探测内燃机的燃烧室内压力的燃烧室压力传感器

摘要

本发明涉及一种探测内燃机的燃烧室的压力的燃烧室压力传感器(110)。所述燃烧室压力传感器(110)具有壳体(120)，所述壳体(120)具有由所述壳体(120)至少部分地包围的内部空间(128)。在所述壳体(120)中容纳至少一个用于探测压力的机电转换元件(134)。所述壳体(120)具有至少一个壳体开口(142)。所述壳体开口(142)通过至少一个膜(116)密封。所述膜(116)具有至少一个凸出到所述内部空间(128)中的凸出的拱形(154)。

说明书

背景技术

从现有技术已知多种压力传感器，它们能够使用在奥托发动机或狄赛 尔发动机中，用于探测内燃机燃烧室的压力。这种装置是构成现代发动机 自动控制的基本部件，因为为了减小燃料消耗和排放量，必须非常精确地 探测燃烧室的压力。

例如，从本发明的申请人同一地址的德国专利申请DE 102009026 436.1已知一种用于探测内燃机燃烧室压力的不同装置。在这个燃烧室压力 传感器中，传感器壳体在燃烧室侧具有至少一个用至少一个膜封闭的开口。 在所述传感器壳体内部容纳至少一个机电转换元件，其中，至少一个由传 感器壳体分开地构成的传递膜的变形的传递元件设置在机电转换上。

为了针对燃烧室环境密封燃烧室压力传感器中的传感器壳体，还例如 DE 102009026436.1中，一般使用一种柔性膜，例如金属膜。因为柔性膜 虽然小，但是所谓力的路径或者力的传递路径的部分的可用刚度一般仍然 存在，通过力的路径或力的传递路径，或者在存在多个可用力的路径或传 递路径的情况下，通过它们将因燃烧室压力产生的力传递到真实的传感器 元件，例如所述机电转换元件。现在如果在燃烧过程期间，火焰正面至少 部分地达到膜上表面，然而在膜中得到在燃烧室分配的前侧和相对布置的 后侧之间具有一定梯度的过热温度。因此对火焰正面同步调整温度曲线。 然而，该温度曲线一般引起所述膜变形，作为反应力影响力的路径，并且 因此作为误差信号叠加期望的压力信号。它具有出现误差信号的燃烧循环 的时间常数，也表示为热冲击或瞬时漂移。为了避免或者减小这种效应， 能够采用间接措施。例如屏蔽火焰正面。然而，这种间接措施总是发现该 措施对所述膜上的压力曲线的反作用的危险，该压力曲线同样能够产生信 号误差。

因此，值得期望的，燃烧室压力传感器尽可能地避免上述效应。特别 地，所述效应的避免应以直接措施为基础，尽可能小地影响测量的压力曲 线，并且通过所述膜的几何造型优选至少尽可能地减小上述热冲击效应。

发明内容

因此，本发明提出一种探测内燃机燃烧室的压力的燃烧室压力传感器， 本发明至少尽可能地完成这个任务。本发明以下述发现为基础，即通过膜 的适应性造型和优选通过一个或多个所述膜的定位器的适当定位，所述膜 中温度梯度的作用力能够具有最小轴向分量，即影响信号的分量。在不避 免温度梯度的作用力的径向分量的情况下，一般是不严重的，这是因为它 大部分不作用在力的路径方向上。

本发明提出的燃烧室压力传感器具有壳体，所述壳体具有由所述壳体 至少部分地包围的内部空间。例如，该壳体适当布置，以便引入到所述内 燃机的汽缸头中。例如，该壳体能够整体地或部分地由金属材料制造，然 而，替代地或附加地，原则上也能够使用其他材料，例如陶瓷材料和/或塑 料材料。在这里，在所述壳体下面一般设置一个元件，所述元件至少尽可 能地给予所述燃烧室压力传感器它的外部形状，并且所述燃烧室压力传感 器的内部防护机械载荷，优选也防护化学载荷。所述壳体能够具有例如圆 柱形造型，其中，优选在所述壳体的燃烧室分配的侧表面上设置倒角边缘 和/或一个或多个另外类型的密封面，在所述壳体引入所述汽缸头中时实现 密封效果。所述内部空间至少部分地由所述壳体包围，从而所述内部空间 至少尽可能地通过所述壳体限定，其中也能够设置多个内部空间。在所述 壳体中，优选在所述内部空间中接收至少一个用于探测压力的机电转换元 件。在这里，所述机电转换元件原则上可以是任意元件，布置成将机械信 号转换为电信号，例如压力和/或力转换成电压和/或电流。在后面没有对这 样的机电转换元件的进一步可能的设计方案进行限制，所述机电转换元件 包括至少一个压电元件，例如至少一个压电陶瓷。

