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    • 专利摘要:

    公开号:WO1989009384A1
    申请号:PCT/DE1989/000086
    申请日:1989-02-15
    公开日:1989-10-05
    发明作者:Ingo Bartig；Rainer Burkel；Hansjoachim Hamisch；Winfried Moser
    申请人:Robert Bosch Gmbh；
    IPC主号:H01T13-00
    专利说明:
    [0001] Druckσeber zur Druckerfassunσ im Brennraum von Brennkraftmaschinen
    [0002] Stand der Technik
    [0003] Die Erfindung geht aus von einem Druckgeber nach der Gattung des An¬ spruchs 1. Bei einem derartigen bekannten Druckgeber wird der zeit¬ liche Druckverlauf im Brennraum einer Brennkraftmaschine über die Krafteinwirkung auf einen oder mehrere Quarze unter Ausnutzung ihrer piezoelektrischen Eigenschaften bestimmt. Die die Kraft übertragen¬ den Elemente werden mit starker mechanischer Vorspannung gegen die Quarze gedrückt. Diese Druckgeber weisen aber große dynamische Tem¬ peraturfehler auf und verschmutzen relativ schnell. Ferner ergibt sich infolge des rein mechanischen Kraftschlusses ein stärkeres Si¬ gnalrauschen. Die bekannten Druckgeber sind nicht hinreichend unab¬ hängig von Temperaturschwankungen. Dynamische Temperaturfehler wer¬ den verursacht durch zusätzliche Kräfte auf die Quarze im Motortakt, infolge der periodischen Temperatur nderungen im oberflächennahen Bereich zum Brennraum.
    [0004] Von der auf die Stirnfläche des Druckgebers, die durch die Membran und den Rand des Gehäuses gebildet wird, wirkenden Kraft wird ein Teil direkt vom Gehäuse aufgenommen, der restliche Teil indirekt über Stempel, Quarze und das Gegenlager ebenfalls vom Gehäuse. Dabei liegt der auf die Quarze einwirkenden Kraft K folgender Zusammenhang zugrunde: K =. P Aeff
    [0005] T CM CS,Q
    [0006] K = Kraf p = Druck
    [0007] A ._ = effektive Fläche eff c = Federkonstante des Membranrings M c = Feder onstante des Stempels mit Quarzen S,Q
    [0008] Die auf die Quarze wirkende Kraft K wird somit im wesentlichen durch die effektive Fläche A der Druck/Kraftumwandlung bestimmt. Der Membranring ist dabei wie eine am Gehäuserand eingespannte Feder aufzufassen, die bei Belastung wegen der Stempelverkürzung elastisch verformt wird. Dadurch wird von dem durch p . A _, bestimmten c eff
    [0009] Kraftanteil infolge des Kraftnebenschlusses durch den Membranring ein Teil wieder direkt vom Gehäuse aufgenommen. Dieser Anteil ist vom Verhältnis der Federkonstanten des Membranrings c und des
    [0010] M
    [0011] Stempels mit den Quarzen c abhängig. Für einen eindeutigen Zu- sammenhang zwischen der gemessenen Kraft K und dem Druck p müssen die effektive Fläche j. , , und die Federkonstanten e bzw. e „ eff M S,Q hinreichend unabhängig vom Druck und von der Temperatur sein. Bei genügend kleiner Federkonstante c wirken sich diese Abhängigkei-
    [0012] M ten nicht störend aus.
    [0013] Der zulässige Maximalwert für die Membranringfederkonstante c M wird aber noch kleiner durch die Forderung der Unterdrückung der dynamischen Temperaturfehler. Dafür muß die Federkonstante c so klein wie möglich, der Membranring also so dünn wie möglich sein. Diese Forderung ist bei den bekannten Druckgebern nicht erfüllt.
    [0014] Vorteile der Erfindung
    [0015] Der erfindungsgemäße Drucksensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß das ermittelte Kraftsignal nahezu unabhängig von Druck- und Temperaturschwankungen ist.
    [0016] Aufgrund der angegebenen Dicke des Membranringes hat dieser die not¬ wendige kleine und während der Messung ausreichend konstante Feder¬ konstante c... Damit kann der dynamische Temperaturfehler gegenüber bekannten Druckgebern stark verkleinert werden.
