WO2014067722A1 - Miniaturisierter brennraumdrucksensor mit zugvorgespanntem sensorgehäuse - Google Patents

Miniaturisierter brennraumdrucksensor mit zugvorgespanntem sensorgehäuse Download PDF

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WO2014067722A1
WO2014067722A1 PCT/EP2013/070087 EP2013070087W WO2014067722A1 WO 2014067722 A1 WO2014067722 A1 WO 2014067722A1 EP 2013070087 W EP2013070087 W EP 2013070087W WO 2014067722 A1 WO2014067722 A1 WO 2014067722A1
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WO
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combustion chamber
chamber pressure
pressure sensor
sensor
plunger
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Application number
PCT/EP2013/070087
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English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Scholzen
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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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
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/08—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically
    • G01L23/10—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid operated electrically by pressure-sensitive members of the piezoelectric type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P19/00—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition
    • F02P19/02—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs
    • F02P19/028—Incandescent ignition, e.g. during starting of internal combustion engines; Combination of incandescent and spark ignition electric, e.g. layout of circuits of apparatus having glowing plugs the glow plug being combined with or used as a sensor
    • 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
    • F23Q2007/002—Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Definitions

  • the invention relates to a combustion chamber pressure sensor with a sensor module which is used in an internal combustion engine.
  • a device for detecting the pressure in a combustion chamber which is part of a glow plug.
  • the pressure measuring device comprises a glow plug, which exerts a compressive force on a stepped extension.
  • the stepped extension is provided at its end remote from the combustion chamber with a pin which exerts a pressure force on a pressure sensor.
  • the pressure sensor is mounted on a carrier, and connected to a data line, which forwards the detected measured values of the pressure sensor to a control unit.
  • an elastic sealing element is arranged between the stepped extension and a stop surface on a lower housing part.
  • a combustion chamber pressure sensor which comprises a housing in which a plunger is received centrally.
  • the prevailing in the combustion chamber pressures exert on the plunger to a compressive force, which is transmitted to a transducer element that can be designed as a piezoelectric element.
  • the transducer element is mounted on one or more fixing elements, which are accommodated in the interior of the housing.
  • the plunger is provided at a combustion chamber end with a membrane which protects the combustion chamber pressure sensor from the pressure and temperature conditions prevailing in the combustion chamber.
  • the membrane is designed substantially with a U-shaped cross-section and is supported by fixations on recesses in the inner wall of the housing or in the plunger.
  • the piezoelectric elements are surrounded by a plurality of housing walls, which are separated from one another by residual air gaps. This results in considerable minimum diameter for the combustion chamber pressure sensors.
  • the combustion chamber pressure sensor has a sensor module which detects the pressures prevailing in a combustion chamber, quantifies them and forwards them to an electronic measuring unit.
  • the sensor module comprises a sensor housing which is mounted between a connection sleeve and a fixing element.
  • the connecting sleeve, the fixing element and the sensor housing enclose a substantially cylindrical sensor interior.
  • the sensor module further comprises a piezoelectric element which is accommodated in the sensor interior.
  • the piezoelectric element is designed to detect a compressive force which is exerted on a plunger.
  • the plunger extends through the connecting sleeve in the sensor interior and is axially movably received in the connecting sleeve.
  • a spring element is mounted between the plunger and the connecting sleeve, which exerts an axial force on the plunger.
  • the sensor module is also received in an advantageous embodiment in a pressure sleeve, which serves as a housing of the combustion chamber pressure sensor.
  • a cohesive connection in particular a welded connection between the connecting sleeve and the pressure sleeve advantageously ensures a fixation of the sensor module, which prevents an axial displacement of the sensor module.
  • combustion chamber pressure sensor in an installed state, no external forces, for example due to pressure in a combustion chamber, act on the combustion chamber pressure sensor. Furthermore, in the installed state by the axial force of the spring element and the restoring force of the piezoelectric element in
  • Piezo element set a compressive bias.
  • a compressive force of at most 800 N acts on the piezoelectric element.
  • Compressive forces acting on the plunger lead advantageously in the piezoelectric element to a pressure threshold load.
  • a residual air gap can be formed between the sensor housing and the pressure sleeve, which isolates the sensor module from thermal shock effects of the environment.
  • the connecting sleeve of the combustion chamber pressure sensor can be provided with a flameproof membrane, which rests on a circumferential connecting surface on the plunger.
  • the spring stiffness of the spring element can exceed the spring stiffness of the flameproof membrane, in one Particularly preferred embodiment, the flameproof membrane has a spring stiffness of zero.
  • the plunger as a radiator, which is part of a glow plug, be formed.
  • the pressure sleeve may have a diameter corresponding to an M8 thread.
  • the piezoelement in the sensor module of the combustion chamber pressure sensor, the piezoelement can be fastened between insulating bodies, which are supported on a fixing element or on the plunger.
  • the combustion chamber pressure sensor may be designed such that the plunger performs a stroke of 1 to 10 ⁇ during operation of the internal combustion engine.
  • the pressure space sensor according to the invention provides a compact measuring instrument which is suitable for detecting with high precision the pressure conditions prevailing in a combustion chamber of an internal combustion engine.
  • the combustion chamber pressure sensor according to the invention is simple and inexpensive to manufacture.
  • piezo elements are always under a bias in an installed state.
  • the spring element in the combustion chamber pressure sensor according to the invention makes it possible to keep the piezoelement under a compressive prestress in an installed state in which no pressure forces from a combustion space act on the tappet.
