DE102010037476A1

DE102010037476A1 - Druckmessgerät

Info

Publication number: DE102010037476A1
Application number: DE102010037476A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Pottiez Christian; Bernd Last; Georg Rixecker; Martin Sackmann
Original assignee: BorgWarner Beru Systems GmbH
Current assignee: BorgWarner Ludwigsburg GmbH
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-15
Anticipated expiration: 2030-09-11
Also published as: CN102564683A; DE102010037476B4; CN102564683B

Abstract

Die Erfindung betrifft Druckmessgerät, insbesondere in Form einer Glühkerze mit einem Gehäuse, einem Heizstab (4), der in dem Gehäuse unter Einwirkung von Brennraumdruck in axialer Richtung beweglich ist und aus dem Gehäuse herausragt, einem Sensor (5) zur Messung von auf dem Heizstab (4) lastendem Brennraumdruck, und einer an dem Gehäuse befestigten Membran (8), durch die der Heizstab (4) hindurchragt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen dem Sensor (5) und der Membran (8) eine zweite Membran (9) angeordnet ist, die bei einer durch Druck auf den Heizstab (4) bewirkten axialen Verschiebung des Heizstabs (4) eine Rückstellkraft erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckmessgerät zur Messung des Brennraumdrucks in einem Motor. Derartige Druckmessgeräte können in Glühkerzen integriert sein. Ein als Glühkerze ausgebildetes Druckmessgerät mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen ist beispielsweise aus der DE 10 2004 024 341 B3 bekannt.
Bei Glühkerzen mit einem Sensor zur Messung des Brennraumdrucks muss einerseits eine axiale Beweglichkeit des Heizstabs relativ zu dem Gehäuse gegeben sein und andererseits das Gehäuse gegen Brennraumgase abgedichtet sein. Diese Anforderungen können mit einer an dem Gehäuse befestigten Dichtmembran erfüllt werden, durch die der Heizstab hindurchragt. Eine solche Membran wird üblicherweise durch Löten oder Schweißen, sowohl mit dem Heizstab als auch mit dem Gehäuse, verbunden, kann aber auch integral als Teil des Gehäuses ausgebildet sein. Eine sowohl am Heizstab als auch am Gehäuse befestigte Metallmembran ermöglicht eine axiale Beweglichkeit des Heizstabs unter Einwirkung von Brennraumdruck und kann den chemischen und thermischen Belastungen von Brennraumgasen gut. standhalten.
Der Druck im Brennraum eines Motors ändert sich während eines Arbeitszyklus sehr stark. Diese Änderungen folgen gemäß der Umdrehungszahl des Motors in sehr kurzen Zeiten aufeinander, sodass die Messung des Brennraumdrucks durch große und zeitlich dicht aufeinander folgende Druckschwankungen geprägt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es einen Weg aufzuzeigen, wie der Brennraumdruck im Motor eines Kraftfahrzeugs mit einer höheren Präzision gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Drucksensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bei einem erfindungsgemäßen Druckmessgerät ist der Drucksensor durch zwei Membranen, die in Längsrichtung des Stößels hintereinander angeordnet sind, vor Verbrennungsgasen geschützt. Durch die vordere, brennraumseitige Membran wird die hintere Membran vor Verbrennungsgasen geschützt und so von thermischen Einflüssen der Verbrennung entkoppelt.
Ein erfindungsgemäßes Druckmessgerät kann als eine Glühkerze ausgebildet sein, indem der axial bewegliche Stößel ein Heizstab ist. Nötig ist diese jedoch nicht. Bei Dieselmotoren kann eine separate Glühkerze zusätzlich zu einem Drucksensor vorgesehen sein und für Benzinmotoren wird keine Glühkerze benötigt.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass bei herkömmlichen Druckmessglühkerzen die den Heizstab umgebende Dichtmembran eine erhebliche Quelle für Störsignale bilden kann, welche die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Die Dichtmembran wird nämlich durch Brennraumgase während der Kraftstoffverbrennung stark aufgeheizt und kühlt während der übrigen Zeit eines Arbeitszyklus des Motors ab. Diese starken Temperaturschwankungen sind mit wechselnden thermischen Ausdehnungen verbunden und führen deshalb in der Membran zu kurzzeitigen mechanischen Spannungen. Diese mechanischen Spannungen übertragen sich auf den Heizstab, so dass die Temperaturschwankungen der Membran axiale Bewegungen des Heizstabs bewirken können.
