用于压力测量装置的膜片组件的制作方法
【专利摘要】建议一种用于确定内燃机的燃烧室的压力的压力测量装置的膜片组件。该膜片组件在压力测量装置的外壳内收纳并且具有弹性膜片。该膜片组件另外具有至少一个支承构件，其上所述弹性膜片至少部分地以压力加载区的内侧面支承。
【专利说明】用于压力测量装置的膜片组件
【背景技术】
[0001]本发明从根据独立权利要求1的前序部分所述类型的膜片组件中产生。本发明的主题是用于确定内燃机特别是自燃式内燃机的燃烧室内的压力的压力测量装置的膜片组件。这种压力测量装置已知要么从预热塞分开地设置在在燃烧室内，但是也可以集成在预热塞内。在这种情况下预热棒位于在要测量的燃烧室内设置的预热塞内，该预热塞作为压力传递元件作用，燃烧室内存在的压力通过它传递到与预热棒有效连接的压力传感器模块上，后者在这种情况下同样位于预热塞内或者与其连接。对此另外可选的方案是也可以设置引导预热棒的支持管，也称预热管，作为压力传递元件。一种相应的、所述压力传感器模块位于其内的预热塞在这种情况下通常由(也许在预热管内引导的)预热棒组成，该预热棒在传感器外壳内通过连接套管可在轴向运动地支承，其中该传感器外壳又位于密封圆锥外壳内，其用作预热塞的外面的套管。从预热棒的尖端或者预热尖端出发，这里传感器模块在预热塞内位于可在轴向运动地支承的预热棒之后并且与其有效连接，使得通过燃烧产生的、在预热棒上作用的压力通过预热棒(或者预热管)以它的作为压力传递元件的功能向传感器模块传递。这里一个主要的问题是，在燃烧室内存在的并且侵入预热塞的尖端的介质由于它的在燃烧期间的温度和由于它的化学特性能够损坏传感器模块从而损坏与其连接的电子器件。为避免这点，过去已经开发出防火膜片，下面另外说明它。
[0002]在DE 10 2006 057 627 Al中说明一种用于在自燃式内燃机的燃烧室内设置的压力测量装置。其中说明的压力测量装置以预热塞的形式存在并且包括外壳、形式为棒状加热元件的力传递元件和压力传感器，所述力传递元件在外壳的燃烧室侧的开口处部分从外壳伸出。所述压力传感器在压力测量装置的外壳的内室内设置并且与力传递元件有效连接。另外设置圆筒状的膜片，其相对于燃烧室侧的开口密封外壳的其内设置压力传感器的内室。可以作为金属膜片构造的膜片具有力传递段，它在力传递元件的轴向取向。压力传感器在压力测量装置的该实现中通过膜片的力传递段与力传递元件有效连接。由此进行膜片的由热决定的长度变化的至少部分的热补偿，该长度变化例如通过高热的燃烧材料气体引起并且能够导致周期地影响压力测量。
[0003]另外从DE 10 2007 049 971 Al知晓一种炽热头引火塞，它设置在自燃式内燃机的燃烧室内。该炽热头引火塞具有外壳、部分从外壳突出的、形式为棒状的加热元件的力传递元件和压力传感器，后者在预热塞的外壳的内室中设置。这里压力传感器一方面与棒状的加热元件有效连接，以便检测由于在该室内存在的压力决定的对加热元件的加载以确定在该室内存在的压力。另一方面压力传感器另外在与外壳连接的固定元件上支承。膜片尤其是弹簧弹性膜片相对于内燃机的燃烧室密封外壳的内室。在这种情况下弹簧膜片作为截面为S形的弹簧膜片构造。通过这种设计方案特别能够实现一种压力平衡的设计，使得能够通过这种压力传感器改善压力测量的准确性。
[0004]因此在燃烧室压力传感器内一般需要膜片用于相对于燃烧室密封炽热头引火塞或者压力测量装置的内室，以防止侵入的介质由于它的温度和它的攻击性的化学特性在最短的时间内损坏传感器的构件和电子器件。但是该膜片同时也应该在尽可能长的使用寿命中在传感器运行期间承受负载。对于它基本上必须考虑压力变化的周期的负载(每个使用寿命许多亿次负载变化)以及高水平的平均温度。此外必须防止压力测量装置的灵敏性变化和由此产生的测量误差(所谓的“校准系数”效应)，该灵敏性变化由膜片上的平均温度的变化例如通过不同的发动机负载状态引起的平均温度的变化产生。另外同样必须防止在一次载荷循环内的导致测量错误的短期效应，例如所谓的“热冲击”效应，在这种效应下温度的快速的、冲击式的变化在膜片上导致膜片材料的外面的部分和内部的部分之间的机械应力，因为与内部相比热量向或者从表面更快地传输或者散发。
