hergestellt sein und ist eingerichtet, um zumindest teilweise in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht zu werden. Beispielsweise kann das
Sensorgehäuse direkt oder indirekt in einer Brennraumwand der Brennkraftmaschine fixiert werden, so dass das Sensorgehäuse zumindest teilweise, beispielsweise mit seinem vorderen Ende, in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragt.
Das Sensorgehäuse weist brennraumseitig eine durch mindestens eine Membran verschlossene Öffnung auf. Beispielsweise kann es sich dabei um eine kreisförmige oder polygonale Öffnung handeln. Unter einer Membran kann dabei beispielsweise ein zumindest in einer Richtung verformbares oder bewegliches Element verstanden werden, welches sich beispielsweise senkrecht zu einer Achse des Sensorgehäuse erstreckt, dessen laterale Ausdehnung seine Dicke vorzugsweise um mindestens einen Faktor
10, insbesondere um mindestens einen Faktor 100, überschreitet. Die Membran kann beispielsweise als metallische Membran, beispielsweise als Metallfolie, ausgestaltet sein und kann auch einstückig mit dem Sensorgehäuse ausgebildet werden und/oder mit dem Sensorgehäuse im Bereich der Öffnung kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das
Sensorgehäuse zumindest im Bereich der Öffnung hohlzylindrisch ausgebildet ist, wobei die Membran beispielsweise als metallische Membran beispielsweise auf das Sen- sorgehäuse auf den die Öffnung umgebenden Rand des Sensorgehäuses aufgeschweißt ist. Auch eine andere Art der Verbindung mit dem Sensorgehäuse ist jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise eine kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise durch eine Überwurfmutter. Die Membran sollte die Öffnung vorzugsweise vollständig druckdicht verschließen, zumindest im Bereich üblicherweise in Brennräumen auftretender Drücke.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin in dem Sensorgehäuse mindestens ein mechanischelektrisches Wandlerelement. Hierunter ist allgemein ein Element zu verstehen, wel- ches mechanische Einwirkungen, beispielsweise eine Krafteinwirkung und/oder eine
Druckeinwirkung und/oder eine Längenänderung des Wandlerelements, in elektrische Signale umwandeln kann. Im Folgenden wird im Wesentlichen Bezug genommen auf piezoelektrische Wandlerelemente. Alternativ oder zusätzlich kann das mechanischelektrische Wandlerelement jedoch auch andere Arten von Wandlerelementen umfas- sen, die zur Umwandlung mechanischer in elektrische Signale eingerichtet sind.
Weiterhin weist die Vorrichtung mindestens ein von dem Sensorgehäuse getrennt ausgebildetes Übertragungselement zur Übertragung einer Verformung der Membran auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement auf. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Brennraumdruck-bedingte Durchbiegung der Membran über das Übertragungselement auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden, so dass ein elektrisches Signal entsprechend der Durchbiegung der Membran und somit entsprechend des Brennraumdrucks erzeugt werden kann. Unter einem Übertragungselement ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Element zu verstehen, mittels dessen, vorzugsweise im Wesentlichen starr, Bewegungen und/oder Verformungen der Membran auch axial auf das mechanisch elektrische Wandlerelement übertragen werden können. Beispielsweise kann das Übertragungselement im Wesentlichen stabförmig ausgestaltet sein und kann vorzugsweise auf einer Achse der Vorrichtung gelagert sein. Das Übertragungselement kann auch mehrteilig ausgestaltet werden.
Das Übertragungselement ist, wie oben dargestellt, getrennt von dem Sensorgehäuse ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Übertragungspfade aufweist, über welche Kräfte und/oder Längenänderungen von unmittelbar dem Brennraum ausgesetzten Bestandteilen der Vorrichtung, beispielsweise der Membran und/oder einer dem Brennraum zuweisenden Stirnseite des Sensorgehäuses, auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden können. So kann beispielsweise das Sensorgehäuse selbst ein Teil eines ersten Übertragungspfades sein, - A -
und das Übertragungselement Teil eines zweiten Übertragungspfades, welche im Wesentlichen nicht an den ersten Übertragungspfad gekoppelt ist. Über den ersten Übertragungspfad und den zweiten Übertragungspfad können beispielsweise jeweils thermisch bedingte Ausdehnungen der Vorrichtung auf das mechanisch-elektrische Wand- lerelement übertragen werden, und zwar vorzugsweise im Wesentlichen ohne Kopplung der beiden Pfade. Dies wird unten noch näher ausgeführt. Der erste Übertragungspfad kann den zweiten Übertragungspfad konzentrisch umschließen.
