DE102005018938A1

DE102005018938A1 - Drucksensor

Info

Publication number: DE102005018938A1
Application number: DE102005018938A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Ante; Dorin Diaconu
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-04-22
Filing date: 2005-04-22
Publication date: 2006-11-02

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drucksensor zur Messung von Drücken in heißen Medien. Um einen Drucksensor anzugeben, der mit kleiner Abmessung herstellbar ist, ist das Messelement in einem thermisch hoch belasteten Bereich des dehnbaren Elementes angeordnet und weist ebenfalls in Dünnfilmtechnik ausgebildete Leiterbahnen auf, die zur Kontaktierung des Messelementes mit einer Auswerteelektronik dienen und die sich aus den thermisch hoch belasteten Bereich in einen thermisch gering belasteten Bereich des dehnbaren Elementes erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drucksensor zur Messung von Drücken in heißen Medien.
An moderne Brennkraftmaschinen werden immer höhere Ansprüche im Bezug auf deren Leistungsfähigkeit und Drehmomentcharakteristik gestellt, wobei gewährleistet sein soll, dass die Brennkraftmaschine einen geringen Treibstoffverbrauch aufweist und sehr wenig Schadstoffe emittiert. Hierzu wird der Steuerung der Brennkraftmaschine eine Reihe von Messwerten zur Verfügung gestellt, um die Verbrennung in den Zylindern der Brennkraftmaschine optimal zu gestalten. Diese Signale werden zum Beispiel aus der Messung der Luftmasse, die von der Brennkraftmaschine angesaugt wird, der Temperatur in Bestimmten Bereichen der Brennkraftmaschine, der Drehzahl und der Abgasrückführungsrate bezogen. Mit diesen Daten bestimmt die Steuerung der Brennkraftmaschine die Einspritzmenge des einzuspritzenden Treibstoffs und den Zeitpunkt der Einspritzung. Darüber hinaus kann zum Beispiel bei turbogeladenen Brennkraftmaschinen die Steuerung der Turboladergeometrie erfolgen.
Zur direkten Überwachung des Verbrennungsvorganges in den Zylindern einer Brennkraftmaschine ist es bekannt, den Zylinderinnendruck zu messen. Dabei wird in jedem Zylinder ein Drucksensor benötigt, der den Verbrennungsdruck im Zylinder kontinuierlich auch während des Verbrennungsprozesses misst. Diese Messtechnik wird bereits in der Motorenentwicklung zur Optimierung der Motorindizierung verwendet. Damit ist diese Technologie im Bereich der Entwicklung von Brennkraftmaschinen bekannt.

