WO2011054411A1 - Zylinderdrucksensor - Google Patents

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WO2011054411A1
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Christian Pottiez
Bernd Uwe Stoller
Georg Rixecker
Helmut Müller
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Borgwarner Beru Systems Gmbh
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    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
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    • G—PHYSICS
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    • G01L19/14—Housings
    • G01L19/147—Details about the mounting of the sensor to support or covering means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M15/00—Testing of engines
    • G01M15/04—Testing internal-combustion engines
    • G01M15/08—Testing internal-combustion engines by monitoring pressure in cylinders

Definitions

  • the invention relates to a cylinder pressure sensor with the features specified in the preamble of claim 1.
  • Such cylinder pressure sensors are clamped in cylinder heads, for example screwed in like glow plugs, and therefore have to effect a sealing of the combustion chamber, so that considerable thermal and mechanical loads result during operation.
  • the pressure measurements can be affected by too high temperatures as well as by a large distance from the combustion chamber.
  • the sensor element of a cylinder pressure sensor this results in conflicting requirements, since the temperature load increases with increasing proximity to the combustion chamber.
  • the object of the present invention is to show a way in which, with a cylinder pressure sensor, the combustion chamber pressure can be measured precisely, reliably and cost-effectively. This object is achieved by a cylinder pressure sensor having the features specified in claim 1.
  • a cylinder pressure sensor according to the invention has a conical sealing seat at its front end. With this simple measure can be a good thermal coupling of the sensor element to the housing with a minimum distance from the combustion chamber and a good seal combined with reduced mechanical stress. By the sensor element sits at the front end of the housing, advantageously no pressure-transmitting components are needed.
  • the mechanical natural frequencies of a cylinder pressure sensor according to the invention are therefore very high, so that a pressure sensor according to the invention has an advantageously large bandwidth.
  • the cylinder-mounted position of the sensor element helps in particular to prevent the occurrence of so-called pipe vibrations.
  • Whistling vibrations are resonances of the combustion gases that occur in the transmission channels from the combustion chamber to the sensor element and in the worst case can cause disturbances within the bandwidth of the measurement signal.
  • the temperature load of a sensor element increases with increasing combustion chamber proximity, since the proximity to the combustion process increases.
  • a conical seat so a conical sealing seat, this temperature load can be countered.
  • the relatively low temperature level of cooled (mostly water-cooled) cylinder heads in sealing seat height can be used as a temperature sink for the sensor element.
  • a cylinder pressure sensor according to the invention allows a precise measurement in that the temperature load of the sensor element can be reduced to an unproblematic level, although it is arranged close to the combustion chamber.
  • One who Measuring accuracy impairing coking can be counteracted by the invention achieved good heat dissipation.
  • the surface temperature of the sensor element can advantageously be maintained within a range of approximately 170 ° C. to 210 ° C., even at high engine loads.
  • the conical shape of the sealing seat has the advantage over flat seals that a lower clamping force on the sensor housing is required for the same surface pressures. This allows a miniaturization of the housing and a seal to the cylinder head without additional sealing element.
  • the sensor element itself can form the conical seat, so be placed on the top of the housing. In comparison to a flat sealing seat, the mechanical load of the sensor element required for good sealing is thereby substantially reduced. But it is also possible that the housing itself forms the conical seat. The sensor element can then be arranged completely in the housing. Advantageously, it can be achieved in this way that the sensor element is not mechanically stressed at all by the required sealing. In both cases, the sensor element has good contact with the housing, so that heat can be efficiently dissipated from the sensor element via the housing and the sealing seat.
  • a protective layer may have one or more layers.
  • Such a protective layer preferably has a thermally insulating layer, for example based on ceramic.
  • a thermally insulating layer can be applied, for example, by flame spraying.
  • the measuring function of the sensor element is not influenced by a protective layer, or at most negligible, but the thermal load can be considerably reduced.
  • the protective layer may cover the active area of the sensor element, but it is also possible that the active area is recessed. The preferred housing contacting surfaces of the sensor element is not covered by the protective layer.
