Titel

Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, welche insbesondere in Otto-Motoren bzw. Benzinmotoren einsetzbar ist. Derartige Vorrichtungen bilden einen wesentlichen Bestandteil modemer Motorregelungen, da der Brennraumdruck insbesondere zum Zweck einer Reduzierung von Verbrauch und Emissionen sehr genau erfasst werden muss.

Aus dem Stand der Technik sind daher Vorrichtungen zur Erfassung des Brennraumdrucks bekannt, welche jedoch überwiegend für Dieselmotoren entwickelt wurden. So beschreibt beispielsweise DE 10 2005 035 062 A1 eine Vorrichtung zur Erfassung des

Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine, welche eine Glühstiftkerze mit einem sich in einer Einbaurichtung der Glühstiftkerze erstreckenden Gehäusemantel und einem in der Glühstiftkerze aufgenommenen Druckerfassungselement aufweist. Der Gehäusemantel der Glühstiftkerze wird zur Übertragung des Brennraumdrucks auf das Drucker- fassungselement eingesetzt. WO 2006/089446 A1 beschreibt ein Bauteil zum Einbau in Kraft- oder Drucksensoren, insbesondere in eine Glühkerze. Das Bauteil umfasst ein scheibenförmiges oder lochscheibenförmiges Messelement aus piezoelektrischem Material sowie beiderseitig des Messelements anliegende lochscheibenförmige oder scheibenförmige Elektroden mit Kontaktstellen für den Kontakt zu Leitungen. Weiterhin sind ein oder mehrere beidseitig außerhalb der Elektroden angeordnete Übertragungskörper vorgesehen.

Großserientaugliche Brennraumdrucksensoren, welche als Stand-Alone- Brennraumdrucksensoren insbesondere für Otto-Motoren einsetzbar sind, sind jedoch aus dem Stand der Technik derzeit nicht bekannt. Die für Dieselmotoren entwickelten

Konzepte lassen sich jedoch nicht ohne weiteres auch auf Otto-Motoren übertragen. Generell treten bei der Konstruktion von Brennraumdrucksensoren, insbesondere für Otto-Motoren, zahlreiche technische Herausforderungen auf. So treten durch die Verbrennung im Brennraum des Verbrennungsmotors hohe Temperaturen auf, welchen aktuelle Mess- und Auswerteprinzipien in der Regel nicht standhalten. Weiterhin müssen die Vorrichtungen innerhalb eines breiten Temperaturbereichs störungsfrei ar- beiten, ohne dass sich Messsignale durch thermische Spannungen ändern. Äußere mechanische Einflüsse, wie beispielsweise Einschraubmomente beim Einbringen der Vorrichtung in eine Brennraumwand, beispielsweise ein Zylinderkopf, dürfen sich nicht auf die Qualität der Signale auswirken oder die Messsignale der Vorrichtungen verändern.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher eine Vorrichtung zur Erfassung eins Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche diesen Herausforderungen gerecht wird. Die Vorrich- tung ist insbesondere in Otto-Motoren einsetzbar. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Sensorgehäuse, also ein Element, welches weitere Bauelemente ganz oder teilweise umschließt, beispielsweise ein zumindest teilweise hohlzylinderförmig ausgestaltetes Sensorgehäuse. Das Sensorgehäuse kann beispielsweise aus einem metallischen Material hergestellt sein und ist eingerichtet, um zumindest teilweise in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingebracht zu werden. Beispielsweise kann das

Sensorgehäuse direkt oder indirekt in einer Brennraumwand der Brennkraftmaschine fixiert werden, so dass das Sensorgehäuse zumindest teilweise, beispielsweise mit seinem vorderen Ende, in den Brennraum der Brennkraftmaschine hineinragt.

Das Sensorgehäuse weist brennraumseitig eine durch mindestens eine Membran verschlossene Öffnung auf. Beispielsweise kann es sich dabei um eine kreisförmige oder polygonale Öffnung handeln. Unter einer Membran kann dabei beispielsweise ein zumindest in einer Richtung verformbares oder bewegliches Element verstanden werden, welches sich beispielsweise senkrecht zu einer Achse des Sensorgehäuse erstreckt, dessen laterale Ausdehnung seine Dicke vorzugsweise um mindestens einen Faktor

10, insbesondere um mindestens einen Faktor 100, überschreitet. Die Membran kann beispielsweise als metallische Membran, beispielsweise als Metallfolie, ausgestaltet sein und kann auch einstückig mit dem Sensorgehäuse ausgebildet werden und/oder mit dem Sensorgehäuse im Bereich der Öffnung kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn das

Sensorgehäuse zumindest im Bereich der Öffnung hohlzylindrisch ausgebildet ist, wobei die Membran beispielsweise als metallische Membran beispielsweise auf das Sen- sorgehäuse auf den die Öffnung umgebenden Rand des Sensorgehäuses aufgeschweißt ist. Auch eine andere Art der Verbindung mit dem Sensorgehäuse ist jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise eine kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise durch eine Überwurfmutter. Die Membran sollte die Öffnung vorzugsweise vollständig druckdicht verschließen, zumindest im Bereich üblicherweise in Brennräumen auftretender Drücke.