  • Compressive forces acting on the plunger, during operation of the combustion chamber pressure sensor to a pressure threshold load of the piezoelectric element At a pressure threshold load, a linear relationship exists between the applied compressive force and the present deformation. A nonlinear relationship may also be linearized by an ASIC. A linear relationship provides precise measured values, so that the combustion chamber pressure sensor according to the invention has a high accuracy of measurement. Furthermore, an exactly reproducible, as constant as possible characteristic is ensured by the pressure threshold load of the piezoelectric element.
  • the compressive bias of the piezoelectric element causes the sensor housing to be in an installed state in the axial direction in a state of tensile load.
  • the sensor housing is a rotationally symmetrical component that withstands high tensile stress even with a small wall thickness. If a sensor housing in an installed state, however, under a compressive stress, a high wall thickness is required for the sensor housing, which ensures a sufficient stability against dents.
  • the sensor module of the combustion chamber pressure sensor according to the invention avoids the described disadvantage and can therefore be prepared in a simple manner with a relatively thin-walled sensor housing. Further, the axial application of a bias voltage of the piezoelectric element by the spring element allows to reduce the combustion chamber pressure sensor in the radial direction and to save space.
  • the combustion chamber pressure sensor according to the invention has only one circumferential residual air gap between the sensor housing and the pressure sleeve.
  • the sensor module in the combustion chamber pressure sensor according to the invention can be designed with a relatively small diameter. Furthermore, without affecting the functionality or reliability of the combustion chamber pressure sensor, the diameter of the pressure sleeve can also be reduced.
  • the residual air gaps in the combustion chamber pressure sensor according to the invention can be enlarged, which ensures better temperature compensation of the piezoelectric element and greater robustness of the combustion chamber pressure sensor.
  • the combustion chamber pressure sensor according to the invention allows a high degree of measurement accuracy when detecting the pressures prevailing in the combustion chamber.
  • the spring element which is received between the plunger and the connecting sleeve, preferably has a spring stiffness, which significantly exceeds the spring stiffness of the flameproof membrane.
  • the proportion of the spring force that exerts the flameproof membrane on the plunger low.
  • a spring element for example in the form of a plate spring can be selected, which has an exact spring characteristic over a long period of operation.
  • the piezoelectric element in series upstream spring element ensures an increase in space, which is associated with flexibility in the design of the spring element.
  • the spring element can have an increased sensitivity or perform a bend. An increased sensitivity of the spring element is accompanied by a greater noise ratio.
  • a plate spring is always self-centering and does not require precise and expensive assembly steps.
  • a helical spring provides a possibility of providing the spring element with a lower spring stiffness than a plate spring. respectively.
  • a hollow cylinder provides a way to perform the spring element with a higher spring stiffness than a plate spring.
  • the combustion chamber pressure sensor according to the invention is optimally adaptable to a wide range of application purposes.
  • the miniaturization of the combustion chamber pressure sensor according to the invention is achieved in an economical manner. Because an additional clamping sleeve can be dispensed with in the combustion chamber pressure sensor according to the invention, part of the installation space saved in the radial direction is used to increase the manufacturing tolerances in the region of a radially outer shoulder of the connecting element, which allows a simple and cost-effective production. Similarly, the piezoelectric element, the insulator, the sensor housing and the sealing cone can be manufactured with increased manufacturing tolerances, which enables efficient production. Furthermore, a miniaturization of the sensor module and the combustion chamber pressure sensor without changing the piezoelectric element, the insulating body and the associated electrical contact pads is achieved.
  • a reduction of the piezoelectric element, the insulating body and the electrical contact pads can be achieved only at an increased manufacturing and cost.
  • the combustion chamber pressure sensor according to the invention achieves considerable miniaturization while avoiding considerable losses in terms of measurement accuracy, production costs and costs.
  • the combustion chamber pressure sensor according to the invention can be manufactured with a diameter which allows to cut a standard thread of size M8 on the pressure sleeve.
  • the combustion chamber pressure sensor can also be screwed into narrow sections of engine components, which do not offer a sufficiently wide edge for a bore that is larger than M8. Consequently, the combustion chamber pressure sensor according to the invention has an increased range of use.
  • the combustion chamber pressure sensor according to the invention ensures precise measurement results with a stroke of the plunger of 1 to 10 ⁇ m. Due to the small stroke occur on the spring element during operation only small deformations.
  • the spring element also experiences a load cycle during operation of the piston during operation of the internal combustion engine. The material fatigue, which acts on the spring element as a result of these load cycles, is reduced by the slight deformation of the spring element. As a result, the spring element is not subjected to any change in the spring stiffness or the spring characteristic during the entire service life of the combustion chamber pressure sensor, so that a high measuring accuracy is always ensured.
  • the stroke of the piezoelectric element is inherent low, so that the piezoelectric element realizes the principle of a force sensor.
  • the sensitivity of the combustion chamber pressure sensor can be adjusted via the spring stiffness of the spring element.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a known combustion chamber pressure sensor
  • FIG. 2 shows a schematic cross section of a sensor module according to the prior art
  • FIG. 3 shows a schematic oblique view of a sensor module of a combustion chamber pressure sensor according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic cross section of a sensor module of a combustion chamber pressure sensor according to the invention.
  • FIG. 1 shows a combustion chamber pressure sensor 10 according to the prior art.
