(57)【要約】【課題】圧力センサに衝突する火炎面の急な温度上昇に基づく熱衝撃誤差が発生しないようにする。【解決手段】センサダイヤフラム（２）に、熱伝導性材料から製作され且つ開口（１５）の設けられた断熱材（１１）が前置されており、該断熱材を介して熱が、圧力センサ（１）を取り囲むケーシング（１０）へ導出されるようになっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するためのセンサダイヤフラム（２）を備えた圧力センサ（１）であって、該圧力センサ（１）がケーシング（１０）内に収容されており、燃焼室内に大きな圧力・温度変動が発生する場合に、センサダイヤフラム（２）に、熱伝導性材料から製作され且つ開口（１５）の設けられた断熱材（１１）が前置されており、該断熱材を介して熱が、圧力センサ（１）を取り囲むケーシング（１０）へ導出されるようになっていることを特徴とする、内燃機関で使用するための断熱材を備えた圧力センサ。
【請求項２】
断熱材（１１）に設けられた開口（１５）が任意の横断面で形成されている、請求項１記載の圧力センサ。
【請求項３】
断熱材（１１）に設けられた開口（１５）が、スリットとして任意の方向で形成されている、請求項１記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記スリットが、真っ直ぐ又は曲げられて形成されていてよい少なくとも３つの辺を有する多角形の形で形成されているか、又は楕円形に形成されてされている、請求項３記載の圧力センサ。
【請求項５】
スリットとして形成された、断熱材（１１）に設けられた開口（１５）が星形に配置されている、請求項３又は４記載の圧力センサ。
【請求項６】
スリットとして形成された、断熱材（１１）に設けられた開口（１５）が接線方向で配置されている、請求項３又は４記載の圧力センサ。
【請求項７】
断熱材（１１）に設けられた開口（５）が孔（２１）として形成されている、請求項１又は２記載の圧力センサ。
【請求項８】
断熱材（１１）に、内部に圧力測定通路（６）が位置する付加的な保護カバー（１６）が前置されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項９】
断熱材（１１）がセンサダイヤフラム（２）に接触している、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項１０】
断熱材（１１）がセンサダイヤフラム（２）に接触していない、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項１１】
断熱材（１１）が、燃焼室内の温度に耐えられる材料から成っている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項１２】
断熱材（１１）が、良好な熱伝導性を有する材料から製作されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【請求項１３】
自動車の内燃機関の燃焼室内で熱衝撃誤差を減少させるために使用される、請求項１から１２までのいずれか１項記載の圧力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するためのセンサダイヤフラムを備えた圧力センサであって、該圧力センサがケーシング内に収容されている形式のものに関する。
【０００２】
自動車の内燃機関内の燃焼プロセスを制御するためには、とりわけ圧力を検出する必要がある。このことは、殊に内燃機関のシリンダ内若しくは該シリンダに接して設けられた圧力センサを使用することによって行われる。圧力測定は、燃焼プロセスの制御だけでなく、燃焼過程中のミスファイヤ及びノッキングを検出するためにも役立つ。燃焼室内で発生する大きな圧力変動及び温度差に基づいて、圧力センサには高い要求が課される。
【背景技術】
【０００３】