所述壳体具有至少一个壳体开口。所述壳体开口能够特别地分配所述 燃烧室，例如在分配燃烧室的所述壳体的侧面上。例如，如上所述，所述 壳体能够具有大致圆柱形的造型，其中，在所述边缘能够设置不同于圆柱 形的形状，其中，所述壳体开口能够例如布置在所述气缸的燃烧室分配的 侧面中。所述壳体开口能够原则上布置成将所述燃烧室压力传递到所述机 电转换元件上或者实现这种压力的传递。所述壳体开口能够具有基本上任 意的造型，例如多边形的造型或环形的造型，优选圆形造型。

所述壳体开口通过至少一个膜进行密封。所述密封优选整体地进行， 以使燃烧室气体能够不通过所述壳体开口流入所述内部空间中。为此，所 述膜能够单独设置或者能够如下面所详细说明的，例如也利用一个或多个 另外的元件共同起作用，例如压力传递元件，所述压力传递元件优选引入 所述壳体开口中或者穿过所述壳体开口。例如，所述膜和压力传递元件一 起密封所述壳体开口，从而所述燃烧室气体不能够流入到所述内部空间中。

在膜下面一般设置一个可变形或运动的元件，所述元件例如垂直于所 述传感器壳体的轴线延伸，其中，所述膜的横向膨胀，例如垂直于所述传 感器壳体的膨胀，所述膜的厚度，例如平行于所述轴线的厚度，显著超过 例如至少一个系数10，特别是至少一个系数100。例如，所述膜能够是柔 性元件，例如薄膜类元件或薄的柔性盘形式的元件。所述膜能够例如形成 为金属膜和能够例如包括至少一层金属薄膜。也可能复合多层薄膜，例如 复合多层金属材料和/或复合至少一层金属薄膜材料与至少一层非金属薄 膜材料，例如与金属薄膜材料结合和/或淀积。所述膜能够例如与所述壳体 形成为一体的，然而原则上也能够与所述壳体在至少一个壳体开口区域中 结合，例如力锁合和/或形状锁合和/或材料锁合，例如在一个或多个下面还 详细说明的定位器上。

在本发明的框架内发现所述膜的适应性造型，所述回力效应的轴向分 量通过温度梯度减小或至少尽可能地避免，由此特别地使实现所述膜具有 凸出到所述内部空间中的至少一个凸出的拱形结构。在这里，在凸出的拱 形结构下设置造型，在所述造型中，所述膜在垂直于所述膜的横向膨胀的 剖面中，例如在平行于燃烧室压力传感器的轴线的剖面中，具有凸出的曲 线，其中，所述凸出侧，还有所述凸出的曲线的闭合侧，分配所述内部空 间。例如，所述膜在这个剖面中能够具有至少一个局部极值或优选全局极 值，这个闭合侧分配所述内部空间，并且这个开口侧分配所述燃烧室。所 述膜能够使分配的所述内部空间弯曲，并且优选向内凹入所述内部空间中。