【发明内容】
[0005]与此相对本发明的具有独立权利要求1的特征的膜片组件具有优点:能够足够地密封传感器内部空间，其中能够转变弹性膜片的满意的负载变化刚性以及该膜片的足够柔韧的实施方式。更准确说，该优点通过一种用于测量内燃机特别是自燃式内燃机的燃烧室内的压力的压力测量装置的膜片组件实现，其中该膜片组件收纳在压力测量装置的外壳内，更准确说，收纳在设置在燃烧室内的预热塞的密封圆锥外壳内。以这种方式把预热塞内的与燃烧室流体连通并且因此用燃烧室内的燃烧压力加载的所谓的压力室从预热塞内的空腔分开。该空腔从而外壳的一部分因此相对于要测量的燃烧压力密封。为此膜片组件具有弹性膜片，它包括压力加载区，在燃烧室内存在的压力在内燃机运行期间主要在其上作用；以及包括至少一个支承构件，弹性膜片以压力加载区的内侧面至少部分地支承在其上。
[0006]通过在从属权利要求中叙述的特征能够实现在独立权利要求中说明的膜片组件的有利的扩展和改进。特别有利的是膜片组件的膜片构造为环形并且横截面具有朝向主室开启的U形形状。由此用膜片的专门的横截面形状就已经实现对于外部作用的压力的几何的稳定性并且该膜片能够较柔软地构造。在膜片组件的一种优选的实施方式中膜片的U形形状的径向外侧的边比该U形形状的径向内侧的边短，由此预热棒能够通过膜片更好地引导以及更容易够及预热棒和膜片之间的固定区或者焊接区。
[0007]最好膜片的压力加载区在空腔侧除了径向外侧的支承构件之外还通过作为膜片组件的另一个构件的径向内侧的支承构件支承，该内侧支承构件与压力加载区的内侧面支承接触，更准确说处于平面的支承接触。膜片组件的这种安排具有优点:压力加载区除位于径向内侧的和径向外侧的支承构件之间的最好微小的间隙之外平面地支承，使得在通过膜片的U形形状的稳定性之外还有两个支承构件提供相对于来自燃烧室侧或者来自压力室侧的压力加载的附加的稳定性。
[0008]这些支承构件最好能够构造为环形，其中两个支承构件的横截面可以具有近似矩形的形状，在这种情况下径向内侧的支承构件既能够与膜片的U形形状的径向内侧的边的内侧面也能够与膜片的压力加载区的内侧面平面接触。这意味着，径向内侧的支承构件的端面平面地紧贴在膜片的内侧面上，也就是说紧贴在膜片的U形形状的底边的内侧面上，并且另外用它的一个侧面，更准确说用它的径向的内侧面与膜片的U形形状的径向内侧的边的内侧面平面接触，最好不在内侧支承构件和膜片之间构成间隙。与此相应径向内侧的支承构件既可以与膜片的U形形状的径向外侧的边的内侧面也能够与膜片的压力加载区的内侧面平面接触。这意味着，径向外侧的支承构件的端面平面地紧贴在膜片的内侧面上，也就是说紧贴在膜片的U形形状的底边的内侧面上，并且另外用它的一个侧面，也就是说用它的径向的外侧面与膜片的U形形状的径向外侧的边的内侧面平面地接触，最好不在外侧支承构件和膜片之间构成间隙。在膜片组件的单个构件的这种实施方式中有利的是，膜片的支承始终通过平面的接触区实现，并且压力加载区的仅在间隙内设置的部分通过在膜片上作用的力遭受较强的变形。膜片的变形由此能够减到最小。
[0009]在本发明的另一种优选的实施方式中与压力加载区的内侧面平面接触的径向外侧的支承构件的末端的横截面具有L形形状，也就是说径向外侧的构件的与膜片的压力加载区平面接触的末端。最好在这种情况下径向外侧的支承构件的该L形的末端具有弹性的特性，由此它可柔软弯曲地或者弹性地构造。通过径向外侧的支承构件的相应的末端的这种弹性的实施方式能够减小或者吸收通过膜片的变形在膜片内在轴向产生的应力，由此使膜片能够在传感器运行期间更好地承受负载，属于该负载的主要有压力变化的周期的负载，亦即压力测量装置的每一使用寿命的许多亿次的负载变化。在这种情况下径向外侧的支承构件可以通过压力测量装置的传感器外壳的一个末端段构成，也就是说传感器外壳的一个末端段，它通常包含传感器模块并且设置在预热塞中，作为径向外侧的支承构件作用并且与此相应地构造。由此能够有利地减小预热塞内的构件数并且简化预热塞的组装。
[0010]另外最好可以把膜片与径向内侧的支承构件固定连接，也就是说例如通过焊接或类似方法在径向内侧的支承构件上焊接，这里可以想到，径向内侧的支承构件通过膜片与预热塞的预热棒通过焊接或类似方法固定连接。对此另外可以选择的方案是，径向内侧的支承构件也可以与膜片一体构造，也就是说成为膜片的一部分，其中例如膜片的径向内侧的边具有大的壁厚；但是也可以是一个构件，它通过成形固结或者类似方法设置在膜片上，以便构造整体构成的径向内侧的支承构件。
[0011]作为另外优选的实施方式，膜片组件的膜片与径向外侧的支承构件固定连接，也就是说例如通过(等离子)焊接或者类似方法焊接在径向外侧的支承构件上，其中该膜片另外最好通过径向外侧的支承构件能够与压力测量装置的外壳连接。由此能够实现膜片在径向外侧的支承构件上或者在压力测量装置的外壳上的有利的固定，从而实现过剩的压力向在膜片以外的构件上的优化的力导入，以便减小膜片的负载。有利的是膜片可以是深拉的构件，由此与现有技术的膜片相比以简单的和便宜的方式实现膜片的制造。此外所述膜片可以作为防火膜片最好作为金属膜片构造，由此能够保证膜片的负载变化刚性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]本发明的实施方式在附图中示意表示并且在下面对优选的实施方式的说明中详细解释。
[0013]附图中:
[0014]图1表示具有根据本发明的第一优选的实施方式的膜片组件的预热塞的剖面的剖面图；
[0015]图2表示在图1中表示的膜片组件的膜片单个的剖视图；
[0016]图3a表示图2中表示的膜片的变形的放大图，最好在使用无支承构件的第一优选的实施方式的膜片布设的情况下膜片的压力加载区的变形，和
[0017]图3b表示图2中表示的膜片在使用具有支承构件的第一优选的实施方式的膜片布设的情况下的变形的放大图；和
[0018]图4表示根据本发明的第二优选的实施方式的膜片布设的细部图。
【具体实施方式】
[0019]图1表示本发明的根据第一优选的实施方式的在具有示意表示的焊缝20、30和40的预热塞中的膜片布设的详细的剖面图。该膜片结构的弹性膜片I在这里在预热塞外壳或者预热塞密封圆锥外壳4和预热棒5之间设置，其中预热塞在自燃式内燃机的气缸头8内设置。代替预热棒5也可以想到，设置预热棒的支承管或者预热管并且与膜片I连接。但是也可以想到其他每一种圆柱形的力传递元件，例如简单的圆柱形的金属棒等，其中在这种情况下不再涉及预热塞而对此另外的选择方案是涉及一种纯粹的压力测量装置。