    [0017] Durch die verwendeten Verbindungsarten Schweißen und Kleben, wodurch die starke mechanische Vorspannung entfällt, entstehen keine zusätz¬ lichen, die Messung verfälschenden Störmöglichkeiten, insbesondere durch temperaturbedingte Änderungen der Vorspannung. Ferner ermög¬ licht der durch Kleben und Schweißen sich ergebende Platzgewinn ei¬ nen kleineren Durchmesser des Druckgebers, der insbesondere einen Einbau in das Gehäuse einer Zündkerze erlaubt. Der Bearbeitungsauf¬ wand für die im oben beschriebenen Kraftfluß liegenden Teile wird verringert. Das Verhältnis zwischen dem Meßsignal und dem Grund¬ rauschen wird verbessert.
    [0018] Bei Verwendung einer eingeschweißten Kappenmembran kann der Außen¬ durchmesser relativ klein gehalten werden und der Aufbau vereinfacht werden. Ferner wird eine relativ große effektive Fläche A __ und
    [0019] ' eff damit eine relativ große Empfindlichkeit des Druckgebers erreicht. Die Kappenmembran macht einen Längenausgleich zwischen Gehäuse und Innenaufbau durch Nacharbeit nicht erforderlich. Die Kappenmembran wird durch den Kappenrand zentriert. Die Randschweißung, die mecha¬ nisch fest und gasdicht sein muß, bildet keine Begrenzung des Mem¬ branrings mehr.
    [0020] Der Aufbau des Druckgebers bezüglich der Wärmewiderstände läßt an der Brennraumseite eine Selbstreinigungstemperatur erreichen, die den Dauereinsatz ermöglicht. Dabei steigt die Temperatur der Quarze nicht über 150° C, so daß für den piezoelektrischen Koeffizienten und damit für die Drucke pfindlichkeit des Druckgebers der Bereich stärkerer Temperaturabhängigkeit vermieden wird. Eine zusätzliche Wasserkühlung ist nicht nötig.
    [0021] Bei entsprechender Stempel- und Quarzgeometrie und wenn die damit verbundene niedrigere Druckempfindlichkeit des Druckgebers, die niedrigere Eigenfreguenz des Stempels sowie die höhere Beschleuni¬ gungsempfindlichkeit zulässig sind, kann zur Vereinfachung auch auf die W rmeableitfolie zwischen dem Stempel und den Quarzen verzichtet werden, ohne die Quarztemperatur zu erhöhen. Dadurch kann auch ein einzuschraubendes Gegenlager für den Stempel entfallen.
    [0022] Der Druckgeber kann als selbständige Einheit mit eigenem Gehäuse hergestellt werden und in das Gehäuse einer Zündkerze bereits vor Einbau des Kerzensteins eingesetzt werden. Die Einheit kann einfach mit einer vorne konischen Schraube gegen einen Sitz gedrückt werden.
    [0023] Durch die Verwendung von im Querschnitt quadratischen Sensor-Blöcken entsteht Platz für die Bond-Drähte, über die die Meßspannung von den Quarzen abgegriffen werden kann. Die Herstellung der kleinen Sensor- Blöcke durch Zersägen von größeren, bereits mit Leitkleber zusammen¬ geklebten Quarz- und Elektrodenplatten vermeidet die bei der Einzel- klebung an den Stirnflächen der nur 0,2 mm dicken Quarzplatten auf¬ tretenden Isolationsprobleme durch rausquellenden Leitkleber und vereinfacht stark das Kleben der Platten.
    [0024] Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Drucksen¬ sors möglich.
    [0025] Zeichnung
    [0026] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung darge¬ stellt und in. der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen Schnitt durch einen Druckgeber, Figur 2 einen Schnitt durch das Gehäuse einer Zündkerze mit eingebautem Druckge¬ ber, Figur 3 eine Einzelheit aus Figur 2 und Figur 4 eine Kappen¬ membran.
