-
Technisches
Gebiet
-
Die Erfassung des in einem Brennraum
einer Brennkraftmaschine herrschenden Druckniveaus kann über Brennraumdrucksensoren
erfolgen. In einer Begrenzungswandung des Brennraumes der Verbrennungskraftmaschine
ist ein Sensor derart eingelassen, dass seine Membran aus einem
temperaturbeständigen,
auslenkbaren Material durch den im Brennraum herrschenden Druck
beaufschlagt wird. Über
die Verformung dieser Membran erfolgt eine Erfassung des im Brennraum
herrschenden Druckes aufgrund der Verformung des Membranmaterials.
Die Druckübertragung
erfolgt von einer Membran auf einen Stempel an einen Silizium-Chip,
der in einem der Stempellänge
entsprechenden Abstand von der auslenkbaren Membran entfernt angeordnet ist.
-
EP 0 495 935 B1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung
eines Druckgebers zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen.
Eine Membran wird ohne mechanische Justage bezüglich eines piezoresistiven
Messelementes, eine erste Öffnung
verschließend
auf den Schaft eines Gehäuses des
Druckgebers aufgebracht. Ein Stempel sowie das piezoresistive Messelement
werden durch eine zweite Öffnung
in den Schaft des Gehäuses
eingeschoben und so auf die Membran aufgepresst, dass sich zwischen
dem Stempel und dem Messelement ein formschlüssiger Kraftschluss ergibt.
Für einen
genauen Abgleich werden die elektrischen Größen des piezoresistiven Messelementes
beziehungsweise von dessen Auswerteelektronik gemessen und auf einen
gewünschten
Sollwert voreingestellt. Ein Gegenlager für den Stempel wird so weit
in das Gehäuse
eingepresst, dass sich eine Anprägung
des Stempels auf dem piezoresistiven Element oder auf der das piezoresistive
Element umgebenden Glasschicht einstellt.
-
DE 195 38 854 C1 bezieht sich auf einen Druckgeber
zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftmaschinen. Im Gehäuse des
Druckgebers ist eine Bohrung ausgebildet, in welcher ein Stempel angeordnet
ist. Der Stempel liegt mit seinem einen Ende direkt auf einem Messelement
auf und wirkt auf dieses derart ein, dass ein dem zu bestimmenden Druck
proportionales Messsignal erzeugt wird. Der Stempel ist derart ausgebildet,
dass die Fließgrenze des
Werkstoffes des Stempels kleiner ist als die Bruchgrenze des Materials
des Messelements. Ein auf dem Messelement aufliegendes Ende des
Stempels ist ballig ausgebildet, wobei das ballige Ende des Stempels
mit einer so großen
Kontaktfläche
auf dem Messelement aufliegt, dass die auftretenden mechanischen
Spannungen einen vorgegebenen Sollwert nicht überschreiten. Ferner ist die
Differenz der Rauhigkeiten der Oberfläche des einen Endes des Stempels
und die Rauhigkeit der Oberfläche
des Messelementes kleiner oder gleich 2 μm. Das Messelement wird insbesondere
als ein Silizium-Chip ausgebildet, in welchem geschaltete Widerstände angeordnet
sind. Diese Widerstände
können
als piezoresistive Widerstände
ausgeführt
sein.
-
Infolge der Anforderungen an die
Montierbarkeit, infolge von Fertigungstoleranzen sowie des mechanischen
Verhaltens hinsichtlich des Knickens werden an den Stempel hohe
Anforderungen gestellt. Ein längerer
Stempel ist infolge der besseren Wärmeableitung wünschenswert.
Bisher wurde als Material, aus welchem der Stempel gefertigt ist,
Remanit oder ein ähnlicher
Stahl gewählt.
Die Entwicklungstendenzen an modernen Verbrennungskraftmaschinen
verlaufen dahingehend, dass bis zu 4 Ein- und Auslassventile
sowie eine aufwändig
ausgeführte
Zylinderkopfkühlung
den Bauraum im Zylinderkopf derart begrenzen, dass die Anforderung
besteht, aufgrund des beschränkten
Bauraums den Brennraumdrucksensor zu verkleinern. Aufgrund der oben
aufgezählten
Anforderungen an den Brennraumstempel lassen sich aus Materialfestigkeitsgründen aus
Remanit oder ähnlichem
Stahl gefertigte Übertragungsstempel,
wie sie bei bisherigen Brennraumdrucksensoren eingesetzt wurden,
nicht mehr einsetzen.
