CN104246464B - 用于燃烧室压力传感器的膜片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于内燃机的压力测量装置，其尤其用于求得燃烧室压力。该压力测量装置包括壳体（10），在该壳体中容纳着传感器膜片（19、20）。该传感器膜片将压力室（24）与空腔（22）分隔开。所述传感器膜片（19、20）包括受压面（27）并且相对于有待测量的压力密封所述壳体（10）。传感器膜片（20）的受压面（27）位于所述传感器膜片（20）的第一转向位置（32）和第二转向位置（38）之间，所述第一转向位置和第二转向位置分别以关于所述传感器膜片的第一壁厚（28）减小的第二及第三壁厚（34、40）进行构造。

Description

用于燃烧室压力传感器的膜片

背景技术

DE 10 2006 057 627 A1涉及一种压力测量装置。该压力测量装置用于布置在内燃机的燃烧室中。该压力测量装置具有壳体、力传递元件以及压力传感器，该力传递元件在壳体的室侧的开口处部分地从壳体中伸出。所述压力传感器布置在壳体的内腔中。在此，压力传感器与力传递元件处于作用连接中。此外设置有膜片，该膜片相对于室侧的开口对其中布置有压力传感器的壳体的内腔进行密封。优选构造成金属膜片的膜片具有力传递元件，该力传递元件沿着力传递元件的轴向定向。此外，压力传感器借助于膜片的力传递段与力传递元件处于作用连接中。由此对膜片的由热引起的长度变化进行至少一部分补偿，这种长度变化例如由热的燃料气体引起并且会对借助于压力传感器的压力测量造成周期性影响。

DE 10 2007 049 971 A1涉及一种预热塞。预热塞用于布置在内燃机的腔室中。预热塞具有壳体、棒状的加热元件以及压力传感器，所述加热元件部分地从壳体中伸出，而所述压力传感器布置在壳体的内腔中。在此，压力传感器一方面与棒状的加热元件处于作用连接中，从而检测由于存在于腔室中的压力引起的对加热元件的加载从而确定存在于腔室中的压力。此外，压力传感器另一方面支撑在与壳体连接的固定元件上。弹簧膜片相对于内燃机的腔室对壳体的内腔进行密封。在此，弹簧膜片设计成S形的弹簧膜片。通过这种设计方案尤其能够实现压力补偿的设置，从而改善借助于压力传感器的压力测量的精度。

在燃烧室压力传感器内部需要膜片来相对于燃烧室对传感器的内腔进行密封。渗入的介质由于其温度和其腐蚀的化学特性在最短的时间内尤其破坏传感器模块和电子器件的构件。同时，所述膜片在传感器运行期间应承受载荷。属于所述载荷的基本上有压力变化的循环负载（每个使用寿命几亿负载变化）以及平均温度的高水平。

发明内容

按本发明提出，如此设计由金属材料制成的、能够用在燃烧室压力传感器中的膜片，从而能够实现所述由金属材料制成的膜片的壁厚的最小化，其中尤其在受压的膜片表面和邻接的区域之间的过渡区域中实现壁厚的最小化。此外能够通过使受压的膜片表面和该过渡区域之间的间距的最大化来实现使得按本发明提出的膜片足够弯曲柔软，从而不超过临界地阻碍有待测量的压力信号的路径。所述膜片阻碍有待测量的压力信号的路径，其方式为所述膜片接收有待测量的压力信号的一部分并且不传递到测量传感机构、例如压电的传感机构上。如果仅仅将减小的压力信号传递到测量传感机构上，那么传感机构的测量结果由于与信号噪声叠加而带有不精确性。在临界地阻碍有待测量的压力信号的路径的情况中不再能够可靠地补偿由于信号噪声引起的不精确性。所述弯曲柔软性通过以下方法实现，从而使两个转向位置之间的径向间距最大化（大约7mm的直径与大约4.5mm的直径）。另一方面使得转向区域内的壁厚最小化，如构件的强度所允许的那样。所述壁厚例如在外侧的转向区域内仅仅为十分之几mm，尤其0.2mm，而所述壁厚在位于内部的转向或者说半径中能够是0.2到0.35mm。通过这两个所提到的转向位置实现了一种“铰链（Schamier）”，膜片围绕该铰链扭曲。

