WO2013117414A1 - Membran für brennraumdrucksensor - Google Patents

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WO2013117414A1
WO2013117414A1 PCT/EP2013/051032 EP2013051032W WO2013117414A1 WO 2013117414 A1 WO2013117414 A1 WO 2013117414A1 EP 2013051032 W EP2013051032 W EP 2013051032W WO 2013117414 A1 WO2013117414 A1 WO 2013117414A1
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WO
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pressure
sensor membrane
sensor
membrane
measuring device
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/051032
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Inventor
Holger Scholzen
Romuald FLAVIGNIE
Wolfgang Koetzle
Janpeter Wolff
Axel PROBST
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/10—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by pressure-sensitive members of the piezoelectric type
    • G—PHYSICS
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    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/22—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23Q—IGNITION; EXTINGUISHING-DEVICES
    • F23Q7/00—Incandescent ignition; Igniters using electrically-produced heat, e.g. lighters for cigarettes; Electrically-heated glowing plugs
    • F23Q7/001—Glowing plugs for internal-combustion engines
    • F23Q2007/004—Manufacturing or assembling methods
    • F23Q2007/005—Manufacturing or assembling methods pressure sensors

Definitions

  • Prior art DE 10 2006 057 627 A1 relates to a pressure measuring device. This serves for arrangement in the combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the pressure measuring device has a housing, a force transmission element, which projects at a chamber-side opening of the housing partially out of the housing and a pressure sensor. This is arranged in an interior of the housing. It is the pressure sensor with the
  • a membrane which seals the interior of the housing in which the pressure sensor is arranged opposite the chamber-side opening.
  • the diaphragm which is preferably formed as a metal diaphragm, has a power transmission portion oriented in an axial direction of the power transmission member.
  • the pressure sensor is by means of the power transmission section of the membrane with the force transmission element in
  • a glow plug is used for arrangement in a chamber of an internal combustion engine.
  • the glow plug has a
  • a rod-shaped heating element which partially protrudes from the housing and a pressure sensor, which is arranged in an interior of the housing.
  • the pressure sensor is on the one hand with the rod-shaped heating element in operative connection to a conditional on the basis of a prevailing pressure in the chamber admission of the
  • the pressure sensor is supported on a fixing element connected to the housing.
  • a spring diaphragm seals the interior of the housing relative to the chamber of the internal combustion engine.
  • the spring membrane is S-shaped Designed spring diaphragm.
  • Pressure measurement is improved by means of the pressure sensor.
  • the membrane Within a combustion chamber pressure sensor, the membrane is required to seal the interior of the sensor against the combustion chamber. Due to their temperature and their aggressive chemical properties, penetrating media in particular destroy the components of the sensor module and the electronics within a very short time. At the same time, the membrane should withstand the stresses during sensor operation.
  • the burdens are mainly the cyclic loads of the pressure change (several hundred million load cycles per lifetime) as well as the high level of pressure change
  • the diaphragm made of metallic material which can be used in a combustion chamber pressure sensor, designed so that a minimization of the wall thickness of the membrane made of metallic material can be achieved, the minimization of the wall thickness, in particular in a transition region between pressurized membrane surface and adjacent Areas is realized. Furthermore, by maximizing the distance between the
  • Transition areas are achieved, that the proposed inventions membrane is sufficiently limp, so as not to obstruct the path of the pressure signal to be measured supercritically.
  • the membrane hinders the path of the pressure signal to be measured by the
  • Membrane receives a part of the pressure signal to be measured and not to a
  • Measuring sensor for example, a piezoelectric sensor forwards. If only a reduced pressure signal is forwarded to the measuring sensor system, measurement results of the sensor system are subject to inaccuracies due to an interference with a signal noise. In case of a critical obstruction of the path of the pressure signal to be measured inaccuracies due to signal noise can not be reliably compensated.
  • the bending slackness is achieved by maximizing a radial distance between the two deflection points (diameter approx. 7 mm to diameter approx. 4.5 mm). On the other hand, the wall thicknesses in the area of the deflections are minimized as far as the strength of the component allows.
  • the wall thickness is for example in the range of one outer deflection only a few tenths mm, in particular 0.2 mm, while the wall thickness can be at an internal deflection or at a radius of 0.2 to 0.35 mm.
  • the two aforementioned deflection points create a kind of "hinge" around which the membrane winds.
  • the membrane proposed according to the invention in particular suitable for use in combustion chamber pressure sensors, has a minimal thermal shock effect, by means of which the measuring accuracy of the combustion chamber pressure sensor is reduced.
  • a constricted area on the outer deflection is formed extended, so that the membrane is given the opportunity to work in this area and to avoid laterally.
  • the lateral deflection of the membrane made of metallic material significantly reduces the thermal shock effect. For example, an extension of the constricted area by about 2 mm in the thermal shock effect already significantly. With otherwise the same geometry would be a
  • the design of the membrane with respect to the thermal shock can be further optimized.
  • combustion chamber pressure sensor provides a possibility of minimizing the portion of the pressure signal that is not forwarded by the membrane to the measurement sensor system.
  • the measuring sensor works in operation at a high level
  • Combustion chamber pressure sensor has improved measurement accuracy. Short description of the drawing
  • FIGS. 1 and 2 representations of previously used sensor membranes
  • FIG. 4 shows a schematic half section through a combustion chamber pressure sensor with a sensor membrane proposed according to the invention according to a first embodiment variant
  • Figure 6 shows a second embodiment of the invention proposed
  • FIG. 7 shows a section through the inventively proposed sensor membrane in its second embodiment.