自動車の内燃機関における燃焼に際して発生する高い温度に基づき、例えば半導体圧力センサ又は圧電センサ等の従来の圧力センサは使用することができない。これらのセンサは温度に敏感な構成素子に基づき、燃焼室内の高い温度に必ずしも耐えられない。従って、内燃機関内の圧力測定のためには、しばしば光学的な圧力センサが使用される。これらのセンサでは、光線が光導波路、有利にはガラスファイバ導線を介してセンサダイヤフラムへ案内される。このセンサダイヤフラムは背面側が反射するように形成されている。光はセンサダイヤフラムのこの反射する側で反射され且つ検出器へ案内される。反射された光の強度に基づいて、ダイヤフラムの変形延いては圧力が規定され得る。この場合、ダイヤフラムは燃焼室内で発生する状態に直接に晒されている。このことは特に、圧力センサに衝突する火炎面の急な温度上昇に基づいて熱衝撃誤差が生ぜしめられる、つまり、材料内の温度勾配に基づいて発生する材料変形若しくは応力が、圧力として解釈されるということを意味している。ダイヤフラムを保護するためには、比較的新しい構成ではダイヤフラムの手前に狭い横断面を有する圧力測定通路及び変向板が前置される。但しこの構成は、一方では圧力測定通路のジオメトリが極めて小さいということに基づいて、急速に圧力が変化した場合に測定信号の振動障害が発生し且つ他方では、当該の圧力測定通路は汚れやすいという欠点を有している。更に、この構成では変向板とセンサダイヤフラムとの間に補償ダンパが設けられるが、この補償ダンパは著しい温度・圧力変動に基づいて非常に老朽化しやすい。この理由から、内燃機関の耐用年数に相応した車両使用、つまり、少なくとも１５００００ｋｍの走行距離は保証され得ない。
【０００４】
確実な運転を保証するためには、圧力センサは−４０℃〜＋６５０℃の温度範囲内及び０〜２００ｂａｒの圧力範囲内で確実に作動する必要がある。温度変動は、とりわけ天候の影響及び高い燃焼温度によって発生する。この場合、特に爆発的な燃焼及びこれにより発生する、センサダイヤフラムに衝突する火炎面に基づく急な温度上昇が、熱衝撃誤差をもたらす。
【０００５】
国際公開第９７／３１２５１号パンフレットには、エンジンノッキング及びミスファイヤ検出用の光ファイバ式の燃焼圧力センサが記載されている。この場合、この公知の光ファイバ圧力センサは点火プラグケーシングに組み込まれている。圧力測定は、点火火花を発生する電極のすぐ近くで行われる。熱及び材料疲労による損傷を減少させるためには、ダイヤフラムがカップ状に形成されており且つ不均一な厚み分布を有している。これにより、ダイヤフラムに対する応力が減少されるので、センサの運転確実性が高められる。
【特許文献１】国際公開第９７／３１２５１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の課題は、前記公知の欠点を回避することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題を解決するために本発明では、センサダイヤフラムに、熱伝導性材料から製作され且つ開口の設けられた断熱材が前置されており、該断熱材を介して熱が、圧力センサを取り囲むケーシングへ導出されるようにした。
【発明の効果】
【０００８】
急な熱作用に基づき発生する熱衝撃誤差を減少させるためには、センサダイヤフラムに良好な熱伝導性を有する材料から成る断熱材が前置される。この断熱材にぶつかる熱流の導出を保証するためには、断熱材がセンサケーシングと同一平面上で整合するように結合されている。これにより、断熱材にぶつかる熱流は半径方向でケーシングへ導出され、そこから例えば更に、内部に圧力センサが位置する燃焼室壁へ導出され得る。この場合、断熱材はセンサダイヤフラムに接触式又は非接触式で前置されていてよい。非接触式で組み込んだ場合は、断熱材とダイヤフラムとの間に位置する空気が、金属と比較して低い熱伝導性に基づいて絶縁作用することによって、熱衝撃誤差の付加的な減少が得られる。断熱材の良好な熱伝導性に基づいて、衝突する熱の大部分が半径方向でセンサケーシングへ導出される。
【０００９】
圧力測定は、センサダイヤフラムが断熱材に設けられた複数の開口を介して圧力負荷され得るということによって可能になる。この場合、断熱材に設けられる開口は任意の形状を取ることができ且つ任意の方向で形成されていてよい。即ち、例えば星形に配置されたスリット状の開口が考えられる。この場合、スリットは３角形、方形、台形、楕円形又は平行四辺形の形で形成されていてよい。スリットの星形の配置形式の他に、例えば周方向の配置形式も考えられる。この場合はスリットの長辺側が半径を有していてもよい。しかしまた、スリット状の開口の他に、円形の孔の形で形成された開口も考えられる。この場合、孔は断熱材に任意で配置されていてよい。