    [0027] Beschreibung der Ausführungsbeispiele
    [0028] In der Figur 1 ist mit 10 das Gehäuse eines Druckgebers 11 zur Be¬ stimmung des Drucks im Brennraum einer Brennkraftmaschine bezeich¬ net. Es weist eine mittige, durchgehende, mehrfach abgesetzte Boh¬ rung 12 auf. Die dem Brennraum zugewandte Öffnung 13 wird von ei¬ ner geätzten Membran 14 abgeschlossen. Die Bohrung 12 ist im Be¬ reich der Öffnung 13 konisch ausgebildet, so daß der Biegebereich der Membran 14 sich frei durchbiegen kann. Der äußere Ring der Mem¬ bran 14 ist auf der Stirnseite des Gehäuses aufgeschweißt. Am mitt¬ leren Bereich der Membran 14, der dieselbe Dicke wie der äußere Ring aufweist, ist ein Stempel 16 mit seinem einen Ende angeschweißt, der mit seinem anderen Ende mit einer Wärmeleitfolie 17 verklebt ist. Der Stempel 16 ist in der Bohrung 12 geführt. Der Sensorblock 18 be¬ steht aus zwei Quarzscheiben 19, 20, zwischen denen eine Zwischen¬ elektrode 21 als Ableitelektrode eingeklebt ist. Der Sensorblock 18 ist zwischen die Wärmeleitfolie 17 und das Gegenlager 23 geklebt, das die Wärmeleitfolie 17 gegen eine Schulter des Gehäuses 10 drückt. Alle Klebungen im Bereich der Quarze werden mit einem hoch- temperaturfesten Leitkleber, z.B. Epoxydharz mit Silberpulver, aus¬ geführt. Das Gegenlager 23 wird durch eine Andrückhülse 24 und eine in die Bohrung 12 eingeschraubte Abschlußschraube 25 in der Bohrung 12 befestigt. Ferner weist das Gegenlager 23 eine etwa achsparallel zur Bohrung 12 verlaufende, durchgehende Bohrung 27 auf, in der in einem Keramikrohr 28 die Ableitleitung 29 von der Zwischenelektrode 21 geführt wird. Die Ableitleitung 29 führt zu einem Transistor 30 bzw. direkt zu einem abgeschirmten Ableitkabel 31. Das Ableitkabel 31 ist in einer in die Bohrung 32 der Abschlußschraube 25 hineinra- genden Tülle 33 der Andrückhülse 24 befestigt. Über das Ableitkabel 31 werden die Meßwerte zu einer nicht dargestellten Auswerteschal¬ tung und Steuereinrichtung der Brennkraftmaschine geführt.
    [0029] Die Funktion eines Druckgebers ist allgemein bekannt und hier des¬ halb nicht näher erläutert. Die über die Membran 14 und den Stempel 16 auf den Sensor 18 einwirkende Kraft erzeugt eine durch Polarisa¬ tion hervorgerufene Oberflächenladung der Quarze 19, 20. Die durch die Oberflächenladung hervorgerufene Spannung wird als Meßsignal über die Zwischenelektrode 21 und die Ableitleitung 29 abgegriffen.
    [0030] Die Wärmeleitfolie 17 trägt dazu bei, daß trotz hoher Temperaturen im Bereich von ca. 600° C an der Brennraumseite - für eine aus¬ reichende Selbstreinigung der Druckgeberoberfläche - die Temperatur im Sensorblock IS maximal 150° C beträgt. Den Hauptbeitrag dazu lie¬ fert der hohe Wärmewiderstand des Stempels 16, der durch die geringe Wärmeleitung des verwendeten Materials (V4A) und die Stempelgeome¬ trie bedingt ist. Die 150"-Grenze ergibt sich aus der Temperaturab¬ hängigkeit des piezoelektrischen Koeffizienten d , dessen Wert beim verwendeten ζ-Quarz oberhalb 150° C steiler abfällt. Der d -Koeffizient beruht auf den kristallographischen Eigenschaften des -^-Quarzes. Er bestimmt bei der vorausgesetzten Orientierung der Plattennormalen parallel zur kristallographischen x-Richtung des ArQuarzes, die gleichzeitig die Kraftrichtung ist, die Größe der durch, die Kraft erzeugten elektrischen Ladung.
    [0031] Die Membran 14 ist mit einer ringförmigen, eingeätzten Vertiefung hergestellt. Um die damit mögliche gut definierte, vom Druck mög¬ lichst unabhängige effektive Fläche A für eine Druck-Kraftum- wandlung zu erhalten, ist die Verschweißung des äußeren dicken Rings der Membran 14, der an der Stirnseite des Gehäuses 10 befestigt ist, und des mittleren Bereiches der Membran 14, der am Stempel 16 an¬ liegt, bis möglichst dicht an den Rand der Vertiefung herangeführt. Als Membran 14 kann z.B. eine 250 /um starke Ni onic 90-Folie ver¬ wendet werden, in die eine 1 mm breite ringförmige Vertiefung einge¬ ätzt ist. Der dadurch entstehende Membranring weist als Biegebereich der Membran 14 eine Dicke von 60 bis 80 /um auf. Er hat eine ge¬ wünschte kleine Federkonstante c . Die Membran 14 kann, ohne daß
    [0032] M dabei die Federkonstante c beeinflußt wird, im weniger empfind¬ lichen, dickeren Bereich verschweißt werden. Um eine minimale Vor¬ spannung für die Quarzplatten zu erhalten, werden vor dem Schweißen Gehäuse- und Stempelende in Nacharbeit bündig geschliffen.