  • Figures 1 and 2 show a sensor membrane according to the prior art.
  • a sensor membrane 19 is formed symmetrically with respect to its axis of symmetry 18 and has a membrane lateral surface 26.
  • the sectional view according to FIG. 2 shows that the sensor membrane 19 according to the prior art is designed in a first wall thickness 28.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section of an embodiment of a device according to the invention
  • the combustion chamber pressure sensor comprises a housing 10 into which a Pressure pin 58 is received, which faces a pressure chamber 24.
  • the pressure pin 58 absorbs pressure forces from the pressure chamber 24 and converts the action of the pressure force into a movement along an axis 18.
  • a cavity 22 is formed between the pressure pin 58 and the housing 10.
  • a measuring sensor 59 is arranged along the axis 18 behind the pressure pin 58, which receives the axial movement performed by the pressure pin 58 and converts it into a measuring signal.
  • the pressure pin 58 absorbs pressure forces from the pressure chamber 24 and directs the pressure forces along an internal force path 60 via a compensation body 4 to the measuring sensor system 59.
  • the pressure pin 58 is provided with a Viton seal 5 and connected to a glow current line 3 which contains the pressure pin 58, which may be formed as a glow tube, supplied with electrical energy.
  • the combustion chamber pressure sensor according to FIG. 3 comprises a sensor membrane 20, which is received in the cavity 22 between the housing 10 and the pressure pin 58.
  • the sensor membrane 20 is substantially Z-shaped and is located with a combustion chamber-facing end of the pressure pin 58 at. With a combustion chamber opposite end is the
  • Sensor membrane is located at a combustion chamber-remote end to a sensor housing 6 at. Further, the housing 10 is formed at a combustion chamber-facing end as a cone 16.
  • the sensor membrane 20 is connected by means of sealing welds 63 with the housing 10, the sensor housing 6 and the pressure pin 58.
  • the sealing weld 63 which connects the sensor membrane 20 to the pressure pin 58
  • the pressure force absorbed by the pressure pin 58 branches into the inner and an outer force path 60, 61.
  • the proportion of the pressure force which is passed along the outer force path 61 increases a fixation 2, which is arranged along the axis 18 behind the measuring sensor 59.
  • the outer force path 61 branches at the seal weld 63, which connects the sensor membrane 20 to the housing 10. In this case, branches from the outer power path 61 of a
  • Housing 10 absorbed force 62 from.
  • Pressure chamber 24 exposed directly.
  • the pressure pin 58 may also be formed as a glow tube.
  • FIG. 4 a half section through a combustion chamber pressure sensor is shown, which contains a sensor membrane in its first embodiment according to the invention.
  • Figure 4 shows that a housing 10 of a combustion chamber pressure sensor is formed symmetrically to its axis.
  • a lateral surface of the housing 10 of the combustion chamber pressure sensor is designated by reference numeral 12.
  • the housing 10 is designed in a housing wall thickness 14.
  • the housing 10 comprises a cone 16 and a sensor membrane 20.
  • the sensor membrane 20 separates a cavity 22 from a pressure chamber 24, within which the pressure to be measured is present.
  • the sensor system accommodated in the cavity 22 of the combustion chamber pressure sensor is, for example, a piezoelectric sensor system which converts the pressure signal into an electrical signal.
  • the inventively proposed sensor membrane 20 comprises a pressurized surface, see also position 27 in Figure 5. As can be seen from the illustration of Figure 4, the sensor membrane 20 is in
  • the cavity 22 is sealed against the pressure chamber 24 prevailing pressure, it being ensured that the sensor membrane 20 is sufficiently pliable, so as not to obscure the path of the pressure signal to be measured supercritically.
  • FIG. 5 shows a section through the sensor membrane shown in the assembled state in FIG. 4 in its first embodiment variant.
  • the representation according to FIG. 5 shows that the sensor membrane 20 is Z-shaped and is constructed symmetrically with respect to its axis.
  • the membrane surface is with
  • Reference numeral 26 denotes.
  • the length of the membrane lateral surface 26 influences the mechanical behavior of the sensor membrane 20 and its bending slit.
  • the length of the membrane lateral surface 26 is preferably between 0 mm and 2 mm. From the sectional view according to FIG. 5, it can be seen that the sensor membrane 20 proposed according to the invention, in its first embodiment, is formed in a first wall thickness 28 in the area in which it defines the cavity 22.
  • the wall thickness of the sensor membrane 20 below a shoulder 30 assumes different values.
  • a first deflection point 32 on an inner circumferential surface 46 of the sensor membrane 20 is between 0.2 mm and 1, 0 mm.
  • the sensor membrane 20 has a first wall thickness 28 in a region which rests against the lateral surface 12 of the combustion chamber pressure sensor 10 , which is between 0.2 mm and 1, 0 mm.
  • the material of the sensor membrane 20 assumes a second wall thickness 34.
  • This second wall thickness 34 is on the order of between 0.15 mm and 0.4 mm.
  • the sensor membrane 20 Connected to the first deflection point 32 is a pressurized surface 27 of the sensor membrane 20, which is oriented substantially perpendicular to the axis of symmetry 18 of the sensor membrane 20.
  • the sensor membrane 20 has a diameter jump and merges into a constricted region 50.
  • the material of the sensor membrane 20 also has a reduced, here a third reduced wall thickness 40.