  • a thermally insulating layer can be combined with a thermally conductive layer, for example a metal layer, which is arranged on the thermally insulating layer and enables improved dissipation of heat.
  • the sensor element is preferably pot-shaped.
  • a strain gauge can be arranged, over cylindrical see side walls of the pot heat can be dissipated efficiently to the surrounding the side walls housing.
  • a good thermal coupling of the sensor element can be achieved in particular by pressing the sensor element into the housing.
  • an external thread is preferably used, as is common, for example, in spark plugs. But it is also possible to clamp the cylinder pressure sensor similar to a Einspitzventil for fuel injection.
  • the conical sealing seat preferably has a sealing angle of 40 ° to 155 °, preferably 60 ° to 120 °.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a cylinder pressure sensor according to the invention
  • Figure 2 is a detail view of Figure 1
  • FIG. 3 shows a detailed view of a further exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a cylinder pressure sensor 1 in a partially sectioned view.
  • the cylinder pressure sensor 1 has a tubular housing 2, which has an external thread 3 for screwing into a cylinder head and carries a cup-shaped sensor element 4 at a front end.
  • the cylinder pressure sensor is braced by screwing in a cylinder head.
  • the front end of the cylinder pressure sensor 1 with the sensor element 4 is shown in Figure 2, which shows an enlarged view of the detail B of Figure 1.
  • the sensor element 4 is placed on the front end of the tube housing 2 and forms a conical seat 5.
  • the sensor element 4 thus covers the front end of the tube housing 2 and causes when screwing the cylinder pressure sensor 1 in an engine block via its conical seat 5 a seal.
  • the sensor element 4 is fixed to the tube housing 2 by laser welding.
  • the sensor element 4 could be pressed in a corresponding embodiment, ie larger external pressure gauge of the cylindrical portion, but also in the tube housing 2.
  • the sensor element 4 is formed by a good heat-conducting, preferably metallic, carrier, on which a strain gauge, not shown, is arranged.
  • the electrical resistance of the strain gauge depends on the cylinder pressure, since the cylinder pressure causes a small deformation of the carrier forming a membrane and thus also of the strain gauge. By measuring the electrical resistance of the strain gauge, therefore, the cylinder pressure can be determined.
  • connection lines extend to the sensor element 4, which, however, as well as a measuring and evaluation electronics are not shown.
  • FIG. 3 shows a detailed view according to FIG. 2 of a further exemplary embodiment of a cylinder pressure sensor 1 according to the invention.
  • the tubular housing 2 forms the conical sealing seat 5.
  • the sensor element 4 is pressed into the tubular housing 2 and completely arranged in the tubular housing 2 ,
  • the sensor element 4 can additionally be secured with a laser weld.
  • the conical seat has a sealing angle ⁇ of more than 60 °, for example 60 ° to 90 ° in the two embodiments.
  • the sensor element 4 may have a thermally insulating protective layer.
  • a ceramic-based layer may be applied by flame spraying or the like.
  • such a protective layer is arranged only on a front side of the sensor element, which faces the combustion chamber during operation.
  • the tube housing 2 is closed at its front end by the sensor element 4.
  • the combustion chamber pressure to be measured therefore bears directly on the sensor element 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zylinderdrucksensor mit einem Gehäuse (2) zum Einspannen in einen Zylinderkopf, das an einem vorderen Ende ein Sensorelement (4) trägt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zylinderdrucksensor (1) an seinem vorderen Ende einen Kegeldichtsitz (5) aufweist.