Von dem Drucksensor werden thermisch bedingte Bewegungen des Stößels bzw. Heizstabs ebenso wie druckbedingte Bewegungen in Messsignale umgesetzt. Die durch thermische Ausdehnungen von der Membran auf den Heizstab ausgeübte Kraft bewirkt deshalb ein Störsignal, welches der eigentlichen Messgröße, nämlich der vom Brennraumdruck auf den Heizstab ausgeübten Kraft, überlagert ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Druckmessgerät mit zwei hintereinander angeordneten Membranen kann die vom Brennraum aus gesehen hintere Membran durch die vordere Membran vor Temperaturschocks geschützt werden. Mit der vorderen Membran lässt sich also eine thermische Isolierung der hinteren Membran von den Brennraumgasen erreichen. Die hintere Membran folgt kurzzeitigen Temperaturschwankungen, die mit der Zündung von Brennstoff verbunden sind, also allenfalls in wesentlich geringerem Maße. Durch die erfindungsgemäße Kombination von zwei Membranen können deshalb die Auswirkungen kurzfristiger Temperaturschwankungen auf den Heizstab insgesamt reduziert werden.
Bevorzugt hat die zweite Membran, d. h. die vom Brennraum aus gesehen hintere Membran, eine kleinere Elastizität als die erste Membran. Die Elastizität gibt den Zusammenhang zwischen Kraft und Dehnung an. Die Einwirkung einer gegebenen Kraft auf die erste Membran bewirkt also eine größere Dehnung als die Einwirkung einer ebenso großen Kraft auf die zweite Membran. Die zweite Membran ist somit härter als die erste Membran, wobei die Begriffe „weich” und „hart” hier in dem Sinne zu verstehen sind, wie sie zur Beschreibung von Federn verwendet werden.
Bei einer axialen Verschiebung des Stößels bzw. Heizstabs entsteht eine Rückstellkraft, zu der bei einem erfindungsgemäßen Druckmessgerät sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran beitragen. Indem die erste, d. h brennraumseitige, Membran eine größere Elastizität als die zweite Membran hat, kann der Einfluss der ersten Membran auf die Bewegung des Stößels bzw. Heizstabs und damit auf das Messsignal noch weiter reduziert werden. Je höher nämlich die Elastizität der ersten Membran ist, desto kleiner sind die Kräfte, die bei einem Temperaturschock als Folge thermischer Ausdehnung entstehen können. Bevorzugt beträgt die Elastizität der zweiten Membran nicht mehr als die Hälfte, besonders bevorzugt nicht mehr als ein Fünftel, insbesondere nicht mehr als ein Zehntel, der Elastizität der ersten Membran.
Bevorzugt ist die erste Membran dünner als die zweite Membran, vorzugsweise nicht mehr als halb so dick. Die Elastizität einer Membran hängt nämlich von ihrer Dicke und dem verwendeten Material ab. Geeignete Materialien für die erste Membran sind insbesondere Nickelbasislegierungen. Hochtemperaturbeständige Nickelbasislegierungen sind im Handel beispielsweise unter den Bezeichnungen Alloy 718 und Alloy 725 erhältlich. Daneben sind beispielsweise auch Chromnickelstähle, insbesondere warmfeste Stähle wie 1.4541 oder 1.4571, als Material für die erste Membran geeignet.
Der Sensor zur Messung von auf dem Stößel lastendem Brennraumdruck kann direkt von dem Stößel mit Druck beaufschlagt werden. Bevorzugt wird der Sensor aber von einem den Stößel umgebenden Kraftübertrager mit Druck beaufschlagt. Der Kraftübertrager ist in dem Gehäuse angeordnet und an dem Stößel befestigt, beispielsweise als Ring, Wendel oder Rohr. Eine axiale Bewegung des Stößels überträgt sich auf den an ihm befestigten Kraftübertrager, der dann auf den Sensor einwirkt.