  • Wall thickness 40 may be identical, i. lying in the range between 0, 15 mm and 0,4 mm; However, there is also the possibility of reducing the two mentioned
  • Wall thicknesses 34 and 40 different form each other. Further, the thickness of the sensor membrane 20 on the pressurized surface 27 is preferably between 0.2 mm and 0.4 mm. From the illustration according to FIG. 5, it also follows that the two deflection points
  • the two deflection points 32, 38 act as a "hinge", in which the pressurized region 27 of the sensor membrane 20 does not twist between the two deflection points 32, 38.
  • the maximum distance between the first deflection point 32 and 32 is maximized by this radial distance 42
  • the second deflection point 38 can advantageously achieve that the membrane design of the sensor membrane 20 has the required bending slit, in order not to supercritically obstruct the path of the pressure signal to be measured.
  • This bending slit is in addition to maximizing the radial distance 42 by minimizing the wall thickness in the region of Turning 32 and 38 or the pressurized surface 27 of the sensor membrane still supported.
  • a radial distance 42 with a size of 0.75 mm to 1, 25 mm.
  • combustion chamber pressure at a combustion chamber pressure sensor is preferably made of a high-strength material, in particular steel 1.4542.
  • the sealing of the sensor interior, i. the cavity 22 of the combustion chamber pressure sensor thereby, by the sensor membrane 20 itself and by a sealing weld with sealing cone housing a combustion chamber pressure sensor or a glow plug.
  • FIG. 6 a second embodiment of the sensor membrane proposed according to the invention is shown in the installed state.
  • the illustration in accordance with FIG. 6 shows that in this embodiment variant of a combustion chamber pressure sensor the cavity 22, in which the sensitive piezoelectric measuring sensor system is accommodated, is separated by the sensor membrane 20 in Z-shape from the pressure chamber 24 acted upon by the combustion chamber pressure. From the illustration according to FIG. 5, it can be seen that the sensor membrane 20, which is embodied here in Z-shape, likewise has the two deflection points 32 and 38.
  • the pressure chamber 24 substantially delimiting pressurized surface 27. From the illustration in Figure 5 shows that the wall thickness which the second embodiment of the illustrated in Figure 5
  • FIG. 5 furthermore shows, an extension 52, which adjoins a set region 50 (see illustration according to FIG.
  • FIG. 7 shows a section through the second embodiment variant of the sensor membrane proposed in accordance with the invention, shown in the assembled state in FIG.
  • the wall thickness of the sensor membrane 20 below the shoulder 30 assumes a substantially uniform, reduced wall thickness 56.
  • the sensor diaphragm 20 tapers in a constricted area 50.
  • the constricted area 50 represents an extension 52.
  • This extension 52 is a few millimeters, for example, preferably 2 mm.
  • the extension 52 provides an area in which
  • Thermal expansion due to thermal shock can be recorded.
  • the thermal expansions of the sensor membrane 20 occurring as a result of a thermal shock are different in the short term on a side facing the combustion chamber and a side of the sensor membrane 20 remote from the combustion chamber.
  • extension 52 can the
  • the extension 52 which lies in the constricted area 50, allows a reduction of the thermal shock effect to 0.54 bar.
  • the length of the extension 52 also influences the effect of interaction with other dimensions of the sensor membrane 20
  • Thermal shocks on the accuracy of the combustion chamber pressure sensor may be the transition radii 54 and / or the location of seal welds.
  • the inventively proposed sensor membrane in the two variants described with reference to the figures 3 to 7 is characterized in that they both the cavity 22, in which the piezoelectric measuring sensor is housed, shielded against the high pressures occurring and seals and due to their design with the targeted weakening zones at the deflection points 32 and 38 copes with several hundred million pressure load changes at the high temperatures occurring.
  • the sensor membrane 20 proposed according to the invention according to the described two embodiments is designed so sufficiently limp that the path of the pressure signal to be measured is not hindered, on the one hand by minimizing the wall thickness to the reduced second and third wall thicknesses 34 and 40, respectively first embodiment or on the reduced uniform wall thickness 56 is due to the second embodiment.
  • the bending slenderness of the sensor membrane proposed according to the invention in the above-described two embodiments is supported by the fact that the two counted wall thickness weaknesses performing deflection points 32, 38 are arranged radially offset from each other, that are positioned at a radial distance 42 with respect to each other.
  • the wall thicknesses i. the reduced second wall thickness 32, the reduced third wall thickness 40 and the reduced uniform wall thickness 56 are minimized in the region of the deflection points 32, 38 as far as the strength of the component sensor membrane permits.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckmesseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zur Ermittlung eines Brennraumdruckes. Die Druckmesseinrichtung umfasst ein Gehäuse (10) in dem eine Sensormembran (19, 20) aufgenommen ist. Diese trennt einen Druckraum (24) von einem Hohlraum (22). Die Sensormembran (19, 20) umfasst eine druckbeaufschlagte Fläche (27) und dichtet das Gehäuse (10) gegen den zu messenden Druck ab. Die druckbeaufschlagte Fläche (27) der Sensormembran (20) liegt zwischen einer ersten Umlenkstelle (32) und einer zweiten Umlenkstelle (38) der Sensormembran (20), die jeweils in reduzierten zweiten und dritten Wandstärken (34, 40) in Bezug auf eine erste Wandstärke (28) der Sensormembran ausgeführt sind.

