WO2009129791A2 - Vorrichtung und verfahren zur ermittlung des brennraumdruckes - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur ermittlung des brennraumdruckes Download PDF

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    • F23Q2007/002—Glowing plugs for internal-combustion engines with sensing means

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for determining the combustion chamber pressure, in particular of internal combustion engines.
  • combustion chamber pressure sensors are e.g. known from DE 10343521, here is a Druckmessglühkerze described for a diesel engine with a plug body for insertion into a cylinder of the diesel engine, a heating element which is arranged in the plug body, and a pressure sensor, which is arranged under a bias voltage between the heating element and the plug body in such a way that the pressure sensor is acted on by the pressure prevailing in the combustion chamber of the cylinder, wherein the heating element is slidably arranged in the axial direction in the plug body and transmits the pressure in the combustion chamber of the cylinder to the pressure sensor.
  • combustion chamber pressure sensor shows a glow plug having a cylindrical case whose one end side is located close to a combustion chamber of an engine and which has a threaded portion engaged with the engine; a tubular member held within the housing such that the one end side of the tubular member protrudes from the one end side of the cylindrical housing; a heat generating member located within the tubular member and generating heat in response to supplied current; a metallic center shaft having one end side electrically connected to the heat generating member and the other end side projecting from the other end side of the housing; and a combustion pressure sensor for detecting a combustion pressure of the engine which, when generated, is transmitted via the center shaft as an axial force acting on the tubular member, wherein a portion of the center shaft within the tubular member has a coefficient of thermal expansion of less than or equal to 10.5 * 10 ⁇ -6> / [deg.] C has.
  • DE 10 2005 016 463 discloses a glow plug for a self-igniting internal combustion engine, comprising a first, a radiator and a cartridge housing containing module and a pressure measuring module, wherein the pressure measuring module on a radiator side facing away from the first module, wherein at least one force measuring element in the pressure measuring module is integrated, wherein the at least one force measuring element is designed to generate an electrical signal in response to a force, wherein the at least one force measuring element is connected to the radiator such that a force on the at least one force measuring element is transferable via the radiator ,
  • a glow plug for a self-igniting internal combustion engine with a radiator and a plug housing wherein the plug housing has at least one force measuring element, wherein the at least one force measuring element is connected to the radiator such that a force on the radiator at least one force measuring element is transferable, wherein the glow plug further comprises at least one connected to the radiator sealing element, wherein the at least one sealing element has at least one element with an elastic property and wherein the at least one sealing element seals the radiator against the plug housing.
  • FIG. 5 shows a pressure measuring glow plug subjected to a fault
  • the task of a pressure-integrated integrated pressure sensor is to measure the fuel gas pressure in the combustion chamber.
  • the heating element 5 is mounted in the middle of the body 6 with two spring diaphragms 1, 2 which can be deformed in the axial direction, with the same spring rigidity, so that the heating element 5 can move axially.
  • a reference element 3 such as a magnet is fixed.
  • a displacement measuring element 4 such as, for example, an inductive coil attached.
  • Another alternative to the displacement measurement is the membrane deformation measurement, as shown in FIG.
  • one or more deformation measuring elements 4 such as strain gauges (DMS) or capacitive sensors are applied, which by means of the displacement of the Hetzstabes by the prevailing pressure in the combustion chamber of the internal combustion engine, a signal to the control unit of a motor vehicle via CAN - send bus.
  • DMS strain gauges
  • FIG. 4 shows a pressure measuring glow plug with membrane deformation measurement acted upon by fuel gas pressure. If a combustion pressure acts on the active surface of the heating element 5 and the combustion chamber side diaphragm, the heating element 5 moves relative to the combustion chamber, the two diaphragms 1, 2 deform in the same direction. The deformation of the diaphragm determined by means of deformation measuring element 4 is used to draw conclusions about the combustion pressure, which is transmitted to the control unit of the vehicle.