[0020]膜片I构造为环形并且在它的径向内侧与预热棒5邻接并且在它的径向外侧与密封圆锥外壳4邻接。如在图1中所见，该膜片I 一般具有U形的剖面，其中内侧支承构件2和外侧支承构件3设置在膜片I的U形形状内。如在图2中所见，膜片I的U形形状包括底板段11，它表示膜片I的压力加载区(压力作用区)11，它在本实施方式中从焊接缝20直到外侧支承构件3延伸。该压力加载区11具有外侧面或者下侧面111，它在预热塞的运行中朝向在预热塞内设置的压力室裸露，该压力室与内燃机的气缸的燃烧室(未图示)流体连通，由此膜片I的外侧面或者下侧面111用气缸内的每一燃烧周期的燃烧压力加载。另外压力加载区11具有内侧面或者上侧面112，其朝向膜片I的U形的内部设置。此外膜片I的U形具有径向内侧设置的长边12，它具有在U形内部设置的内表面121 ;和具有径向外侧设置的短边13，它具有在U形内部设置的内表面131。膜片I的壁厚在该实施方式中约为0.1mm,由此实现膜片I的小的刚性。
[0021]根据图1，在这种情况下内侧支承构件2位于膜片I的U形的径向内侧并且与U形的内表面121在径向内侧上经侧表面22处于支承接触。外侧支承构件3位于膜片I的U形的径向外侧并且外侧支承构件3内的凹陷33的外侧面与该U形的内表面131在径向外侧上处于支承接触。在本实施方式中在该凹陷33内在这种情况下完全收纳膜片I的短边13，使得膜片I的短边13的外侧面或者外表面132用侧面32构成连续的面，其又与外壳4的内侧处于支承接触。对此另外可选的方案是，可以不要凹陷33，由此膜片I的U形的短边13的内表面131直接与侧面32支承接触。
[0022]在内侧支承构件2和外侧支承构件3之间在该实施方式中存在一条间隙18，它与在预热塞内设置的空腔7连通。此外内侧支承构件2在它的下端面上有支承面21，它与压力加载区11的上侧面112支承接触并且它朝向间隙18的方向上以第一半径211倒圆。同样外侧支承构件3在它的下端面上有支承面31，它与压力加载区11的上侧面112支承接触并且它朝向间隙18以第二半径311倒圆。流体不能通过的膜片I或者膜片I的压力加载区11在压力室6和空腔7之间进行流体密封，以避免燃烧气体从燃烧室侵入预热塞的空腔7内，使得保护在空腔7内设置的压力测量装置(未图示)不被侵入。如另外在图1中所见，内侧支承构件2通过膜片I的长边12与预热棒5通过示意表示的焊缝连接，该焊缝例如通过等离子焊接或者类似方法产生。由此预热棒5通过膜片I引导并且封闭在预热棒5和膜片I之间可能存在的间隙隙。与此相对膜片I的短边13在凹陷33的区域内与外侧支承构件3通过一条焊间隙连接。为使膜片结构与外壳连接并且封闭在外壳4和外侧支承构件3之间可能存在的间隙，外壳4与外侧构件3焊接。由此保证，一方面可靠地引导预热棒1，另一方面流体密封地从压力室6封闭空腔7。
[0023]在图3a中表示在没有支承构件2和3的应用的情况下的或者在具有无效支承的应用的情况下的膜片1，其中膜片I通过在燃烧室内(从下)作用的燃烧压力加载。两条边12和13之间的区域14在这种情况下在模拟中经受直到2200MPa的负载压力，这里区域14的内侧被最强地加载。区域15在下侧面111上经受直到1300MPa的负载压力和在上侧面112上经受直到100MPa的负载压力。
[0024]在图3b中表示在具有支承构件2和3的应用的情况下的或者在具有有效支承的应用的情况下的膜片1，其中膜片I类似图3a中的情况通过在燃烧室内(从下)作用的燃烧压力加载。在这种情况下在模拟中仅在外侧支承构件3的内支承点处的区域16经受直到900MPa的负载压力，其中区域16的内侧面在顶侧面112上被最强地加载。从中可以想至IJ，通过使用支承构件2和3能够显著减小膜片I的负载从而能够明显提高它的寿命。