Description

Beschreibung Titel
Membran für Brennraumdrucksensor Stand der Technik DE 10 2006 057 627 A1 bezieht sich auf eine Druckmesseinrichtung. Diese dient zur Anordnung im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine. Die Druckmesseinrichtung weist ein Gehäuse, ein Kraftübertragungselement, das an einer kammerseitigen Öffnung des Gehäuses teilweise aus dem Gehäuse ragt und einen Drucksensor auf. Dieser ist in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet. Dabei steht der Drucksensor mit dem
Kraftübertragungselement in Wirkverbindung. Ferner ist eine Membran vorgesehen, die den Innenraum des Gehäuses, in dem der Drucksensor angeordnet ist, gegenüber der kammerseitigen Öffnung abdichtet. Die Membran, die vorzugsweise als Metallmembran ausgebildet ist, weist einen Kraftübertragungsabschnitt auf, der in einer axialen Richtung des Kraftübertragungselementes orientiert ist. Außerdem steht der Drucksensor mittels des Kraftübertragungsabschnitts der Membran mit dem Kraftübertragungselement in
Wrkverbindung. Dadurch erfolgt zumindest eine teilweise Kompensation thermisch bedingter Längenänderungen der Membran, die beispielsweise durch heiße Brennstoffgase verursacht sind und zu periodischen Beeinträchtigungen der Druckmessung mittels des Drucksensors führen können.
DE 10 2007 049 971 A1 bezieht sich auf eine Glühstiftkerze. Eine Glühstiftkerze dient zur Anordnung in einer Kammer einer Brennkraftmaschine. Die Glühstiftkerze weist ein
Gehäuse, ein stabförmiges Heizelement, das teilweise aus dem Gehäuse ragt und einen Drucksensor auf, der in einem Innenraum des Gehäuses angeordnet ist. Dabei steht der Drucksensor einerseits mit dem stabförmigen Heizelement in Wirkverbindung, um eine aufgrund eines in der Kammer herrschenden Druckes bedingte Beaufschlagung des
Heizelementes zum Bestimmen des in der Kammer herrschenden Druckes zu erfassen. Ferner stützt sich der Drucksensor andererseits an einem mit dem Gehäuse verbundenen Fixierelement ab. Eine Federmembran dichtet den Innenraum des Gehäuses gegenüber der Kammer der Brennkraftmaschine ab. Dabei ist die Federmembran als S-förmige Federmembran ausgestaltet. Durch diese Ausgestaltung kann insbesondere eine druckausgeglichene Auslegung erreicht werden, so dass die Genauigkeit einer
Druckmessung mittels des Drucksensors verbessert ist. Innerhalb eines Brennraumdrucksensors wird die Membran dazu benötigt, den Innenraum des Sensors gegen den Brennraum abzudichten. Eindringende Medien würden aufgrund ihrer Temperatur und ihrer aggressiven chemischen Eigenschaften, insbesondere die Bauteile des Sensormodules und der Elektronik binnen kürzester Zeit zerstören. Gleichzeitig sollte die Membran die Belastungen während des Sensorbetriebes aushalten. Zu den Belastungen sind im Wesentlichen die zyklischen Belastungen des Druckwechsels (mehrere hundert Millionen Lastwechsel pro Lebensdauer) sowie das hohe Niveau der
Durchschnittstemperatur zu zählen.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die aus metallischem Material gefertigte Membran, die bei einem Brennraumdrucksensor eingesetzt werden kann, so auszulegen, dass eine Minimierung der Wandstärken der aus metallischem Material gefertigten Membran erreichbar ist, wobei die Minimierung der Wandstärke insbesondere in einem Übergangsbereich zwischen druckbeaufschlagter Membranfläche und angrenzenden Bereichen realisiert ist. Des Weiteren kann durch eine Maximierung des Abstandes zwischen den
Übergangsbereichen zwischen druckbeaufschlagter Membranfläche und den
Übergangsbereichen erreicht werden, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Membran ausreichend biegeschlaff ist, um den Pfad des zu messenden Drucksignals nicht überkritisch zu behindern. Die Membran behindert den Pfad des zu messenden Drucksignals, indem die
Membran einen Teil des zu messenden Drucksignals aufnimmt und nicht an eine
Messsensorik, beispielsweise eine piezo-elektrische Sensorik weiterleitet. Wird lediglich ein vermindertes Drucksignal an die Messsensorik weitergeleitet, sind Messergebnisse der Sensorik aufgrund einer Überlagerung mit einem Signalrauschen mit Ungenauigkeiten behaftet. Bei einer kritischen Behinderung des Pfads des zu messenden Drucksignals können Ungenauigkeiten infolge von Signalrauschen nicht mehr zuverlässig kompensiert werden. Die Biegeschlaffheit wird dadurch erreicht, dass ein radialer Abstand zwischen den beiden Umlenkstellen maximiert wird (Durchmesser ca. 7 mm zu Durchmesser ca. 4,5 mm). Andererseits sind die Wandstärken im Bereich der Umlenkungen soweit minimiert, wie es die Festigkeit des Bauteiles zulässt. Die Wandstärke beträgt beispielsweise im Bereich einer äußeren Umlenkung lediglich wenige Zehntel mm, insbesondere 0,2 mm, während die Wandstärke bei einer innenliegenden Umlenkung bzw. bei einem Radius 0,2 bis 0,35 mm betragen kann. Durch die beiden genannten Umlenkstellen wird eine Art„Scharnier" geschaffen, um welches sich die Membran windet.