有利的是，尤其适合用于燃烧室压力传感器中的、按本发明提出的膜片具有最小的热冲击效应，通过该热冲击效应会减小燃烧室压力传感器的测量精度。这通过以下方式实现，即收缩的区域延长地构造在外侧的转向处，从而使所述膜片在该区域能够作用（arbeiten）和侧移（seitlich ausweichen）。由金属材料制成的膜片的侧移显著减小了热冲击效应。如此，例如使收缩的区域延长大约2mm在热冲击效应方面已经效果非常显著。在其他相同的几何形状中，收缩的区域的进一步延长会引起热冲击效应的进一步减小，然而关于传感器长度的要求与热冲击效应相抵抗。

此外，膜片的侧移受到膜片的其他尺寸、尤其过渡半径和密封焊接的位置的影响。在考虑其他影响膜片侧移的参数的情况下对收缩的区域的延长进行优化时，能够进一步优化膜片在热冲击方面的设计。

此外，按本发明的燃烧室压力传感器提供了使压力信号的份额最小化的方案，该压力信号没有从膜片传递到测量传感机构上。所述测量传感机构在运行时在所接收的压力的高水平上工作，由此更容易区分压力变化和信号噪声。按本发明的燃烧室压力传感器具有改善的测量精度。

附图说明

下面根据附图详细描述本发明。

附图示出：

图1和2是至今为止所使用的传感器膜片的示意图，

图3是按本发明的燃烧室压力传感器的纵剖图，

图4是具有按第一实施变型方案的按本发明提出的传感器膜片的燃烧室压力传感器的示意性的半剖图，

图5是第一实施变型方案的按本发明提出的传感器膜片的剖视图，

图6是按本发明提出的传感器膜片在装配好的状态下的第二实施变型方案，以及

图7是按本发明提出的传感器膜片在其第二实施方案中的剖视图。

具体实施方式

图1和2示出了按现有技术的传感器膜片。

从图1和2中能够获知，传感器膜片19相对于其对称轴线18对称地构造并且具有膜片罩面26。从按图2的剖视图中能够获知，按现有技术的传感器膜片19以第一壁厚28进行构造。

图3示出了按本发明的燃烧室压力传感器的一种实施方式的纵剖图。该燃烧室压力传感器包括壳体10，在该壳体中容纳了面对压力室24的压杆58。该压杆58承受来自压力室24的压力并且将压力的作用转换成沿着轴线18的运动。在压杆58和壳体10之间构造了空腔22。此外，沿着轴线18在压杆58后面布置了测量传感机构59，该测量传感机构接收由压杆58实施的轴向运动并且转换成测量信号。在此，压杆58承受来自压力室24的压力并且将压力沿着内侧的力路径60通过补偿体4传导到测量传感机构59。此外，所述压杆58设有氟橡胶密封件5并且连接到预热电流线路3上，该预热电流线路向能够构造成预热管的压杆58供给电能。此外，按图3的燃烧室压力传感器包括传感器膜片20，该传感器膜片容纳在壳体10和压杆58之间的空腔22中。该传感器膜片20基本上Z状地构造并且以面对燃烧室的端部抵靠在压杆58上。传感器膜片20以背对燃烧室的端部抵靠在壳体10的内侧的罩面12上。传感器膜片在背对燃烧室的端部处抵靠在传感器壳体6上。此外，壳体10在面对燃烧室的端部处构造为锥体16。传感器膜片20借助于密封焊接部63与壳体10、传感器壳体6以及压杆58连接。在将传感器膜片20与压杆58连接在一起的密封焊接部63上，由压杆58承受的压力分成内侧的力路径和外侧的力路径60、61。沿着外侧的力路径61传导的压力分量朝固定件2延伸，该固定件沿着轴线18布置在测量传感机构59后面。此外，外侧的力路径61在将传感器膜片20与壳体10连接起来的密封焊接部63处分支。在此，由壳体10吸收的力62从外侧的力路径61上分支。在燃烧室压力传感器运行期间，传感器膜片20的表面27直接暴露在来自压力室24的温度及压力作用之下。替代地也能够将压杆58构造为预热管。