[0025]图4表示根据第二优选实施方式的膜片布设。这里该膜片布设的一般结构类似图1中表示的结构。这里唯一的不同在于外侧支承构件3的一个下端的L形实施方式，也就是说外侧支承构件3的其上构造具有第二半径311的支承面31的那一端，其与膜片I的内侧面支承接触。在外侧支承构件3的这种几何学优化的支承面的情况下规定，外侧支承构件3的相应的末端具有凹陷34，由此外侧支承构件3的该支承端具有在径向指向内的L形状。通过外侧支承构件3的该设计方案，通过与施加压力的区域11的上侧面112接触的该L形状，支承端特别在图3b中表示的区域16内具有一种在板簧的意义上的弹性的特性。外侧支承构件3的该弹性的特性在试验中导致仅更多地在区域17内，更准确说仅在施加压力的区域11的下侧面11上在区域17内，出现460MPa的最大负载压力。由此能够进一步减小膜片I上通过燃烧室内的燃烧压力引起的负载从而更加明显地提高膜片I的寿命。另外由此实现膜片I的施加压力的区域11的良好的支承，其中该支承柔软地和更好地分布地进行，由此能够更好地分布在内侧支承构件2和外侧支承构件3之间的间隙隙的区域内出现的应力。由此能够防止在支承面上特别在外侧支承构件3的支承面上在膜片I的支承点膜片I折弯。在另一种实施方式中可以想到，设置内侧支承构件2的支承端的相应的L形状，以便实现膜片I的施加压力的区域11的另外的弹性。
【权利要求】
1.用于压力测量装置的膜片组件，所述压力测量装置用于测量内燃机特别是自燃式内燃机的燃烧室内的压力，其中所述膜片组件具有弹性膜片(I)并且容纳在压力测量装置的外壳(4)内，用以使压力室(6)与空腔(7)分开并且相对于要测量的压力密封外壳(4)，并且其中弹性膜片(I)包括压力加载区(11)，其特征在于，设置至少一个支承构件(2、3)，弹性膜片(I)至少部分地以压力加载区(11)的内侧面(112)支承在该支承构件上。
2.根据权利要求1所述的膜片组件，其中设置具有外侧支承面(31)的外侧构件(3)和具有内侧支承面(21)的内侧构件⑵，在它们之间朝向空腔(7)方向上形成间隙(18)，并且该间隙(18)被膜片(I)的压力加载区(11)如此跨越，使得能够在轴向上实现膜片(I)的弹性变形。
3.根据权利要求2所述的膜片组件，其中在内侧支承面(21)处形成第一半径(211)并且在外侧支承面(31)处形成第二半径(311)。
4.根据权利要求1所述的膜片组件，其中膜片(I)构成为环形并且在横截面上具有朝向空腔⑵方向上敞开的U形形状。
5.根据上述权利要求之一所述的膜片组件，其中径向外侧的支承构件(3)的与压力加载区域(11)的内侧面(112)处于平面接触的末端的横截面具有L形形状。
6.根据权利要求5所述的膜片组件，其中与压力加载区域(11)的内侧面(112)处于平面接触的外侧支承面(31)具有弹性的特性，以减小膜片(I)内的应力。
7.根据上述权利要求之一所述的膜片组件，其中径向外侧的支承构件(3)通过压力测量装置的传感器外壳的一个末端段构成。
8.根据权利要求2所述的膜片组件，其中支承构件(2、3)构成为环形，并且径向内侧的支承构件⑵既与U形形状的径向内侧的边(12)的内侧面(121)也与压力加载区(11)的内侧面(112)处于平面接触，并且径向内侧的支承构件(3)既与径向外侧的边(13)的内侧面(131)也与压力加载区(11)的内侧面(112)处于平面接触。
9.根据权利要求8所述的膜片组件，其中膜片(I)与径向内侧的支承构件(2)固定连接或者与其一体构成。
10.根据权利要求8所述的膜片组件，其中膜片(I)与径向外侧的支承构件(3)固定连接，并且其中膜片⑴最好通过径向外侧的支承构件⑶与压力测量装置的外壳⑷连接。
11.根据上述权利要求之一所述的膜片组件，其中弹性膜片(I)是深拉的构件。
【文档编号】F23Q7/00GK104380070SQ201380024958
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2013年4月30日 优先权日:2012年5月11日
【发明者】C·德林, J·沃尔夫, D·古格尔, S·莱奥波尔德, W·克茨勒 申请人:罗伯特·博世有限公司