Description

Zylinderdrucksensor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Zylinderdrucksensor mit den im Oberbegriff des An- Spruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Derartige Zylinderdrucksensoren werden ähnlich wie Glühkerzen in Zylinderköpfe eingespannt, beispielsweise eingeschraubt, und müssen deshalb eine Abdichtung des Brennraums bewirken, so dass sich im Betrieb erhebliche thermische und me- chanische Belastungen ergeben. Die Druckmessungen können dabei durch zu hohe Temperaturen ebenso wie durch einen zu großen Abstand vom Brennraum beeinträchtigt werden. Für das Sensorelement eines Zylinderdrucksensors ergeben sich dadurch gegenläufige Anforderungen, da mit zunehmender Nähe zum Brennraum die Temperaturbelastung zunimmt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie mit einem Zylinderdrucksensor der Brennraumdruck präzise, zuverlässig und kostengünstig gemessen werden kann. Diese Aufgabe wird durch einen Zylinderdrucksensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Ein erfindungsgemäßer Zylinderdrucksensor weist an seinem vorderen Ende einen Kegeldichtsitz auf. Mit dieser einfachen Maßnahme lassen sich eine gute thermische Ankopplung des Sensorelements an das Gehäuse mit einem minimalen Abstand vom Brennraum und einer guten Abdichtung bei reduzierter mechanischer Belastung kombinieren. Indem das Sensorelement am vorderen Ende des Gehäuses sitzt, werden vorteilhaft keine druckübertragenden Komponenten benötigt. Die mechanischen Eigenfrequenzen eines erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensors liegen deshalb sehr hoch, so dass ein erfindungsgemäßer Drucksensor eine vorteilhaft große Bandbreite hat. Die zylindernahe Einbaulage des Sensorelements hilft insbesondere das Auftreten von so genannten Pfeifenschwingungen zu verhindern. Pfeifenschwingungen sind Resonanzen der Verbrennungsgase, die in den Übertragungskanälen vom Brennraum zum Sensorelement auftreten und im ungünstigsten Fall Störungen innerhalb der Bandbreite des Messsignals verursachen können. An sich steigt die Temperaturbelastung eines Sensorelements mit zunehmender Brennraumnähe an, da die Nähe zum Verbrennungsvorgang zunimmt. Mit einem Kegeldichtsitz, also einem konischen Dichtsitz, kann dieser Temperaturbelastung begegnet werden. Mit einem erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensor kann nämlich das relativ niedrige Temperaturniveau gekühlter (zumeist wassergekühlter) Zylinder- köpfe in Dichtsitzhöhe als Temperatursenke für das Sensorelement genutzt werden.
Ein erfindungsgemäßer Zylinderdrucksensor ermöglicht eine präzise Messung, indem die Temperaturbelastung des Sensorelements auf ein unproblematisches Maß reduziert werden kann, obwohl es nah am Brennraum angeordnet ist. Einer die Messgenauigkeit beeinträchtigenden Verkokung kann durch die erfindungsgemäß erreichte gute Wärmeabfuhr entgegengewirkt werden. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass bei Temperaturen des Sensorelements unterhalb von 210° C Verkokungen desselben praktisch nicht mehr zu beobachten sind. Bei einem erfin- dungsgemäßen Zylinderdrucksensor lässt sich die Oberflächentemperatur des Sensorelements auch bei hoher Motorlast vorteilhaft in einem Bereich von etwa 170° C bis 210° C halten.
Die konische Form des Dichtsitzes hat gegenüber flachen Abdichtungen den Vorteil, dass für gleiche Flächenpressungen eine niedrigere Spannkraft über das Sensorgehäuse benötigt wird. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung des Gehäuses und eine Abdichtung zum Zylinderkopf ohne zusätzliches Dichtelement.