Mit einem solchen Kraftübertrager kann vorteilhaft der Einfluss von Thermoschocks auf das Drucksignal weiter reduziert werden. Der Kraftübertrager kann nämlich als eine Feder wirken, die bei einer Verschiebung des Stößels eine Rückstellkraft erzeugt. Bevorzugt erzeugt der Kraftübertrager bei einer druckbedingten Verschiebung des Stößels eine Rückstellkraft, die größer als die bei dieser Verschiebung erzeugte Rückstellkraft der ersten Membran ist. Bevorzugt erzeugt der Kraftübertrager bei einer druckbedingten Verschiebung des Stößels eine Rückstellkraft, die kleiner als die dabei erzeugte Rückstellkraft der zweiten Membran ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse aus wenigstens zwei Gehäuseteilen zusammengefügt ist, wobei ein vorderes, d. h. brennraumseitiges Gehäuseteil die zweite Membran umgibt, und ein hinteres Gehäuseteil den Sensor umgibt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Gleiche und einander entsprechende Vorteile sind dabei mit übereinstimmenden Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles einer Glühkerze;
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Glühkerze;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Glühkerze;
4 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Glühkerze; und
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Druckmessgeräts in Form einer Glühkerze schematisch in einer Schnittansicht dargestellt. Die Glühkerze hat ein mehrteiliges Gehäuse 1, 2, 3, aus dem ein unter Einwirkung von Brennraumdruck in axialer Richtung beweglicher Heizstab 4 herausragt. Je größer der Brennraumdruck ist, desto weiter wird der Heizstab 4 in das Gehäuse hinein gedrückt.
In dem Gehäuse ist ein Sensor 5 zur Messung von auf dem Heizstab 4 lastendem Brennraumdruck angeordnet. Der Drucksensor 5 wandelt eine auf ihn ausgeübte Kraft in ein elektrisches Signal um. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sensor 5 ein piezoelektrischer Sensor. Es können aber auch andere Sensoren zur Druckmessung verwendet werden, beispielsweise Dehnungsmessstreifen.
Der Sensor 5 wird von einem Kraftübertrager 6 mit Druck beaufschlagt, der als ein den Heizstab 4 umgebendes Rohr ausgebildet ist. Der Kraftübertrager 6 ist an dem Heizstab 4 befestigt, beispielsweise mittels einer Schweißhülse 7.
Der Sensor 5 ist durch zwei hintereinander angeordnete Dichtmembranen 8, 9 vor Brennraumgasen geschützt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine erste Membran 8 an dem brennraumseitigen Ende des Gehäuses angeordnet. Die zweite Membran 9 ist zwischen dem Sensor 5 und der ersten Membran 8 angeordnet. Sowohl die erste Membran 8 als auch die zweite Membran 9 sind stoffschlüssig mit dem Heizstab 4 verbunden, beispielsweise durch Löten oder Schweißen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Membranen 8, 9 als separate Bauteile ausgebildet und an ihrem äußeren Rand mit dem Gehäuse verbunden, beispielsweise durch Verlöten oder Verschweißen.
Die erste Membran 8 ist heißen Brennraumgasen ausgesetzt, die kurzzeitige Temperaturschwankungen von mehreren hundert Grad bewirken. Diese Temperaturschwankungen sind mit thermischen Ausdehnungen verbunden, welche zu einer Krafteinwirkung auf den Heizstab 4 führen können. Diese Kräfte sind umso geringer, je elastischer die erste Membran 8 ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Membran 8 deshalb elastischer als die zweite Membran 9. Dies bedeutet, dass die erste Membran 8 bei einer axialen Verschiebung des Heizstabs 4 eine kleinere Rückstellkraft als die zweite Membran 9 erzeugt. Um dies zu erreichen kann die erste Membran 8 beispielsweise dünner als die zweite Membran 9 ausgebildet sein und/oder aus einem elastischeren Material hergestellt sein. Insbesondere Nickelbasislegierungen verbinden eine relativ hohe Elastizität mit einer guten Temperaturbeständigkeit.