所述燃烧室压力传感器能够具有至少一个压力传递元件。该压力传递 元件应布置为使所述燃烧室压力至少部分地传递到机电转换元件上。所述 压力传递元件能够优选因此是力传递路径的部件，其中，所述燃烧室压力 传感器能够具有一个或多个这种力传递路径，优选仅仅具有一个。所述压 力传递元件能够优选包括至少一个在机械性能方面刚硬的材料，所述燃烧 室压力能够利用它传递到机电转换元件上，例如圆筒形和/或圆柱形和/或杆 状元件。特别地，所述压力传递元件能够包括至少一个杵。所述压力传递 元件能够至少部分地布置在所述内部空间中，并且也整体地容纳在所述内 部空间中。所述压力传递单元能够例如唯一地在所述内部空间的内部延伸， 例如从所述机电转换元件到所述膜。特别优选地，如下面所详细阐述的， 如果所述压力传递元件透过所述膜延伸，例如延伸到所述燃烧室中，因而 所述压力传递元件也伸入所述开口中或者通过所述开口伸出。所述压力传 递元件能够因此直接或间接地用燃烧室压力加载，优选直接加载。因此， 例如，所述力传递路径适当形成，使得燃烧室压力直接作用在压力传递元 件的侧面上，优选所述杵的侧面上，例如通过所述侧面直接接触所述燃烧 室气体。所述燃烧室压力优选通过所述压力传递元件，透过所述膜，传递 到所述机电转换元件上，例如压电元件的侧面上。然而，原则上其他设计 方案也是可能的，例如，中间连接所述压力传递元件和机电转换元件之间 的一个或多个中间元件。

所述燃烧室压力传感器具有至少一个，优选仅仅一个，压力传递元件， 例如杵，优选一个杵，穿过所述膜，优选轴向穿过，因此，所述膜能够具 有尤其至少一个在所述壳体上的定位器和至少一个在所述压力传递元件上 的定位器。该定位器原则上包括一个或多个连接，例如一个或多个力锁合 和/或形状锁合和/或材料锁合的连接，例如焊接连接和/或夹持连接。所述 至少一个定位器能够形成在一个点上，在一条线上或者也在一个区域上。 因此，下文中进一步可能的设计方案对所表示的固定点、固定线或固定区 域不应用限制。例如，所述膜的定位器在壳体上环形地形成在所述壳体上， 例如沿着圆环形线。所述压力传递元件上的定位器能够形成为例如平面的 或线形状的。

因此，如上所述，如果所述压力传递元件穿过所述膜，例如在中央地 穿过，例如作为所述可中央地穿过膜的杵，这是特别优选的。在这种情况 下，如果所述压力传递元件上的定位器包括至少一个周缘侧固定线。例如， 所述压力传递元件能够具有圆柱形杵的形式，例如具有圆形或多边形截面 的杵。在这种情况下，所述定位器能够例如所述压力传递元件包围在周缘 侧的闭合线中。然而，原则上另外的设计方案也是可能的。一般地，所述 压力传递元件优选在所述燃烧室压力传感器的轴线上延伸，例如轴向杵的 形式，其至少部分地布置在所述壳体的内部并且穿过所述膜。所述膜然后 能够尤其环形地包围压力传递元件。

所述膜环形地包围所述压力传递元件，因而能够在平行于所述轴线的 视图中，所述膜环原则上具有任意造型，优选圆环形造型。然而，原则上 也可以使用不同于圆环形的形状，例如具有多边形形状的外部形状和同样 具有多边形造型的内部形状。多边形和圆环形形状的设计方案的组合以及 另外圆环的设计方案也是可能的。

所述膜环形地包围优选所述压力传递元件。尤其在平行于所述轴线的 剖面中和优选在包含所述轴线的剖面中，所述膜能够在所述轴线的每侧上 各具有U形造型。此时，在U形造型下设置这样的造型，即在该造型中， 从所述轴线开始，接着是在具有平行于所述轴线的至少一个方向分量的方 向上的曲线，接着至少一个极值，反之，在该极值上，所述曲线在具有至 少一个平行于所述轴线的方向分量的相反方向上，相反地连接所述第一曲 线。所述U形在这里优选形成为连续的并且能够是圆圈形的或者有角度的 形状。相应地，能够具有U、V或矩形的形状也归入U形下，或者具有上 述曲线的另外的形状。这时在U形造型的闭合侧上应分配内部空间，以便 保证上述拱形。