Die Vorrichtung umfasst weiterhin in dem Sensorgehäuse mindestens ein mechanischelektrisches Wandlerelement. Hierunter ist allgemein ein Element zu verstehen, wel- ches mechanische Einwirkungen, beispielsweise eine Krafteinwirkung und/oder eine

Druckeinwirkung und/oder eine Längenänderung des Wandlerelements, in elektrische Signale umwandeln kann. Im Folgenden wird im Wesentlichen Bezug genommen auf piezoelektrische Wandlerelemente. Alternativ oder zusätzlich kann das mechanischelektrische Wandlerelement jedoch auch andere Arten von Wandlerelementen umfas- sen, die zur Umwandlung mechanischer in elektrische Signale eingerichtet sind.

Weiterhin weist die Vorrichtung mindestens ein von dem Sensorgehäuse getrennt ausgebildetes Übertragungselement zur Übertragung einer Verformung der Membran auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement auf. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Brennraumdruck-bedingte Durchbiegung der Membran über das Übertragungselement auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden, so dass ein elektrisches Signal entsprechend der Durchbiegung der Membran und somit entsprechend des Brennraumdrucks erzeugt werden kann. Unter einem Übertragungselement ist dabei grundsätzlich ein beliebiges Element zu verstehen, mittels dessen, vorzugsweise im Wesentlichen starr, Bewegungen und/oder Verformungen der Membran auch axial auf das mechanisch elektrische Wandlerelement übertragen werden können. Beispielsweise kann das Übertragungselement im Wesentlichen stabförmig ausgestaltet sein und kann vorzugsweise auf einer Achse der Vorrichtung gelagert sein. Das Übertragungselement kann auch mehrteilig ausgestaltet werden.

Das Übertragungselement ist, wie oben dargestellt, getrennt von dem Sensorgehäuse ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Vorrichtung mindestens zwei Übertragungspfade aufweist, über welche Kräfte und/oder Längenänderungen von unmittelbar dem Brennraum ausgesetzten Bestandteilen der Vorrichtung, beispielsweise der Membran und/oder einer dem Brennraum zuweisenden Stirnseite des Sensorgehäuses, auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden können. So kann beispielsweise das Sensorgehäuse selbst ein Teil eines ersten Übertragungspfades sein, - A -

und das Übertragungselement Teil eines zweiten Übertragungspfades, welche im Wesentlichen nicht an den ersten Übertragungspfad gekoppelt ist. Über den ersten Übertragungspfad und den zweiten Übertragungspfad können beispielsweise jeweils thermisch bedingte Ausdehnungen der Vorrichtung auf das mechanisch-elektrische Wand- lerelement übertragen werden, und zwar vorzugsweise im Wesentlichen ohne Kopplung der beiden Pfade. Dies wird unten noch näher ausgeführt. Der erste Übertragungspfad kann den zweiten Übertragungspfad konzentrisch umschließen.

Da über beide Übertragungspfade thermisch bedingte Ausdehnungen der Vorrichtung auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragbar sind, ist es besonders bevorzugt, wenn die Vorrichtung mindestens einen Kompensationskörper zur Kompensation unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen in den beiden Übertragungspfaden aufweist. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Übertragungselement selbst mindestens einen Kompensationskörper umfasst, welcher eingerichtet ist, um unterschied- liehe thermische Ausdehnungen zwischen dem ersten Übertragungspfad und dem zweiten Übertragungspfad auszugleichen. So kann beispielsweise der Kompensationskörper bezüglich seiner Länge und seines Wärmeausdehnungskoeffizienten derart eingerichtet werden, dass dieser zumindest innerhalb typischer Temperaturbereiche, denen die Vorrichtung ausgesetzt sein kann, dafür sorgt, dass die Wärmeausdehnun- gen des ersten und des zweiten Übertragungspfades zumindest weitgehend identisch sind, beispielsweise im Rahmen einer tolerierbaren Abweichung von nicht mehr als 20%, insbesondere nicht mehr als 10% und vorzugsweise nicht mehr als 5%.