-
Mit der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung der
Fertigung des Übertragungsstempels
für Brennraumdrucksensoren
aus einem keramischen Werkstoff, wie beispielsweise Siliziumnitrit,
lässt sich die
Stempellänge
einerseits deutlich erhöhen
und der Übertragungsstempeldurchmesser
andererseits wesentlich reduzieren. Dadurch kann dem Umstand Rechnung
getragen werden, dass der im Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine
mit mehreren Ventilen pro Zylinder zu montierende erfindungsgemäße Brennraumdruck sensor
einen möglichst
geringen Einfluss auf den Verlauf der Kühlwasserbohrungen nimmt, so
dass thermische Überlastungen
des Zylinderkopfes vermieden werden. Ein keramischer Werkstoff wie
beispielsweise Siliziumnitrit weist im Vergleich zu bisher eingesetzten
Materialien, wie zum Beispiel Remanit oder ähnliche Stähle, einen E-Modul auf, das
den von Remanit um 50% übersteigt.
Damit ist ein aus einem keramischen Material wie beispielsweise
Siliziumnitrit gefertigter Übertragungsstempel
wesentlich knicksicherer. Um eine möglichst geringe Hysterese der
Sensorkennlinie zu erreichen, ist dieser Werkstoff als Material
für einen Übertragungsstempel
eines Brennraumdrucksensors ebenfalls sehr vorteilhaft, da dessen
Reibmoment im Vergleich zu bisher eingesetztem Remanit oder ähnlichen
Stählen
um bis zu 25% geringer liegt. Ferner ist hervorzuheben, dass die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung
mit dem Vorteil einhergeht, dass die Wärmeausdehnung eines keramischen Werkstoffs
wie beispielsweise Siliziumnitrit nur etwa 20% der Wärmeausdehnung
eines Stahls beträgt. Eine
weitere günstige
Materialeigenschaft des keramischen Materials im Vergleich zu bisher
eingesetzten Materialien wie Remanit oder anderer Stähle ist das
geringe spezifische Gewicht, welches insbesondere in Bezug auf die
Eigenresonanz sehr vorteilhaft ist.
-
Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Brennraumdrucksensor,
dessen Übertragungsstempel
aus einem keramischen Werkstoff wie beispielsweise Siliziumnitrit
gefertigt ist, ermöglicht
die Auslegung eines Brennraumdrucksensors mit einem kleineren Sensorkopfdurchmesser
unter Beibehaltung des übrigen,
bisher schon erprobten und bewährten Brennraumdrucksensor-Designs.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung
liegt darin, dass nicht nur der Kraftübertragungs- und Wärmeableitungsstempel
aus einem keramischen Werkstoff wie Siliziumnitrit gefertigt werden
kann, sondern auch die auslenkbare Sensormembran sowie das Sensorgehäuse beziehungsweise
die Messzelle. Die Messzelle und die auslenkbare Membran können einerseits
aus einem Teil gefertigt werden und andererseits auch mehrteilig
ausgeführt sein.
-
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend
eingehender beschrieben.
-
Es zeigt:
-
1 einen
bekannten Brennraumdrucksensor, dessen Übertragungsstempel aus einem Stahl,
wie beispielsweise Remanit, gefertigt ist und
-
2 einen
erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor
mit Komponenten aus keramischem Material im Längsschnitt.
-
Ausführungsvarianten
-
1 ist
ein bekannter Brennraumdrucksensor entnehmbar, dessen Komponenten
aus einem Stahl, wie beispielsweise Remanit, gefertigt sind.
-
Ein Druckgeber 1 umfasst
ein Gehäuse 2,
an dessen brennraumseitigem Ende ein konisch ausgebildeter Dichtsitz 3 ausgebildet
ist. Das Gehäuse 2 ist an
seiner Außenumfangsfläche mit
einem Einschraubgewinde 4 versehen, mit welchem der Druckgeber 1 in
eine Wandung, beispielsweise eines Brennraumes einer Verbrennungskraftmaschine,
eingelassen werden kann. Das Gehäuse 2 ist
an seinem brennraumseitigen Ende in einem Durchmesser 5 von
etwa 6 mm ausgebildet. Am brennraumseitigen Ende des Druckgebers 1 befindet
sich eine in das Gehäuse 2 integrierte
auslenkbare Membran 6. Im Gehäuseinneren des Gehäuses 2 liegt
ein Ende eines Übertragungsstempels 7 mit
einem Ende an der auslenkbar beschaffenen Membran 6 an.