【００１０】
更に、本発明による圧力センサは、非金属コンポーネントが含まれていないように形成されている。このことは特に、従来技術に基づく圧力センサに組み込まれているような補償ダンパが省かれているということを意味している。これにより、圧力センサの著しく僅かな老朽化が生ぜしめられる。更に、本発明により形成される圧力センサの圧力測定通路は著しく大きく構成され得るということによって、圧力センサの著しく低い汚染傾向が生ぜしめられ、これにより耐用年数の延長が達成される。
【００１１】
断熱材をセンサヘッドに直接に組み込み延いては断熱材を燃焼過程に際して発生する火炎面に直接に接触させることの他に、断熱材の手前に、既に熱の一部を導出させる付加的な保護カバーが配置されていてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面につき詳しく説明する。
【００１３】
図１には、従来技術に基づいて使用される、内燃機関に設けられた燃焼室のための光学的な圧力センサが示されている。
【００１４】
光学的な測定原理を以て作動する圧力センサ１内の圧力の測定は、センサダイヤフラム２の背面側における光の反射に基づいて行われる。このためには、光が光導波路３を通ってセンサダイヤフラム２へ案内される。光導波路３の端部とセンサダイヤフラム２との間には、中空室４が位置している。この中空室４を通して光を放射させ且つセンサダイヤフラム２の背面側で反射させる。反射された光は再び光導波路３によって受光され且つ検出器（図示せず）へ案内される。センサダイヤフラム２の外面を支配する圧力に正比例する反射された光の強度に基づいて、圧力を規定することができる。圧力センサ１は圧力測定通路６を介して、内部の圧力を測定しようとする燃焼室（図示せず）と接続されている。センサダイヤフラム２を燃焼時に発生する火炎面延いては急な温度上昇から保護するためには、圧力測定通路６の後ろに変向板８が位置している。これにより、火炎面がセンサダイヤフラム２に直接にぶつかるということが防止される。急な衝撃による変向板８のセンサダイヤフラム２との接触を防止するためには、変向板８とセンサダイヤフラム２との間に補償ダンパ５が介在させられている。この補償ダンパ５は、燃焼室内を支配する条件において極めて老朽化しやすい非金属の緩衝材料から成っている。このことは、センサの堅牢性が内燃機関の耐用年数に相応した車両使用、つまり、１５００００ｋｍ以上の走行能力に関して十分ではない、ということをもたらす。圧力センサ１を保護し且つ燃焼室への組込みを可能にするためには、測定に不可欠な構成部材がケーシング１０内に位置している。このケーシング１０はセンサヘッドにおいて、内部に圧力測定通路６が位置する閉鎖部材９によって閉鎖されている。センサダイヤフラム２全体の圧力負荷は、圧力測定通路６が円錐形の拡張部７に基づきセンサダイヤフラム２の直径へ広がることによって達成される。円錐形の拡張部７がセンサダイヤフラム２の直径に達した箇所には、変向板８が付加的な断熱材として取り付けられている。衝突する熱流を導出するためには、変向板８が接触箇所１４を介してケーシング１０と接触されている。接触箇所１４を介して、衝突する熱はケーシング１０延いては燃焼室壁に案内される。
【００１５】
図２には、本発明により形成された圧力センサのヘッドが示されている。
【００１６】
圧力センサ１のセンサダイヤフラム２に衝突する火炎面によって生ぜしめられる、材料内の温度勾配に基づいて発生する材料変形若しくは応力が圧力として解釈されることによって生じる誤差（ここでは熱衝撃誤差と呼ぶ）を減少させるためには、センサダイヤフラム２に、燃焼室内で発生する温度に耐えられる材料から成る断熱材１１が前置される。有利には、この断熱材１１は良好な熱伝導性を有している。従って、断熱材は有利には少なくとも１０Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有する材料から製作される。材料としては、例えば２１Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有するＶ２Ａ鋼又は１７８Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有するタングステン又は２２Ｗ／ｍＫの熱伝導性を有するチタンが使用されてよい。