Beispielsweise können beim Kaltstart kurzfristig Temperaturen von -40°C vorliegen. Im Betrieb wird sich der beschriebene Übertragungspfad typischerweise nicht homogen durchwärmen, sondern es wird sich in der Regel ein Temperaturgradient vom Brennraum, beispielsweise bei einer Membran-Temperatur bis circa 550 ⁰ C, bis hin zum mechanisch-elektrischen Wandlerelement, beispielsweise einer Temperatur des Piezo- Quarzes von circa bis zu 200 ⁰ C, einstellen. Die Temperaturkompensation kann dann beispielsweise anhand von empirisch ermittelten, beispielsweise durch Motormessungen ermittelten, Temperaturgradienten, erfolgen. Eine Temperaturkompensation ist typischerweise nur entweder für homogene Temperaturen oder für Temperaturgradienten, insbesondere homogene Temperaturgradienten, realisierbar. Vorzugsweise wird die Temperaturkompensation so ausgelegt, dass eine Vorspannkraft, beispielsweise eine Vorspannkraft des mechanisch-elektrischen Wandlerelements, sich beim Übergang von einem Leerlauf-Temperaturgradienten zu einem Volllast- Temperaturgradienten oder umgekehrt nicht oder nur unwesentlich ändert. Eine Ände- rung der Vorspannkraft durch Änderung der Umgebungstemperatur kann in diesem Fall in der Regel toleriert werden, da typischerweise eine hohe Zeitkonstante vorliegt und zumeist insbesondere in Verbindung mit einem Reset eines Messsignals, beispielsweise nach jedem Zyklus, die Beeinflussung des Messsignals vernachlässigbar ist. Somit kann beispielsweise gewährleistet werden, dass über den typischerweise auftretenden Temperaturbereich hinweg, in welchem die Vorrichtung eingesetzt wird, möglichst kein rein thermisch bedingtes Wandlersignal bzw. eine Änderung des Wandlersignals des mechanisch-elektrischen Wandlers aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungen im ersten Übertragungspfad und im zweiten Übertragungspfad auftritt. Wie o- ben dargestellt, kann dies jedoch auch, alternativ oder zusätzlich, durch eine Anordnung des mindestens einen Kompensationskörpers an einer anderen Stelle in einem der beiden Übertragungspfade erreicht werden und/oder durch eine geeignete Materialwahl der an den Übertragungspfaden beteiligten Elemente.

Alternativ oder zusätzlich zu dem mindestens einen Kompensationskörper kann das

Übertragungselement, welches auch mehrteilig aufgebaut sein kann, auch mindestens einen Wärmeschutz-Isolationskörper mit thermisch isolierenden Eigenschaften aufweisen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass über das Übertragungselement keine hohen Temperaturen und/oder großen Wärmemengen vom Brennraum her auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden, welche dieses schädigen könnten. Beispielsweise kann der Wärmeschutz-Isolierkörper mindestens ein keramisches Material umfassen, welches hohe thermisch isolierende Eigenschaften aufweisen kann. Auch andere Arten von Materialien sind möglich. So ist der Wärmeschutz-Isolierkörper auch mehrteilig aufbaubar. Alternativ oder zusätzlich zu einer thermischen Isolation kann der Wärmeschutz-Isolierkörper weiterhin auch elektrisch i- solierende Eigenschaften aufweisen. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass der Wärmeschutz-Isolierkörper mit dem thermisch isolierenden Eigenschaften selbst auch elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist. Alternativ kann jedoch auch ein mehrteiliger Aufbau vorgesehen sein, bei welchem der Wärmeschutz-Isolierkörper ne- ben mindestens einem thermisch isolierenden Bauelement mindestens ein elektrisch isolierendes Bauelement aufweist.

Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens ein Kontaktelement zur elektrischen Kon- taktierung des mechanisch-elektrischen Wandlerelements umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um ein steifes Kontaktelement handelt, also ein Kontaktelement, welches unter Einwirkung seiner eigenen Gewichtskraft seine Form nicht oder nur unwesentlich ändert. Insbesondere kann das Kontaktelement mindestens eine Strom- schiene umfassen, also ein steifes Element, welches stromleitende Eigenschaften aufweist, beispielsweise ein metallisches Element. Das Kontaktelement soll dabei vorzugsweise derart eingerichtet sein, dass dieses zumindest teilweise, beispielsweise abschnittsweise, eine axiale Flexibilität aufweist, d.h. eine Flexibilität in seiner Längs- erstreckungsrichtung, beispielsweise parallel zur Achse der Vorrichtung. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Kontaktelement zumindest teilweise mit federnden Eigenschaften ausgestaltet wird. Alternativ oder zusätzlich kann das Kontaktelement, beispielsweise die mindestens eine Stromschiene, beispielsweise zumindest abschnittsweise eine Flexibilität in Sensorlängsrichtung dadurch ermögli- chen, dass ein doppelter Schlag vorgesehen wird. Dies kann beispielsweise analog zu einer Wellpappe erfolgen, beispielsweise indem eine Stromschiene mit zwei Außenbahnen ausgestaltet wird, zwischen welchen mindestens ein federndes Element vorgesehen ist, beispielsweise eine gefaltete metallische Bahn. Auf diese Weise kann insbesondere im Bereich einer Kontaktierung des mechanisch-elektrischen Wandlerele- ments eine axiale Flexibilität des Kontaktelements vorgesehen werden, beispielsweise indem das Kontaktelement derart gestaltet wird, beispielsweise gebogen wird, dass dieses einen oder mehrere Abschnitte mit einer Erstreckung senkrecht zur Achse aufweist. Auf diese oder auf andere Weise Weise können die ein oder mehreren Kontaktelemente zu einer Zugentlastung des mechanisch-elektrischen Wandlerelements bei- tragen, so dass zwar beispielsweise eine Krafteinwirkung auf das mechanischelektrische Wandlerelement möglich ist, jedoch ein beispielsweise durch Verspannungen eingeprägter Weg auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement reduziert wird. Dieser Weg ist jedoch von Bedeutung für ein durch die Verspannungen erzeugte Fehlersignal im mechanisch-elektrischen Wandlerelement, beispielsweise einem Piezo- Quarz.