Zur Messung des Druckes im Zylinder kommen verschiedene Technologien in Frage. Ein Sensorkonzept basiert zum Beispiel auf Piezokeramiken, die sich entsprechend des Druckes in dem Zylinder verformen und Signale liefern, die dem Zylinderinnendruck entsprechen. Diese Sensorkonzepte sind jedoch sehr teuer und daher für den Einsatz im Serienfahrzeug ungeeignet. Auch eine optische Vermessung der Verformung eines dehnbaren Elementes wurde vorgeschlagen, die auch auf Grund des hohen Preises im Massenmarkt der Automobilindustrie nicht realisierbar ist. Dünnfilmmesselemente werden im industriellen Einsatz zum Beispiel bei Stationärmaschinen in Blockheizkraftwerken verwendet, um den Zylinderinnendruck kontinuierlich zu messen. Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sind diese Sensorelemente jedoch baulich wesentlich zu groß, so dass sie bei den üblichen Kraftfahrzeugbrennkraftmaschinen nicht verwendet werden können.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Drucksensor zur Messung von Drücken in heißen Medien anzugeben, der mit kleinen Abmessungen herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass das Messelement in einem thermisch hoch belasteten Bereich des dehnbaren Elementes angeordnet ist und ebenfalls in Dünnfilmtechnik ausgebildete Leiterbahnen aufweist, die zur Kontaktierung des Messelementes mit einer Auswerteelektronik dienen und die sich aus dem thermisch hoch belasteten Bereich in einen thermisch gering belasteten Bereich des dehnbaren Elementes erstrecken, kann die nachfolgende Auswerteelektronik zum Beispiel mit herkömmlichen Lötprozessen angebunden werden. Das Messelement kann in Dünnfilmtechnik sehr klein im thermisch hoch belasteten Bereich des dehnbaren Elementes aufgebaut werden. Durch die am Messelement ausgebildeten, ebenfalls in Dunnfilmtechnik erzeugten Leiterbahnen werden die vom Messelement erzeugen Signale aus dem thermisch hoch belasteten Bereich herausgeführt und können im thermisch gering belasteten Bereich abgegriffen wer den. Auch die Leiterbahnen sind sehr klein auszubilden, wodurch ein äußerst Platz sparender Aufbau des Drucksensors ermöglicht wird. Da die Lötpunkte im thermisch gering belasteten Bereich des dehnbaren Elements am Ende Leiterbahnen angeordnet sind, werden sie thermisch wenig belastet. Das in Dünnfilmtechnik ausgebildete Messelement mit seinen Leiterbahnen verträgt hingegen eine hohe thermische Belastung problemlos.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist dass das dehnbare Element zylinderförmig ausgebildet. Das zylinderförmige Element zeigt ein besonders homogenes Dehnungsverhalten, wodurch die Signale in hoher Qualität zu gewinnen sind.

Bei einer Ausgestaltung weist das dehnbare Element eine abgeflachte Zylinderwand auf. Auf der abgeflachten Zylinderwand kann das Messelement besonders einfach aufgebracht werden.

Bei einer Weiterbildung sind das Messelement und das dehnbaren Element von einer Schutzhülse umgeben. Die Schutzhülse biete Schutz gegen mechanische Beschädigungen und eine Verschmutzung des Messelementes und kann sie hermetisch abschließen. Fertigungstechnisch besonders einfach gestaltet sich dies, wenn die Schutzhülse mittels einer Schweißnaht in axiale Richtung des zylinderförmigen dehnbaren Elements mit diesem verbunden ist.

Im Rahmen der Dünnfilmtechnik ist es besonders einfach ohmsche Widerstände auszubilden. Daher ist es vorteilhaft, wenn das Messelement aus mindestens vier Widerständen aufgebaut ist. Dabei lassen sich die Signale der Widerstände sehr leicht auswerten, wenn sie als Wheatstonesche Brücke verschaltet sind.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind die vier Widerstände örtlich dergestalt auf dem dehnbaren Element angeordnet, dass die vom heißen Medium auf das dehnbare Element übertragenen transienten Temperaturfelder keine oder nur vernachlässigbar kleine Temperaturunterschiede an den Widerständen hervorrufen. Durch diese Maßnahme weisen alle Widerstände des Messelementes immer eine einheitliche Temperatur auf, womit die Wheatstonesche Brückeschaltung automatisch ein temperaturkompensiertes Messsignal liefert. Zur Gleichverteilung der Temperatur an den Widerständen des Messelementes ist es auch vorteilhaft, wenn zwischen dem dehnbaren Element und der Schutzhülse ein Wärme leitendes Medium vorgesehen ist, das eine gleichmäßige Wärmeverteilung bewirkt. Ein Fluid bewirkt diese Gleichverteilung besonders gut, da es neben der interatomaren oder -molekularen Wärmeleitung auch eine konvektionsgetriebene Wärmeverteilung ermöglicht und dabei eine hohe Wärmekapazität aufweist.