Die erste Membran 8 und die zweite Membran 9 wirken als Federn, die auf eine druckbedingte Verschiebung des Heizstabs 4 mit einer Rückstellkraft antworten. Für eine gegebene Verschiebung ist die von der zweiten Membran 9 erzeugte Rückstellkraft größer als die von der ersten Membran 8 erzeugte Rückstellkraft. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die von der zweiten Membran 9 erzeugte Rückstellkraft mehr als zehn Mal, nämlich mehr als zwanzig Mal so groß, wie von der ersten Membran erzeugte Rückstellkraft. Die zweite Membran 9 bildet also eine Feder, die eine mehr als zehn Mal, sogar mehr als zwanzig Mal größere Federhärte als die von der ersten Membran 8 gebildete Feder aufweist.
Der Kraftübertrager 6 kann eine weitere Feder bilden, die bei einer axialen Verschiebung des Heizstabs 4 eine Rückstellkraft erzeugt. Die Federhärte dieser weiteren Feder sollte größer als die Federhärte der durch die erste Membran 8 gebildeten Feder sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erzeugt der Kraftübertrager 6 bei einer gegebenen axialen Verschiebung des Heizstabs 4 eine Rückstellkraft, die kleiner als die von der zweiten Membran 9 und größer als die dann von der ersten Membran 8 erzeugte Rückstellkraft ist.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse aus einem vorderen Gehäuseteil 3, einem hinteren Gehäuseteil 1 und einem das vordere und das hintere Gehäuseteil verbindende Zwischenstück 2 zusammengefügt. Die erste Membran 8 ist an dem vorderen Gehäuseteil 3 befestigt, die zweite Membran 9 an dem Zwischenstück 2. Das vordere Gehäuseteil 3 umgibt dabei die zweite Membran 9.
Der in 1 dargestellte Aufbau ermöglicht eine einfache Montage der Glühkerze. Da das Zwischenstück 2 den Sensor 5 trägt, kann es mit ihm und dem Heizstab 4 zu einer Baugruppe zusammengefügt werden. Dabei kann die zweite Membran 9 mit geringem Aufwand an dem Heizstab 4 und dem Zwischenstück 2 befestigt werden. Anschließend wird das Zwischenstück 2 mit dem hinteren Gehäuseteil 1 und dem vorderen Gehäuseteil 3 verbunden.
Zwischen dem Kraftübertrager 6 und dem Sensor 5 kann ein Stopfen 10 angeordnet werden, der einen zu dem Heizstab 4 führenden Innenpol 11 umgibt. Der Sensor 5 wird in dem Zwischenstück 2 von einer Verschlusskappe 12 gehalten, durch welche der Innenpol 11 und Sensorkontakte 14 hindurchgeführt sind. Zwischen der Verschlusskappe 12 und dem Sensor 5 kann ein Isolierring 13 angeordnet sein.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Glühkerze. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen nur durch die Ausgestaltung der ersten Membran 8. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 ist die erste Membran 8 an einer Stirnseite des Gehäuses befestigt. Die Membran 8 hat deshalb einen näherungsweise L-förmigen Querschnitt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 erstreckt sich die erste Membran 8 dagegen bis auf eine Seitenfläche des Gehäuses. Die erste Membran 8 kann auf diese Weise einen Kegeldichtsitz der Glühkerze bedecken. So kann eine gute thermische Anbindung der ersten Membran 8 an ein Kühlsystem des Motors erreicht und somit die Wärmebelastung der ersten Membran 8 reduziert werden.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Glühkerze, bei dem die erste Membran 8 ebenso wie die zweite Membran 9 von dem Gehäuse umgeben ist. Die erste Membran 8 und die zweite Membran 9 können dabei eine Doppelmembran bilden. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist ebenso wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen zwischen der ersten Membran 8 und der zweiten Membran 9 ein Freiraum.