【００１７】
【数１】
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このケーシング１０は、燃焼室壁と直接に接触している。これにより、圧力センサ１にぶつかる熱が、熱伝導によって燃焼室壁へ放出され、そこから導出され得る。この場合、燃焼室壁によって吸収することのできる熱量は、燃焼室壁の固有熱容量に関連している。ケーシング１０内にはセンサボディ１８が位置しており、このセンサボディ１８の先端にセンサダイヤフラム２が取り付けられている。更に、センサボディ１８内には光導波路３が位置しており、この光導波路３はセンサボディ１８のヘッド面と整合している。圧力負荷に際するセンサダイヤフラム２の変形を可能にするためには、センサダイヤフラム２と、光導波路３を有するセンサボディ１８との間に中空室４が位置している。光導波路３は、光源に接続されたエミッタ導線１２と、検出器に接続された検出器導線１３とを有している。圧力測定のためには、光がエミッタからエミッタ導線１２を介してセンサボディ１８のヘッドに案内される。光はエミッタ導線１２の先端から、鏡面１７として形成されたセンサダイヤフラム２の内面に対して放射される。光は鏡面１７で反射され、検出器導線１３によって吸収されて検出器へ案内される。センサダイヤフラム２を負荷する圧力に正比例する反射された光の強度に基づいて、圧力を測定することができる。センサダイヤフラム２と断熱材１１との間には、付加的に温度衝撃の緩衝に役立つ間隙１９が位置している。燃焼室内のガスと比較した、断熱材１１の材料の極めて良好な熱伝導に基づいて、前記間隙１９は付加的な絶縁体として働く。断熱材１１に発生する熱は、有利には半径方向で接触箇所１４を介してケーシング１０に導出される。これとは異なり、断熱材がダイヤフラム２と接触するように断熱材１１が組み込まれている場合、この断熱材１１にぶつかる熱も、接触箇所において熱伝導を介してセンサダイヤフラム２へ案内され得る。
【００１８】
断熱材１１とセンサダイヤフラム２との間の熱搬送機構は、無接触式の組込みの場合、放射及び対流である。更に、熱は熱伝導によって断熱材１１とケーシング１０との間の接触箇所１４へ伝達される。金属材料の、ガスと比較してより高い熱伝導性に基づいて、断熱材にぶつかる熱の大部分が熱伝導によってケーシング１０へ導出される。断熱材１１とセンサダイヤフラム２とを接触式で組み込んだ場合も、センサダイヤフラム２と断熱材１１との間の熱搬送機構は、やはり熱伝導である。このことは、直径に比べて小さな断熱材１１の厚さに基づいて、熱の大部分がセンサダイヤフラム２へ導出され、そこから更にケーシング１０とセンサボディ１８とに案内されるということを生ぜしめる。断熱材の蓄熱は、接触式の組込みの場合でも全ての熱をセンサダイヤフラムへは放出せず、これにより熱衝撃誤差を減少させる。
【００１９】
図３には、付加的に取り付けられた断熱材保護カバーを備えた、本発明により形成された圧力センサのヘッドが示されている。
【００２０】
図３に示した圧力センサ１の構成及び機能は、大体において図２に示した圧力センサ１の構成及び機能と相応している。図２に示した圧力センサ１とは異なり、図３に示した圧力センサ１は断熱材１１の手前に取り付けられた保護カバー１６を有している。この保護カバー１６の中心には、圧力測定通路６が形成されている。このように圧力センサ１のヘッドの手前に取り付けられた保護カバー１６の利点は、火炎面がぶつかる場合に熱の一部が既に保護カバー１６を介して導出されるという点にある。この場合、衝突する熱の他の部分は断熱材１１を介して導出される。これにより、急に発生する高い温度に基づき生じる熱衝撃誤差を、更に減少させることができる。
【００２１】
図４には、本発明により形成された断熱材のための第１変化態様が示されている。