  • an essential interference signal during the measurement is the externally introduced deformation of the body 6, which likewise can cause a relative movement between the reference 7 and the measuring element 4.
  • the reference 7 and measuring element 4 In order to decouple this disturbance, the reference 7 and measuring element 4 must be located in a so-called neutral plane 8, where no relative movement occurs during the deformation.
  • the neutral plane 8 is, for example, in the middle of the deformation zone.
  • FIG. 6 shows a pressure measuring glow plug with membrane deformation measurement acted upon by external deformation. If the spring diaphragms 1 and 2 have the same spring strength and geometry, the two diaphragms deform to the same extent but in the opposite direction. With the appropriate arrangement and circuit of the measuring elements, this deformation is fully compensated.

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Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes, umfassend wenigstens einen Glühstift (5), wenigstens ein Messelement (4), wenigstens zwei Federmembrane (1, 2) sowie wenigstens einen rohrförmigen Körper (6).

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes, insbesondere von Verbrennungskraftmaschinen. Derartige Brennraumdrucksensoren sind z.B. bekannt aus der DE 10343521 , hier wird eine Druckmessglühkerze beschrieben für einen Dieselmotor mit einem Kerzenkörper zum Einsetzen in einen Zylinder des Dieselmotors, einem Heizstab, der im Kerzenkörper angeordnet ist, und einem Drucksensor, der unter einer Vorspannung zwischen dem Heizstab und dem Kerzenkörper angeordnet ist, derart, dass der Drucksensor durch den im Brennraum des Zylinders herrschenden Druck beaufschlagt wird, wobei der Heizstab in axialer Richtung gleitend verschiebbar im Kerzenkörper angeordnet ist und den Druck im Brennraum des Zylinders auf den Drucksensor überträgt.
Weiter ist ein solcher Brennraumdrucksensor offenbart in der DE 10348 295, die eine Glühkerze mit einem zylinderförmigen Gehäuse zeigt, dessen eine Endseite nahe an einer Verbrennungskammer eines Motors gelegen ist und das einen mit dem Motor in Eingriff stehenden Gewindeabschnitt hat; einem röhrenförmigen Bauteil, das so innerhalb des Gehäuses gehalten wird, dass die eine Endseite des röhrenförmigen Bauteils von der einen Endseite des zylinderförmigen Gehäuses vorragt; einem Wärmeerzeugungsbauteil, das sich innerhalb des röhrenförmigen Bauteils befindet und im Ansprechen auf zugeführten Strom Wärme erzeugt; einem metallischen Mittelschaft, dessen eine Endseite elektrisch mit dem Wärmeerzeugungsbauteil verbunden ist und dessen andere Endseite von der anderen Endseite des Gehäuses vorragt; und einem Verbrennungsdrucksensor zur Erfassung eines Verbrennungsdrucks des Motors, der, wenn er erzeugt wird, als eine auf das röhrenförmige Bauteil wirkende Axialkraft über den Mittelschaft übertragen wird, wobei ein innerhalb des röhrenförmigen Bauteils liegender Abschnitt des Mittelschafts einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von kleiner oder gleich 10,5 * 10<-6>/[deg.]C hat. Die DE 10 2005 016 463 offenbart eine Glühstiftkerze für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine, aufweisend ein erstes, einen Heizkörper und ein Kerzengehäuse beinhaltendes Modul sowie ein Druckmessmodul, wobei sich das Druckmessmodul auf einer dem Heizkörper abgewandten Seite an das erste Modul anschließt, wobei mindestens ein Kraftmesselement in das Druckmessmodul integriert ist, wobei das mindestens eine Kraftmesselement ausgestaltet ist, um ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von einer Kraft zu erzeugen, wobei das mindestens eine Kraftmesselement derart mit dem Heizkörper verbunden ist, dass über den Heizkörper eine Kraft auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragbar ist.