Das mechanisch-elektrische Wandlerelement kann auf seiner von dem Brennraum abgewandten Seite direkt oder indirekt gegen einen Isolierkörper gelagert sein. Dieser I- solierkörper kann beispielsweise elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Wei- terhin kann das mechanisch-elektrische Wandlerelement, alternativ oder zusätzlich, auf seiner von dem Brennraum abgewandten Seite über mindestens eine Fixierung direkt oder indirekt gegen das Sensorgehäuse gelagert sein. Die Fixierung kann beispielsweise eine metallische Fixierung sein, beispielsweise ein Metallring, welcher beispielsweise stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Sensor- gehäuse verbunden werden kann. Besonders bevorzugt ist eine Verschweißung der

Fixierung mit dem Sensorgehäuse. Auch andere Fixierungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Das mechanisch-elektrische Wandlerelement kann von dem Sensorgehäuse weiterhin durch mindestens einen Sensorhalter getrennt sein. Insbesondere kann dieser Sensorhalter einen das mechanisch-elektrische Wandlerelement zumindest teilweise um- gebenden, insbesondere umschließenden, Sensorhalter umfassen, beispielsweise einen dieses Wandlerelement konzentrisch umschließenden Sensorhalter. Dieser Sensorhalter kann beispielsweise zumindest teilweise als Hülse ausgestaltet sein. Der Sensorhalter kann beispielsweise thermisch und/oder elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen und/oder vibrationsdämpfende Eigenschaften. Der Sensorhalter kann beispielsweise ganz oder teilweise aus Kunststoff, Keramik, Polykeramik oder

Kombinationen der genannten und/oder anderer Materialien hergestellt sein. Der Sensorhalter kann auch zumindest einen Teil des Übertragungselements zumindest teilweise umschließen, beispielsweise den Wärmeschutz-Isolationskörper und/oder den Kompensationskörper. Auf diese Weise können die beiden oben beschriebenen Über- tragungspfade zusätzlich voneinander getrennt werden. Der Sensorhalter sollte selbst keinen direkten Kontakt mit der Membran aufweisen, so dass der Sensorhalter selbst vorzugsweise keinen Bestandteil der oben genannten Übertragungspfade bildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Sensorhalter weitere Elemente der Vorrichtung umfassen und/oder umschließen, insbesondere weitere Elemente, welche Teil des zweiten Übertragungspfades bilden. So kann der Sensorhalter beispielsweise auf der brenn- raum-abgewandten Seite des mechanisch-elektrischen Wandlerelements Elemente zumindest teilweise umschließen, beispielsweise den Isolierkörper.

Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens ein das Sensorgehäuse zumindest teilwei- se umschließendes Dichtgehäuse umfassen, beispielsweise ein Dichtkonusgehäuse.

Dieses Dichtgehäuse kann eingerichtet sein, um eine Fixierung der Vorrichtung in einer Brennraumwand zu ermöglichen, so dass zumindest die Membran mit einem brenn- raumseitigen Druck beaufschlagt werden kann. Beispielsweise kann diese Fixierung eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Fixierung umfassen, beispielsweise ein Einschrauben in eine B renn raumwand. Ein Dichtkonus an dem Dichtgehäuse kann beispielsweise die Dichtwirkung erhöhen, um beispielsweise keine Undichtigkeiten in einem Zylinderkopf zu induzieren. Das Dichtgehäuse soll dabei derart ausgestaltet sein, beispielsweise derart mit dem Sensorgehäuse verbunden sein, dass das mechanisch-elektrische Wandlerelement außerhalb des Brennraums gelagert ist. Wie oben dargestellt, kann dies beispielsweise dadurch erfolgen, dass lediglich ein Teil der Vorrichtung in den Brennraum hineinragt, insbesondere ein die Membran umfassender Teil der Vorrichtung, wohingegen das mindestens eine mechanisch-elektrische Wand- lerelement außerhalb des Brennraums gelagert ist, vorzugsweise in einem Bereich, in welchem lediglich moderate Temperaturen im Betrieb der Brennkraftmaschine auftreten. Beispielsweise kann das mechanisch-elektrische Wandlerelement in einem Bereich angeordnet sein, in welchem Temperaturen von nicht mehr als 200°C auftreten.

