專利名稱：探測內燃機的燃燒室內壓力的燃燒室壓力傳感器的制作方法
CN 102589798 A
探測內燃機的燃燒室內壓力的燃燒室壓力傳感器
背景技術：
從現有技術已知多種壓力傳感器，它們能夠使用在奧托發動機或狄賽爾發動機中，用于探測內燃機燃燒室的壓力。這種裝置是構成現代發動機自動控制的基本部件，因為為了減小燃料消耗和排放量，必須非常精確地探測燃燒室的壓力。例如，從本發明的申請人同一地址的德國專利申請DE 102009026436. I已知一種用于探測內燃機燃燒室壓力的不同裝置。在這個燃燒室壓力傳感器中，傳感器殼體在燃燒室側具有至少一個用至少一個膜封閉的開口。在所述傳感器殼體內部容納至少一個機電轉換元件，其中，至少一個由傳感器殼體分開地構成的傳遞膜的變形的傳遞元件設置在機電轉換上。為了針對燃燒室環境密封燃燒室壓力傳感器中的傳感器殼體，還例如DE 102009026436. I中，一般使用一種柔性膜，例如金屬膜。因為柔性膜雖然小，但是所謂力的路徑或者力的傳遞路徑的部分的可用剛度一般仍然存在，通過力的路徑或力的傳遞路徑， 或者在存在多個可用力的路徑或傳遞路徑的情況下，通過它們將因燃燒室壓力產生的力傳遞到真實的傳感器元件，例如所述機電轉換元件。現在如果在燃燒過程期間，火焰正面至少部分地達到膜上表面，然而在膜中得到在燃燒室分配的前側和相對布置的后側之間具有一定梯度的過熱溫度。因此對火焰正面同步調整溫度曲線。然而，該溫度曲線一般引起所述膜變形，作為反應力影響力的路徑，并且因此作為誤差信號疊加期望的壓力信號。它具有出現誤差信號的燃燒循環的時間常數，也表示為熱沖擊或瞬時漂移。為了避免或者減小這種效應，能夠采用間接措施。例如屏蔽火焰正面。然而，這種間接措施總是發現該措施對所述膜上的壓力曲線的反作用的危險，該壓力曲線同樣能夠產生信號誤差。因此，值得期望的，燃燒室壓力傳感器盡可能地避免上述效應。特別地，所述效應的避免應以直接措施為基礎，盡可能小地影響測量的壓力曲線，并且通過所述膜的幾何造型優選至少盡可能地減小上述熱沖擊效應。

發明內容
因此，本發明提出一種探測內燃機燃燒室的壓力的燃燒室壓力傳感器，本發明至少盡可能地完成這個任務。本發明以下述發現為基礎，即通過膜的適應性造型和優選通過一個或多個所述膜的定位器的適當定位，所述膜中溫度梯度的作用力能夠具有最小軸向分量，即影響信號的分量。在不避免溫度梯度的作用力的徑向分量的情況下，一般是不嚴重的，這是因為它大部分不作用在力的路徑方向上。本發明提出的燃燒室壓力傳感器具有殼體，所述殼體具有由所述殼體至少部分地包圍的內部空間。例如，該殼體適當布置，以便引入到所述內燃機的汽缸頭中。例如，該殼體能夠整體地或部分地由金屬材料制造，然而，替代地或附加地，原則上也能夠使用其他材料，例如陶瓷材料和/或塑料材料。在這里，在所述殼體下面一般設置一個元件，所述元件至少盡可能地給予所述燃燒室壓力傳感器它的外部形狀，并且所述燃燒室壓力傳感器的內部防護機械載荷，優選也防護化學載荷。所述殼體能夠具有例如圓柱形造型，其中，優選在
3所述殼體的燃燒室分配的側表面上設置倒角邊緣和/或一個或多個另外類型的密封面，在所述殼體弓I入所述汽缸頭中時實現密封效果。所述內部空間至少部分地由所述殼體包圍， 從而所述內部空間至少盡可能地通過所述殼體限定，其中也能夠設置多個內部空間。在所述殼體中，優選在所述內部空間中接收至少一個用于探測壓力的機電轉換元件。在這里， 所述機電轉換元件原則上可以是任意元件，布置成將機械信號轉換為電信號，例如壓力和/ 或力轉換成電壓和/或電流。在后面沒有對這樣的機電轉換元件的進一步可能的設計方案進行限制，所述機電轉換元件包括至少一個壓電元件，例如至少一個壓電陶瓷。