  • the combustion chamber pressure sensor 10 comprises a pressure sleeve 45, which serves as a housing.
  • a sensor housing 48 is received, which is isolated from the pressure sleeve 45 via a residual air gap 50.
  • the pressure sleeve 45 is formed in the form of a sealing cone 46 at a combustion chamber end.
  • a flameproof membrane 44 is further attached, which protects a sensor module 20 from the combustion chamber against pressure and temperature.
  • the sensor module 20 is accommodated in the sensor housing 48, which has a clamping sleeve 32.
  • FIG. 2 shows a detail of a sensor module, as shown in FIG.
  • the sensor module 20 has a fixing element 34, in which a central recess is formed, through which a plunger 38 extends.
  • the fixing element 34 is connected to a clamping sleeve 32, which bears against a contact surface 72 of a fixing bolt 36. Further, insulating body 24 are attached to the fixing element 34 and the fixing bolt 36, between which a piezoelectric element 22 is received.
  • the piezoelectric element 22 is connected via contact plates 26, which rest against the insulating bodies 24, with sensor cables 28.
  • the piezoelectric element 22 is under a bias voltage 76, which represents a compressive load.
  • the clamping sleeve 32 is under a tensile stress.
  • acts on the plunger 38 acts on the plunger 38, a pressure force 70, which is established as a result of pressure and temperature fluctuations in the combustion chamber of a (not shown) internal combustion engine.
  • a threshold load consequently acts on the piezoelement 22.
  • FIG. 3 shows a sensor module 20 of a combustion chamber pressure sensor 10 according to the invention in an inclined sectional view.
  • the sensor module 20 is accommodated centrally in a pressure sleeve 45, on which a sealing cone 46 is formed at a combustion chamber end.
  • the sensor module 20 comprises a connecting sleeve 40, which is formed substantially rotationally symmetrical and is connected via a cohesive connection, in particular a radial welded connection 56 fixed to the pressure sleeve 45. Adjacent to the welded joint 56, a circumferential shoulder 58, an annular stop 64 and a peripheral contact surface 62 are also formed on the connecting sleeve 40.
  • the connecting sleeve 40 has a central recess 41, in which a plunger 38 is received.
  • the plunger 38 essentially has a piston shape on which a support surface 54 is formed.
  • the plunger 38 is mounted axially movable in the connecting sleeve 40. Between the plunger 38 and the connecting sleeve 40, a spring element 42 is received, which is supported on the support surface 54 on the plunger 38 and on a peripheral shoulder 52 of the connecting sleeve 40.
  • the sum of the force acting on the plunger 38 pressing force 70 and the spring force of the spring element 42 corresponds to the force with which the plunger 38 presses on a piezoelectric element 22 which is received between insulators 24.
  • the on the Sto Pressing force acting on lever is caused by pressure changes in the combustion chamber of an internal combustion engine (not shown).
  • the connecting sleeve 40 is provided with a flameproof membrane 44, which abuts against the circumferential contact surface 62 and the annular stop 64.
  • the flameproof membrane 44 is laser welded to the connecting sleeve 40 along a circumferential weld. Further, the flameproof membrane 44 is connected to the plunger 38, and abuts against a circumferential connecting surface 66 of the plunger 38.
  • the flame retardant membrane 44 and the spring element 42 exert on the plunger 38 a spring force.
  • the flameproof membrane 44 has a spring stiffness, which is significantly smaller than the spring stiffness of the spring element 42, so that the spring force of the flameproof membrane 44 can be neglected on the plunger 38.
  • the sensor housing 48 which encloses the sensor interior 47, rests against the circumferential shoulder 58. Between the sensor housing 48 and the pressure sleeve 45, a circumferential residual air gap 50 is formed.
  • the piezoelectric element 22 is provided with contact plates 26, which ensure a connection to sensor cables 28 which emerge from the fixing element 34. In the sensor interior 47 there is also the piezoelement 22 mounted between two insulating bodies 24.
  • the contact plates 26 conduct an electrical voltage which is caused in the piezoelectric element 22 as a result of deformation by the plunger 38, via the sensor cable 28 to a measuring unit, not shown, for evaluation on.
  • the sensor housing 48 is fixedly connected to the connecting sleeve 40 and the fixing element 34, so that in an installed state of the combustion chamber pressure sensor 10, in which no pressure forces 70 are present on the plunger 38, the piezoelectric element 22 is under a bias voltage 76.
  • the bias voltage 76 of the piezoelectric element 22 in this case acts as compressive stress, while the sensor housing 48 is subjected to a tensile load.
  • Compressive forces 70 which act on the plunger 38 during operation of the internal combustion engine, cause a pressure threshold load in the piezoelement 22, the magnitude of which is detected by the piezoelement 22.
  • FIG. 4 shows a sensor module 20 of a combustion chamber pressure sensor 10 according to the invention.
  • the sensor module 20 comprises a connecting sleeve 40, which is designed to be stable and resilient. This ensures that the connecting sleeve 40 serves as a stable abutment for the sensor structure, so that only the spring element 42 moves during operation and nonlinearities of the sensor module 20 are avoided. Furthermore, the geometry of the connection sleeve 40 ensures that the forces acting on the sensor module 20 do not cause any bearing reaction forces on the connection sleeve 40, which lead to a deformation or movement of the sensor module 20. Such deformations or movements reduce the measurement accuracy achievable with the combustion chamber pressure sensor 10.