Das andere Ende des aus Stahl, wie Remanit oder Wälzlagerstahl,
gefertigten Übertragungsstempels 7 liegt
an einem Silizium-Chip 8 an. Der Silizium-Chip, welcher das
Messelement darstellt, ist auf einem im Inneren des Gehäuses 2 angeordneten
Header 9 aufgenommen.
-
Auf dem Gehäuse 2 des Druckgebers 1 ist ein
Anschlusssteckerkörper 10 aufgenommen,
an dem ein Schlüsselansatz 11 ausgebildet
ist. Vom Anschlusssteckerkörper 10 aus
erstreckt sich ein Verbindungskabel 12, welches mehrere
Kabeladern 13 aufweist, zu einem in 1 nicht dargestellten Motormanagementsystem
einer ebenfalls nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine.
-
Der in 1 dargestellte
bekannte Druckgeber 1 umfasst einen Übertragungsstempel 7,
der aus Stahl gefertigt ist und eine Länge 14 aufweist. Die thermischen
Beanspruchungen des Übertragungsstempels 7 erfordern,
dass der Übertragungsstempel 7 in
einem Durchmesser ausgebildet ist, der erzwingt, dass das brennraumseitige
Ende des Gehäuses 2 im
Durchmesser 5 von 6 mm und mehr ausgebildet werden muß.
-
2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Brennraumdrucksensor,
der Komponenten aus keramischem Material umfasst.
-
Der Druckgeber 1 gemäß der Darstellung
in 2 umfasst ebenfalls
ein Gehäuse 20,
an dessen Außenumfangsfläche neben
einem Einschraubgewinde 4 ein konisch ausgebildeter Dichtsitz 3 ausgebildet
ist. Im Gegensatz zur Darstellung des Druckgebers 1 gemäß 1 umfasst der Druckgeber 1 gemäß der Darstellung
in 2 ein Gehäuse 20,
das aus einem keramischem Material, wie zum Beispiel Siliziumnitrit,
gefertigt ist. Der im Gehäuse 20 verschiebbar,
entlang einer Führungsabschnittslänge 22 geführte Übertragungsstempel 39 ist
ebenfalls aus einem keramischen Material wie Siliziumnitrit gefertigt.
Im Gehäuse 20 ist
ein Hohlraum 23 ausgebildet, der vom Übertragungsstempel 39 durchsetzt
ist. An das Gehäuse 20 des
Druckgebers 1 gemäß der Darstellung
in 2 schließt sich
ein Verlängerungsabschnitt 40 an.
Der aus keramischem Material gefertigte Übertragungsstempel 39 erstreckt
sich ebenfalls durch den Verlängerungsabschnitt 40 und
liegt an einer am Verlängerungsabschnitt 40 angebrachten auslenkbaren
Membran 24 an. Aufgrund des Verlängerungsabschnittes 40 ist
eine Einbaulänge 25 des Druckgebers 1 in
einen Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine erheblich verlängert im
Vergleich zum Druckgeber 1 gemäß 1. Da der Übertragungsstempel 39 zur
Kraftübertragung
und Wärmeableitung
aus keramischem Material gefertigt ist, weist der Druckgeber 1 am
brennraumseitigen Ende, d.h. am Verlängerungsabschnitt 40,
einen reduzierten Durchmesser 26 auf, der lediglich noch
etwa 4 mm beträgt.
Wird der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Druckgeber 1 gemäß der Darstellung
in 2 im Zylinderkopf
einer Verbrennungskraftmaschine befestigt, so nimmt dieser aufgrund
seiner verlängerten
Einbaulänge 25 und
seines reduzierten Durchmessers 26 einen sehr geringen
Einfluss auf den Verlauf der Kühlwasserbohrungen,
die den Zylinderkopf einer Verbrennungs-kraftmaschine durchziehen,
so dass thermische Überlastungen
des Zylinderkopfes weitestgehend vermieden werden. Aufgrund der
Materialeigenschaften des keramischen Materials ist der Übertragungsstempel 39 aus
keramischem Material in einer Länge 21 ausgebildet,
die die Länge 14 des Übertragungsstempels 7 aus
Stahl gemäß des Druckgebers 1 aus 1 erheblich übersteigt.
Durch die Verlängerung
des Übertragungsstempels 39 lässt sich
eine erheblich bessere Wärmeableitung
erzielen.
-
Das eingesetzte keramische Material,
aus dem der Übertragungsstempel 39,
der Verlängerungsabschnitt 40 sowie
die Messzelle 20 bevorzugt gefertigt werden, weist eine
Wärmeausdehnung
von 2,1 × 10–4/K
auf, welche nur noch 20% der Wärmeausdehnung
eines Stahlmaterials, wie Wälzlagerstahl
oder Remanit, aufweist, die 10,6 × 10–4/K
beträgt.