Vorteile der Erfindung
In vorteilhafter Weise weist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Membran, insbesondere zum Einsatz geeignet in Brennraumdrucksensoren, einen minimalen Thermoschockeffekt auf, durch den die Messgenauigkeit des Brennraumdrucksensors herabgesetzt wird. Dies wird dadurch realisiert, dass ein eingeschnürter Bereich an der äußeren Umlenkung verlängert ausgebildet ist, so dass der Membran die Möglichkeit gegeben wird, auch diesem Bereich zu arbeiten und seitlich auszuweichen. Das seitliche Ausweichen der aus metallischem Material gefertigten Membran verringert den Thermoschockeffekt signifikant. So führt beispielsweise eine Verlängerung des eingeschnürten Bereiches um etwa 2 mm im Thermoschockeffekt bereits signifikant. Bei sonst gleicher Geometrie würde eine
Weiterverlängerung des eingeschnürten Bereiches zu einer weiteren Reduzierung des Thermoschockeffektes führen, dem allerdings Anforderungen bezüglich der Sensorlänge entgegenstehen.
Ferner wird das seitliche Ausweichen der Membran von weiteren Maßen der Membran, insbesondere Übergangsradien und der Lage von Dichtverschweißungen, beeinflusst. Bei einer Optimierung der Verlängerung des eingeschnürten Bereiches unter
Berücksichtigung der weiteren Parameter, die das seitliche Ausweichen der Membran beeinflussen, kann die Gestaltung der Membran bezüglich des Thermoschocks weiter optimiert werden.
Des Weiteren stellt der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor eine Möglichkeit zur Verfügung, den Anteil des Drucksignals, der von der Membran nicht an die Messsensorik weitergeleitet wird, zu minimieren. Die Messsensorik arbeitet im Betrieb auf einem hohen
Niveau der aufgenommenen Druckkräfte, wodurch eine Unterscheidung von
Druckkraftänderungen von Signalrauschen erleichtert wird. Der erfindungsgemäße
Brennraumdrucksensor weist eine verbesserte Messgenauigkeit auf. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben. Es zeigt:
Figuren 1 und 2 Darstellungen bisher eingesetzter Sensormembranen,
Figur 3 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Brennraumdrucksensor
Figur 4 einen schematischen Halbschnitt durch einen Brennraumdrucksensor mit einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
Figur 5 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäß vorgeschlagene
Sensormembran der ersten Ausführungsvariante,
Figur 6 eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Sensormembran im montierten Zustand und
Figur 7 einen Schnitt durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran in ihrer zweiten Ausführungsmöglichkeit.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Sensormembran gemäß des Standes der Technik.
Den Figuren 1 und 2 ist zu entnehmen, dass eine Sensormembran 19 symmetrisch zu ihrer Symmetrieachse 18 ausgebildet ist und eine Membranmantelfläche 26 aufweist. Der Schnittdarstellung gemäß Figur 2 ist zu entnehmen, dass die Sensormembran 19 gemäß des Standes der Technik in einer ersten Wandstärke 28 ausgeführt ist.
Figur 3 zeigt einen Längsschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Brennraumdrucksensors. Der Brennraumdrucksensor umfasst ein Gehäuse 10, in das ein Druckstift 58 aufgenommen ist, der einem Druckraum 24 zugewandt ist. Der Druckstift 58 nimmt Druckkräfte aus dem Druckraum 24 auf und setzt die Einwirkung der Druckkraft in eine Bewegung entlang einer Achse 18 um. Zwischen dem Druckstift 58 und dem Gehäuse 10 ist ein Hohlraum 22 ausgebildet. Ferner ist entlang der Achse 18 hinter dem Druckstift 58 eine Messsensorik 59 angeordnet, die die vom Druckstift 58 durchgeführte axiale Bewegung aufnimmt und in ein Messsignal umwandelt. Hierbei nimmt der Druckstift 58 Druckkräfte aus dem Druckraum 24 auf und leitet die Druckkräfte entlang eines inneren Kraftpfades 60 über einen Kompensationskörper 4 zur Messsensorik 59. Ferner ist der Druckstift 58 mit einer Viton-Dichtung 5 versehen und an eine Glühstromleitung 3 angeschlossen, die den Druckstift 58, der als Glührohr ausgebildet sein kann, mit elektrischen Energie versorgt. Des Weiteren umfasst der Brennraumdrucksensor nach Figur 3 eine Sensormembran 20, die im Hohlraum 22 zwischen dem Gehäuse 10 und dem Druckstift 58 aufgenommen ist. Die Sensormembran 20 ist im Wesentlichen Z-förmig ausgebildet und liegt mit einem brennraum-zugewandtem Ende am Druckstift 58 an. Mit einem brennraum-abgewandten Ende liegt die
Sensormembran 20 an einer Mantelfläche 12 der Innenseite des Gehäuses 10 an. Die
Sensormembran liegt an einem brennraum-abgewandten Ende an einem Sensorgehäuse 6 an. Ferner ist das Gehäuse 10 an einem brennraum-zugewandten Ende als Konus 16 ausgebildet. Die Sensormembran 20 ist mittels Dichtschweißungen 63 mit dem Gehäuse 10, dem Sensorgehäuse 6 und dem Druckstift 58 verbunden. An der Dichtschweißung 63, die die Sensormembran 20 mit dem Druckstift 58 verbindet, verzweigt sich die vom Druckstift 58 aufgenommene Druckkraft in den inneren und einen äußeren Kraftpfad 60, 61. Der Anteil der Druckkraft, der entlang des äußeren Kraftpfades 61 weitergeleitet wird, läuft zu einer Fixierung 2, die entlang der Achse 18 hinter der Messsensorik 59 angeordnet ist. Ferner verzweigt sich der äußere Kraftpfad 61 an der Dichtschweißung 63, die die Sensormembran 20 mit dem Gehäuse 10 verbindet. Dabei zweigt vom äußeren Kraftpfad 61 eine vom
Gehäuse 10 absorbierte Kraft 62 ab. Während des Betriebs des Brennraumdrucksensors ist ein Fläche 27 der Sensormembran 20 der Temperatur- und Druckwirkung aus dem
Druckraum 24 unmittelbar ausgesetzt. Alternativ kann der Druckstift 58 auch als Glührohr ausgebildet sein.