Da über beide Übertragungspfade thermisch bedingte Ausdehnungen der Vorrichtung auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragbar sind, ist es besonders bevorzugt, wenn die Vorrichtung mindestens einen Kompensationskörper zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen in den beiden Übertragungspfaden aufweist. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Übertragungselement selbst mindestens einen Kompensationskörper umfasst, welcher eingerichtet ist, um unterschied- liehe thermische Ausdehnungen zwischen dem ersten Übertragungspfad und dem zweiten Übertragungspfad auszugleichen. So kann beispielsweise der Kompensationskörper bezüglich seiner Länge und seines Wärmeausdehnungskoeffizienten derart eingerichtet werden, dass dieser zumindest innerhalb typischer Temperaturbereiche, denen die Vorrichtung ausgesetzt sein kann, dafür sorgt, dass die Wärmeausdehnun- gen des ersten und des zweiten Übertragungspfades zumindest weitgehend identisch sind, beispielsweise im Rahmen einer tolerierbaren Abweichung von nicht mehr als 20%, insbesondere nicht mehr als 10% und vorzugsweise nicht mehr als 5%.
Beispielsweise können beim Kaltstart kurzfristig Temperaturen von -40°C vorliegen. Im Betrieb wird sich der beschriebene Übertragungspfad typischerweise nicht homogen durchwärmen, sondern es wird sich in der Regel ein Temperaturgradient vom Brennraum, beispielsweise bei einer Membran-Temperatur bis circa 5500C, bis hin zum mechanisch-elektrischen Wandlerelement, beispielsweise einer Temperatur des Piezo- Quarzes von circa bis zu 2000C, einstellen. Die Temperaturkompensation kann dann beispielsweise anhand von empirisch ermittelten, beispielsweise durch Motormessungen ermittelten, Temperaturgradienten, erfolgen. Eine Temperaturkompensation ist typischerweise nur entweder für homogene Temperaturen oder für Temperaturgradienten, insbesondere homogene Temperaturgradienten, realisierbar. Vorzugsweise wird die Temperaturkompensation so ausgelegt, dass eine Vorspannkraft, beispielsweise eine Vorspannkraft des mechanisch-elektrischen Wandlerelements, sich beim Übergang von einem Leerlauf-Temperaturgradienten zu einem Volllast- Temperaturgradienten oder umgekehrt nicht oder nur unwesentlich ändert. Eine Ände- rung der Vorspannkraft durch Änderung der Umgebungstemperatur kann in diesem Fall in der Regel toleriert werden, da typischerweise eine hohe Zeitkonstante vorliegt und zumeist insbesondere in Verbindung mit einem Reset eines Messsignals, beispielsweise nach jedem Zyklus, die Beeinflussung des Messsignals vernachlässigbar ist. Somit kann beispielsweise gewährleistet werden, dass über den typischerweise auftretenden Temperaturbereich hinweg, in welchem die Vorrichtung eingesetzt wird, möglichst kein rein thermisch bedingtes Wandlersignal bzw. eine Änderung des Wandlersignals des mechanisch-elektrischen Wandlers aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungen im ersten Übertragungspfad und im zweiten Übertragungspfad auftritt. Wie o- ben dargestellt, kann dies jedoch auch, alternativ oder zusätzlich, durch eine Anordnung des mindestens einen Kompensationskörpers an einer anderen Stelle in einem der beiden Übertragungspfade erreicht werden und/oder durch eine geeignete Materialwahl der an den Übertragungspfaden beteiligten Elemente.
Alternativ oder zusätzlich zu dem mindestens einen Kompensationskörper kann das
Übertragungselement, welches auch mehrteilig aufgebaut sein kann, auch mindestens einen Wärmeschutz-Isolationskörper mit thermisch isolierenden Eigenschaften aufweisen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass über das Übertragungselement keine hohen Temperaturen und/oder großen Wärmemengen vom Brennraum her auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden, welche dieses schädigen könnten. Beispielsweise kann der Wärmeschutz-Isolierkörper mindestens ein keramisches Material umfassen, welches hohe thermisch isolierende Eigenschaften aufweisen kann. Auch andere Arten von Materialien sind möglich. So ist der Wärmeschutz-Isolierkörper auch mehrteilig aufbaubar. Alternativ oder zusätzlich zu einer thermischen Isolation kann der Wärmeschutz-Isolierkörper weiterhin auch elektrisch i- solierende Eigenschaften aufweisen. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass der Wärmeschutz-Isolierkörper mit dem thermisch isolierenden Eigenschaften selbst auch elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Alternativ kann jedoch auch ein mehrteiliger Aufbau vorgesehen sein, bei welchem der Wärmeschutz-Isolierkörper ne- ben mindestens einem thermisch isolierenden Bauelement mindestens ein elektrisch isolierendes Bauelement aufweist.
Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kon- taktierung des mechanisch-elektrischen Wandlerelements umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um ein steifes Kontaktelement handelt, also ein Kontaktelement, welches unter Einwirkung seiner eigenen Gewichtskraft seine Form nicht oder nur unwesentlich ändert. Insbesondere kann das Kontaktelement mindestens eine Strom- schiene umfassen, also ein steifes Element, welches stromleitende Eigenschaften aufweist, beispielsweise ein metallisches Element. Das Kontaktelement soll dabei vorzugsweise derart eingerichtet sein, dass dieses zumindest teilweise, beispielsweise abschnittsweise, eine axiale Flexibilität aufweist, d.h. eine Flexibilität in seiner Längs- erstreckungsrichtung, beispielsweise parallel zur Achse der Vorrichtung. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Kontaktelement zumindest teilweise mit federnden Eigenschaften ausgestaltet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Kontaktelement, beispielsweise die mindestens eine Stromschiene, beispielsweise zumindest abschnittsweise eine Flexibilität in Sensorlängsrichtung dadurch ermögli- chen, dass ein doppelter Schlag vorgesehen wird. Dies kann beispielsweise analog zu einer Wellpappe erfolgen, beispielsweise indem eine Stromschiene mit zwei Außenbahnen ausgestaltet wird, zwischen welchen mindestens ein federndes Element vorgesehen ist, beispielsweise eine gefaltete metallische Bahn. Auf diese Weise kann insbesondere im Bereich einer Kontaktierung des mechanisch-elektrischen Wandlerele- ments eine axiale Flexibilität des Kontaktelements vorgesehen werden, beispielsweise indem das Kontaktelement derart gestaltet wird, beispielsweise gebogen wird, dass dieses einen oder mehrere Abschnitte mit einer Erstreckung senkrecht zur Achse aufweist. Auf diese oder auf andere Weise Weise können die ein oder mehreren Kontaktelemente zu einer Zugentlastung des mechanisch-elektrischen Wandlerelements bei- tragen, so dass zwar beispielsweise eine Krafteinwirkung auf das mechanischelektrische Wandlerelement möglich ist, jedoch ein beispielsweise durch Verspannungen eingeprägter Weg auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement reduziert wird. Dieser Weg ist jedoch von Bedeutung für ein durch die Verspannungen erzeugte Fehlersignal im mechanisch-elektrischen Wandlerelement, beispielsweise einem Piezo- Quarz.
Das mechanisch-elektrische Wandlerelement kann auf seiner von dem Brennraum abgewandten Seite direkt oder indirekt gegen einen Isolierkörper gelagert sein. Dieser I- solierkörper kann beispielsweise elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Wei- terhin kann das mechanisch-elektrische Wandlerelement, alternativ oder zusätzlich, auf seiner von dem Brennraum abgewandten Seite über mindestens eine Fixierung direkt oder indirekt gegen das Sensorgehäuse gelagert sein. Die Fixierung kann beispielsweise eine metallische Fixierung sein, beispielsweise ein Metallring, welcher beispielsweise stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Sensor- gehäuse verbunden werden kann. Besonders bevorzugt ist eine Verschweißung der
Fixierung mit dem Sensorgehäuse. Auch andere Fixierungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Das mechanisch-elektrische Wandlerelement kann von dem Sensorgehäuse weiterhin durch mindestens einen Sensorhalter getrennt sein. Insbesondere kann dieser Sensorhalter einen das mechanisch-elektrische Wandlerelement zumindest teilweise um- gebenden, insbesondere umschließenden, Sensorhalter umfassen, beispielsweise einen dieses Wandlerelement konzentrisch umschließenden Sensorhalter. Dieser Sensorhalter kann beispielsweise zumindest teilweise als Hülse ausgestaltet sein. Der Sensorhalter kann beispielsweise thermisch und/oder elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen und/oder vibrationsdämpfende Eigenschaften. Der Sensorhalter kann beispielsweise ganz oder teilweise aus Kunststoff, Keramik, Polykeramik oder
Kombinationen der genannten und/oder anderer Materialien hergestellt sein. Der Sensorhalter kann auch zumindest einen Teil des Übertragungselements zumindest teilweise umschließen, beispielsweise den Wärmeschutz-Isolationskörper und/oder den Kompensationskörper. Auf diese Weise können die beiden oben beschriebenen Über- tragungspfade zusätzlich voneinander getrennt werden. Der Sensorhalter sollte selbst keinen direkten Kontakt mit der Membran aufweisen, so dass der Sensorhalter selbst vorzugsweise keinen Bestandteil der oben genannten Übertragungspfade bildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensorhalter weitere Elemente der Vorrichtung umfassen und/oder umschließen, insbesondere weitere Elemente, welche Teil des zweiten Übertragungspfades bilden. So kann der Sensorhalter beispielsweise auf der brenn- raum-abgewandten Seite des mechanisch-elektrischen Wandlerelements Elemente zumindest teilweise umschließen, beispielsweise den Isolierkörper.
Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens ein das Sensorgehäuse zumindest teilwei- se umschließendes Dichtgehäuse umfassen, beispielsweise ein Dichtkonusgehäuse.
Dieses Dichtgehäuse kann eingerichtet sein, um eine Fixierung der Vorrichtung in einer Brennraumwand zu ermöglichen, so dass zumindest die Membran mit einem brenn- raumseitigen Druck beaufschlagt werden kann. Beispielsweise kann diese Fixierung eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Fixierung umfassen, beispielsweise ein Einschrauben in eine B renn raumwand. Ein Dichtkonus an dem Dichtgehäuse kann beispielsweise die Dichtwirkung erhöhen, um beispielsweise keine Undichtigkeiten in einem Zylinderkopf zu induzieren. Das Dichtgehäuse soll dabei derart ausgestaltet sein, beispielsweise derart mit dem Sensorgehäuse verbunden sein, dass das mechanisch-elektrische Wandlerelement außerhalb des Brennraums gelagert ist. Wie oben dargestellt, kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass lediglich ein Teil der Vorrichtung in den Brennraum hineinragt, insbesondere ein die Membran umfassender Teil der Vorrichtung, wohingegen das mindestens eine mechanisch-elektrische Wand- lerelement außerhalb des Brennraums gelagert ist, vorzugsweise in einem Bereich, in welchem lediglich moderate Temperaturen im Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten. Beispielsweise kann das mechanisch-elektrische Wandlerelement in einem Bereich angeordnet sein, in welchem Temperaturen von nicht mehr als 200°C auftreten.
Das Dichtgehäuse kann beispielsweise derart mit dem Sensorgehäuse verbunden sein, dass das Sensorgehäuse beim Fixieren des Dichtgehäuses in der Brennraumwand, beispielsweise beim Einschrauben in einen Zylinderkopf, im Wesentlichen axial spannungsfrei und/oder torsionsspannungsfrei bleibt, so dass keine axialen Spannun- gen und/oder Torsionsspannungen auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass das Dichtgehäuse das Sensorgehäuse zumindest teilweise umschließt, mit diesem jedoch beispielsweise lediglich in einem Bereich oder in mehreren unkritischen Bereichen verbunden wird, beispielsweise durch eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Ver- bindung, beispielsweise in Form einer Schweißnaht, vorzugsweise einer einzigen
Schweißnaht, beispielsweise einer einzigen umlaufenden Schweißnaht. Axiale Spannungen und/oder Torsionsspannungen im Dichtgehäuse, welche beim Fixieren in der Brennraumwand auftreten können, werden dann nicht auf das Innere des Sensorgehäuses übertragen, und somit nicht auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement. Eine Übertragung radialer Spannungen kann jedoch im gewissen Umfang toleriert werden. Das Sensorgehäuse und der erste und/oder der zweite Übertragungspfad können somit mechanisch vom Dichtgehäuse entkoppelt ausgestaltet sein, beispielsweise durch die eine Schweißnaht. So können beispielsweise eine axiale Stauchung und/oder eine Torsionsspannung, die insbesondere durch ein Einschraubmoment in- nerhalb des Dichtgehäuses erzeugt werden können, nicht auf den ersten und/oder zweiten Übertragungspfad wirken, so dass sich diese nicht oder nur unwesentlich auf die Druckmessung beziehungsweise Kraftmessung auswirken können.
Die vorgeschlagene Vorrichtung in einer oder mehreren der oben beschriebenen Aus- führungsformen weist gegenüber bekannten Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf, welche sich insbesondere beim Einsatz in Otto-Motoren positiv bemerkbar machen. So ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass bei der Verbrennung im Brennraum auftretende hohe Temperaturen die Signale nicht oder nur unwesentlich beeinflussen können. Das Drucksignal aus dem Brennraum kann innerhalb der Vorrichtung in einen Be- reich weitergeleitet werden, in welchem für das mechanisch-elektrische Wandlerelement verträgliche Temperaturen vorliegen. Der vorgeschlagene Aufbau ermöglicht zudem eine Messsignalübertragung mit minimaler Signalverminderung und/oder Signal- veränderung. Weiterhin werden äußere mechanische Einflüsse, wie beispielsweise das Einschraubmoment, vom zweiten Übertragungspfad, also vom Übertragungspfad des Druckes, der Kraft und des elektrischen Signals ferngehalten. Durch den vorgeschlagenen zweiten Übertragungspfad, welcher als relevanter Kraftpfad eingesetzt werden kann und dessen Übertragung von dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement aufgenommen wird, kann das Drucksignal mit geringen Verlusten in eine Kraft umgewandelt werden, zum Messelement weitergeleitet werden und dort in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, welches wiederum zu einer - in der Vorrichtung selbst integrierten und/oder ganz oder teilweise außerhalb der Vorrichtung angeordneten - Aus- werteschaltung geführt werden. Das mechanisch-elektrische Wandlerelement und/oder die Auswerteschaltung können dabei in Bereichen mit verträglichen Temperaturen angeordnet werden. Weiterhin können die oben beschriebenen Bauteile der Vorrichtung derart optimiert werden, dass das Messsignal nicht beeinträchtigt wird durch mechanische und/oder thermische Einflüsse. So können insbesondere Temperatureinflüsse und/oder mechanische Einflüsse, welche beispielsweise durch die Stromschienen auftreten könnten, durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung minimiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigt:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine.