Das Dichtgehäuse kann beispielsweise derart mit dem Sensorgehäuse verbunden sein, dass das Sensorgehäuse beim Fixieren des Dichtgehäuses in der Brennraumwand, beispielsweise beim Einschrauben in einen Zylinderkopf, im Wesentlichen axial spannungsfrei und/oder torsionsspannungsfrei bleibt, so dass keine axialen Spannun- gen und/oder Torsionsspannungen auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement übertragen werden. Dies kann beispielsweise dadurch gewährleistet werden, dass das Dichtgehäuse das Sensorgehäuse zumindest teilweise umschließt, mit diesem jedoch beispielsweise lediglich in einem Bereich oder in mehreren unkritischen Bereichen verbunden wird, beispielsweise durch eine stoffschlüssige und/oder formschlüssige Ver- bindung, beispielsweise in Form einer Schweißnaht, vorzugsweise einer einzigen

Schweißnaht, beispielsweise einer einzigen umlaufenden Schweißnaht. Axiale Spannungen und/oder Torsionsspannungen im Dichtgehäuse, welche beim Fixieren in der Brennraumwand auftreten können, werden dann nicht auf das Innere des Sensorgehäuses übertragen, und somit nicht auf das mechanisch-elektrische Wandlerelement. Eine Übertragung radialer Spannungen kann jedoch im gewissen Umfang toleriert werden. Das Sensorgehäuse und der erste und/oder der zweite Übertragungspfad können somit mechanisch vom Dichtgehäuse entkoppelt ausgestaltet sein, beispielsweise durch die eine Schweißnaht. So können beispielsweise eine axiale Stauchung und/oder eine Torsionsspannung, die insbesondere durch ein Einschraubmoment in- nerhalb des Dichtgehäuses erzeugt werden können, nicht auf den ersten und/oder zweiten Übertragungspfad wirken, so dass sich diese nicht oder nur unwesentlich auf die Druckmessung beziehungsweise Kraftmessung auswirken können.

Die vorgeschlagene Vorrichtung in einer oder mehreren der oben beschriebenen Aus- führungsformen weist gegenüber bekannten Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf, welche sich insbesondere beim Einsatz in Otto-Motoren positiv bemerkbar machen. So ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass bei der Verbrennung im Brennraum auftretende hohe Temperaturen die Signale nicht oder nur unwesentlich beeinflussen können. Das Drucksignal aus dem Brennraum kann innerhalb der Vorrichtung in einen Be- reich weitergeleitet werden, in welchem für das mechanisch-elektrische Wandlerelement verträgliche Temperaturen vorliegen. Der vorgeschlagene Aufbau ermöglicht zudem eine Messsignalübertragung mit minimaler Signalverminderung und/oder Signal- veränderung. Weiterhin werden äußere mechanische Einflüsse, wie beispielsweise das Einschraubmoment, vom zweiten Übertragungspfad, also vom Übertragungspfad des Druckes, der Kraft und des elektrischen Signals ferngehalten. Durch den vorgeschlagenen zweiten Übertragungspfad, welcher als relevanter Kraftpfad eingesetzt werden kann und dessen Übertragung von dem mechanisch-elektrischen Wandlerelement aufgenommen wird, kann das Drucksignal mit geringen Verlusten in eine Kraft umgewandelt werden, zum Messelement weitergeleitet werden und dort in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, welches wiederum zu einer - in der Vorrichtung selbst integrierten und/oder ganz oder teilweise außerhalb der Vorrichtung angeordneten - Aus- werteschaltung geführt werden. Das mechanisch-elektrische Wandlerelement und/oder die Auswerteschaltung können dabei in Bereichen mit verträglichen Temperaturen angeordnet werden. Weiterhin können die oben beschriebenen Bauteile der Vorrichtung derart optimiert werden, dass das Messsignal nicht beeinträchtigt wird durch mechanische und/oder thermische Einflüsse. So können insbesondere Temperatureinflüsse und/oder mechanische Einflüsse, welche beispielsweise durch die Stromschienen auftreten könnten, durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Ausgestaltung minimiert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine.