所述殼體具有至少一個殼體開口。所述殼體開口能夠特別地分配所述燃燒室，例如在分配燃燒室的所述殼體的側面上。例如，如上所述，所述殼體能夠具有大致圓柱形的造型，其中，在所述邊緣能夠設置不同于圓柱形的形狀，其中，所述殼體開口能夠例如布置在所述氣缸的燃燒室分配的側面中。所述殼體開口能夠原則上布置成將所述燃燒室壓力傳遞到所述機電轉換元件上或者實現這種壓力的傳遞。所述殼體開口能夠具有基本上任意的造型，例如多邊形的造型或環形的造型，優選圓形造型。所述殼體開口通過至少一個膜進行密封。所述密封優選整體地進行，以使燃燒室氣體能夠不通過所述殼體開口流入所述內部空間中。為此，所述膜能夠單獨設置或者能夠如下面所詳細說明的，例如也利用一個或多個另外的元件共同起作用，例如壓力傳遞元件， 所述壓力傳遞元件優選引入所述殼體開口中或者穿過所述殼體開口。例如，所述膜和壓力傳遞元件一起密封所述殼體開口，從而所述燃燒室氣體不能夠流入到所述內部空間中。在膜下面一般設置一個可變形或運動的元件，所述元件例如垂直于所述傳感器殼體的軸線延伸，其中，所述膜的橫向膨脹，例如垂直于所述傳感器殼體的膨脹，所述膜的厚度，例如平行于所述軸線的厚度，顯著超過例如至少一個系數10，特別是至少一個系數 100。例如，所述膜能夠是柔性元件，例如薄膜類元件或薄的柔性盤形式的元件。所述膜能夠例如形成為金屬膜和能夠例如包括至少一層金屬薄膜。也可能復合多層薄膜，例如復合多層金屬材料和/或復合至少一層金屬薄膜材料與至少一層非金屬薄膜材料，例如與金屬薄膜材料結合和/或淀積。所述膜能夠例如與所述殼體形成為一體的，然而原則上也能夠與所述殼體在至少一個殼體開口區域中結合，例如力鎖合和/或形狀鎖合和/或材料鎖合， 例如在一個或多個下面還詳細說明的定位器上。在本發明的框架內發現所述膜的適應性造型，所述回力效應的軸向分量通過溫度梯度減小或至少盡可能地避免，由此特別地使實現所述膜具有凸出到所述內部空間中的至少一個凸出的拱形結構。在這里，在凸出的拱形結構下設置造型，在所述造型中，所述膜在垂直于所述膜的橫向膨脹的剖面中，例如在平行于燃燒室壓力傳感器的軸線的剖面中，具有凸出的曲線，其中，所述凸出側，還有所述凸出的曲線的閉合側，分配所述內部空間。例如，所述膜在這個剖面中能夠具有至少一個局部極值或優選全局極值，這個閉合側分配所述內部空間，并且這個開口側分配所述燃燒室。所述膜能夠使分配的所述內部空間彎曲，并且優選向內凹入所述內部空間中。所述燃燒室壓力傳感器能夠具有至少一個壓力傳遞元件。該壓力傳遞元件應布置為使所述燃燒室壓力至少部分地傳遞到機電轉換元件上。所述壓力傳遞元件能夠優選因此是力傳遞路徑的部件，其中，所述燃燒室壓力傳感器能夠具有一個或多個這種力傳遞路徑， 優選僅僅具有一個。所述壓力傳遞元件能夠優選包括至少一個在機械性能方面剛硬的材料，所述燃燒室壓力能夠利用它傳遞到機電轉換元件上，例如圓筒形和/或圓柱形和/或桿狀元件。特別地，所述壓力傳遞元件能夠包括至少一個件。所述壓力傳遞元件能夠至少部分地布置在所述內部空間中，并且也整體地容納在所述內部空間中。所述壓力傳遞單元能夠例如唯一地在所述內部空間的內部延伸，例如從所述機電轉換元件到所述膜。特別優選地， 如下面所詳細闡述的，如果所述壓力傳遞元件透過所述膜延伸，例如延伸到所述燃燒室中， 因而所述壓力傳遞元件也伸入所述開口中或者通過所述開口伸出。所述壓力傳遞元件能夠因此直接或間接地用燃燒室壓力加載，優選直接加載。因此，例如，所述力傳遞路徑適當形成，使得燃燒室壓力直接作用在壓力傳遞元件的側面上，優選所述杵的側面上，例如通過所述側面直接接觸所述燃燒室氣體。所述燃燒室壓力優選通過所述壓力傳遞元件，透過所述膜，傳遞到所述機電轉換元件上，例如壓電元件的側面上。