所述压力传递元件在所述燃烧室压力传感器的轴线上延伸，并且所述 膜环形地包围压力传递元件，从而所述膜具有尤其在所述壳体上的外部定 位器，例如，具有圆环形形状或多边形形状的外部定位器。进一步地，所 述膜能够具有在所述压力传递元件上的内部定位器，例如，如上所述，对 应于例如所述压力传递元件的外部造型的圆环形或多边形的定位器。所述 内部定位器能够布置为优选相对于所述外部定位器布置在内部空间中错置 大约dy＞0，例如大约dy＞0.1mm，优选dy＞0.3mm和例如dy＝0.4mm到 1.5mm，例如dy＝0.6mm到0.8mm，和例如dy＝0.7mm。所述膜的伸向所述 内部空间中的上述拱形能够特别地从所述外部定位器开始，超过所述内部 定位器，延伸到所述内部空间。也就是说，所述内部定位器和外部定位器 能够相互移位地沿着轴线布置，其中，所述内部定位器能够布置成相对于 所述外部定位器错置到所述内部空间中，其中，在所述外部定位器和内部 定位器之间，所述拱形超过所述内部定位器延伸到所述内部空间。这能够 例如通过上述U形实现。例如，所述拱形能够从所述外部定位器开始，向 所述内部空间内延伸最大量Y，其中，比值dy/Y为0.05到0.8，优选0.1 到0.5，特别优选0.3到0.4，并且特别地为0.35。这能够例如使用具有U 形的基本上任意横截面的U形实现，使得U形的臂长的差对U形的长臂的 长度的比为所述值，其中，所述U形的长臂分配所述壳体的外侧。

所述外部定位器能够特别地具有直径，其中，在所述外部定位器的非 圆形的造型中，指定等效直径代替直径。这个直径能够例如为4mm到8mm， 优选5mm到7mm，特别地为6.3mm。所述内部定位器能够例如具有从2mm到 4mm的直径，优选2.5mm到3.5mm，特别地为3mm。

如上所述，所述压力传递元件能够特别地从所述内部空间向外延伸到 所述开口中。优选地，所述压力传递元件穿过所述开口从所述内部空间延 伸。例如，所述压力传递元件能够具有侧表面，所述侧表面能够直接用燃 烧室气体加载，从而例如，所述燃烧室气体的压力直接传递到所述压力传 递元件上。所述压力传递元件能够在所述内部空间中进行直接或间接的压 力传递或，在本发明的框架下不应是不同的，进行力传递到所述机电转换 元件上。

根据一个或多个上述有利造型所提出的燃烧室压力传感器具有相对于 已知的燃烧室压力传感器的多个优点。因此，特别地提供一个直接措施， 利用它来至少尽可能地避免上述热冲击效应对燃烧室压力传感器的信号的 影响。所涉及的直接措施不因此影响所述膜上的压力水平和/或压力传递元 件。特别地，通过所述膜的上述造型允许能够影响所述燃烧室压力传感器 的信号的轴向力部件至少近似最小。反之，轴向力部件能够特别地通过优 选U形是可忽略的或至少可容许的。总之，因此使所述燃烧室压力传感器 的信号质量改善并使信号通过热冲击效应的影响明显减小。

附图说明

从下面在附图中示意性地显示的优选实施例的说明得到本发明的可能 实施方案的进一步细节和特征。在附图中：

图1显示根据本发明的插入汽缸头中的燃烧室压力传感器的剖面图； 以及

图2显示根据图1的燃烧室压力传感器的膜的部分截面图。

具体实施方式

在图1和图2中显示根据本发明的燃烧室压力传感器110的实施例， 燃烧室压力传感器110用于探测内燃机的燃烧室112中的压力p。各剖面图 显示平行于燃烧室压力传感器110的轴线114的剖面的剖面图。在这里， 图1显示燃烧室压力传感器110的全貌，而图2显示燃烧室压力传感器110 在膜116的区域中的部分截面图。这个膜116在根据图1的视图中仅仅是 示意性地描绘。

从图1可知，燃烧室压力传感器110例如可置入内燃机的汽缸头118 中。燃烧室压力传感器110包括壳体120，壳体120在图示的示例性实施例 中构造为大致圆柱形的壳体120。例如，在这个壳体120中可以具有圆柱形 罩。在它的前部、燃烧室112分配的端部上，壳体120可以具有圆锥形的 密封面122，壳体120利用密封面122在汽缸头118中挤压在相应的孔126 的支承面124上。