Ausführungsbeispiel

In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 10 zur Erfassung eines Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine dargestellt, welche insbesondere in einem Benzinmotor bzw. Otto-Motor eingesetzt werden kann. Die Vorrichtung 1 10 umfasst ein mehrteilig aufgebautes Gehäuse 1 12, mit einem Grundkörper 1 14 und einem als Dichtkonusgehäuse 116 ausgestalteten Dichtgehäuse 1 18, mit einem brennraumseitigen Dichtkonus 120. Der Grundkörper 1 14, welcher beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial und/oder einem keramischen Material gefertigt sein kann, nimmt ein Kontaktierungsmodul 122 auf. In diesem Kontaktierungsmodul 122 können Signale der Vorrichtung 1 10 bereits ganz oder teilweise verarbeitet werden und/oder über ein oder mehrere in Figur 1 nicht dargestellte Schnittstellen nach außen weitergeleitet werden. An den Grundkörper angesetzt ist das im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltete Dichtgehäuse 1 18, welches wiederum konzentrisch ein Sensorgehäuse

124 umschließt. Dieses Sensorgehäuse 124 weist an seiner einem Brennraum 126 zuweisenden Seite eine Öffnung 128 auf, welche durch eine Membran 130 verschlossen ist. Diese Membran 130 ist eingerichtet, um sich bei Einwirkungen eines Drucks aus dem Brennraum 126 in einer Richtung einer Achse 132 der Vorrichtung 1 10 zu verformen bzw. zu verbiegen.

Im Inneren des Sensorgehäuses 124 ist entlang der Achse 132 an die Membran 130 ein Kompensationskörper 134 angeschlossen. An diesem wiederum schließt sich in a- xialer Richtung ein Wärmeschutz-Isolierkörper 136 an, welcher auf einem sich senk- recht zur Achse 132 ausdehnenden ersten Kontaktbereich einer sich ansonsten im

Wesentlichen parallel zur Achse 132 erstreckenden ersten Stromschiene 140 mündet. An diesen schließt sich ein mechanisch-elektrisches Wandlerelement 142 in Form eines Piezo-Quarzes 144 an. Unter einem Piezo-Quarz 144 kann dabei grundsätzlich, alternativ oder zusätzlich zu einem Quarz mit piezoelektrischen Eigenschaften, ein belie- biges piezoelektrisches Material verstanden werden. Auf der dem Brennraum 126 abgewandten Seite des Piezo-Quarzes 144 schließt sich in axialer Richtung ein zweiter Kontaktbereich 146 an, welcher als sich im Wesentlichen senkrecht zur Achse 132 ausdehnender Abschnitt einer ansonsten sich vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Achse 132 erstreckenden zweiten Stromschiende 148 ausgebildet ist. Die beiden Kontaktbereiche 138 und 146 bilden Kontaktierungen und/oder Elektroden des Piezo-

Quarzes 144. Alternativ können Elektroden des Piezo-Quarzes 144 auch auf andere Weise ausgestaltet werden und/oder als von den Stromschienen 140, 148 getrennte Bauelemente.

In axialer Richtung auf der dem Brennraum 126 abgewandten Seite des Piezo-

Quarzes 144 schließt sich an den zweiten Kontaktbereich 146 ein Isolierkörper 150 an. Der Isolierkörper 150 weist einen brennraumseitigen Abschnitt 152 mit verringertem Durchmesser auf, welcher, gemeinsam mit dem Piezo-Quarz 144 und dem Wärmeschutz-Isolierkörper 136, von einem Sensorhalter 154 umschlossen ist. An den Isolier- körper schließt sich in axialer Richtung auf der dem Brennraum 126 abgewandten Seite eine Fixierung 156 in Form eines metallischen Rings an. Dieser metallische Ring kann, wie unten näher ausgeführt wird, beispielsweise mit dem Sensorgehäuse 124 verschweißt sein. Der metallische Ring der Fixierung 156 umschließt seinerseits in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Isolierhülse 158, über welche die Fixierung 156 von einem Fortsatz 160 des Isolierkörpers 150 getrennt ist.

Die Vorrichtung 110, welche als Brennraumdrucksensor ausgestaltet ist, ragt memb- ranseitig in den Brennraum 126 der Brennkraftmaschine hinein. Innerhalb der Membran 130 wird der im Brennraum anliegende Druck in eine Kraft gewandelt, die auf den Kompensationskörper 134 wirkt. Der Kompensationskörper 134 hat einerseits die Aufgabe, die Kraft an den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 weiter zu leiten, welcher, ge- meinsam mit dem Kompensationskörper 134, ein Übertragungselement 162 bildet. Andererseits hat der Kompensationskörper 134 die Aufgabe, unterschiedliche Wärmeausdehnungen von benachbarten Bauteilen zu kompensieren.

So ist der Piezo-Quarz 144 Teil eines Aufbaus, der aus zwei parallelen Übertragungs- pfaden besteht. Ein erster Übertragungspfad kann die Membran 130, das Sensorgehäuse 124 und die Fixierung 156 umfassen. Ein zweiter Übertragungspfad kann die Membran 130, den Kompensationskörper 134, den Wärmeschutz-Isolierkörper 136, die erste Stromschiene 140 bzw. deren ersten Kontaktbereich 136, den Piezo-Quarz 144, die zweite Stromschiene 148 bzw. deren zweiten Kontaktbereich 146, den Isolierkörper 150 und die Fixierung 156 umfassen. Bedingt durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Bauteile dehnt sich der innere, zweite Übertragungspfad anders aus als der diesen umschließende äußere, zweite Übertragungspfad Dieses unterschiedliche Ausdehnen führt letztlich zur einer zusätzlichen Be- oder Entlastung des Piezo-Quarzes 144, die sich der Kraftwirkung, die aus dem Brennraumdruck resultiert, überlagert und von dieser in der Regel nicht unterschieden werden kann. Diese Überlagerung führt somit in der Regel zu einem Messfehler. Daher wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das unterschiedliche Ausdehnen dadurch zu unterbinden, dass der Kompensationskörper 134 vorzugsweise bezüglich seiner Länge und/oder seines Wärmeausdehnungskoeffizienten so ausgelegt ist, dass dieser dafür sorgt, dass die Wärmeausdehnung des inneren und des äußeren Übertragungspfades identisch sind.