    [0033] Die Membrandicke wurde so klein wie von den Festigkeitsanforderungen her möglich gewählt (Prüfdruck 300 bar). Die Federkonstante des Mem¬ branringes cw ist damit so klein, daß die von periodischen Tempe- raturänderungen ausgehenden Kraftwirkungen auf die Quarze, deren Größe mit der Federkonstanten cw bzw. mit der dritten Potenz der Membrandicke zunimmt, ebenfalls so klein wie möglich werden. Der dynamische Temperaturfehler wird dadurch auf ein Minimum reduziert. Der Ersatz der mechanischen Vorspannung durch Schweißen und Kleben in der Herstellung des Kraftschlusses von der Membran über Stempel, Quarze, Zwischenlagen und Gegenlager bis zum Gehäuse hat die bereits genannten Vorteile.
    [0034] In Figur 2 ist ein in das Gehäuse 36 einer Zündkerze 37 eingebauter, als eigene Einheit hergestellter Druckgeber 11a dargestellt. Hierzu ist die Bohrung 38 für den Kerzenstein der Zündkerze 37 außermittig ausgebildet. In einer im dadurch entstehenden dickeren Teil 39 aus¬ gebildeten Bohrung 40 ist der Druckgeber 11a angeordnet. Im Unter¬ schied zum Ausführungsbeispiel nach Figur 1 weist der Druckgeber 11a eine in Figur 4 näher dargestellte, als Kappenmembran 42 ausgebilde¬ te Membran auf. Der Stempel 16a hat gegenüber dem Stempel in Figur 1 eine größere Länge und einen kleineren Durchmesser. Damit ist sein Wärmewiderstand soweit vergrößert, daß in Verbindung mit den dünne¬ ren Quarzplatten 43, 44 auf eine Wärmeleitfolie verzichtet werden kann. Der Sensorblock 18a ist mit dem anliegenden Stempel 16a und der Abschlußschraube 50 mit Leitkleber verbunden. Der Sensorblock 18a weist, wie aus Figur 3 näher ersichtlich, zwei Quarzplatten 43, 44 auf, deren x-Achsen entgegengesetzte Richtung, d.h. entgegenge¬ setzte Polarisierung haben. Zwischen den Quarzplatten 43, 44 befin¬ det sich eine Mittelelektrode 45 und oberhalb und unterhalb der Quarzplatten 43, 44 je eine Deckplatte 46. Die einzelnen Platten 43 bis 46 sind mit einem Leitkleber zusammengeklebt. Das Kleben wird bereits mit größeren Platten ausgeführt. Der geklebte Plattensatz wird nach dem Aushärten in die kleinen, hier quadratischen Sensor-
    [0035] 2 blocke z.B. (1,8 x 1,8 mm ) zersägt. Dadurch entsteht genügend
    [0036] Raum, um für das Kontaktieren der Elektroden das Bonden der Halblei¬ tertechnik einsetzen zu können, so daß der Platzbedarf für das Kon¬ taktieren über den unteren Stempeldurchmesser nicht hinausgeht. Als Werkstoff für die Deckplatten 46 kann Eisen oder anderes Bondeigen- schaften aufweisendes Material verwendet werden. Mit Hilfe eines Bond-Drahtes 47 ist die Mittelelektrode mit der Ableitleitung 29a und mit Hilfe eines zweiten Bond-Drahtes 48 sind die beiden Deck¬ platten 46 verbunden.