然而，原則上其他設計方案也是可能的，例如，中間連接所述壓力傳遞元件和機電轉換元件之間的一個或多個中間元件。所述燃燒室壓力傳感器具有至少一個，優選僅僅一個，壓力傳遞元件，例如杵，優選一個杵，穿過所述膜，優選軸向穿過，因此，所述膜能夠具有尤其至少一個在所述殼體上的定位器和至少一個在所述壓力傳遞元件上的定位器。該定位器原則上包括一個或多個連接，例如一個或多個力鎖合和/或形狀鎖合和/或材料鎖合的連接，例如焊接連接和/或夾持連接。所述至少一個定位器能夠形成在一個點上，在一條線上或者也在一個區域上。因此，下文中進一步可能的設計方案對所表示的固定點、固定線或固定區域不應用限制。例如，所述膜的定位器在殼體上環形地形成在所述殼體上，例如沿著圓環形線。所述壓力傳遞元件上的定位器能夠形成為例如平面的或線形狀的。因此，如上所述，如果所述壓力傳遞元件穿過所述膜，例如在中央地穿過，例如作為所述可中央地穿過膜的杵，這是特別優選的。在這種情況下，如果所述壓力傳遞元件上的定位器包括至少一個周緣側固定線。例如，所述壓力傳遞元件能夠具有圓柱形杵的形式，例如具有圓形或多邊形截面的杵。在這種情況下，所述定位器能夠例如所述壓力傳遞元件包圍在周緣側的閉合線中。然而，原則上另外的設計方案也是可能的。一般地，所述壓力傳遞元件優選在所述燃燒室壓力傳感器的軸線上延伸，例如軸向杵的形式，其至少部分地布置在所述殼體的內部并且穿過所述膜。所述膜然后能夠尤其環形地包圍壓力傳遞元件。所述膜環形地包圍所述壓力傳遞元件，因而能夠在平行于所述軸線的視圖中，所述膜環原則上具有任意造型，優選圓環形造型。然而，原則上也可以使用不同于圓環形的形狀，例如具有多邊形形狀的外部形狀和同樣具有多邊形造型的內部形狀。多邊形和圓環形形狀的設計方案的組合以及另外圓環的設計方案也是可能的。所述膜環形地包圍優選所述壓力傳遞元件。尤其在平行于所述軸線的剖面中和優選在包含所述軸線的剖面中，所述膜能夠在所述軸線的每側上各具有U形造型。此時，在U 形造型下設置這樣的造型，即在該造型中，從所述軸線開始，接著是在具有平行于所述軸線的至少一個方向分量的方向上的曲線，接著至少一個極值，反之，在該極值上，所述曲線在具有至少一個平行于所述軸線的方向分量的相反方向上，相反地連接所述第一曲線。所述U 形在這里優選形成為連續的并且能夠是圓圈形的或者有角度的形狀。相應地，能夠具有U、 V或矩形的形狀也歸入U形下，或者具有上述曲線的另外的形狀。這時在U形造型的閉合側上應分配內部空間，以便保證上述拱形。所述壓力傳遞元件在所述燃燒室壓力傳感器的軸線上延伸，并且所述膜環形地包圍壓力傳遞元件，從而所述膜具有尤其在所述殼體上的外部定位器，例如，具有圓環形形狀或多邊形形狀的外部定位器。進一步地，所述膜能夠具有在所述壓力傳遞元件上的內部定位器，例如，如上所述，對應于例如所述壓力傳遞元件的外部造型的圓環形或多邊形的定位器。所述內部定位器能夠布置為優選相對于所述外部定位器布置在內部空間中錯置大約dy > O,例如大約 dy > O. 1mm,優選 dy > O. 3mm 和例如 dy = O. 4mm 到 I. 5mm,例如 dy = O. 6mm 到O. 8mm,和例如dy = O. 7mm。所述膜的伸向所述內部空間中的上述拱形能夠特別地從所述外部定位器開始，超過所述內部定位器，延伸到所述內部空間。也就是說，所述內部定位器和外部定位器能夠相互移位地沿著軸線布置，其中，所述內部定位器能夠布置成相對于所述外部定位器錯置到所述內部空間中，其中，在所述外部定位器和內部定位器之間，所述拱形超過所述內部定位器延伸到所述內部空間。這能夠例如通過上述U形實現。