Der E-Modul des keramischen Materials liegt bei 320 GPa, was sehr
günstig
hinsichtlich der Knickfestigkeit des Übertragungsstempels ist. Aufgrund dieser
Materialeigenschaft kann der Übertragungsstempel 39 aus
keramischem Material in einem verringerten Durchmesser, verglichen
mit dem Übertragungsstempel 7 aus
Stahl gemäß 1 gefertigt werden. Eine
Durchmesserreduzierung des Übertragungsstempels 39 kann
zur Durchmesserverringerung des Durchmessers 26 am brennraumseitigen Ende
des Verlängerungsabschnittes 40 beziehungsweise
des Gehäuses 20 ausgenutzt
werden, so dass sich ein geringerer Einbauraum bei Montage des erfindungsgemäß ausgebildeten
Druckgebers 1 erzielen lässt. Der Übertragungsstempel 39 aus
keramischem Material gemäß der Darstellung
in 2 weist eine Länge 21 auf,
die im Wesentlichen der Länge des
Verlängerungsabschnitts 40 sowie
des Führungsabschnittes 22 innerhalb
des Gehäuses 20 entspricht.
-
Während
das brennraumseitige Ende des Übertragungsstempels 39 aus
keramischem Material an einer in den Verlängerungsabschnitt 40 integrierten
Membran 24 anliegt, steht das andere Ende des Übertragungsstempels 39 mit
dem Messelement 8 in Gestalt eines Silizium-Chips 8 in
Kontakt. Der Silizium-Chip 8 ist auf einem Header 27 aufgenommen. Der
Header 27 ist mittels eines Kodierstiftes 28 zur Metallhülse 37 des
Druckgebers 1 ausgerichtet. Der Kodierstift 28 erleichtert
eine schnelle Fügbarkeit
des Druckgebers bei der Fertigung. Der Header 9 steht über Anschlusspins 29 sowie
eine Kontaktbuchse 30 mit einer von der Metallhülse 37 umschlossenen
Platine 31 in Verbindung. Die Kontaktbuchse 30 ihrerseits
ist über
einen Anschlussstecker 33 kontaktiert. Mit Bezugszeichen 32 sind
auf der Platine 31 aufgenommene SMD (Surface Mounted Devices)
bezeichnet. Die SMD's 32 sind
von einem Vergussmaterial 34 innerhalb der Metallhülse 37 umschlossen.
Die Platine 31 wird von den einzelnen Kabeladern 13 des Verbindungskabels 12 kontaktiert,
die ihrerseits innerhalb der Metallhülse 37 des Druckgebers 1 von Umspritzungen 35, 36 umgeben
sind. Mit Bezugszeichen 38 ist eine Kabelführung des
Verbindungskabels 12 bezeichnet, um das Verbindungskabel 12 in der
Metallhülse 37 des
Druckgebers 1 zu fixieren.
-
Während
in 2 das Gehäuse 20 und
der Verlängerungsabschnitt 40 am
brennraumseitigen Ende des Druckgebers 1 als zwei separate
Bauteile ausgebildet sind, können
das Gehäuse 20 sowie
der Verlängerungsabschnitt 40 auch
als einteiliges Bauelement aus keramischem Material, wie beispielsweise
Siliziumnitrit, gefertigt werden. Im Vergleich zur Fertigung aus
einem Stahlwerkstoff weist der Übertragungsstempel 39 aus
keramischem Material ein um etwa 25% im Vergleich zum Stahl reduziertes Reibmoment
auf. Je geringer das Reibmoment zwischen dem im Gehäuse 20 und
dem Verlängerungsabschnitt 40 geführten Übertragungsstempel 39 gehalten
werden kann, eine desto geringere Hysterese hinsichtlich der Sensorkennlinie
stellt sich am Druckgeber 1 ein. Aufgrund der erheblich
verbesserten Wärmeausdehnung
bei Ausbildung des Übertragungsstempel 39 aus
keramischem Material sind Thermoschockfehler nahezu ausgeschlossen
und eine Temperaturkompensation nicht erforderlich. Bei bisherigen
Ausführungen
von Druckgebern 1 wurde eine Temperaturkompensation durch
eine Korrektur innerhalb der Sensorelektronik herbeigeführt, so
zum Beispiel in der Ausgestaltung eines Tiefpasses, um einem schnell
erfolgenden Druckanstieg im Brennraum zu beherrschen. Eine derartige
Korrektur in der Sensorelektronik kann bei Einsatz des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Druckgebers 1 entfallen.