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Glühkerze, das sich von dem Ausführungsbeispiel der 1 im Wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass die erste Membran 8 einstückig mit dem vorderen Teil des Gehäuses ausgebildet ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist die vordere Membran 8 durch das vordere Gehäuseteil 3 vor Beschädigungen geschützt. Diesem Vorteil steht aber der Nachteil einer möglichen Verkokung gegenüber. Eine Verkokung kann dazu führen, dass die Beweglichkeit des Heizstabs eingeschränkt wird, so dass die Druckmessfunktion behindert und verfälscht wird. Eine Verkokung kann durch Rußablagerungen an kalten Bauteilen entstehen. Eine erhöhte Gefahr einer Verkokung besteht insbesondere bei hohen Abgsasrückführungsverfahren, wie dies bei modernen Verbrennungsverfahren häufig eingesetzt wird. Bei den Ausführungsbeispielen der 1, 2 und 4 ist eine Verkokung dagegen praktisch ausgeschlossen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Glühkerze in einer schematischen Darstellung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein weiteres Zwischenstück 15 vorhanden, welches das Zwischenstück 2 mit dem vorderen Gehäuseteil 3 verbindet. Bei diesem Ausführungsbeispiel trägt das weitere Zwischenstück 15 die erste Membran 8 und das Zwischenstück 2 die zweite Membran 9.
Bezugszeichenliste

1: Hinteres Gehäuseteil
2: Zwischenstück
3: Vorderes Gehäuseteil
4: Heizstab
5: Sensor
6: Kraftübertrager
7: Schweißhülse
8: Erste Membran
9: Zweite Membran
10: Stopfen
11: Innenpol
12: Verschlussklappe
13: Isolierring
14: Sensorkontakte
15: Weiteres Zwischenstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004024341 B3 [0001]

Claims

Druckmessgerät zum Messen des Brennraumdrucks in der Brennkammer eines Motors, mit einem Gehäuse, einem Stößel (4), der in dem Gehäuse unter Einwirkung von Brennraumdruck in axialer Richtung beweglich ist und aus dem Gehäuse herausragt, einem Sensor (5) zur Messung von auf dem Stößel (4) lastendem Brennraumdruck, und einer an dem Gehäuse befestigten Membran (8), durch die der Stößel (4) hindurchragt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sensor (5) und der Membran (8) eine zweite Membran (9) angeordnet ist, die bei einer durch Druck auf den Stößel (4) bewirkten axialen Verschiebung des Stößels (4) eine Rückstellkraft erzeugt.
Druckmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Glühkerze ist, wobei der Stößel (4) als Heizstab der Glühkerze ausgebildet ist.
Druckmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Membran (9) eine kleinere Elastizität als die erste Membran (8) hat.
Druckmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse ein den Stößel (4) umgebender Kraftübertrager (6) angeordnet ist, der an dem Stößel (4) befestigt ist und auf den Sensor (5) einwirkt, der eine von dem Kraftübertrager (6) auf ihn ausgeübte Kraft in ein elektrisches Signal umwandelt.
Druckmessgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftübertrager (6) ein Rohr ist.
Druckmessgerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftübertrager (6) bei einer druckbedingten Verschiebung des Stößels (4) eine Rückstellkraft erzeugt, die kleiner als die dabei erzeugte Rückstellkraft der zweiten Membran (9) ist.
Druckmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem vorderen Gehäuseteil (3), einem hinteren Gehäuseteil (1) und wenigstens einem das vordere und das hintere Gehäuseteil (1) verbindenden Zwischenstück (2) zusammen gefügt ist.
Druckmessgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (2) die zweite Membran (9) trägt.
Druckmessgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (2) den Sensor (5) trägt.
Druckmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das vordere Gehäuseteil (3) die zweite Membran (9) umgibt.
Druckmessgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die erste und die zweite Membran (9) jeweils gasdicht mit dem Stößel (4) und dem Gehäuse verbunden sind.