例如，所述拱形能夠從所述外部定位器開始，向所述內部空間內延伸最大量Y，其中，比值dy/Y為O. 05 到O. 8，優選O. I到O. 5，特別優選O. 3到O. 4，并且特別地為O. 35。這能夠例如使用具有U 形的基本上任意橫截面的U形實現，使得U形的臂長的差對U形的長臂的長度的比為所述值，其中，所述U形的長臂分配所述殼體的外側。所述外部定位器能夠特別地具有直徑，其中，在所述外部定位器的非圓形的造型中，指定等效直徑代替直徑。這個直徑能夠例如為4_到8_，優選5mm到7_，特別地為 6. 3mm。所述內部定位器能夠例如具有從2mm到4mm的直徑,優選2. 5mm到3. 5mm,特別地為 3mm ο如上所述，所述壓力傳遞元件能夠特別地從所述內部空間向外延伸到所述開口中。優選地，所述壓力傳遞元件穿過所述開口從所述內部空間延伸。例如，所述壓力傳遞元件能夠具有側表面，所述側表面能夠直接用燃燒室氣體加載，從而例如，所述燃燒室氣體的壓力直接傳遞到所述壓力傳遞元件上。所述壓力傳遞元件能夠在所述內部空間中進行直接或間接的壓力傳遞或，在本發明的框架下不應是不同的，進行力傳遞到所述機電轉換元件上。根據一個或多個上述有利造型所提出的燃燒室壓力傳感器具有相對于已知的燃燒室壓力傳感器的多個優點。因此，特別地提供一個直接措施，利用它來至少盡可能地避免上述熱沖擊效應對燃燒室壓力傳感器的信號的影響。所涉及的直接措施不因此影響所述膜上的壓力水平和/或壓力傳遞元件。特別地，通過所述膜的上述造型允許能夠影響所述燃燒室壓力傳感器的信號的軸向力部件至少近似最小。反之，軸向力部件能夠特別地通過優選U形是可忽略的或至少可容許的。總之，因此使所述燃燒室壓力傳感器的信號質量改善并使信號通過熱沖擊效應的影響明顯減小。


從下面在附圖中示意性地顯示的優選實施例的說明得到本發明的可能實施方案的進一步細節和特征。在附圖中圖I顯示根據本發明的插入汽缸頭中的燃燒室壓力傳感器的剖面圖；以及圖2顯示根據圖I的燃燒室壓力傳感器的膜的部分截面圖。
具體實施方式
在圖I和圖2中顯示根據本發明的燃燒室壓力傳感器110的實施例，燃燒室壓力傳感器Iio用于探測內燃機的燃燒室112中的壓力P。各剖面圖顯示平行于燃燒室壓力傳感器110的軸線114的剖面的剖面圖。在這里，圖I顯示燃燒室壓力傳感器110的全貌，而圖2顯示燃燒室壓力傳感器110在膜116的區域中的部分截面圖。這個膜116在根據圖I 的視圖中僅僅是示意性地描繪。從圖I可知，燃燒室壓力傳感器110例如可置入內燃機的汽缸頭118中。燃燒室壓力傳感器110包括殼體120，殼體120在圖示的示例性實施例中構造為大致圓柱形的殼體120。例如，在這個殼體120中可以具有圓柱形罩。在它的前部、燃燒室112分配的端部上，殼體120可以具有圓錐形的密封面122，殼體120利用密封面122在汽缸頭118中擠壓在相應的孔126的支承面124上。殼體120包圍內部空間128。在背部上，燃燒室112面對的燃燒室壓力傳感器110 的側，內部空間128能夠通過一個或多個固定元件130限定和/或至少部分地封閉。例如， 該固定元件130能夠旋擰和/或焊接在殼體120中。在它的外側上，燃燒室壓力傳感器110 在后側端部上利用一個或多個固定元件132保持在汽缸頭118的孔126中。在圖示實施例中，機電轉換元件134容納在內部空間128中，原則上還裝配有任意的傳感器元件，以便直接或間接地探測燃燒室112中的壓力P。例如，在這里可以具有壓電元件。它能夠在內部空間128中支承在一個或多個固定元件130上。在圖示的實施例中，燃燒室壓力傳感器110還具有至少一個壓力傳遞元件136。如圖示的實施例中，壓力傳遞元件136形成為支承在軸114上的杵138，它可以形成為將壓力 P直接或間接地傳遞到機電轉換元件134上。