Bei einem erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensor kann das Sensorelement selbst den Kegeldichtsitz bilden, also auf die Spitze des Gehäuses aufgesetzt sein. Im Vergleich zu einem Flachdichtsitz ist dadurch die für eine gute Abdichtung erforderliche mechanische Belastung des Sensorelements wesentlich reduziert. Es ist aber auch möglich, dass das Gehäuse selbst den Kegeldichtsitz bildet. Das Sensorelement kann dann vollständig in dem Gehäuse angeordnet sein. Vorteilhaft lässt sich auf diese Weise erreichen, dass das Sensorelement von der erforderlichen Abdichtung überhaupt nicht mechanisch belastet wird. In beiden Fällen hat das Sensorelement guten Kontakt zu dem Gehäuse, so dass Wärme von dem Sensorelement über das Gehäuse und dem Dichtsitz effizient abgeführt werden kann. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Sensorelement mit einer Schutzschicht bedeckt ist. Eine solche Schutzschicht kann eine oder mehrere Lagen aufweisen. Bevorzugt weist eine solche Schutzschicht eine thermisch isolierende Schicht, beispielsweise auf keramischer Basis, auf. Eine thermisch isolierende Schicht kann beispielsweise durch Flammspritzen aufgebracht werden. Die Mess- funktion des Sensorelements wird durch eine Schutzschicht nicht oder allenfalls unwesentlich beeinflusst, jedoch kann die thermische Belastung erheblich reduziert werden. Die Schutzschicht kann die aktive Fläche des Sensorelements bedecken, es ist aber auch möglich, dass die aktive Fläche ausgespart ist. Bevorzugt sind das Ge- häuse kontaktierende Oberflächen des Sensorelements nicht von der Schutzschicht bedeckt.
Eine thermisch isolierende Schicht kann mit einer thermisch leitfähigen Schicht, bei- spielsweise einer Metallschicht, kombiniert werden, die auf der thermisch isolierenden Schicht angeordnet ist und eine verbesserte Abfuhr von Wärme ermöglicht.
Das Sensorelement ist bevorzugt topfförmig ausgebildet. Im Boden des Topfes kann beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen angeordnet werden, wobei über zylindri- sehe Seitenwände des Topfes Wärme effizient an das die Seitenwände umgebende Gehäuse abgeführt werden kann. Eine gute thermische Ankopplung des Sensorelements lässt sich dabei insbesondere durch Einpressen des Sensorelements in das Gehäuse erreichen. Zum Einspannen des Gehäuses in einem Zylinderkopf wird bevorzugt ein Außengewinde verwendet, wie dies beispielsweise bei Zündkerzen üblich ist. Möglich ist es aber auch, den Zylinderdrucksensor ähnlich wie ein Einspitzventil zur Kraftstoffeinspritzung zu verspannen. Der Kegeldichtsitz hat bevorzugt einen Dichtwinkel von 40° bis 155°, vorzugsweise 60° bis 120°. Unter dem Dichtwinkel ist dabei der Öffnungswinkel des Kegels zu verstehen, der durch die Mantelflächen des kegelstumpfförmigen Kegeldichtsitzes definiert ist. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Komponenten sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen: Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensors; Figur 2 eine Detailansicht zu Figur 1 ; und Figur 3 eine Detailansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels. In Figur 1 ist ein Zylinderdrucksensor 1 in einer teilweise geschnittenen Ansicht dargestellt. Der Zylinderdrucksensor 1 hat ein Rohrgehäuse 2, das ein Außengewinde 3 zum Einschrauben in einen Zylinderkopf aufweist und an einem vorderen Ende ein topfförmiges Sensorelement 4 trägt. Der Zylinderdrucksensor wird durch Einschrauben in einem Zylinderkopf verspannt. Das vordere Ende des Zylinderdrucksensors 1 mit dem Sensorelement 4 ist in Figur 2 dargestellt, die eine vergrößerte Ansicht des Detailausschnitts B von Figur 1 zeigt. Das Sensorelement 4 ist auf das vordere Ende des Rohrgehäuses 2 aufgesetzt und bildet einen Kegeldichtsitz 5. Das Sensorelement 4 bedeckt also das vordere Ende des Rohrgehäuses 2 und bewirkt beim Einschrauben des Zylinderdrucksensors 1 in einen Motorblock über seinen Kegeldichtsitz 5 eine Abdichtung. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 4 durch Laserschweißen an dem Rohrgehäuse 2 befestigt. Das Sensorelement 4 könnte bei entsprechender Ausgestaltung, d. h. größerem Außendruckmesser des zylindrischen Abschnitts, aber auch in das Rohrgehäuse 2 eingepresst sein.