    [0037] Die Ableitung 29a ist in einer mit isolierendem Kunstharz gefüllten Seitenbohrung 52 der Abschlußschraube 50 fixiert. Die Verbindung mit dem Anschlußkabel, das in einer anderen nicht dargestellten Ebene des Zündkerzengehäuses 36 fest und auswechselbar montiert ist, wird z.B. mit einer Kontaktschraube 53 hergestellt, die den Verbindungs- draht 54 gegen das Ende der Ableitleitung 29a drückt. Die Abschlu߬ schraube 50 und somit das Gehäuse 10a des Druckgebers 11a wird mit einer von der Seite eingesetzten, vorne konischen Schraube 51 gegen die Wand der Bohrung 40 gedrückt und im Gehäuse 36 der Zündkerze 37 fixiert. Die Passung des Gehäuses 10a mit der Bohrung 40 sollte mög¬ lichst spielfrei sein. Um einen definierten Wärmeübergang zum Gehäu¬ se 36 der Zündkerze 37 zu haben, sollte vor dem Einsetzen des Druck¬ gebers 11a der Bereich des durch die Schraube 51 entstandenen Sitzes mit Silikonfett eingestrichen werden. In Figur 4 ist die Kappenmembran 42 näher dargestellt. Sie ist topf- förmig ausgebildet und weist einen ca. 80 Λtm dicken, als Membran dienenden Boden 55 und einen dickeren, z.B. 200 vom dicken zylind¬ rischen Rand 56 auf. Dadurch kann in einfacher Weise die Dicke des Bodens 55, d.h. der Membran, sehr dünn sein, während zur Befestigung ein dickerer Rand 56 möglich ist. Nur der Rand 56 ist am Gehäuse 10a angeschweißt. Bei gleicher effektiver Fläche A kann der Durch¬ messer an dem dem Brennraum zugewandten Ende des Gehäuses 10a gegen¬ über der Ausbildung nach Figur 1 verkleinert werden. Ferner ist die Kappenmembran 42 automatisch zentriert. An den Boden 55 der Kappen¬ membran 42 ist der Stempel 16a angeschweißt. Hierzu eignet sich ins¬ besondere das sogenannte Laserschweißen. Die Kappenmembran 42 hat eine gleichmäßige Druckempfindlichkeit über den ganzen Druckbereich und weist geringe Meßfehler bei Temperaturänderungen auf.
    权利要求:
    ClaimsAnsprüche
    1. Druckgeber (11) zur Druckerfassung im Brennraum von Brennkraftma¬ schinen, insbesondere Kraftfahrzeugen, in dessen Gehäuse (10) minde¬ stens ein piezoelektrisch wirkender Kristall (19, 20), ein Stempel (16) und ein Gegenlager (23) angeordnet sind, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Membran (14) im Biegebereich eine Dicke von 60 bis
    100 um aufweist und daß die Kraftübertragung zu den Kristallen (19, 20, 43, 44) ohne mechanische Vorspannung lückenlos mit Stoff- εchluß hergestellt wird, daß die Verbindung von der Membran (14) zum Gehäuse (10) eine Schweißverbindung ist und daß alle Grenzflächen der am Ende des Stempels (16) folgenden Bauteile (19, 20, 21) mit Hilfe einer KlebeVerbindung verbunden sind.
    2. Druckgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Membran (14) im Biegebereich 60 bis 80 /um beträgt.
    3. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebeverbindung mit Hilfe eines Leitklebers hergestellt wird.
    4. Druckgeber nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißverbindung mit Hilfe von Laserschweißen hergestellt wird.
    5. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Membran als Kappenmembran (42) ausgebildet ist.
    6. Druckgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kap¬ penmembran (42) einen als Biegebereich dienenden Boden (55) auf¬ weist, dessen Dicke kleiner ist als die Dicke des Randes (56).
    7. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich¬ net, daß zwischen den Kristallen (19, 20) und dem Stempel (16) eine Wärmeleitfolie (17) angeordnet ist.
    8. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Wärmewiderstand zwischen der Membran (14) und den Kri¬ stallen (19, 20) möglichst hoch ist, so daß an der Brennraumseite im Bereich der Membran (14) eine für eine Selbstreinigung der Brenn¬ raumseite ausreichende Temperatur herrscht, daß aber die Temperatur im Bereich der Kristalle (19, 20) so niedrig ist, daß die Abnahme des piezoelektrischen Koeffizienten (d ) mit der Temperatur die Funktionsfähigkeit der Kristalle (19, 20) wenig beeinflußt.
    9. Druckgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich¬ net, daß ein quadratischer Sensorblock (18) aus einer zwischen den Kristallscheiben (43, 44) angeordneten Eisenschicht als Mittelelek¬ trode (45) und zwei außenliegenden Eisenschichten (46) besteht und daß die Zwischenelektrode (45) mittels eines ersten Bond-Drahtes (47) mit einem Ableitdraht (29) und die außenliegenden Eisenschich¬ ten (46) mittels eines zweiten Bond-Drahtes (48) verbunden sind.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1989-10-05| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): JP US |
    1989-10-05| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE FR GB IT LU NL SE |
    1990-09-08| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1989902228 Country of ref document: EP |
    1991-01-16| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1989902228 Country of ref document: EP |
    1991-10-23| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1989902228 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE19883811311|DE3811311C1|1988-04-02|1988-04-02||
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