Bei einer Ausgestaltung ist am Drucksensor ein Gewinde ausgebildet, mit dem der Drucksensor in einen Brennraum schraubbar ist. Dies ermöglicht eine besonders leichte und gasdichte Verbindung des Drucksensors mit dem Brennraum. Wenn, gemäß eine nächsten vorteilhaften Weiterbildung, die Schraubkräfte auf die Schutzhülse übertragbar sind, können diese Kräfte keinen Einfluss auf das Messelement nehmen, wodurch eine fehlerfreie Messung der Drücke gewährleistet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigt:
1: einen Drucksensor zur Messung von Drücken in heißen Medien,
2: einen Schnitt durch einen Bereich des Drucksensors aus 1 nach der Linie A-A',
3: eine perspektivische Ansicht des dehnbaren Elementes mit dem darauf angeordneten Messelement,
4: den aus Figur bekannten Drucksensor in einer etwas geänderten Ausführung,
5: den Drucksensor in einer schematischen Darstellung.
1 zeigt einen Drucksensor 1 zur Messung von Drücken in heißen Medien 2. Die heißen Medien 2 in den Zylindern einer Brennkraftmaschine übertragen neben den hohen Drücken 16 sehr hohe Temperaturen auf den Drucksensor 1. Hierbei handelt es sich um Temperaturen in der Größenordnung von 300 °C. Der Drucksensor 1 besteht aus einem dehnbaren Element 3 und einem Messelement 4. Das Messelement 4 ist auf dem dehnbaren Element 3 in einem thermisch hoch belasteten Bereich 5 angeordnet. Der Druck 16, der vom heißen Medium 2 ausgeübt wird, verformt das dehnbare Element 3, das diese Verformung an das Messelement 4 weitergibt, welches der Dehnung und damit dem Innendruck 16 entsprechende elektrische Signale liefert. Auf Grund der sehr hohen Temperaturen im thermisch hoch belasteten Bereich 5 ist es nicht möglich, das Messelement 4 mit den üblichen Verbindungstechnologien wie Weichlöten oder Kleben mit der nachfolgenden Auswerteelektronik zu verbinden. Um bei den kleinen Abmessungen des Drucksensors 1 die Verbindung des Messelementes 4 mit der nachfolgenden Auswerteelektronik 7 dennoch zu ermöglichen, sind am Messelement 4 in Dünnfilmtechnik ausgebildete Leiterbahnen 6 vorgesehen, die zur Kontaktierung des Messelementes 4 mit der Auswerteelektronik 7 dienen und sich aus dem thermisch hoch belasteten Bereich 5 in den thermisch gering belasteten Bereich 8 des Messelementes 4 erstrecken. Im thermisch gering belasteten Bereich 8 des Messelementes 4 sind nun Lötpunkte 9 ausgebildet, an die elektrische Leitungen 17 angelötet werden können, die zur nachfolgenden Auswerteelektronik 7 führen. Durch die Ausbildung der Leiterbahnen 6 in Dünnschichttechnologie ist es möglich, einen sehr klein bauenden Drucksensor 1 zu schaffen, der auch in üblichen Kraftfahrzeugmotoren verwendet werden kann und bei dem eine einfache und langzeitstabile Anbindung der nachfolgenden Auswerteelektronik 7 möglich ist. Darüber hinaus zeigt die Figur eine Schutzhülse 10, die das Messelement 4 vor Beschädigungen und Verunreinigungen schützt. Ein Wärme leitendes Medium 18 bewirkt eine Temperaturgleichverteilung im Bereich des Messelementes 4. Mittels eines am dehnbaren Element 4 schematisch dargestellten Gewindes 19 kann der Drucksensor 1 in ein entsprechendes Gegengewinde in den Motorblock geschraubt werden. Eine Dichtung 12 sorgt für den gasdichten Abschluss zwischen dem Brennraum und dem Drucksensor 1.
2 zeigt einen Schnitt durch einen Bereich des Drucksensors 1 aus 1 nach der Linie A-A'. Zu erkennen ist das dehnbare Element 3, auf dessen abgeflachter Wand im thermisch hoch belasteten Bereich 5 das Messelement 4 ausgebildet ist. Der von dem heißen Medium 2 ausgeübte Druck 16 auf das dehnbare Element 3 ist durch die Pfeile dargestellt.