Aus der DE 10 2005 017 802 ist eine Glühstiftkerze für eine selbstzündende Verbrennungskraftmaschine mit einem Heizkörper und einem Kerzengehäuse bekannt, wobei das Kerzengehäuse mindestens ein Kraftmesselement aufweist, wobei das mindestens eine Kraftmesselement derart mit dem Heizkörper verbunden ist, dass über den Heizkörper eine Kraft auf das mindestens eine Kraftmesselement übertragbar ist, wobei die Glühstiftkerze weiterhin mindestens ein mit dem Heizkörper verbundenes Dichtelement aufweist, wobei das mindestens eine Dichtelement mindestens ein Element mit einer elastischen Eigenschaft aufweist und wobei das mindestens eine Dichtelement den Heizkörper gegen das Kerzengehäuse abdichtet.
Daran ist nachteilig, dass es eines aufwendigen Vorspannprozesses mittels Schrauben bei der Herstellung der Druckmessglühkerze bedarf. Die benötigten großen Vorspannungen mechanisch aufzubringen ist schwierig, insbesondere bei den kleinen Dimensionen. Das Nachlassen der Vorspannung ist nicht zu vermeiden. Eine Kompensation der Formfehler der Bauteile ist ebenfalls sehr schwierig. Die Entkoppelung der Druckmessung von äußeren Einflüssen kann derart auch nicht gelingen. Es ist somit die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes zu schaffen, wobei die aufgezeigten Nachteile zu vermeiden sind, bei gleichzeitiger Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber Lateralschwingungen sowie der Entkopplung des Messelements von äußeren Verformungen bei höherer Konzentrizität zwischen Heizstab und Körper.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 1 sowie ein Verfahren mit den in Anspruch 5 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Vorteile der Erfindung liegen in der einfachen Realisierbarkeit. Derartige Vorrichtungen sind kostengünstig herzustellen. Vor allem aber ist die Kompensierung von äußeren Einflüssen möglich, Durch die doppelte Führung des Heizstabes durch die beiden Federmembrane und die Anordnung der Mess- bzw. Referenzelemente in einer Neutralebene ist die Druckmessglühkerze gegenüber lateralen Schwingungen sowie anderen Verformungen entkoppelt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, es zeigen:
Figur 1 Druckmessglühkerze mit einer Wegmessung
Figur 2 Druckmessglühkerze mit einer alternativen Wegmessung
Figur 3 mit Brenngasdruck beaufschlagte Druckmessglühkerze
Figur 4 mit Brenngasdruck beaufschlagte Druckmessglühkerze mit
Verformungsmessung der Membrane
Figur 5 mit einer Störung beaufschlagte Druckmessglühkerze
Figur 6 mit einer Störung beaufschlagte Druckmessglühkerze mit
Verformungsmessung der Membrane Die Aufgabe eines z.B. in Figur 1 dargestellten heizstabintegrierten Drucksensors ist es, den Brenngasdruck im Brennraum zu messen. Der Heizstab 5 ist in der Mitte vom Körper 6 mit zwei in axialer Richtung verformbaren Federmembranen 1 ,2 mit gleicher Federsteifigkeit gelagert, somit kann sich der Heizstab 5 axial bewegen. Auf dem Heizstab 5 ist ein Referenzelement 3, wie beispielsweise ein Magnet fixiert. Auf dem Körper 6 ist ein Wegmesselement 4, wie bspw. eine induktive Spule angebracht. Bne Alternative zur Wegmessung ist die Membranverformungsmessung, wie in Figur 2 gezeigt. Auf den beiden Federmembranen 1 , 2 werden jeweils ein oder mehre Verformungsmesselemente 4, wie etwa Dehnmessstreifen (DMS) oder kapazitive Sensoren aufgebracht, die mittels der Verschiebung des Hetzstabes durch den im Brennraum der Verbrennungskraftmaschine herrschenden Druck, ein Signal an das Steuergerät eines Kraftfahrzeuges via CAN - Bus senden.