Diese Ausdehnung ist jedoch in vielen Fällen lediglich für eine bestimmte Temperatur bzw. einen bestimmten Temperaturgradienten möglich. Dennoch kann mittels einer geeigneten Materialwahl des Kompensationskörpers 134 im relevanten Temperaturbereich der Vorrichtung 110 zumindest eine Minimierung von Ausdehnungsfehlern, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen in den zwei Übertragungspfaden erzeugt werden, erreicht werden. Der Wärmeschutz-Isolierkörper 136 hat einerseits die Aufgabe, den Wärmepfad vom Brennraum 126 zum Piezo-Quarz 144 zu unterbrechen, also den Piezo-Quarz 144 vor Überhitzung zu schützen. Andererseits dient dieser vorzugsweise auch als elektrischer Isolator, der dafür sorgt, dass die vom Piezo-Quarz 144 an die Stromschienen 140, 148 übertragenen elektrischen Ladungen nur auf dem dafür vorgesehenen Weg über die Stromschienen 140, 148 selbst weitergeleitet werden. Je nach konkreten Anforderungen an die elektrische Isolation und/oder die Wärmeisolation kann es sinnvoll oder notwendig sein, den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 mehrteilig auszugestalten, und beispielsweise in ein wärmeisolierendes Bauteil und in ein elektrisch isolierendes Bau- teil aufzuteilen, deren Materialien dann für die entsprechenden Anforderungen optimiert werden können.

Der Piezo-Quarz 144 ist aus piezoelektrischem Material hergestellt und wandelt eine Kraft, hier die Kraft, die aus dem Brennraumdrucksignal resultiert, in eine elektrische Ladung um, welche proportional zur aufgebrachten Kraft ist, das heißt hier zum aufgebrachten Druck. Der Piezo-Quarz 144 wandelt die Kraft über den Umweg einer Längenänderung in eine elektrische Ladung um. Die elektrische Ladung wird beispielsweise in einer in Figur 1 nicht dargestellten Auswerteschaltung, welche ganz oder teilweise in dem Kontaktierungsmodul 122 aufgenommen sein kann, welche jedoch alternativ oder zusätzlich auch ganz oder teilweise außerhalb der Vorrichtung 110 aufgenommen sein kann, in eine der Ladung und/oder der Kraft und/oder dem Druck proportionale Spannung umgewandelt, welche dann an ein Motorsteuerungsgerät weitergegeben werden kann.

Die Stromschienen 140, 148 haben jeweils im Wesentlichen dieselben Aufgaben. Sie übertragen einerseits die Ladungen, die im Piezo-Quarz 144 erzeugt werden, an die Auswerteschaltung. Da durch Verspannungen in den Stromschienen 140, 148 selbst, welche beispielsweise durch Wärmeausdehnungen oder durch interne mechanische Spannungen nach dem Verschweißen der Stromschienen mit anderen Bauteilen im hinteren, dem Brennraum 126 abgewandten Teil der Vorrichtung 1 10 entstehen können, ebenfalls eine Kraftwirkung auf den Piezo-Quarz 144 entstehen kann, welche wiederum ein fehlerrelevantes Messsignal erzeugen kann, haben die Stromschienen vorzugsweise eine Zugentlastungsfunktion. Die Stromschienen können dementsprechend, insbesondere im Bereich zwischen dem Isolierkörper 150 und der Fixierung 156, einen doppelten Schlag aufweisen, der eine gewisse Flexibilität in Sensorlängsrichtung, also entlang der Achse 132, ermöglicht. Zu diesem Zweck können die Stromschienen 140, 148 beispielsweise, wie oben beschrieben, in der Art einer Wellpappe ausgestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich können, wie in Figur 1 angedeutet, die Stromschienen 140, 148 auch einen oder mehrere Knicke und/oder Biegungen aufweisen, welche als Federelemente dienen und die beschriebene Zugentlastung gewährleisten können. Auch auf andere Weise können die Stromschienen 140, 148 federnd ausgestaltet sein, d.h. eine elastische Wirkung in Richtung der Achse 132 aufweisen.