Ausführungsbeispiel
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 10 zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine dargestellt, welche insbesondere in einem Benzinmotor bzw. Otto-Motor eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung 1 10 umfasst ein mehrteilig aufgebautes Gehäuse 1 12, mit einem Grundkörper 1 14 und einem als Dichtkonusgehäuse 116 ausgestalteten Dichtgehäuse 1 18, mit einem brennraumseitigen Dichtkonus 120. Der Grundkörper 1 14, welcher beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und/oder einem keramischen Material gefertigt sein kann, nimmt ein Kontaktierungsmodul 122 auf. In diesem Kontaktierungsmodul 122 können Signale der Vorrichtung 1 10 bereits ganz oder teilweise verarbeitet werden und/oder über ein oder mehrere in Figur 1 nicht dargestellte Schnittstellen nach außen weitergeleitet werden. An den Grundkörper angesetzt ist das im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltete Dichtgehäuse 1 18, welches wiederum konzentrisch ein Sensorgehäuse
124 umschließt. Dieses Sensorgehäuse 124 weist an seiner einem Brennraum 126 zuweisenden Seite eine Öffnung 128 auf, welche durch eine Membran 130 verschlossen ist. Diese Membran 130 ist eingerichtet, um sich bei Einwirkungen eines Drucks aus dem Brennraum 126 in einer Richtung einer Achse 132 der Vorrichtung 1 10 zu verformen bzw. zu verbiegen.
Im Inneren des Sensorgehäuses 124 ist entlang der Achse 132 an die Membran 130 ein Kompensationskörper 134 angeschlossen. An diesem wiederum schließt sich in a- xialer Richtung ein Wärmeschutz-Isolierkörper 136 an, welcher auf einem sich senk- recht zur Achse 132 ausdehnenden ersten Kontaktbereich einer sich ansonsten im
Wesentlichen parallel zur Achse 132 erstreckenden ersten Stromschiene 140 mündet. An diesen schließt sich ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement 142 in Form eines Piezo-Quarzes 144 an. Unter einem Piezo-Quarz 144 kann dabei grundsätzlich, alternativ oder zusätzlich zu einem Quarz mit piezoelektrischen Eigenschaften, ein belie- biges piezoelektrisches Material verstanden werden. Auf der dem Brennraum 126 abgewandten Seite des Piezo-Quarzes 144 schließt sich in axialer Richtung ein zweiter Kontaktbereich 146 an, welcher als sich im Wesentlichen senkrecht zur Achse 132 ausdehnender Abschnitt einer ansonsten sich vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Achse 132 erstreckenden zweiten Stromschiende 148 ausgebildet ist. Die beiden Kontaktbereiche 138 und 146 bilden Kontaktierungen und/oder Elektroden des Piezo-
Quarzes 144. Alternativ können Elektroden des Piezo-Quarzes 144 auch auf andere Weise ausgestaltet werden und/oder als von den Stromschienen 140, 148 getrennte Bauelemente.
In axialer Richtung auf der dem Brennraum 126 abgewandten Seite des Piezo-
Quarzes 144 schließt sich an den zweiten Kontaktbereich 146 ein Isolierkörper 150 an. Der Isolierkörper 150 weist einen brennraumseitigen Abschnitt 152 mit verringertem Durchmesser auf, welcher, gemeinsam mit dem Piezo-Quarz 144 und dem Wärmeschutz-Isolierkörper 136, von einem Sensorhalter 154 umschlossen ist. An den Isolier- körper schließt sich in axialer Richtung auf der dem Brennraum 126 abgewandten Seite eine Fixierung 156 in Form eines metallischen Rings an. Dieser metallische Ring kann, wie unten näher ausgeführt wird, beispielsweise mit dem Sensorgehäuse 124 verschweißt sein. Der metallische Ring der Fixierung 156 umschließt seinerseits in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Isolierhülse 158, über welche die Fixierung 156 von einem Fortsatz 160 des Isolierkörpers 150 getrennt ist.