In der Darstellung gemäß Figur 4 ist ein Halbschnitt durch einen Brennraumdrucksensor dargestellt, der eine Sensormembran in ihrer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält. Figur 4 zeigt, dass ein Gehäuse 10 eines Brennraumdrucksensors symmetrisch zu seiner Achse ausgebildet ist. Eine Mantelfläche des Gehäuses 10 des Brennraumdrucksensors ist mit Bezugszeichen 12 bezeichnet. Das Gehäuse 10 ist in einer Gehäusewandstärke 14 ausgeführt. Das Gehäuse 10 umfasst einen Konus 16 und eine Sensormembran 20. Die Sensormembran 20 trennt einen Hohlraum 22 von einem Druckraum 24, innerhalb dessen der zu messende Druck ansteht.
Bei der im Hohlraum 22 des Brennraumdrucksensors untergebrachten Sensorik handelt es sich beispielsweise um eine piezoelektrische Sensorik, welche das Drucksignal in ein elektrisches Signal umwandelt.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran 20 umfasst eine druckbeaufschlagte Fläche, vergleiche auch Position 27 in Figur 5. Wie aus der Darstellung gemäß Figur 4 hervorgeht, ist die Sensormembran 20 im
Wesentlichen Z-förmig beschaffen und sensiert die im Brennraum einer
Verbrennungskraftmaschine herrschenden Drücke. Dazu ist sicherzustellen, dass die Sensormembran 20 möglichen Belastungen des Druckwechsels über mehrere hundert Millionen Lastwechsel pro Lebensdauer für das hohe Niveau der Durchschnittstemperatur erträgt, ohne zu versagen.
Mittels der Sensormembran 20 wird der Hohlraum 22 gegenüber dem Druckraum 24 herrschenden Druck abgedichtet, wobei sicherzustellen ist, dass die Sensormembran 20 ausreichend biegeschlaff ist, um den Pfad des zu messenden Drucksignals nicht überkritisch zu behindern.
Der Darstellung gemäß Figur 5 ist ein Schnitt durch die in Figur 4 im montierten Zustand dargestellte Sensormembran in ihrer ersten Ausführungsvariante zu entnehmen. Die Darstellung gemäß Figur 5 zeigt, dass die Sensormembran 20 Z-förmig beschaffen ist und symmetrisch zu ihrer Achse aufgebaut ist. Die Membranmantelfläche ist mit
Bezugszeichen 26 bezeichnet. Die Länge der Membranmantelfläche 26 beeinflusst das mechanische Verhalten der Sensormembran 20 und deren Biegeschlaffheit. Die Länge der Membranmantelfläche 26 liegt vorzugsweise zwischen 0 mm und 2 mm. Aus der Schnittdarstellung gemäß Figur 5 geht hervor, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran 20 in ihrer ersten Ausführungsvariante in dem Bereich, in dem sie den Hohlraum 22 begrenzt, in einer ersten Wandstärke 28 ausgebildet ist.