Wirkt, wie in Figur 3 dargestellt, ein Verbrennungsdruck auf die Wirkfläche des Heizstabs 5 und der brennraumseitigen Federmembran 1 , bewegt sich der Heizstab gegenüber dem Brennraum, die beiden Membranen 1 ,2 verformen sich in gleicher Richtung. Das Messelement 4 bleibt in seiner ursprünglichen Position und das Referenzelement 7 bewegt sich mit dem Heizstab 5. Durch die relative Bewegung zwischen Mess- 4 und Referenzelement 7 wird auf den Verbrennungsdruck geschlossen. Die Figur 4 zeigt eine mit Brenngasdruck beaufschlagte Druckmessglühkerze mit Membranverformungsmessung, Wirkt ein Verbrennungsdruck auf die Wirkfläche des Heizstabs 5 und die brennraumseitige Membran, so bewegt sich der Heizstab 5 gegenüber dem Brennraum, die beiden Membrane 1 , 2 verformen sich in gleicher Richtung. Durch die mittels Verformungsmesselement 4 ermittelte Verformung der Membrane wird auf den Verbrennungsdruck rückgeschlossen, der an das Steuergerät des Fahrzeugs übermittelt wird.
Wie in Figur 5 dargestellt ist ein wesentliches Störsignal bei der Messung die von Außen eingeleitete Verformung des Körpers 6, die ebenfalls eine relative Bewegung zwischen Referenz- 7 und Messelement 4 verursachen kann. Um diese Störung zu entkoppeln, müssen sich das Referenz- 7 und Messelement 4 in einer sogenannten Neutralebene 8 befinden, wo bei der Verformung keine Relativbewegung auftritt. Bei einer gleichmäßigen und symmetrischen Körperform liegt die Neutralebene 8 beispielweise in der Mitte der Verformungszone. Die Figur 6 zeigt eine mit äußerer Verformung beaufschlagte Druckmessglühkerze mit Membranverformungsmessung. Wenn die Federmembrane 1 und 2 besitzen gleiche Federfestigkeit und Geometrie, verformen sich die beiden Membrane in gleichem Maß aber in der entgegen gesetzten Richtung. Mit der entsprechenden Anordnung und Schaltung der Messelemente wird diese Verformung vollständig kompensiert.
Bezugszeichenliste
1. Federmembran
2. Federmembran
3. Referenzelement
4. Messelement
5. Heizstab
6. rohrförmiger Körper
7. Referenzelement
8. Neutralebene

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Ermittlung des Brennraumdruckes, umfassend wenigstens einen Heizstab (5), wenigstens ein Messelement (4), wenigstens zwei Federmembrane (1 , 2) sowie wenigstens einen rohrförmigen Körper (6).
2. Vorrichtung zur Ermittlung des Brennraumdruckes nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens ein Referenzelement (3, 7) aufweist.
3. Vorrichtung zur Ermittlung des Brennraumdruckes nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper (6) konzentrisch um Heizstab (5) angeordnet ist.
4. Vorrichtung zur Ermittlung des Brennraumdruckes nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembrane (1, 2) konzentrisch um Heizstab 5 angeordnet sind.
5. Vorrichtung zur Ermittlung des Brennraumdruckes nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federmembrane (1 , 2) im wesentlichen planparallel zueinander angeordnet sind.
6. Vorrichtung zur Ermittlung des Brennraumdruckes nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Neutralebene (8) aufweist, in der Referenzelement (3, 7) und/oder Messelement (4)im Ruhezustand angeordnet sind.
7. Vorrichtung zur Ermittlung des Brennraumdruckes nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Federmembranen (1, 2) wenigstens je ein Mess- (4) und/oder Referenzelement (3, 7) angeordnet ist.
8. Verfahren zur Ermittlung des Brennraumdruckes, insbesondere im Brennraum einer Verbrennungskraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche eingesetzt wird.
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