在按图4的示图中示出了燃烧室压力传感器的半剖图，该燃烧室压力传感器在其按本发明的第一实施方式中包含传感器膜片。

图4示出了，燃烧室压力传感器的壳体10相对于其轴线对称地构造。燃烧室压力传感器的壳体10的罩面设有附图标记12。该壳体10以壳体壁厚14构造。该壳体10包括锥体16以及传感器膜片20。该传感器膜片20将空腔22与压力室24分隔开，在该压力室内部存在有待测量的压力。

安置在燃烧室压力传感器的空腔22中的传感机构例如是压电的传感机构，该传感机构将压力信号转换成电信号。

按本发明提出的传感器膜片20包括受压面，也参照图5中的位置27。

如从按图4的示图中获知，所述传感器膜片20基本上实现为Z状的并且感知存在于内燃机的燃烧室中的压力。为此确保传感器膜片20承受对于剖面温度的高水平而言每个使用寿命几亿载荷变换所引起的压力变换的可能的负载，而不会发生故障。

借助于传感器膜片20相对于压力室24中存在的压力对所述空腔22进行密封，其中确保传感器膜片20足够弯曲柔软，从而不会超过临界地阻碍有待测量的压力信号的路径。

从按图5的示图能够获知图4中在装配好的状态下示出的传感器膜片在其第一实施变型方案中的剖面。

按图5的示图示出了，所述传感器膜片20构造成Z状并且相对于其轴线对称地构造。该膜片罩面用附图标记26表示。膜片罩面26的长度影响传感器膜片20的机械特性以及其弯曲柔软性（Biegeschlaffheit）。膜片罩面26的长度优选在0mm到2mm之间。

从按图5的剖视图中获知，按本发明提出的传感器膜片20在其第一实施变型方案中在其限定空腔22的区域内以第一壁厚28进行构造。如从按图5的视图中能够进一步获知，所述传感器膜片20的壁厚在部段30之下采用不同的值。朝压力室24的方向看在部段30的出口中，第一转向位置32位于传感器膜片20的内罩面46上。该传感器膜片20在抵靠在燃烧室压力传感器10的罩面12上的区域内具有第一壁厚28，该第一壁厚在0.2mm到1.0mm之间。在第一转向位置32处-在此在按图4的示图中构造为内罩面46上的半径-所述传感器膜片20的材料采用第二壁厚34。该第二壁厚34处于0.15mm到0.4mm之间的尺寸级别中。传感器膜片20的受压面27连接到第一转向位置32上，该受压面基本上垂直于传感器膜片20的对称轴线18定向。在第二转向位置38处，所述传感器膜片20具有直径突变并且过渡到收缩的区域50中。在第二转向位置38处，所述传感器膜片20的材料同样具有减小的、这里是减小的第三壁厚40。所述减小的第二壁厚34和减小的第三壁厚40能够是相同的、也就是在0.15mm到0.4mm之间的范围内；然而也存在这样的可能性，即所述两个减小的壁厚34或者说40相互间构造成不同的。此外，传感器膜片20在受压面27处的厚度优选在0.2mm到0.4mm之间。