Das Sensorelement 4 wird von einem gut wärmeleitenden, vorzugsweise metalli- sehen, Träger gebildet, auf dem ein nicht dargestellter Dehnungsmessstreifen angeordnet ist. Der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens hängt von dem Zylinderdruck ab, da der Zylinderdruck eine kleine Verformung des eine Membran bildenden Trägers und damit auch des Dehnungsmessstreifens bewirkt. Durch eine Messung des elektrischen Widerstands des Dehnungsmessstreifens kann deshalb der Zylinderdruck ermittelt werden. In dem Rohrgehäuse 2 verlaufen entsprechende Anschlussleitungen zu dem Sensorelement 4, die jedoch ebenso wie eine Mess- und Auswerteelektronik nicht dargestellt sind.
Figur 3 zeigt eine Detailansicht gemäß Figur 2 von einem weiteren Ausführungsbei- spiel eines erfindungsgemäßen Zylinderdrucksensors 1. Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das Rohrgehäuse 2 den Kegeldichtsitz 5. Das Sensorelement 4 ist in das Rohrgehäuse 2 eingepresst und vollständig in dem Rohrgehäuse 2 angeordnet. Das Sensorelement 4 kann zusätzlich mit einer Laser- schweißung gesichert werden. Vorteilhaft besteht wegen des Einpressens ein groß- flächiger Kontakt zwischen dem Sensorelement 4 und der Innenseite des Rohrgehäuses 2. Im Betrieb kann Wärme deshalb einerseits über das Rohrgehäuse 2 und andererseits über den Dichtsitz abgeführt werden. Vorteilhaft ist insbesondere auch, dass das Sensorelement 4 beim Einschrauben des Zylinderdrucksensors 1 praktisch nicht belastet wird.
Der Kegeldichtsitz hat bei den beiden Ausführungsbeispielen einen Dichtwinkel α von mehr als 60°, beispielsweise 60° bis 90°. Bei beiden Ausführungsbeispielen kann das Sensorelement 4 eine thermisch isolierende Schutzschicht aufweisen. Zum Herstellen einer solchen Schutzschicht kann beispielsweise eine Schicht auf keramischer Basis durch Flammspritzen oder ähnliches aufgebracht werden. Bevorzugt ist eine solche Schutzschicht nur an einer Vorderseite des Sensorelements, die im Betrieb dem Brennraum zugewandt ist, ange- ordnet.
Bei beiden Ausführungsbeispielen ist das Rohrgehäuse 2 an seinem vorderen Ende von dem Sensorelement 4 verschlossen. Der zu messende Brennraumdruck lastet deshalb unmittelbar auf dem Sensorelement 4.
Bezugszahlen
1 Zylinderdrucksensor 2 Rohrgehäuse
3 Außengewinde
4 Sensorelement
5 Kegeldichtsitz

Claims

Patentansprüche
1. Zylinderdrucksensor mit einem Gehäuse (2) zum Einspannen in einen Zylinderkopf, das an einem vorderen Ende ein Sensorelement (4) trägt, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Zylinderdrucksensor (1) an seinem vorderen Ende einen Kegeldichtsitz (5) aufweist.
2. Zylinderdrucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kegeldichtsitz (5) von dem Sensorelement (4) gebildet ist.
3. Zylinderdrucksensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) das vordere Ende des Gehäuses (2) bedeckt.
4. Zylinderdrucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrgehäuse (2) den Kegeldichtsitz (5) bildet.
5. Zylinderdrucksensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) vollständig in dem Gehäuse (2) angeordnet ist.
6. Zylinderdrucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) in das Gehäuse (2) eingepresst ist.
7. Zylinderdrucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) mit einer Schutzschicht bedeckt ist.
8. Zylinderdrucksensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Schutzschicht eine thermisch isolierende Schicht aufweist.
9. Zylinderdrucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Kegeldichtsitz einen Dichtwinkel (a) von 40° bis 155°, vorzugsweise 60° bis 120°, hat.
0. Zylinderdrucksensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) einen Dehnungsmessstreifen aufweist.
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