從圖I的圖示可知，壓力傳遞元件136例如能夠通過直接暴露于燃燒室壓力的側表面140，例如側表面140伸入到燃燒室112中，在軸向方向上施加燃燒室的壓力P。為了加載該壓力，殼體120在其燃燒室112分配的端部上具有殼體開口 142，例如在殼體120的側表面144中的圓形開口。在圖示的實施例中，例如，壓力傳遞元件136能夠穿過殼體開口 142，例如直到內部空間112中。原則上也可以使用其他的造型。側表面144在圖示的實施例中因此例如共軸地包圍壓力傳遞元件136。為了密封內部空間128，燃燒室壓力傳感器110具有上面已經稱為膜116，在圖示的示例性實施例中，膜116環形地包圍壓力傳遞元件136。根據本發明的可能設計方案的細節可以參照圖2。膜116沿著外部定位器146與殼體120的內壁148連接在它的外周緣上。例如， 這個外部定位器146包括環形焊接和/或另外一種固定技術。在它的內部、壓力傳遞元件 136分配的側上，膜116沿著內部定位器150與壓力傳遞元件136的外表面152連接。例如，這里也能夠涉及焊接和/或夾緊和/或一種其他內部定位器技術。原則上，外部定位器 146和/或內部定位器150可以使用已知的連接技術,還有形狀鎖合和/或力鎖合和/或材料鎖合的連接。還可以使用簡單的鎖緊裝置，例如通過內壁148和/或外表面152中的螺母，例如優選由材料鎖合連接裝置支撐。由圖2可知，膜116具有U形形狀，在本實施例中，膜116設置成環形形狀，膜116 具有離開內部空間112到內部空間128的延伸的拱形154。在根據圖2的截面圖中，膜116 從外部定位器146開始，接著離開內部空間112，延伸到內部空間128，而且延伸某個值，在圖2中表示為Y。在那里，在該拱形154的最外部延伸區域中進行轉折，并且膜116向后朝向內部空間112的方向延伸，并且延伸到內部定位器150。還共有一個U形的閉合側156分配內部空間128.，然而，U形的開口側158分配內部空間112。圖2的實施例進一步可知， 內部定位器150和外部定位器146在軸向方向上彼此相對地錯置。在這里，內部定位器150 優選在軸向方向上朝向內部空間128，離開內部空間112錯置大約dy。利用有限元方法(FEM)進行的一項研究證實，在當前膜116的厚度上的溫度梯度 (在圖2中用w表示)下，兩個定位器146，150的偏移dy是有利的，兩個定位器146，150能夠設置為“膜固定點”或“固定線”。借助于例如按照有限元方法(FEM)的仿真，允許顯示為最佳的幾何結構，在給定的壁厚w下，與杵138和殼體120的偏移dy對軸向膨脹Y必須在確定的比例中，因此使熱沖擊效應最小。為優化最佳比例dy/Y，杵138的外直徑Dl和殼體 120的內直徑D2進一步發揮重要作用。然而，不依賴于精確的尺寸，如圖2所示，這是非常有利的，因為如圖2所示，膜116的開口側158向前指向熱源，在這種情況下指向內部空間 112。作為尺寸的具體實施例，然而本發明不局限于此，例如可以稱為Dl = 3. OmmD2 = 6. 3mmW = O. 3mmY = 2. Ommdy = O. 7mm當然，在本發明的框架下其他設計方案也是可能的。
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權利要求
1.一種探測內燃機的燃燒室(112)的壓力的燃燒室壓力傳感器(110)，其中，所述燃燒室壓力傳感器(110)具有殼體(120)，所述殼體(120)具有由所述殼體(120)至少部分地包圍的內部空間(128)，其中，在所述殼體(120)中容納至少一個用于探測壓力的機電轉換元件(134)，其中，所述殼體(120)具有至少一個殼體開口(142)，其中，所述殼體開口(142) 通過至少一個膜(116)密封，其特征在于，所述膜(116)具有至少一個凸出到所述內部空間(128)內的凸出的拱形(154)。