此外，从按图5的视图中获知，所述两个转向位置32和38相互间以径向间距42布置，在所述两个转向位置处，按本发明提出的传感器膜片具有有利的薄弱处。这意味着，所述两个转向位置32、38用作“铰链”，其中传感器膜片20的受压的区域27不在两个转向位置32、38之间扭曲。通过使第一转向位置32和第二转向位置38之间的径向间距42最大化能够以有利的方式实现，所述传感器膜片20的膜片设计具有所要求的弯曲柔软性，从而不会超过临界地阻碍有待测量的压力信号的路径。所述弯曲柔软性除了最大化径向间距42还通过传感器膜片的转向位置32和38或者说受压面27的区域内壁厚的最小化得到支持。此外，参照轴线18，转向位置32和38之间存在0.75mm到1.25mm大小的径向间距42。

在图5中以剖面示出的、例如用于求得燃烧室压力传感器处的燃烧室压力的传感器膜片20优选由高强度的材料、尤其钢1.4542制成。通常传感器内腔的密封、也就是燃烧室压力传感器的空腔22的密封通过传感器膜片20本身以及与燃烧室压力传感器的或者说预热塞的密封锥壳体的密封焊接部来实现。

在按图6的示图中示出了按本发明提出的传感器膜片在安装好的状态下的第二实施变型方案。

从按图6的视图中能够获知，在燃烧室压力传感器的这种实施变型方案中，其中安置有敏感的压电的测量传感机构的空腔22通过Z状的传感器膜片20与加载有燃烧室压力的压力室24分隔开。从按图5的附图中获知，在此构造成Z状的传感器膜片20同样具有两个转向位置32和38。基本上限定压力室24的受压面27在所述两个转向位置32和38之间延伸，在所述两个转向位置中第一转向位置32径向定位在外侧并且第二转向位置38径向定位在内侧。从按图5的视图中获知，按本发明提出的传感器膜片20的在图5中所示的第二实施变型方案所具有的壁厚在部段（Absatz）30下面过渡到减小的基本上保持统一的壁厚56。如图5进一步所示，连接到调节区域50（参见按图7的示图）上的延长部52连接在压杆58上。

图7示出了按本发明提出的传感器膜片在图5中在装配好的状态下所示的第二实施变型方案的剖视图。

如图7所示并且也已从图5中获知，所述传感器膜片20在部段30下方的壁厚采用大体统一的减小的壁厚56。在传感器膜片20的直径过渡段58的区域内，该传感器膜片20逐渐变细到收缩的区域50中，在所述直径过渡段内，传感器膜片20的直径从第一转向位置32开始过渡到位于径向外侧的第二转向位置38上。收缩的区域50是延长部52。该延长部52有几毫米、例如优选2mm。通过这种延长部52能够使得热冲击效应最小化，传感器膜片20在运行中暴露在这种热冲击效应之下。在此，所述延长部提供了能够承受由于热冲击引起的热膨胀的区域。在此，传感器膜片20的由于热冲击出现的热膨胀在传感器膜片20的面对燃烧室的侧面和背对燃烧室的侧面上短时间内是不同的。

通过在收缩的区域50内设置的延长部52能够使按本发明提出的传感器膜片在该区域中作用、也就是侧移，这使得热冲击效应显著减小。位于收缩的区域50中的延长部52允许热冲击效应减小到0.54巴。此外，该延长部52的长度与传感器膜片20的其他量交互作用地影响热冲击对燃烧室压力传感器的测量精度的作用。这种量能够是过渡半径54和/或密封焊接连接部的位置。通过延长部52在收缩的区域50中的长度以及过渡半径54的相互协调的变型方案能够在缩短收缩长度的同时进一步优化仅仅还有0.3巴的热冲击效应，也就是说在缩短延长部52的同时实现这一优化。