Durch die genannte Flexibilität wird zwar die Kraftwirkung von Verspannungen auf den Piezo-Quarz 144 nicht reduziert, jedoch wird erreicht, dass der eingeprägte Weg reduziert wird. Und der eingeprägte Weg, also die Änderung des Piezo-Quarzes 144, ist ausschlaggebend für das erzeugte Fehlersignal im Piezo-Quarz 144.

Der Isolierkörper 150, welcher beispielsweise aus einem keramischen Material und/oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein kann, hat die Hauptfunktion, den Piezo-Quarz 144 und eine oder beide der Stromschienen 140, 148, beispielsweise die zweite Stromschiene 148, elektrisch von benachbarten Bauteilen zu isolieren. Weiter- hin bietet der Isolierkörper 150 Raum für die Stromschienen 140, 148, damit diese zur

Auswerteschaltung geführt werden können. Insbesondere bietet der Isolierkörper 150 vorzugsweise auch Raum für Zugentlastungsschläge 164 und/oder andere Arten von Federelementen der Stromschienen 140, 148, um die oben beschriebene Zugentlastungswirkung zu erzielen.

Die Fixierung 156, welche beispielsweise als metallische Fixierung ausgestaltet ist, dient als Widerlager für den zuvor beschriebenen zweiten Übertragungspfad, also den inneren Kraftpfad. Sie wird mit dem Sensorgehäuse 124 im ersten Übertragungspfad, also dem äußeren Kraftpfad, vorzugsweise verschweißt. Die Verschweißung kann bei- spielsweise unter Anwendung einer Vorspannung erfolgen, welche erforderlich sein kann, damit in jedem Betriebszustand alle Bauteile sicher und fest aufeinander liegen. Zudem kann eine derartige Vorspannung für die Betriebsweise des Piezo-Quarzes 144 erforderlich sein.

Die Isolierhülse 158 dient dazu, einen elektrischen Kurzschluss zwischen den Stromschienen 140, 148 und der Fixierung 156 zu vermeiden, auch unter hohen mechanischen Belastungen im Einsatz der Vorrichtung 1 10, beispielsweise mechanischen Erschütterungen.

Der erste Übertragungspfad, also der äußere Kraftpfad, beginnt ebenfalls mit der oben beschriebenen Membran 130, welche beispielsweise an das Sensorgehäuse 124 im Bereich der Öffnung 128 angeschweißt sein kann. Das Sensorgehäuse 124 dient als Träger der Bauteile des zweiten Übertragungspfads, also des inneren Kraftpfads, sowie dazu, diesen von äußeren mechanischen Einflüssen zu schützen. Das hintere Ende des Sensorgehäuses 124 ist, wie oben dargestellt, vorzugsweise mit der Fixierung 156 verschweißt. Zwischen dem Sensorgehäuse 124 und dem inneren Kraftpfad ist der Sensorhalter 154 angeordnet. Dieser kann beispielsweise ganz oder teilweise aus

Kunststoff, Keramik, Polykeramik oder Ähnlichem hergestellt sein, beispielsweise als einstückiges, hülsenförmiges Teil. Er kann weiterhin dazu eingerichtet sein, den Piezo- Quarz 144, die Stromschienen 140, 148, den Wärmeschutz-Isolierkörper 136 und den Isolierkörper 150 auszurichten, aufzunehmen und elektrisch gegenüber dem Sensor- gehäuse 124 zu isolieren.

Das Sensorgehäuse 124 umschließt den inneren Kraftpfad und bildet, da die Membran 130 und die Fixierung 156 mit dem Sensorgehäuse 124 verschweißt sind, im Zusammenspiel mit dem inneren und dem äußeren Kraftpfad eine eigenständige Baugruppe, die die volle Sensorfunktion beinhaltet und theoretisch als eigener Sensor fungieren könnte. Diese Sensor-Funktionsbaugruppe ist in diesem Ausführungsbeispiel noch in dem Dichtgehäuse 1 18 aufgenommen, beispielsweise in das Dichtkonusgehäuse 116 eingeschweißt. Damit kann ein Aufbau erreicht werden, der von einem Anwender in einen Zylinderkopf eingeschraubt werden kann. Beim Einschrauben entstehen hohe Drehmomente, (Anschraubmomente) und hohe axiale Vorspannungen. Diese axialen

Vorspannungen könnten, würden diese auf die Sensor-Funktionsbaugruppe einwirken, Messfehler induzieren. Daher wird die Sensor-Funktionsbaugruppe vorzugsweise lediglich an einer Stelle umlaufend in das Dichtkonusgehäuse 116 eingeschweißt. Eine Übertragung von axialen Vorspannkräften oder Drehmomenten auf die Sensor- Funktionsbaugruppe ist somit vorzugsweise weitgehend ausgeschlossen. Durch die

Schweißung der Sensor-Funktionsbaugruppe an das Dichtkonusgehäuse 116 wird gleichzeitig auch die Dichtheit des Sensor-Innenraums realisiert.