-
Im Vergleich zum Gewicht des in 1 dargestellten Übertragungsstempels 7 aus
einem Stahlwerkstoff weist der Übertragungsstempel 39 aus
keramischem Material ein spezifisches Gewicht auf, welches lediglich
40% des Gewichtes des Übertragungsstempels 7 aus
Stahlwerkstoff ausmacht. Der Übertragungsstempel 39 aus
keramischem Material ist daher wesentlich günstiger in Bezug auf das Eigenresonanzverhalten,
so dass eventuell auftretende Schwingungen sehr schnell abgebaut
werden und eine geringere Verstärkung
aufgrund zu hoher Massenträgheit
bewirken.
-
Die auslenkbare Membran 24, 40,
deren Auslenkung aufgrund des im Brennraum herrschenden Druckes
mittels des Übertragungselementes 39 aus
keramischem Material an das Messelement 8 in Gestalt eines
Silizium-Chips 8 übertragen
wird, kann in den Verlängerungsabschnitt 40 integriert
sein, d.h. ebenfalls aus keramischem Material, wie beispielsweise
Siliziumnitrit, gefertigt werden. Die auslenkbare Membran 24,
die in den Verlängerungsabschnitt 40 am
brennraumseitigen Ende integriert sein kann, umfasst einen Verformungsweg
von nur wenigen μm. Damit
lassen sich Brennraumdrücke,
die etwa im Bereich zwischen 0 und 300 bar liegen, mit ausreichender
Genauigkeit erfassen.
-
Aufgrund der verlängerten Einbaulänge 25 – sei es
durch einen einteilig am Gehäuse 20 ausgebildeten
Verlängerungsabschnitt 40,
sei es durch einen dem Gehäuse 20 zugeordneten,
separaten Verlängerungsabschnitt 40 – lässt sich
der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Druckgeber 1 gemäß der Darstellung
in 2 so in den Zylinderkopf
einer Verbrennungskraftmaschine integrieren, dass dieser einen vernachlässigbaren
Einfluss auf den Verlauf der Kühlwasserbohrungen
innerhalb des Zylinderkopfes nimmt. Die erzielte Durchmesserverringerung
am Durchmesser 26 im Vergleich zum Durchmesser 5 des
Druckgebers 1 gemäß der Darstellung
in 1 mit einem Durchmesser
von 6 mm erlaubt den Einsatz des erfindungsgemäßen Druckgebers 1 auch
an Verbrennungskraftmaschinen mit 4 Ein- beziehungsweise
Auslassventilen. Dies wird in vorteilhafter Weise durch die Einbaulänge 25 realisiert,
in welcher der Kopf des Druckgebers 1 den reduzierten Durchmesser 26 bis
zum Dichtsitz 3 aufweist. An der Außenseite des Gehäuses 20 befindet
sich das Einschraubgewinde 4. Das Einschraubgewinde 4 des
Gehäuses 20 aus
keramischem Material wird mit einem vorgebbaren, wohl definierten
Anzugsdrehmoment in den Zylinderkopf einer Verbrennungskraftmaschine
eingeschraubt.
-
- 1
- Druckgeber
- 2
- Gehäuse
- 3
- Dichtsitz
- 4
- Einschraubgewinde
- 5
- Durchmesser
Druckgeberkopf
- 6
- Membran
- 7
- Übertragungsstempel
(Stahl)
- 8
- Silizium-Chip
- 9
- Header
- 10
- Anschlusssteckerkörper
- 11
- Schlüsselweite
- 12
- Verbindungskabel
- 13
- Kabeladern
- 14
- Stempellänge
- 20
- Gehäuse
- 21
- Übertragungsstempellänge
- 22
- Führungsabschnittslänge Gehäuse
- 23
- Hohlraum
- 24
- auslenkbare
Membran
- 25
- Einbaulänge
- 26
- Durchmesser
Druckgeberkopf
- 27
- Auflage
Silizium-Chip
- 28
- Kodierstift
- 29
- Anschlusspin
- 30
- Kontaktbuchse
- 31
- Platine
- 32
- SMD
- 33
- Anschlussstecker
- 34
- Vergussmaterial
- 35
- erste
Umspritzung
- 36
- zweite
Umspritzung
- 37
- Metallhülse
- 38
- Kabelführung
- 39
- Übertragungsstempel
- 40
- Verlängerungsabschnitt