Wie aus der Darstellung gemäß Figur 5 weiter zu entnehmen ist, nimmt die Wandstärke der Sensormembran 20 unterhalb eines Absatzes 30 verschiedene Werte an. So liegt im Auslauf des Absatzes 30 in Richtung auf den Druckraum 24 gesehen, eine erste Umlenkstelle 32 auf einer Innenmantelfläche 46 der Sensormembran 20. Die Sensormembran 20 weist in einem Bereich, der an der Mantelfläche 12 des Brennraumdrucksensors 10 anliegt, eine erste Wandstärke 28 auf, die zwischen 0,2 mm und 1 ,0 mm liegt. An der ersten Umlenkstelle 32 - hier in der Darstellung gemäß Figur 4 ausgebildet als Radius an der Innenmantelfläche 46 - nimmt das Material der Sensormembran 20 eine zweite Wandstärke 34 an. Diese zweite Wandstärke 34 liegt in der Größenordnung zwischen 0,15 mm und 0,4 mm. An die erste Umlenkstelle 32 schließt sich eine druckbeaufschlagte Fläche 27 der Sensormembran 20 an, die im Wesentlichen senkrecht zur Symmetrieachse 18 der Sensormembran 20 orientiert ist. An einer zweiten Umlenkstelle 38 weist die Sensormembran 20 einen Durchmessersprung auf und geht in einen eingeschnürten Bereich 50 über. An der zweiten Umlenkstelle 38 weist das Material der Sensormembran 20 ebenfalls eine reduzierte, hier eine dritte reduzierte Wandstärke 40 auf. Die reduzierte zweite Wandstärke 34 und die reduzierte dritte
Wandstärke 40 können identisch sein, d.h. im Bereich zwischen 0, 15 mm und 0,4 mm liegend; es besteht jedoch auch die Möglichkeit, die beiden genannten reduzierten
Wandstärken 34 bzw. 40 verschieden voneinander auszubilden. Ferner beträgt die Dicke der Sensormembran 20 an der druckbeaufschlagten Fläche 27 vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,4 mm. Aus der Darstellung gemäß Figur 5 ergibt sich des Weiteren, dass die beiden Umlenkstellen
32 und 38, an denen die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran gezielte Schwächungen aufweist, in einem radialen Abstand 42 bezogen aufeinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die beiden Umlenkstellen 32, 38 als ein„Scharnier" wirken, bei dem der druckbeaufschlagte Bereich 27 der Sensormembran 20 nicht zwischen den beiden Umlenkstellen 32, 38 verwindet. Die durch die Maximierung dieses radialen Abstandes 42 zwischen der ersten Umlenkstelle 32 und der zweiten Umlenkstelle 38 kann in vorteilhafter Weise erreichen, dass die Membrangestaltung der Sensormembran 20 die erforderliche Biegeschlaffheit aufweist, um den Pfad des zu messenden Drucksignals nicht überkritisch zu behindern. Diese Biegeschlaffheit wird neben der Maximierung des radialen Abstandes 42 durch Minimierung der Wandstärken im Bereich der Umlenkstellen 32 und 38 bzw. der druckbeaufschlagten Fläche 27 der Sensormembran noch unterstützt. Ferner liegt zwischen den Umlenkstellen 32 und 38 bezüglich der Achse 18 ein radialer Abstand 42 mit einer Größe von 0,75 mm bis 1 ,25 mm. Die in Figur 5 im Schnitt dargestellte Sensormembran 20 zur Ermittlung des
Brennraumdruckes an einem Brennraumdrucksensor beispielsweise, wird bevorzugt aus einem hochfesten Werkstoff, insbesondere Stahl 1.4542 gefertigt. Im Allgemeinen erfolgt die Abdichtung des Sensorinnenraumes, d.h. des Hohlraumes 22 des Brennraumdrucksensors dadurch, durch die Sensormembran 20 selbst und durch eine Dichtverschweißung mit Dichtkonusgehäuse eines Brennraumdrucksensors bzw. einer Glühkerze.
In der Darstellung gemäß Figur 6 ist eine zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran im eingebauten Zustand dargestellt. Der Darstellung gemäß Figur 6 lässt sich entnehmen, dass bei dieser Ausführungsvariante eines Brennraumdrucksensors der Hohlraum 22, in dem die empfindliche piezoelektrische Messsensorik untergebracht ist, durch die Sensormembran 20 in Z-Form vom durch den Brennraumdruck beaufschlagten Druckraum 24 getrennt ist. Aus der Darstellung gemäß Figur 5 geht hervor, dass die hier in Z-Form ausgebildete Sensormembran 20 ebenfalls die beiden Umlenkstellen 32 und 38 aufweist. Zwischen den beiden Umlenkstellen 32 und 38, von denen die erste Umlenkstelle 32 radial außen und die zweite Umlenkstelle 38 radial innenliegend positioniert ist, verläuft die den Druckraum 24 im Wesentlichen begrenzende druckbeaufschlagte Fläche 27. Aus der Darstellung gemäß Figur 5 geht hervor, dass die Wanddicke, welche die in Figur 5 dargestellte zweite Ausführungsvariante der
erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran 20 aufweist, unterhalb des Absatzes 30 in eine reduzierte, im Wesentlichen einheitlich gehaltene Wandstärke 56 übergeht. Wie Figur 5 des Weiteren zeigt, liegt eine Verlängerung 52, die sich an einen eingestellten Bereich 50 (vgl. Darstellung gemäß Figur 7) anschließt an einem Druckstift 58 an.
Figur 7 zeigt einen Schnitt durch die in Figur 5 in montiertem Zustand dargestellte zweite Ausführungsvariante der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran.
Wie Figur 7 zeigt und auch Figur 5 schon zu entnehmen ist, nimmt die Wandstärke der Sensormembran 20 unterhalb des Absatzes 30 eine wesentlich einheitliche, reduzierte Wandstärke 56 an. Im Bereich des Durchmesserübergangs 58 der Sensormembran 20, innerhalb dessen sich der Durchmesser der Sensormembran 20 ausgehend von der ersten Umlenkstelle 32 auf die zweite radial außenliegende zweite Umlenkstelle 38 übergehend, verjüngt sich die Sensormembran 20 in einen eingeschnürten Bereich 50. Der eingeschnürte Bereich 50 stellt eine Verlängerung 52 dar. Diese Verlängerung 52 beträgt einige Millimeter, so zum Beispiel vorzugsweise 2 mm. Durch diese Verlängerung 52 kann der
Thermoschockeffekt, dem die Sensormembran 20 im Betrieb ausgesetzt ist, minimiert werden. Dabei stellt die Verlängerung 52 einen Bereich zur Verfügung, in dem
Wärmedehnungen infolge eines Thermoschocks aufgenommen werden können. Dabei sind die infolge eines Thermoschocks auftretenden Wärmedehnungen der Sensormembran 20 auf einer brennraum-zugewandten Seite und einer brennraum-abgewandten Seite der Sensormembran 20 kurzfristig unterschiedlich.