  • a material connection in particular a welded connection 56, whose strength and accuracy determines the alignment and fixing of the sensor module 20 in the pressure sleeve 45, is formed on the connection sleeve 40.
  • the connecting sleeve 40 and the pressure sleeve 45 are made in the region of the welded joint 56 with a play or transition fit, which ensures a smooth assembly.
  • the play or transition fit between the pressure sleeve 45 and the connecting sleeve 40 has a small radial gap, which can be bridged in a simple manner by laser welding.
  • the precise manufacture of the welded joint 56 ensures that the circumferential residual air gap 50 can be made narrow, which reduces the required diameter 78 of the installation space.
  • the precise production of the welded connection 56 allows a uniform introduction of force from the connecting sleeve 40 into the pressure sleeve 45.
  • the uniform introduction of force into the pressure sleeve 45 ensures a low required wall thickness of the pressure sleeve 45 and thus a low diameter 80 of the combustion chamber pressure sensor 10.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Brennraumdrucksensor (10) mit einem Sensormodul (20), umfassend ein Sensorgehäuse (48), das an einer Verbindungshülse (40) und einem Fixierelement (34) angebracht ist. Das Sensormodul (20) weist ein Piezoelement (22) auf, das zum Erfassen einer Druckkraft (70) auf einen Stößel (38) ausgebildet ist. Hierbei ist zwischen dem Stößel (38) und der Verbindungshülse (40) ein Federelement (42) aufgenommen.

Description

Beschreibung
Titel
Miniaturisierter Brennraumdrucksensor mit zugvorgespanntem Sensorgehäuse
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Brennraumdrucksensor mit einem Sensormodul, der in einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird.
Aus DE 10 2004 043 874 A1 ist eine Vorrichtung zum Erfassen des Drucks in einem Brennraum bekannt, die Teil einer Glühstiftkerze ist. Die Druckmessvorrichtung umfasst einen Glühstift, der eine Druckkraft auf eine stufenförmige Erweiterung ausübt. Die stufenförmige Erweiterung ist an ihrem brennraumabgewandten Ende mit einem Zapfen versehen, der eine Druckkraft auf einen Drucksensor ausübt. Dabei ist der Drucksensor an einem Träger gelagert, und mit einer Datenleitung verbunden, die die erfassten Messwerte des Drucksensors an eine Steuereinheit weiterleitet. Ferner ist zwischen der stufenförmigen Erweiterung und einer Anschlagfläche an einem unteren Gehäuseteil ein elastisches Dichtelement angeordnet.
Aus DE 10 2011 002 596 A1 ist ein Brennraumdrucksensor bekannt, der ein Gehäuse umfasst, in dem ein Stößel zentrisch aufgenommen ist. Die im Verbrennungsraum vorherrschenden Drücke üben auf den Stößel eine Druckkraft auf, die auf ein Wandlerelement, das als Piezoelement ausgeführt sein kann, übertragen. Das Wandlerelement ist an einem oder mehreren Fixierelementen gelagert, die im Innenraum des Gehäuses aufgenommen sind. Ferner ist der Stößel an einem brennraumseitigen Ende mit einer Membran versehen, die den Brennraumdrucksensor vor den im Verbrennungsraum herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen schützt. Die Membran ist im Wesentlichen mit einem U-förmigen Querschnitt ausgeführt und stützt sich über Fixierungen an Vertiefungen in der Innenwand des Gehäuses bzw. im Stößel ab. In den bekannten Brennraumdrucksensoren sind die Piezoelemente durch eine Mehrzahl an Gehäusewandungen umgeben, die durch Restluftspalte voneinander getrennt sind. Hierdurch ergeben sich erhebliche Mindestdurchmesser für die Brennraumdrucksensoren.
Offenbarung der Erfindung
Der Brennraumdrucksensor weist ein Sensormodul auf, das die in einem Verbrennungsraum herrschenden Drücke erfasst, quantifiziert und an eine elektronische Messeinheit weiterleitet. Das Sensormodul umfasst ein Sensorgehäuse, das zwischen einer Verbindungshülse und einem Fixierelement angebracht ist. Dabei umschließen die Verbindungshülse, das Fixierelement und das Sensorgehäuse einen im Wesentlichen zylindrischen Sensor- Innenraum. Das Sensormodul umfasst ferner ein Piezoelement, das im Sensorinnenraum aufgenommen ist. Das Piezoelement ist ausgebildet, eine Druckkraft zu erfassen, die auf einen Stößel ausgeübt wird. Der Stößel erstreckt sich durch die Verbindungshülse in den Sensor-Innenraum und ist in der Verbindungshülse axial beweglich aufgenommen. Dabei ist zwischen dem Stößel und der Verbindungshülse ein Federelement angebracht, das auf den Stößel eine Axialkraft ausübt. Das Sensormodul ist in einer vorteilhaften Ausführungsform ferner in einer Druckhülse aufgenommen, die als ein Gehäuse des Brennraumdrucksensors dient. Eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung zwischen der Verbindungshülse und der Druckhülse gewährleistet vorteilhafterweise eine Fixierung des Sensormoduls, die eine axiale Verschiebung des Sensormoduls verhindert.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors wirken in einem Einbauzustand keine äußeren Kräfte, beispielsweise infolge von Druck in einem Verbrennungsraum, auf den Brennraumdrucksensor ein. Ferner kann sich im Einbauzustand durch die Axialkraft des Federelements und die Rückstellkraft des Piezoelements im
Piezoelement eine Druckvorspannung einstellen. Dabei wirkt im Einbauzustand vorzugsweise eine Druckkraft von maximal 800N auf das Piezoelement ein. Druckkräfte, die auf den Stößel einwirken, führen in vorteilhafter Weise im Piezoelement zu einer Druckschwellbelastung. Ferner kann zwischen dem Sensorgehäuse und der Druckhülse ein Restluftspalt ausgebildet sein, der das Sensormodul vor thermischen Schockeinwirkungen der Umgebung isoliert. Des Weiteren kann die Verbindungshülse des Brennraumdrucksensors mit einer Flammschutzmembran versehen sein, die an einer umlaufenden Verbindungsfläche am Stößel anliegt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Federsteifig- keit des Federelements die Federsteifigkeit der Flammschutzmembran übersteigen, in einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Flammschutzmembran eine Federsteif- igkeit von Null auf. Darüber hinaus kann der Stößel als Heizkörper, der Teil einer Glühstiftkerze ist, ausgebildet sein. Ferner kann die Druckhülse einen Durchmesser aufweisen, der einem M8-Gewinde entspricht. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann im Sensormodul des Brennraumdrucksensors das Piezoelement zwischen Isolierkörpern befestigt sein, die sich an einem Fixierelement oder am Stößel abstützen. Ferner kann der Brenn- raumdrucksensor derart ausgebildet sein, dass der Stößel im Betrieb des Verbrennungsmotors einen Hub von 1 bis 10 μηι ausführt.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Druckraumsensor stellt ein kompaktes Messinstrument zur Verfügung, das dazu geeignet ist, mit hoher Präzision die in einem Verbrennungsraum eines Verbrennungsmotors herrschenden Druckbedingungen zu erfassen. Dabei ist der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor einfach und kostengünstig herzustellen. Zur Erzielung einer erhöhten Messgenauigkeit befinden sich Piezoelemente in einem Einbauzustand stets unter einer Vorspannung. Das Federelement im erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor erlaubt es, in einem Einbauzustand, in dem keine Druckkräfte aus einem Verbrennungsraum auf den Stößel einwirken, das Piezoelement unter einer Druckvorspannung zu halten.
Druckkräfte, die auf den Stößel einwirken, führen im laufenden Betrieb des Brennraumdrucksensors zu einer Druckschwellbelastung des Piezoelements. Bei einer Druckschwellbelastung liegt zwischen der einwirkenden Druckkraft und der vorliegenden Verformung ein linearer Zusammenhang vor. Ein nichtlinearer Zusammenhang kann ferner durch einen ASIC linearisiert werden. Ein linearer Zusammenhang liefert präzise Messwerte, so dass der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor eine hohe Messgenauigkeit aufweist. Ferner wird durch die Druckschwellbelastung des Piezoelements eine exakt reproduzierbare, möglichst gleichbleibende Kennlinie gewährleistet.
Des Weiteren bewirkt die Druckvorspannung des Piezoelements, dass sich das Sensorgehäuse in einem Einbauzustand in axialer Richtung in einem Zustand der Zugbelastung befindet. Das Sensorgehäuse ist ein rotationssymmetrisches Bauteil, das auch bei einer geringen Wandstärke einer hohen Zugbeanspruchung standhält. Steht ein Sensorgehäuse in einem Einbauzustand hingegen unter einer Druckbeanspruchung, ist für das Sensorgehäuse eine hohe Wandstärke erforderlich, die eine hinreichende Stabilität gegen Beulen gewährleistet. Das Sensormodul des erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors vermeidet den beschriebenen Nachteil und kann folglich in einfacher Weise mit einem verhältnismäßig dünnwandigen Sensorgehäuse hergestellt werden. Ferner erlaubt das axiale Aufbringen einer Vorspannung des Piezoelements durch das Federelement, den Brennraumdrucksensor in radialer Richtung zu verkleinern und platzsparend auszuführen.
Auf zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Spannhülsen, die im Piezoelement im Einbauzustand eine Vorspannung einstellen, kann verzichtet werden. Ferner entfällt mit der Spannhülse auch der zusätzliche Restluftspalt zwischen der Spannhülse und dem Sensorgehäuse. Der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor weist lediglich einen umlaufenden Restluftspalt zwischen dem Sensorgehäuse und der Druckhülse auf. Infolgedessen kann das Sensormodul im erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor mit einem verhältnismäßig geringen Durchmesser ausgeführt werden. Ferner kann ohne Beeinträchtigung der Funktionstüchtigkeit oder Zuverlässigkeit des Brennraumdrucksensors der Durchmesser der Druckhülse ebenfalls verringert ausgeführt werden. Ferner können die Restluftspalte im erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor vergrößert ausgebildet sein, was eine bessere Temperaturkompensation des Piezoelements und höhere Robustheit des Brennraumdrucksensors gewährleistet. Insgesamt stellt die Platzersparnis in radialer Richtung Bauraum zur Verfügung, der Spielraum für die mechanische Auslegung des Piezoelements bietet.
Des Weiteren erlaubt der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor ein hohes Maß an Messgenauigkeit beim Erfassen der im Verbrennungsraum herrschenden Drücke. Das Federelement, das zwischen dem Stößel und der Verbindungshülse aufgenommen ist, weist vorzugsweise eine Federsteifigkeit auf, die die Federsteifigkeit der Flammschutzmembran deutlich übersteigt. Hierdurch wird der Anteil der Federkraft, die die Flammschutzmembran auf den Stößel ausübt, gering. Es erfolgt praktisch keine Beeinträchtigung des Messergebnisses durch die Federkraft der Flammschutzmembran. Stattdessen ist bei der Auswertung der erfassten Werte des Piezoelements lediglich die Wrkung der Federkraft des Federelements zu berücksichtigen. Hierzu kann ein Federelement, beispielsweise in Form einer Tellerfeder gewählt werden, das auch über eine lange Betriebsdauer eine exakte Feder- Kennlinie aufweist. Das dem Piezoelement in Reihe vorgeschaltete Federelement gewährleistet einen Zugewinn an Bauraum, was mit Flexibilität in der Auslegung des Federelements einhergeht. Das Federelement kann eine erhöhte Empfindlichkeit aufweisen oder eine Biegung durchführen. Eine erhöhte Empfindlichkeit des Federelements geht mit einem größeren Rausch-Abstand einher. Ferner ist eine Tellerfeder stets selbstzentrierend und erfordert keine präzisen und aufwendigen Montageschritte. Eine Spiralfeder stellt eine Möglichkeit zur Verfügung, das Federelement mit einer niedrigeren Federsteifigkeit als eine Tellerfeder aus- zuführen. Ein Hohlzylinder stellt eine Möglichkeit zur Verfügung, das Federelement mit einer höheren Federsteifigkeit als eine Tellerfeder auszuführen. Der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor ist an eine breite Spanne von Einsatzzwecken optimal anpassbar.
Zusätzlich wird die Miniaturisierung des erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors in wirtschaftlicher Weise erzielt. Dadurch, dass im erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor auf eine zusätzliche Spannhülse verzichtet werden kann, wird ein Teil des in radialer Richtung eingesparten Bauraums dazu genutzt, die Fertigungstoleranzen im Bereich einer radial außenliegenden Schulter des Verbindungselements zu vergrößern, was eine einfache und kostengünstige Fertigung erlaubt. Gleichermaßen können das Piezoelement, die Isolierkörper, das Sensorgehäuse und der Dichtkonus mit vergrößerten Fertigungstoleranzen hergestellt werden, was eine effiziente Herstellung ermöglicht. Ferner wird eine Miniaturisierung des Sensormoduls und des Brennraumdrucksensors ohne Veränderung des Piezoelements, der Isolierkörper und der zugehörigen elektrischen Kontaktplättchen erzielt. Eine Verkleinerung des Piezoelements, der Isolierkörper und der elektrischen Kontaktplättchen kann nur unter einem erhöhten Fertigungs- und Kostenaufwand erzielt werden. Insgesamt erzielt der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor eine erhebliche Miniaturisierung bei Vermeidung erheblicher Einbußen in puncto Messgenauigkeit, Fertigungsaufwand und Kosten.
Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor mit einem Durchmesser gefertigt werden, der es erlaubt, auf die Druckhülse ein Normgewinde der Größe M8 zu schneiden. Hierdurch kann der Brennraumdrucksensor auch in schmale Abschnitte von Motorkomponenten eingeschraubt werden, die für eine Bohrung, die größer als M8 ist, keinen hinreichend breiten Rand bieten. Folglich weist der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor ein vergrößertes Einsatzspektrum auf.
Des Weiteren gewährleistet der erfindungsgemäße Brennraumdrucksensor bei einem Hub des Stößels von 1 bis 10 μηι präzise Messergebnisse. Infolge des geringen Hubs treten am Federelement während des Betriebs nur geringe Verformungen auf. Das Federelement erfährt im Betrieb des Verbrennungsmotors mit jedem Arbeitszyklus des Kolbens ebenfalls einen Lastzyklus. Die Materialermüdung, die auf das Federelement infolge dieser Lastzyklen einwirkt, wird durch die geringe Verformung des Federelements reduziert. Dadurch ist das Federelement während der gesamten Lebensdauer des Brennraumdrucksensors keiner Änderung der Federsteifigkeit bzw. der Feder-Kennlinie unterworfen, so dass stets eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet ist. Der Hubweg des Piezoelements ist prinzipbedingt gering, so dass das Piezoelement das Prinzip eines Kraftsensors verwirklicht. Über die Fe- dersteifigkeit des Federelements kann die Empfindlichkeit des Brennraumdrucksensors eingestellt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines bekannten Brennraumdrucksensors,
Figur 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Sensormoduls nach dem Stand der
Technik,
Figur 3 zeigt eine schematische Schrägansicht eines Sensormoduls eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors,
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Sensormoduls eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors.
In Figur 1 ist ein Brennraumdrucksensor 10 gemäß dem Stand der Technik abgebildet. Der Brennraumdrucksensor 10 umfasst eine Druckhülse 45, die als Gehäuse dient. In der Druckhülse 45 ist ein Sensorgehäuse 48 aufgenommen, das von der Druckhülse 45 über einen Restluftspalt 50 isoliert ist. Ferner ist an einem brennraumseitigen Ende die Druckhülse 45 in Form eines Dichtkonus 46 ausgebildet. Im Bereich des Dichtkonus 46 ist ferner eine Flammschutzmembran 44 angebracht, die ein Sensormodul 20 vor Druck- und Temperatureinwirkung aus dem Verbrennungsraum schützt. Ferner ist im Sensorgehäuse 48 das Sensormodul 20 aufgenommen, das eine Spannhülse 32 aufweist. Zwischen der Spannhülse 32 und dem Sensorgehäuse 48 ist ein Restluftspalt 51 ausgebildet, der das Sensormodul 20 vor Temperatur- und Druckeinwirkungen isoliert. Die radialen Abmessungen des Sensormoduls 20 bestimmen die radialen Abmessungen des Sensorgehäuses 48, und damit einen in der Druckhülse 45 erforderlichen Durchmesser 78 des Einbauraums. Durch den Durchmesser 78 des Einbauraums und die Wandstärke der Druckhülse 45 ist der Durchmesser 80 des Brennraumdrucksensors 10 vorgegeben. In Figur 2 ist ein Sensormodul, wie in Figur 1 dargestellt, im Detail abgebildet. Das Sensormodul 20 weist ein Fixierungselement 34 auf, in dem eine zentrische Ausnehmung ausgebildet ist, durch die sich ein Stößel 38 erstreckt. Das Fixierungselement 34 ist mit einer Spannhülse 32 verbunden, die an einer Kontaktfläche 72 eines Fixierbolzens 36 anliegt. Ferner sind am Fixierungselement 34 und am Fixierbolzen 36 Isolierkörper 24 angebracht, zwischen denen ein Piezoelement 22 aufgenommen ist. Das Piezoelement 22 wird über Kontaktplättchen 26, die an den Isolierkörpern 24 anliegen, mit Sensorkabeln 28 verbunden. In einem Einbauzustand steht das Piezoelement 22 unter einer Vorspannung 76, die eine Druckbelastung darstellt. Infolge der Vorspannung 76 im Piezoelement 22 steht die Spannhülse 32 unter einer Zugbeanspruchung. Ferner wirkt auf den Stößel 38 eine Druckkraft 70 ein, die sich infolge von Druck- und Temperaturschwankungen im Verbrennungsraum eines (nicht dargestellten) Verbrennungsmotors einstellt. Im Betrieb wirkt auf das Piezoelement 22 folglich eine Schwellbelastung ein.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 3 ist ein Sensormodul 20 eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors 10 in einer schräggestellten Schnittansicht abgebildet.
Das Sensormodul 20 ist zentrisch in einer Druckhülse 45 aufgenommen, an der an einem brennraumseitigen Ende ein Dichtkonus 46 ausgebildet ist. Das Sensormodul 20 umfasst eine Verbindungshülse 40, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist und über eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine radiale Schweißverbindung 56 fest mit der Druckhülse 45 verbunden ist. Benachbart zur Schweißverbindung 56 sind an der Verbindungshülse 40 ferner eine umlaufende Schulter 58, ein ringförmiger Anschlag 64 und eine umlaufende Kontaktfläche 62 ausgebildet. Des Weiteren weist die Verbindungshülse 40 eine zentrische Ausnehmung 41 auf, in der ein Stößel 38 aufgenommen ist. Der Stößel 38 weist im Wesentlichen eine Kolbenform auf, an der eine Stützfläche 54 ausgebildet ist. Des Weiteren ist der Stößel 38 in der Verbindungshülse 40 axial beweglich gelagert. Zwischen dem Stößel 38 und der Verbindungshülse 40 ist ein Federelement 42 aufgenommen, das sich an der Stützfläche 54 am Stößel 38 und an einer umlaufenden Schulter 52 der Verbindungshülse 40 abstützt. Die Summe der auf den Stößel 38 einwirkenden Druckkraft 70 und der Federkraft des Federelements 42 entspricht der Kraft, mit der der Stößel 38 auf ein Piezoelement 22 drückt, das zwischen Isolierkörpern 24 aufgenommen ist. Die auf den Stö- ßel 38 einwirkende Druckkraft 70 wird durch Druckänderungen im Verbrennungsraum eines nicht dargestellten Verbrennungsmotors hervorgerufen.
Ferner ist die Verbindungshülse 40 mit einer Flammschutzmembran 44 versehen, die an der umlaufenden Kontaktfläche 62 und dem ringförmigen Anschlag 64 anliegt. Die Flammschutzmembran 44 ist mit der Verbindungshülse 40 entlang einer umlaufenden Schweißnaht laserverschweißt. Ferner ist die Flammschutzmembran 44 mit dem Stößel 38 verbunden, und liegt an einer umlaufenden Verbindungsfläche 66 des Stößels 38 an. Insgesamt üben die Flammschutzmembran 44 und das Federelement 42 auf den Stößel 38 eine Federkraft aus. Dabei weist die Flammschutzmembran 44 eine Federsteifigkeit auf, die deutlich kleiner ist als die Federsteifigkeit des Federelements 42, so dass die Federkraft der Flammschutzmembran 44 auf den Stößel 38 vernachlässigt werden kann.
Des Weiteren liegt an der umlaufenden Schulter 58 das Sensorgehäuse 48 an, das den Sensorinnenraum 47 umschließt. Zwischen dem Sensorgehäuse 48 und der Druckhülse 45 ist ein umlaufender Restluftspalt 50 ausgebildet. Im Sensorinnenraum 47 befindet sich ferner das zwischen zwei Isolierkörpern 24 gelagerte Piezoelement 22. Das Piezoelement 22 ist mit Kontaktplättchen 26 versehend, die eine Verbindung zu Sensorkabeln 28 gewährleisten, die aus dem Fixierungselement 34 heraustreten. Die Kontaktplättchen 26 leiten eine elektrische Spannung, die im Piezoelement 22 infolge einer Verformung durch den Stößel 38 hervorgerufen wird, über die Sensorkabel 28 an eine nicht dargestellte Messeinheit zur Auswertung weiter. Das Sensorgehäuse 48 ist fest mit der Verbindungshülse 40 und dem Fixierungselement 34 verbunden, so dass in einem Einbauzustand des Brennraumdrucksensors 10, in dem keine Druckkräfte 70 auf den Stößel 38 vorliegen, das Piezoelement 22 unter einer Vorspannung 76 steht. Die Vorspannung 76 des Piezoelements 22 wirkt hierbei als Druckbeanspruchung, während gleichzeitig das Sensorgehäuse 48 einer Zugbelastung unterworfen ist. Druckkräfte 70, die im laufenden Betrieb des Verbrennungsmotors auf den Stößel 38 einwirken, rufen im Piezoelement 22 eine Druckschwellbelastung hervor, deren Größe durch das Piezoelement 22 erfasst wird. Der Bereich der Verbindungshülse 40, der die Schweißverbindung 56 mit der Druckhülse 45 herstellt, definiert den Durchmesser 78 des für das Sensormodul 20 erforderlichen Einbauraums. Des Weiteren weist die Druckhülse 45 einen Durchmesser 80 auf, der die Einbaumaße des Brennraumdrucksensors 10 definiert. In Figur 4 ist ein Sensormodul 20 eines erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensors 10 abgebildet.
Das Sensormodul 20 umfasst eine Verbindungshülse 40, die stabil und belastbar ausgebildet ist. Dies gewährleistet, dass die Verbindungshülse 40 als stabiles Widerlager für den Sensoraufbau dient, so dass sich im Betrieb lediglich das Federelement 42 bewegt und Nichtlinearitäten des Sensormoduls 20 vermieden werden. Ferner gewährleistet die Geometrie der Verbindungshülse 40, dass die auf das Sensormodul 20 einwirkenden Kräfte keine Lagerreaktionskräfte an der Verbindungshülse 40 hervorrufen, die zu einer Verformung oder Bewegung des Sensormoduls 20 führen. Derartige Verformungen oder Bewegungen reduzieren die mit dem Brennraumdrucksensor 10 erzielbare Messgenauigkeit.
Ferner ist an der Verbindungshülse 40 eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung 56 ausgebildet, deren Festigkeit und Genauigkeit die Ausrichtung und die Fixierung des Sensormoduls 20 in der Druckhülse 45 bestimmt. Die Verbindungshülse 40 und die Druckhülse 45 sind in Bereich der Schweißverbindung 56 mit einer Spiel- oder Übergangspassung gefertigt, die eine leichtgängige Montage gewährleistet. Dabei weist die Spiel- oder Übergangspassung zwischen der Druckhülse 45 und der Verbindungshülse 40 einen geringen radialen Spalt auf, der in einfacher Weise durch ein Laserschweißen überbrückt werden kann. Die präzise Fertigung der Schweißverbindung 56 gewährleistet, dass der umlaufende Restluftspalt 50 schmal ausgebildet werden kann, was den erforderlichen Durchmesser 78 des Einbauraums reduziert. Ferner erlaubt die präzise Fertigung der Schweißverbindung 56 eine gleichmäßige Krafteinleitung von der Verbindungshülse 40 in die Druckhülse 45. Die gleichmäßige Krafteinleitung in die Druckhülse 45 gewährleistet eine niedrigen erforderlichen Wandstärke der Druckhülse 45 und damit einen niedrigen Durchmesser 80 des Brennraumdrucksensors 10.

Claims

Ansprüche
1. Brennraumdrucksensor (10) mit einem Sensormodul (20), das ein Sensorgehäuse (48), das an einer Verbindungshülse (40) und einem Fixierelement (34) angebracht ist, und ein Piezoelement (22), das zum Erfassen einer auf einen Stößel (38) wirkenden Druckkraft (70) ausgebildet ist, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stößel (38) und der Verbindungshülse (40) ein Federelement (42) aufgenommen ist.
2. Brennraumdrucksensor (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Verbindungshülse (40) und einer Druckhülse (45) eine Schweißverbindung (56) ausgebildet ist.
3. Brennraumdrucksensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (22) in einem Einbauzustand eine Druckvorspannung (76) aufweist.
4. Brennraumdrucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sensorgehäuse (48) und der Druckhülse (45) ein Restluftspalt (50) ausgebildet ist.
5. Brennraumdrucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungshülse (48) mit einer Flammschutzmembran (44) versehen ist, die an einer umlaufenden Verbindungsfläche (66) am Stößel (38) anliegt.
6. Brennraumdrucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (42) als Tellerfeder, Spiralfeder oder Hohlzylinder ausgebildet ist.
7. Brennraumdrucksensor (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federsteifigkeit des Federelements (42) die Federsteifigkeit der Flammschutzmembran (44) übersteigt.
8. Brennraumdrucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (38) als Heizkörper ausgebildet ist.
9. Brennraumdrucksensor (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckhülse (45) einen Durchmesser (80) aufweist, der einem M8-Gewinde entspricht.
10. Brennraumdrucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (22) zwischen Isolierkörpern (24) befestigt ist.
1 1. Brennraumdrucksensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (38) im Betrieb einen Hub von 1 bis 10 μηι aufweist.
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