在两个根据图3到7所描述的实施变型方案中按本发明提出的传感器膜片的突出之处在于，其不仅相对于出现的高压力对其中容纳有压电方式工作的测量传感器机构的空腔22进行屏蔽和密封，而且由于其在转向位置32和38处具有有利的薄弱区域的构造，在出现高温时承受几亿压力负载变换。根据所描述的两个实施变型方案的按本发明提出的传感器膜片20尤其如此构造成足够弯曲柔软的，从而不阻碍有待测量的压力信号的路径，这一方面通过减少壁厚归因于按第一实施变型方案的、减小的第二及第三壁厚34或者说40或者归因于按第二实施变型方案的、减小的统一的壁厚56。此外，在上面所描述的两个实施变型方案中按本发明提出的传感器膜片的弯曲柔软性通过以下方式得到支持，即两个表示计数的壁厚薄弱处的转向位置32、38径向相互错开地布置，也就是相互间以径向间距42进行定位。

所述壁厚，也就是减小的第二壁厚32、减小的第三壁厚40以及减小的统一的壁厚56在转向位置32、38的区域内以构件传感器膜片的强度所允许的程度最小化。

Claims (12)

1.用于内燃机的压力测量装置，用于求得燃烧室压力，包括壳体（10）和用来测量压力的传感机构（59），该传感机构容纳在所述壳体（10）的空腔（22）中，在所述空腔（22）中容纳着传感器膜片（20），所述传感器膜片将空腔（22）与压力室（24）分隔开，并且使得该空腔（22）相对于有待测量的压力密封，其中，所述传感器膜片（20）在横截面中Z状地构造，且在第一转向位置（32）和第二转向位置（38）之间包括受压面（27），该受压面基本上垂直于传感器膜片（20）的对称轴线（18），且在第一和第二转向位置（32、38）分别邻接着基本上沿着对称轴线（18）朝向的过渡区域，其中，传感器膜片（20）具有第一壁厚（28）、第二壁厚（34）和第三壁厚（40），与第一转向位置（32）邻接的过渡区域以相对于第一壁厚（28）减小的第二壁厚（34）进行构造，与第二转向位置（38）邻接的过渡区域以相对于第一壁厚（28）减小的第三壁厚（40）进行构造，

其特征在于，

传感器膜片（20）的背对燃烧室的端部抵靠在壳体（10）的内侧的罩面（12）；

传感器膜片（20）在第三壁厚（40）的区域内与传感机构（59）径向地连接，第一转向位置（32）和第二转向位置（38）相互间以径向间距（42）布置在传感器膜片（20）上，该径向间距能实现使得传感器膜片（20）具有所要求的弯曲柔软性，从而不会超过临界地阻碍有待测量的压力信号的路径。

2.按权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于，所述减小的第二及第三壁厚（34、40）是相同的。

3.按权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于，所述减小的第二及第三壁厚（34、40）相互间是不同的。

4.按权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于，所述传感器膜片（20）的第一壁厚（28）在1.0mm之内。

5.按权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于，所述减小的第二及第三壁厚（34、40）在0.15mm到0.4mm之间。

6.按权利要求1所述的压力测量装置，其特征在于，所述传感器膜片（20）包括收缩的区域（50）。

7.按权利要求6所述的压力测量装置，其特征在于，所述收缩的区域（50）具有延长部（52），所述延长部从所述受压面（27）朝向所述压力室（24）延伸。

8.按权利要求7所述的压力测量装置，其特征在于，所述延长部（52）从所述传感器膜片（20）的第二转向位置（38）开始延伸。

9.按权利要求7所述的压力测量装置，其特征在于，所述延长部（52）为了承受不同的热膨胀而构造在所述传感器膜片（20）的、面对燃烧室的侧面以及背对燃烧室的侧面上，从而减小热冲击效应。

10.按权利要求7所述的压力测量装置，其特征在于，在考虑所述传感器膜片（20）的其他尺寸的情况下，所述延长部（52）具有用于减小热冲击效应的长度。

11.按权利要求4所述的压力测量装置，其特征在于，所述传感器膜片（20）的第一壁厚（28）在0.2mm到1.0mm之间。

12.按权利要求7所述的压力测量装置，其特征在于，所述延长部（52）为2mm。