Die Vorrichtung 110, welche als Brennraumdrucksensor ausgestaltet ist, ragt memb- ranseitig in den Brennraum 126 der Brennkraftmaschine hinein. Innerhalb der Membran 130 wird der im Brennraum anliegende Druck in eine Kraft gewandelt, die auf den Kompensationskörper 134 wirkt. Der Kompensationskörper 134 hat einerseits die Aufgabe, die Kraft an den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 weiter zu leiten, welcher, ge- meinsam mit dem Kompensationskörper 134, ein Übertragungselement 162 bildet. Andererseits hat der Kompensationskörper 134 die Aufgabe, unterschiedliche Wärmeausdehnungen von benachbarten Bauteilen zu kompensieren.
So ist der Piezo-Quarz 144 Teil eines Aufbaus, der aus zwei parallelen Übertragungs- pfaden besteht. Ein erster Übertragungspfad kann die Membran 130, das Sensorgehäuse 124 und die Fixierung 156 umfassen. Ein zweiter Übertragungspfad kann die Membran 130, den Kompensationskörper 134, den Wärmeschutz-Isolierkörper 136, die erste Stromschiene 140 bzw. deren ersten Kontaktbereich 136, den Piezo-Quarz 144, die zweite Stromschiene 148 bzw. deren zweiten Kontaktbereich 146, den Isolierkörper 150 und die Fixierung 156 umfassen. Bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Bauteile dehnt sich der innere, zweite Übertragungspfad anders aus als der diesen umschließende äußere, zweite Übertragungspfad Dieses unterschiedliche Ausdehnen führt letztlich zur einer zusätzlichen Be- oder Entlastung des Piezo-Quarzes 144, die sich der Kraftwirkung, die aus dem Brennraumdruck resultiert, überlagert und von dieser in der Regel nicht unterschieden werden kann. Diese Überlagerung führt somit in der Regel zu einem Messfehler. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das unterschiedliche Ausdehnen dadurch zu unterbinden, dass der Kompensationskörper 134 vorzugsweise bezüglich seiner Länge und/oder seines Wärmeausdehnungskoeffizienten so ausgelegt ist, dass dieser dafür sorgt, dass die Wärmeausdehnung des inneren und des äußeren Übertragungspfades identisch sind.
Diese Ausdehnung ist jedoch in vielen Fällen lediglich für eine bestimmte Temperatur bzw. einen bestimmten Temperaturgradienten möglich. Dennoch kann mittels einer geeigneten Materialwahl des Kompensationskörpers 134 im relevanten Temperaturbereich der Vorrichtung 110 zumindest eine Minimierung von Ausdehnungsfehlern, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen in den zwei Übertragungspfaden erzeugt werden, erreicht werden. Der Wärmeschutz-Isolierkörper 136 hat einerseits die Aufgabe, den Wärmepfad vom Brennraum 126 zum Piezo-Quarz 144 zu unterbrechen, also den Piezo-Quarz 144 vor Überhitzung zu schützen. Andererseits dient dieser vorzugsweise auch als elektrischer Isolator, der dafür sorgt, dass die vom Piezo-Quarz 144 an die Stromschienen 140, 148 übertragenen elektrischen Ladungen nur auf dem dafür vorgesehenen Weg über die Stromschienen 140, 148 selbst weitergeleitet werden. Je nach konkreten Anforderungen an die elektrische Isolation und/oder die Wärmeisolation kann es sinnvoll oder notwendig sein, den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 mehrteilig auszugestalten, und beispielsweise in ein wärmeisolierendes Bauteil und in ein elektrisch isolierendes Bau- teil aufzuteilen, deren Materialien dann für die entsprechenden Anforderungen optimiert werden können.
Der Piezo-Quarz 144 ist aus piezoelektrischem Material hergestellt und wandelt eine Kraft, hier die Kraft, die aus dem Brennraumdrucksignal resultiert, in eine elektrische Ladung um, welche proportional zur aufgebrachten Kraft ist, das heißt hier zum aufgebrachten Druck. Der Piezo-Quarz 144 wandelt die Kraft über den Umweg einer Längenänderung in eine elektrische Ladung um. Die elektrische Ladung wird beispielsweise in einer in Figur 1 nicht dargestellten Auswerteschaltung, welche ganz oder teilweise in dem Kontaktierungsmodul 122 aufgenommen sein kann, welche jedoch alternativ oder zusätzlich auch ganz oder teilweise außerhalb der Vorrichtung 110 aufgenommen sein kann, in eine der Ladung und/oder der Kraft und/oder dem Druck proportionale Spannung umgewandelt, welche dann an ein Motorsteuerungsgerät weitergegeben werden kann.