壳体120包围内部空间128。在背部上，燃烧室112面对的燃烧室压力 传感器110的侧，内部空间128能够通过一个或多个固定元件130限定和/ 或至少部分地封闭。例如，该固定元件130能够旋拧和/或焊接在壳体120 中。在它的外侧上，燃烧室压力传感器110在后侧端部上利用一个或多个 固定元件132保持在汽缸头118的孔126中。

在图示实施例中，机电转换元件134容纳在内部空间128中，原则上 还装配有任意的传感器元件，以便直接或间接地探测燃烧室112中的压力 p。例如，在这里可以具有压电元件。它能够在内部空间128中支承在一个 或多个固定元件130上。

在图示的实施例中，燃烧室压力传感器110还具有至少一个压力传递 元件136。如图示的实施例中，压力传递元件136形成为支承在轴114上的 杵138，它可以形成为将压力p直接或间接地传递到机电转换元件134上。 从图1的图示可知，压力传递元件136例如能够通过直接暴露于燃烧室压 力的侧表面140，例如侧表面140伸入到燃烧室112中，在轴向方向上施加 燃烧室的压力p。为了加载该压力，壳体120在其燃烧室112分配的端部上 具有壳体开口142，例如在壳体120的侧表面144中的圆形开口。在图示的 实施例中，例如，压力传递元件136能够穿过壳体开口142，例如直到内部 空间112中。原则上也可以使用其他的造型。侧表面144在图示的实施例 中因此例如共轴地包围压力传递元件136。

为了密封内部空间128，燃烧室压力传感器110具有上面已经称为膜 116，在图示的示例性实施例中，膜116环形地包围压力传递元件136。根 据本发明的可能设计方案的细节可以参照图2。

膜116沿着外部定位器146与壳体120的内壁148连接在它的外周缘 上。例如，这个外部定位器146包括环形焊接和/或另外一种固定技术。在 它的内部、压力传递元件136分配的侧上，膜116沿着内部定位器150与 压力传递元件136的外表面152连接。例如，这里也能够涉及焊接和/或夹 紧和/或一种其他内部定位器技术。原则上，外部定位器146和/或内部定 位器150可以使用已知的连接技术，还有形状锁合和/或力锁合和/或材料 锁合的连接。还可以使用简单的锁紧装置，例如通过内壁148和/或外表面 152中的螺母，例如优选由材料锁合连接装置支撑。

由图2可知，膜116具有U形形状，在本实施例中，膜116设置成环 形形状，膜116具有离开内部空间112到内部空间128的延伸的拱形154。 在根据图2的截面图中，膜116从外部定位器146开始，接着离开内部空 间112，延伸到内部空间128，而且延伸某个值，在图2中表示为Y。在那 里，在该拱形154的最外部延伸区域中进行转折，并且膜116向后朝向内 部空间112的方向延伸，并且延伸到内部定位器150。还共有一个U形的闭 合侧156分配内部空间128.，然而，U形的开口侧158分配内部空间112。 图2的实施例进一步可知，内部定位器150和外部定位器146在轴向方向 上彼此相对地错置。在这里，内部定位器150优选在轴向方向上朝向内部 空间128，离开内部空间112错置大约dy。

利用有限元方法(FEM)进行的一项研究证实，在当前膜116的厚度上 的温度梯度(在图2中用w表示)下，两个定位器146，150的偏移dy是有 利的，两个定位器146，150能够设置为“膜固定点”或“固定线”。借助于 例如按照有限元方法(FEM)的仿真，允许显示为最佳的几何结构，在给定 的壁厚w下，与杵138和壳体120的偏移dy对轴向膨胀Y必须在确定的比 例中，因此使热冲击效应最小。为优化最佳比例dy/Y，杵138的外直径D1 和壳体120的内直径D2进一步发挥重要作用。然而，不依赖于精确的尺寸， 如图2所示，这是非常有利的，因为如图2所示，膜116的开口侧158向 前指向热源，在这种情况下指向内部空间112。作为尺寸的具体实施例，然 而本发明不局限于此，例如可以称为：

D1＝3.0mm

D2＝6.3mm

W＝0.3mm

Y＝2.0mm

dy＝0.7mm

当然，在本发明的框架下其他设计方案也是可能的。