Durch die im eingeschnürten Bereich 50 vorgesehene Verlängerung 52 kann die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran in diesem Bereich arbeiten, d.h. seitlich ausweichen, was zu einer signifikanten Reduzierung des Thermoschockeffekts führt. Die Verlängerung 52, die im eingeschnürten Bereich 50 liegt, erlaubt eine Verringerung des Thermoschockeffektes auf 0,54 bar. Die Länge der Verlängerung 52 beeinflusst ferner in Wechselwirkung mit weiteren Maßen der Sensormembran 20 die Wrkung eines
Thermoschocks auf die Messgenauigkeit des Brennraumdrucksensor. Derartige Maße können die Übergangsradien 54 und/oder die Lage von Dichtschweißverbindungen sein. Durch aufeinander abgestimmte Variation der Länge der Verlängerung 52 im eingeschnürten Bereich 50 sowie der Übergangsradien 54, kann eine weitere Optimierung des
Thermoschockeffektes von nur noch 0,3 bar bei gleichzeitig gekürzter Einschnürlänge, d.h. bei Kürzen der Verlängerung 52 erreicht werden. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran in den beiden anhand der Figuren 3 bis 7 beschriebenen Ausführungsvarianten zeichnet sich dadurch aus, dass sie sowohl den Hohlraum 22, in dem die piezoelektrisch arbeitende Messsensorik aufgenommen ist, gegen die hohen auftretenden Drücke abschirmt und abdichtet sowie aufgrund ihrer Gestaltung mit den gezielten Schwächungszonen an den Umlenkstellen 32 und 38 mehrere hundert Millionen Drucklastwechsel bei den auftretenden hohen Temperaturen bewältigt.
Insbesondere ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensormembran 20 gemäß der beschriebenen beiden Ausführungsvarianten so ausreichend biegeschlaff ausgebildet, dass der Pfad des zu messenden Drucksignales nicht behindert ist, was zum einen auch durch die Minimierung der Wandstärke auf die reduzierten zweiten und dritten Wandstärken 34 bzw. 40 gemäß der ersten Ausführungsvariante bzw. auf die reduzierte einheitliche Wandstärke 56 gemäß der zweiten Ausführungsvariante zurückzuführen ist. Des Weiteren wird die Biegeschlaffheit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Sensormembran in den oben stehend beschriebenen beiden Ausführungsvarianten dadurch unterstützt, dass die beiden gezählte Wandstärkenschwächungen darstellenden Umlenkstellen 32, 38 radial zueinander versetzt angeordnet sind, d.h. in einem radialen Abstand 42 in Bezug aufeinander positioniert sind.
Die Wandstärken, d.h. die reduzierte zweite Wandstärke 32, die reduzierte dritte Wandstärke 40 sowie die reduzierte einheitliche Wandstärke 56 sind im Bereich der Umlenkstellen 32, 38 soweit minimiert, wie es die Festigkeit der Bauteilesensormembran zulässt.

Claims

Ansprüche 1. Druckmesseinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere zur
Ermittlung eines Brennraumdruckes mit einem Gehäuse (10), in dem eine
Sensormembran (19, 20) aufgenommen ist, die einen Druckraum (24) von einem Hohlraum (22) trennt und die eine druckbeaufschlagte Fläche (27) umfasst, wobei die Sensormembran (19, 20) das Gehäuse (10) gegen den zu messenden Druck abdichtet, dadurch gekennzeichnet, dass die druckbeaufschlagte Fläche (27) der Sensormembran
(20) zwischen einer ersten Umlenkstelle (32) und einer zweiten Umlenkstelle (38) liegt, die jeweils in reduzierter Wandstärke (34, 40) in Bezug auf eine erste Wandstärke (28) der Sensormembran (20) ausgeführt sind.
2. Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
reduzierten zweiten und dritten Wandstärken (34, 40) identisch sind.
3. Druckmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
reduzierten zweiten und dritten Wandstärken (34, 40) verschieden voneinander sind.
4. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Umlenkstellen (32, 38) in der Sensormembran (20) in einem radialen Abstand (42) zueinander angeordnet sind.
5. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste Wandstärke (28) der Sensormembran (20) bei bis zu 1 ,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 1 ,0 mm liegt.
6. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die reduzierten zweiten und dritten Wandstärken (34, 40) zwischen 0, 15 mm und 0,4 mm liegen.
7. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Sensormembran (20) einen eingeschnürten Bereich (50) umfasst.
8. Druckmesseinrichtung gemäß dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der eingeschnürte Bereich (50) eine Verlängerung (52) aufweist, die sich ausgehend von der druckbeaufschlagten Fläche (27) in Richtung des
Druckraumes (24) erstreckt.
9. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verlängerung (52) sich ausgehend von der zweiten
Umlenkstelle (38) der Sensormembran (20) erstreckt.
10. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verlängerung (52) mehrere Millimeter, insbesondere 2 mm beträgt.
1 1. Druckmesseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verlängerung (52) zur Aufnahme unterschiedlicher
Wärmedehnungen auf einer brennraum-zuwandten Seite und einer
brennraumabgewandten Seite der Sensormembran (20) zu einer Reduzierung des Thermoschockeffekts ausgebildet ist.
12. Druckmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verlängerung (52) unter Berücksichtigung weiterer Maße der Sensormembran (20) eine Länge zur Reduzierung des Thermoschockeffekts aufweist.
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