【００２２】
図４に示した本発明に基づいて形成された断熱材１１は２つの開口１５を有しており、これらの開口１５はひし形のスリットとして形成されており且つ中央で９０°の角度で交差している。断熱材１１に設けられた開口１５によって、断熱材１１とセンサダイヤフラム２の間を燃焼室内と同じ圧力が支配するということが保証される。一様な熱導出は、断熱材１１の縁部２０が、どこも圧力センサ１のケーシング１０と直接に接触しているということによって保証される。これにより、同時にケーシング１０との接触箇所１４を形成している前記縁部２０を介して半径方向で一様に熱が搬出される。
【００２３】
【数２】
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【００２４】
図６．１には断熱材１１に関する第２の変化態様が示されている。この図６．１に示された断熱材１１の場合は、開口１５が星形に配置されている。
【００２５】
図６．２には、本発明に基づいて形成された断熱材１１の右半分が示されており、この断熱材１１の場合は開口１５が孔２１として構成されている。図６．２に示した変化態様の場合、孔２１は断熱材１１の中心点を巡って同心的に配置されている。しかしまた、同心的な配置形式の他に、孔２１のあらゆる別の配置形式も考えられる。
【００２６】
図７．１には、開口１５が楕円形で形成された断熱材１１の１変化態様が示されている。この場合、楕円形で形成された開口１５は、それぞれ接線方向で断熱材１１上に配置されている。図７．２には、本発明に基づいて形成された断熱材１１に関する更に別の変化態様が示されている。この図７．２に示した変化態様は、星形に配置された３角形の横断面を有する開口１５と、その間に位置する、曲げられた２辺を有し且つ接線方向で配置された４角形の横断面を有する開口１５とを有している。
【００２７】
但し、図４、図６．１、図６．２、図７．１及び図７．２に図示した変化態様の他に、別の変化態様も考えられる。即ち、例えば開口１５は、少なくとも３つの角隅を有する多角形の横断面又は楕円形の横断面を有するスリットとして形成されていてよい。少なくとも３つの角隅を有する多角形の開口１５の場合、側面は真っ直ぐか、又は曲げられていてよい。ここで図示した半径方向の配置形式だけでなく、スリットは接線方向で配置されていてもよい。
【００２８】
断熱材１１に開口１５を形成するためには、様々な製作法を用いることができる。即ち、開口１５は例えば打抜き加工、腐食処理又はフライス切削加工によって形成され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術に基づいた光学的な圧力センサの横断面図である。
【００３０】
【図２】本発明により形成された光学的な圧力センサのヘッドを示した図である。
【００３１】
【図３】付加的に保護された断熱材を備えた、本発明により形成された光学的な圧力センサのヘッドを示した図である。
【００３２】
【図４】断熱材の第１実施例の平面図である。
【００３３】
【図５】熱流の進行が書き込まれた断熱材の断面図である。
【００３４】
【図６．１】星形に配置されたスリットを備えた断熱材の１変化態様の左半分を上から見た図である。
【００３５】
【図６．２】孔として形成された開口を備えた断熱材の１変化態様の右半分を上から見た図である。
【００３６】
【図７．１】接線方向で配置された楕円形の開口を備えた断熱材の１変化態様の左半分を上から見た図である。
【００３７】
【図７．２】星形に配置された３角形のスリットと、その間に位置するように半径方向で配置された、曲げられた縁部を有する４角形のスリットとを備えた断熱材の１変化態様の右半分を上から見た図である。
【符号の説明】
【００３８】
【数３】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６．１】
2004286753.tif 000011
【図６．２】
2004286753.tif 000012
【図７．１】
2004286753.tif 000013
【図７．２】
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