Die Stromschienen 140, 148 haben jeweils im Wesentlichen dieselben Aufgaben. Sie übertragen einerseits die Ladungen, die im Piezo-Quarz 144 erzeugt werden, an die Auswerteschaltung. Da durch Verspannungen in den Stromschienen 140, 148 selbst, welche beispielsweise durch Wärmeausdehnungen oder durch interne mechanische Spannungen nach dem Verschweißen der Stromschienen mit anderen Bauteilen im hinteren, dem Brennraum 126 abgewandten Teil der Vorrichtung 1 10 entstehen können, ebenfalls eine Kraftwirkung auf den Piezo-Quarz 144 entstehen kann, welche wiederum ein fehlerrelevantes Messsignal erzeugen kann, haben die Stromschienen vorzugsweise eine Zugentlastungsfunktion. Die Stromschienen können dementsprechend, insbesondere im Bereich zwischen dem Isolierkörper 150 und der Fixierung 156, einen doppelten Schlag aufweisen, der eine gewisse Flexibilität in Sensorlängsrichtung, also entlang der Achse 132, ermöglicht. Zu diesem Zweck können die Stromschienen 140, 148 beispielsweise, wie oben beschrieben, in der Art einer Wellpappe ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können, wie in Figur 1 angedeutet, die Stromschienen 140, 148 auch einen oder mehrere Knicke und/oder Biegungen aufweisen, welche als Federelemente dienen und die beschriebene Zugentlastung gewährleisten können. Auch auf andere Weise können die Stromschienen 140, 148 federnd ausgestaltet sein, d.h. eine elastische Wirkung in Richtung der Achse 132 aufweisen.
Durch die genannte Flexibilität wird zwar die Kraftwirkung von Verspannungen auf den Piezo-Quarz 144 nicht reduziert, jedoch wird erreicht, dass der eingeprägte Weg reduziert wird. Und der eingeprägte Weg, also die Änderung des Piezo-Quarzes 144, ist ausschlaggebend für das erzeugte Fehlersignal im Piezo-Quarz 144.
Der Isolierkörper 150, welcher beispielsweise aus einem keramischen Material und/oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein kann, hat die Hauptfunktion, den Piezo-Quarz 144 und eine oder beide der Stromschienen 140, 148, beispielsweise die zweite Stromschiene 148, elektrisch von benachbarten Bauteilen zu isolieren. Weiter- hin bietet der Isolierkörper 150 Raum für die Stromschienen 140, 148, damit diese zur
Auswerteschaltung geführt werden können. Insbesondere bietet der Isolierkörper 150 vorzugsweise auch Raum für Zugentlastungsschläge 164 und/oder andere Arten von Federelementen der Stromschienen 140, 148, um die oben beschriebene Zugentlastungswirkung zu erzielen.
Die Fixierung 156, welche beispielsweise als metallische Fixierung ausgestaltet ist, dient als Widerlager für den zuvor beschriebenen zweiten Übertragungspfad, also den inneren Kraftpfad. Sie wird mit dem Sensorgehäuse 124 im ersten Übertragungspfad, also dem äußeren Kraftpfad, vorzugsweise verschweißt. Die Verschweißung kann bei- spielsweise unter Anwendung einer Vorspannung erfolgen, welche erforderlich sein kann, damit in jedem Betriebszustand alle Bauteile sicher und fest aufeinander liegen. Zudem kann eine derartige Vorspannung für die Betriebsweise des Piezo-Quarzes 144 erforderlich sein.
Die Isolierhülse 158 dient dazu, einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Stromschienen 140, 148 und der Fixierung 156 zu vermeiden, auch unter hohen mechanischen Belastungen im Einsatz der Vorrichtung 1 10, beispielsweise mechanischen Erschütterungen.
Der erste Übertragungspfad, also der äußere Kraftpfad, beginnt ebenfalls mit der oben beschriebenen Membran 130, welche beispielsweise an das Sensorgehäuse 124 im Bereich der Öffnung 128 angeschweißt sein kann. Das Sensorgehäuse 124 dient als Träger der Bauteile des zweiten Übertragungspfads, also des inneren Kraftpfads, sowie dazu, diesen von äußeren mechanischen Einflüssen zu schützen. Das hintere Ende des Sensorgehäuses 124 ist, wie oben dargestellt, vorzugsweise mit der Fixierung 156 verschweißt. Zwischen dem Sensorgehäuse 124 und dem inneren Kraftpfad ist der Sensorhalter 154 angeordnet. Dieser kann beispielsweise ganz oder teilweise aus
Kunststoff, Keramik, Polykeramik oder Ähnlichem hergestellt sein, beispielsweise als einstückiges, hülsenförmiges Teil. Er kann weiterhin dazu eingerichtet sein, den Piezo- Quarz 144, die Stromschienen 140, 148, den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 und den Isolierkörper 150 auszurichten, aufzunehmen und elektrisch gegenüber dem Sensor- gehäuse 124 zu isolieren.