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht des dehnbaren Elementes 3 mit dem darauf angeordneten Messelement 4. Das Messelement 4 ist als Wheatstonesche Brücke in Dünnschichttechnik ausgebildet und umfasst vier Widerstände 13. Die Widerstände 13 sind zur besagten Wheatstoneschen Brücke zusammengeschaltet. Das Messelement 4 befindet sich im thermisch hoch belasteten Bereich 5 des dehnbaren Elementes 3. Das Messelement 4 weist ebenfalls in Dünnschichttechnologie aufgebaute Leiterbahnen 6 auf, die zur Kontaktierung des Messelementes 4 mit der Auswerteelektronik 7 dienen und sich aus dem thermisch hoch belasteten Bereich 5 in einen thermisch gering belasteten Bereich 8 des Messelementes 4 erstrecken. Zur Anbindung der nachfolgenden Auswerteelektronik 7 finden sich im thermisch gering belasteten Bereich 8 des dehnbaren Elementes 3 Lötpunkte 9, die mit den in Dünnschichttechnologie ausgebildeten Leiterbahnen 6 verbunden sind und an denen elektrische Leitungen 17 angelötet sind, die zur nachfolgenden Auswerteelektronik 7 führen.
3a zeigt eine Vergrößerung des Messelementes 4 aus 3. Das Messelement 4 ist in Dünnschichttechnologie aufgebaut und zeigt vier Widerstände 13, die meanderförmig ausgebildet sind und zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind. An den Widerständen 13 sind die Leiterbahnen 6 ebenfalls in Dünnschichttechnologie ausgebildet. Diese Leiterbahnen führen aus dem thermisch hoch belasteten Bereich 5 in den thermisch gering belasteten Bereich 8.
4 zeigt den aus 1 bekannten Drucksensor 1 in einer etwas geänderten Ausführung. Hier ist der Drucksensor 1 in einer Schraube 11 ausgebildet. Es ist vorteilhaft, wenn diese Schraube ein Einschraubgewinde der Größe M6 oder kleiner aufweist, um den Drucksensor vorteilhaft in Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verbauen zu können. Darüber hinaus zeigt der Drucksensor 1 die schon bekannten Merkmale. Das dehnbare Element 3 verfügt über einen thermisch hoch belasteten Bereich 5 und einen thermisch gering belasteten Bereich 8. Das Messelement 4 ist im thermisch hoch belasteten Bereich 5 angeordnet und in Dünnschichttechnologie ausgebildeten Leiterbahnen 6 erstrecken sich in den thermisch gering belasteten Bereich 8. Im thermisch gering belasteten Bereich 8 sind Lötpunkte 9 ausgebildet, an denen die nachfolgende Auswerteelektronik 7 angeschlossen werden kann. Weiterhin zeigt 4 eine Dichtung 12, die dazu dienen kann, den als Schraube 11 ausgebildeten Drucksensor 1 gegen den Brennraum einer hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine abzudichten.
5 zeigt den Drucksensor 1 noch einmal in einer schematischen Darstellung. Das Messelement 4 besteht aus vier Widerständen 13, die in Dünnschichttechnologie ausgebildet sind und zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind. An dem Messelement, ebenfalls in Dünnschichttechnologie ausgebildet, befinden sich vier Leiterbahnen 6, die von thermisch hoch belasteten Bereich 5 in den thermisch gering belasteten Bereich 8 führen. Die Wirkung des Drucks 16 auf das dehnbare Element 3 ist mit den Pfeilen 14 und 15 dargestellt. Hier ist die vertikale Dehnung 15 geringer als die horizontale Dehnung 14, was zu einer ungleichmäßigen Verformung der Widerstände 13 des Messelementes 4 führt, wodurch ein dem Druck 16 des heißen Mediums 2 proportionales Ausgangssignal erzeugt wird, das über die Leiterbahnen 6 und die Lötpunkte 9 sowie die elektrischen Leitungen 17 der nachfolgenden Auswerteelektronik 7 zur Verfügung gestellt wird. Das Messelement 4 ist vorteilhaft seitlich auf einem als abgeflachter Zylinder ausgebildeten, dehnbaren Element 3 angeordnet. Das Messelement 4 sowie die Leiterbahnen 6 können in verschiedenen Dünnschichtverfahren aufgebracht werden. Bekannt ist hierbei zum Beispiel das Aufspattern oder Aufdampfen. Die Kontaktierung der nachfolgenden Auswerteelektronik 7 erfolgt in der Regel durch Löten oder Wirebonden an den Lötpunkten 9 in dem thermisch gering belasteten Bereich 8.
Wenn der Ducksensor in eine Glühkerze, eine Zündkerze oder eine Einspritzdüse integriert ist, kann ein ohne hin in der Brennkraftmaschine enthaltenes Bauteil zur Überwachung des Zylinderinnendruckes verwendet werden. Zusätzliche Bohrungen durch die Zylinderwand oder im Zylinderkopf werden somit nicht benötigt.