2.根據前述權利要求所述的燃燒室壓力傳感器(110)，其中，所述燃燒室壓力傳感器 (110)具有至少一個壓力傳遞元件(136)，其中，所述壓力傳遞元件(136)適當布置，以使得所述燃燒室壓力至少部分地傳遞到所述機電轉換元件(134)上，其中，所述膜(116)具有在所述殼體(120)上的至少一個定位器(146)和在所述壓力傳遞元件(136)上的至少一個定位器(150)。
3.根據前述權利要求所述的燃燒室壓力傳感器(110)，其中，所述壓力傳遞元件(136) 穿過所述膜(116)。
4.根據前述兩項權利要求中的任意一項所述的燃燒室壓力傳感器(110)，其中，所述， 所述壓力傳遞元件(136)在燃燒室壓力傳感器(110)的軸線(114)上延伸，其中，所述膜 (116)環形地包圍所述壓力傳遞元件(136)。
5.根據前述權利要求所述的燃燒室壓力傳感器(110)，其特征在于，所述膜(116)在平行于所述軸線(114)的截面上在所述軸線(114)的每一側上具有U 形造型，其中，所述U形造型的閉合側(156)分配所述內部空間(128)。
6.根據前述兩項權利要求中的任意一項所述的燃燒室壓力傳感器(110)，其中，所述膜(116)具有在所述殼體(120)上的外部定位器(146)，其中，所述膜(116)具有在所述壓力傳遞元件(136)上的內部定位器(150)，其中，所述內部定位器(150)布置成相對于所述外部定位器(146)錯置到所述內部空間(128)中大約dy > O。
7.根據前述權利要求所述的燃燒室壓力傳感器(110)，其中，所述膜(116)的拱形 (154)從所述外部定位器(146)開始，超過內部定位器(150)延伸到所述內部空間(128)。
8.根據前述權利要求所述的燃燒室壓力傳感器(110)，其中，所述拱形(154)從所述外部定位器(146)延伸最大約Y到達所述內部空間(128)，其中，所述比值dy/Y為O. 05到O.8，優選O. I到O. 5，特別優選O. 3到O. 4，并且特別地為O. 35。
9.根據前述權利要求所述的燃燒室壓力傳感器(110)，其中，所述外部定位器(146)具有直徑從4mm到8mm,優選從5mm到7mm,特別地為6. 3mm,并且其中，所述內部定位器(150) 具有直徑從2mm到4mm,優選2. 5mm到3. 5mm,特別地為3. 0mm。
10.根據前述八個權利要求中的任意一項所述的燃燒室壓力傳感器(110)，其中，所述壓力傳遞元件(136)延伸進入到所述殼體開口(142)中，并且優選穿過所述殼體開口(142) 向外延伸出所述內部空間(128)。
全文摘要
本發明涉及一種探測內燃機的燃燒室的壓力的燃燒室壓力傳感器(110)。所述燃燒室壓力傳感器(110)具有殼體(120)，所述殼體(120)具有由所述殼體(120)至少部分地包圍的內部空間(128)。在所述殼體(120)中容納至少一個用于探測壓力的機電轉換元件(134)。所述殼體(120)具有至少一個殼體開口(142)。所述殼體開口(142)通過至少一個膜(116)密封。所述膜(116)具有至少一個凸出到所述內部空間(128)中的凸出的拱形(154)。
文檔編號G01L19/04GK102589798SQ20121000413
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月9日 優先權日2011年1月12日
發明者C·德林, J·沃爾夫 申請人:羅伯特·博世有限公司