Das Sensorgehäuse 124 umschließt den inneren Kraftpfad und bildet, da die Membran 130 und die Fixierung 156 mit dem Sensorgehäuse 124 verschweißt sind, im Zusammenspiel mit dem inneren und dem äußeren Kraftpfad eine eigenständige Baugruppe, die die volle Sensorfunktion beinhaltet und theoretisch als eigener Sensor fungieren könnte. Diese Sensor-Funktionsbaugruppe ist in diesem Ausführungsbeispiel noch in dem Dichtgehäuse 1 18 aufgenommen, beispielsweise in das Dichtkonusgehäuse 116 eingeschweißt. Damit kann ein Aufbau erreicht werden, der von einem Anwender in einen Zylinderkopf eingeschraubt werden kann. Beim Einschrauben entstehen hohe Drehmomente, (Anschraubmomente) und hohe axiale Vorspannungen. Diese axialen
Vorspannungen könnten, würden diese auf die Sensor-Funktionsbaugruppe einwirken, Messfehler induzieren. Daher wird die Sensor-Funktionsbaugruppe vorzugsweise lediglich an einer Stelle umlaufend in das Dichtkonusgehäuse 116 eingeschweißt. Eine Übertragung von axialen Vorspannkräften oder Drehmomenten auf die Sensor- Funktionsbaugruppe ist somit vorzugsweise weitgehend ausgeschlossen. Durch die
Schweißung der Sensor-Funktionsbaugruppe an das Dichtkonusgehäuse 116 wird gleichzeitig auch die Dichtheit des Sensor-Innenraums realisiert.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1 10) zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Otto-Motors, umfassend ein Sensorgehäuse (124), wobei das Sensorgehäuse (124) eingerichtet ist, um zumindest teilweise in einen Brenn- räum (126) der Brennkraftmaschine eingebracht zu werden, wobei das Sensorgehäuse (124) brennraumseitig eine durch mindestens eine Membran (130) verschlossene Öffnung (128) aufweist, wobei innerhalb des Sensorgehäuses (124) mindestens ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement (142) aufgenommen ist, wobei weiterhin mindestens ein von dem Sensorgehäuse (124) getrennt ausgebil- detes Übertragungselement (162) zur Übertragung einer Verformung der Membran
(130) auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Sensorgehäuse (124) Teil eines ersten Übertragungspfads ist, wobei das Übertragungselement (162) Teil eines zweiten Übertragungspfads ist, wobei über den ersten Übertragungspfad und den zweiten Übertragungspfad jeweils thermisch bedingte Ausdehnungen der Vorrichtung (1 10) auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) übertragbar sind, wobei das Übertragungselement (162) mindestens einen Kompensationskörper (134) umfasst, wobei der Kompensationskörper (134) einge- richtet ist, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen zwischen dem ersten
Übertragungspfad und dem zweiten Übertragungspfad zumindest weitgehend auszugleichen.
3. Vorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Über- tragungselement (162) mindestens einen Wärmeschutz-Isolierkörper (136) mit thermisch isolierenden Eigenschaften aufweist.
4. Vorrichtung (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Wärmeschutz- Isolierkörper (136) weiterhin elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
5. Vorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kontaktierung des mecha- nisch-elektrischen Wandlerelements (142), insbesondere mindestens eine Stromschiene (140, 148), wobei das Kontaktelement zumindest teilweise eine axiale Flexibilität aufweist.
6. Vorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) auf seiner von dem Brennraum (126) abgewandten Seite direkt oder indirekt gegen einen Isolierkörper (150) gelagert ist, wobei der Isolierkörper (150) zumindest elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist.
7. Vorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) auf seiner von dem Brennraum (126) abgewandten Seite über mindestens eine Fixierung (156), insbesondere eine mit dem Sensorgehäuse (124) stoffschlüssig verbundene Fixierung (156), direkt oder indirekt gegen das Sensorgehäuse (124) gelagert ist.
8. Vorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) von dem Sensorgehäuse (124) durch mindestens einen Sensorhalter (154) getrennt ist, insbesondere einen das mecha- nisch-elektrische Wandlerelement (142) zumindest teilweise umgebenden Sensorhalter (154).
9. Vorrichtung (1 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend mindestens ein das Sensorgehäuse (124) zumindest teilweise umschließen- des Dichtgehäuse (118), insbesondere ein Dichtkonusgehäuse, (116) wobei das
Dichtgehäuse (1 18) eingerichtet ist, um eine Fixierung der Vorrichtung (110) in einer Brennraumwand zu ermöglichen, insbesondere in einem Zylinderkopf, wobei das Dichtgehäuse (118) derart ausgestaltet ist, dass das mechanisch-elektrische Wandlerelement (142) außerhalb des Brennraums (126) gelagert ist.
10. Vorrichtung (1 10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Dichtgehäuse (118) derart mit dem Sensorgehäuse (124) verbunden ist, dass das Sensorgehäuse (124) beim Fixieren des Dichtgehäuses (1 18) in der Brennraumwand im Wesentlichen axial spannungsfrei und/oder torsionsspannungsfrei bleibt.
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