Claims

Drucksensor (1) zur Messung von Drücken in heißen Medien (2), insbesondere Brennraumdrucksensor für Brennkraftmaschinen, mit einem dehnbaren Element (3), das durch den Druck des heißen Mediums (2) gedehnt wird und einem Messelement (4), das die Dehnung des dehnbaren Elementes (3) erfasst und das in Dünnfilmtechnik auf oder an dem dehnbaren Element (3) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) in einem thermisch hoch belasteten Bereich (5) des dehnbaren Elementes (3) angeordnet ist und ebenfalls in Dünnfilmtechnik ausgebildete Leiterbahnen (6) aufweist, die zur Kontaktierung des Messelementes (4) mit einer Auswerteelektronik (7) dienen und die sich aus dem thermisch hoch belasteten Bereich (5) in einen thermisch gering belasteten Bereich (8) des dehnbaren Elementes (3) erstrecken.
Drucksensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dehnbare Element (3) zylinderförmig ausgebildet ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dehnbare Element (3) eine abgeflachte Zylinderwand aufweist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) auf einer Wand des zylinderförmig ausgebildeten dehnbaren Elementes (3) angeordnet ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) auf einem Boden des zylinderförmig ausgebildeten dehnbaren Elementes (3) angeordnet ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) auf der abgeflachten Wand des zylinderförmig ausgebildeten dehnbaren Elementes (3) angeordnet ist.
Drucksensor (1) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) und das dehnbare Element (3) von einer einzigen Schutzhülse (10) umgeben sind.
Drucksensor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülse (10) mittels einer Schweißnaht in axiale Richtung des zylinderförmigen dehnbaren Elementes (3) mit diesem verbunden ist.
Drucksensor (1) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (4) aus mindestens vier Widerständen (13) aufgebaut ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Widerstände (13) zu einer Wheatstoneschen Brücke verschaltet sind.
Drucksensor (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Widerstände (13) örtlich dergestalt auf dem dehnbaren Element (3) angeordnet sind, dass die vom heißen Medium (2) auf das dehnbare Element (3) übertragenen transienten Temperaturfelder keine oder nur vernachlässigbar kleine Temperaturunterschiede an den Widerständen (13) hervorrufen.
Drucksensor (1) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem dehnbaren Element (3) und der Schutz hülse (10) ein Wärme leitendes Medium (18) vorgesehen ist, das gleichmäßige Wärmeverteilung bewirkt.
Drucksensor (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärme leitende Medium (18) ein Fluid ist.
Drucksensor (1) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Drucksensor (1) ein Gewinde (19) ausgebildet ist, mit dem der Drucksensor in einen Brennraum schraubbar ist.
Drucksensor (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubkräfte auf die Schutzhülse (10) übertragbar sind.
Glühkerze mit einem integrierten Drucksensor 1 nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche.
Zündkerze mit einem integrierten Drucksensor 1 nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche.
Einspritzdüse mit einem integrierten Drucksensor 1 nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche.