(57)【要約】【課題】測定精度／熱衝撃反応及び耐用年数が最適化される圧力センサを提供すること。【解決手段】圧力室２内、より詳細には内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するための圧力センサ１において、縦軸Ａ及び内部空間４を備えるセンサ・ハウジング３と、センサ・ハウジング３の内部空間４に配置される測定要素５と、膜６を圧力室側でセンサ・ハウジング３の端部に連結する周縁部７を有し、圧力室側でセンサ・ハウジング３の内部空間を封止する、回転対称的に設計される膜６とを含む。膜６は、測定要素５と相互作用する中央プランジャ８と、可撓性の環状膜セグメント９とを有し、環状膜セグメント９は、プランジャ８を膜６の周縁部７に連結する。環状膜セグメント９は、圧力室側で、一定の材料厚の凸状の円弧１０として設計されるものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力室（２）内、より詳細には内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するための圧力センサ（１）であって、前記圧力センサ（１）は、縦軸（Ａ）及び内部空間（４）を備えるセンサ・ハウジング（３）と、前記センサ・ハウジング（３）の前記内部空間（４）に配置される測定要素（５）と、回転対称的に設計される膜（６）であって、前記膜（６）を前記圧力室側で前記センサ・ハウジング（３）の端部に連結する周縁部（７）を有し、前記圧力室側で前記センサ・ハウジング（３）の前記内部空間を封止する、膜（６）とを含み、
前記膜（６）はさらに、前記測定要素（５）と相互作用する中央プランジャ（８）と、前記プランジャ（８）を前記周縁部（７）に連結する可撓性の環状膜セグメント（９）とを備える、圧力センサ（１）において、
断面で見たときの前記環状膜セグメント（９）は、前記圧力室側で、一定の材料厚の凸状の円弧（１０）として設計されることを特徴とする圧力センサ（１）。
【請求項２】
前記圧力室側で、前記円弧（１０）の径方向内側端点（Ｐ１）が、前記円弧（１０）の径方向外側端点（Ｐ２）に比べて前記縦軸（Ａ）に沿って前記内部空間（４）の方向に後退して配置されることを特徴とする、請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記圧力室側で、前記周縁部（７）が前記円弧（１０）の頂点（Ｓ１）を介して前記縦軸（Ａ）の方向に突出することを特徴とする、請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
前記圧力室側で、前記環状膜セグメント（９）の前記周縁部（７）への移行において周囲リセス（１１）が形成されることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項５】
前記円弧が、３０度から１２０度、好ましくは５５度から９０度の角度（α）を包囲することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項６】
前記リセス（１１）が、その径方向外縁部で、前記周縁部（７）の前記圧力室側の表面（１６）に対して９０度から１６０度、好ましくは１２０度から１３０度の鈍角（γ）を形成することを特徴とする、請求項４に記載の圧力センサ。
【請求項７】
前記内部空間で、前記円弧（１０）の延長の前記外側端点における接線が、前記センサ・ハウジングの前記縦軸（Ａ）に対して１０度から８０度、好ましくは３０度から４０度の開口角度（β）を形成することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項８】
前記内部空間での前記円弧（１０）の内側の延長において、前記プランジャ（８）がアンダーカット（１４）を有することを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項９】
前記膜（６）の前記縦軸（Ａ）の方向で、前記プランジャ（８）及び／又は前記周縁部（７）が前記円弧（１０）の前記材料厚より厚いことを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項１０】
前記圧力室側で、前記プランジャ（８）の中央上方に、前記環状膜セグメント（９）によって範囲が定められる中央トラフ（１３）が、本質的に平坦又は円形のベースを備えて形成されることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか一項に記載の圧力センサ。
【請求項１１】
内燃機関の燃焼室内における、又は内燃衝撃型の用途の、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の圧力センサの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力室内、より詳細には内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するために圧力室側で用いられる圧力センサの膜、及びそのような圧力センサの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧力室内、より詳細には内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するための圧力センサは、測定要素が配置される中空円筒形のセンサ・ハウジングを含むのが典型的である。圧力室すなわち燃焼室側で、燃焼室をセンサの内部空間から離隔する耐熱性で可撓性の膜によって、センサ・ハウジングは封止される。この膜は、燃焼室内に広がる圧力を直接的又は間接的に測定要素に伝達する。
【０００３】
高温且つ急速な温度変動を伴う燃焼室すなわち圧力室用のすべての周知の圧力センサの場合に生じる１つの問題は、いわゆる熱衝撃である。圧力室内の温度変化によって引き起こされる、センサ上の、より詳細には膜における熱膨張及び機械的ストレスは、たとえば膜変形に起因する様々な規模の測定誤差をもたらす可能性があり、これは、計算上困難を伴ってのみ訂正され得る。熱衝撃に対して最適化されている周知の膜は、薄肉で平らな設計の、それゆえに限られた耐用年数しか有しないものである。より厚い実施例は膜の耐用年数を向上させることができるが、これはより大きな剛性を生じ、その結果、より深いセンサ感度をもたらす。同時に、熱衝撃の点から見た場合に、周知の膜のより厚い設計はセンサのより好ましくない挙動をもたらす。
【０００４】
米国特許出願公開第２００４／０２３１４２５号では、形状の異なる膜を備える圧力センサについて記述される。材料の膨張に起因する測定誤差を低減するために、プランジャと固定縁部の間の膜に折り返されたセグメントすなわち波形のセグメントを設けることが提案される。このセグメントが上向きの１つの領域と下向きの１つの領域とを有する点で、熱膨張によるプランジャの上下運動は減少することが意図される。これらの膜の場合の材料は、通常は均一の厚さのものであるか、又はプランジャの領域の中央で最大値である。
【０００５】
ＷＯ２０１０／０４０２３９から、外縁部と内側プランジャとを備える圧力センサ用の膜は周知である。外縁部と内側プランジャとは弾性セグメントによって連結される。米国特許出願公開第２００４／０２３１４２５号と同様に、この弾性セグメントは上向きの領域と下向きの領域とを有する。熱膨張の結果としての測定誤差を低減するために、中央部に最も薄い場所を有し、そこから材料厚が両側に徐々に増すというような方法で、弾性セグメントの材料厚を変えることがさらに提案された。このことは、熱膨張をより良好に相殺することができる可撓性の膜をもたらす。しかしながら、次第に薄くなる膜によって、その強度は弱まり、そのため耐用年数が短縮することが欠点である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０２３１４２５号
【特許文献２】ＷＯ２０１０／０４０２３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、大きな圧力及び温度変動によって圧力室内で高度のストレスがかかっている間、圧力センサの測定精度／熱衝撃反応及び耐用年数を最適化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、請求項１の特徴を備える圧力センサによって達成される。圧力室内、より詳細には内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するための圧力センサは、縦軸及び内部空間を備えるセンサ・ハウジングと、このセンサ・ハウジングの内部空間に配置される測定要素と、回転対称的に設計される膜とを含む。この膜は周縁部を有し、これを介して圧力室側のセンサ・ハウジングの端部に連結、より詳細には溶着され、圧力室側でセンサ・ハウジングの内部を封止する。膜はさらに、測定要素と相互作用する中央プランジャと、可撓性の環状膜とを備える。この環状膜セグメントは、プランジャを膜の周縁部に連結する。断面では、環状膜セグメントは、圧力室側で、一定の材料厚の凸状の円弧として設計される。この凸状の円形の膜は、圧力が弧状構造の堅固性を持続させるので、別の形状の膜よりも外部圧力に対してはるかによく抵抗することができる。もし弧が凹状であれば、この利点は失われるであろう。
【０００９】
圧力室側で、均一の厚さの円弧の径方向内側端点が、円弧の外側端点に比べて縦軸に沿って内部空間の方向に後退して配置されるのが好ましい。このようにして、Ａの軸方向に、円弧の最前部が膜のリム領域よりもさらに突き出ることなく円弧が延長することが可能である。
【００１０】
実際には、回転対称のため、端点はいずれも円形の線上にある。
【００１１】
均一な厚さの円弧として設計される可撓性の膜セグメントを備える膜は、直線部を備える膜と比べてより良い力配分を可能にする。円弧におけるこの均等な力配分は、膜内部のストレスを減少させ、このことは結果として膜の強度に良い影響を及ぼし、それゆえその耐用年数に良い影響を及ぼす。円弧の径方向内側端点／プランジャの圧力室側の表面が後退していると、円弧はより大きな角度（中間点の角度）上に形成され得、このことは円弧の効果をさらに増大させる。後退していることは、所与の円弧の角度（中間点の角度）、たとえば９０度の角度、及び円弧の所与の半径において、内側端点が外側端点と同一場所にあるかのように、膜のより小さな外半径を可能にするという利点も有する。シミュレーションは、内側端点が後退していることによって熱衝撃反応も改善され得、且つ、圧電又は圧電抵抗の測定要素であるのが好ましい測定要素の測定誤差が低減され得るということを示している。
【００１２】
膜の周縁部は、圧力室側へ、縦軸の方向に円弧の頂点を越えて突出し得るのが好ましい。頂点は、縦方向に見て、圧力室に対して最も突出する円弧の点である。極端な場合には頂点は外部端点と一致し得るが、通例としては２つの端点の間に、但し外側端点により近い所に配置される。圧力室に対応する、周縁部の圧力室側の表面に対して円弧の頂点が縦方向に後退していると、膜の残りの部分に対して隆起する縁部が形成される。圧力センサが組み立てられた状態で、円弧は圧力室の内側壁を越えて突出せず、それゆえ厳しい環境に対して、より詳細には燃焼室においてより保護される。周縁部の表面はまた、縦軸に対して垂直であり得る。シミュレーションは、円弧に対して隆起する周縁によって膜の熱衝撃反応が最適化され得るということも示している。
【００１３】
頂点又は頂点の反対側において、周縁部の表面は縦軸に沿って内部空間の方向にずらして配置され得る。これらの場合、組み立てられた状態で、膜が圧力室の壁に対して後退して配置されるように、圧力センサは、センサ・ハウジングを燃焼室の壁から封止し、且つ圧力室側で圧力センサの縦軸の方向に円弧の頂点を越えて突出する封止コーン又は保護スリーブを有するのが好ましい。この封止コーン又は保護スリーブはさらに、圧力センサの残りの部分と比較して隆起する周囲縁を形成する。
【００１４】
圧力室側で、環状膜セグメントの周縁部への移行において、たとえばＵ字形、トラフ形又はＶ字形のリセスなど周囲リセスが形成され得、このことは円弧のさらなる延長すなわちより大きな円弧の角度を可能にする。リセスは、円弧とリセスの間に鋭角を伴わないゆるやかな移行があるという方法で設計されるのが好ましい。リセスは、その径方向外縁部で、周縁部の圧力室側の表面に対して９０度から１６０度、好ましくは１２０度から１３０度の鈍角を形成することができる。この移行は、鋭角、曲線的な縁部又は起伏のある縁部の形状であり得る。
【００１５】
円弧は３０度から１２０度の角度（中間点の角度）にわたることができ、５５度から９０度の角度であることが好ましい。従来の膜と比較して、このような膜は、類似の測定環境下でより大きな強度を示す。
【００１６】
内部空間側での円弧の内側の延長において、プランジャはアンダーカットを有することができ、これはプランジャの内部空間側で測定要素に作用する表面の拡大につながる。
【００１７】
膜の縦軸の方向で、プランジャ及び／又は周縁部は円弧の材料厚より厚く、その結果、環状リングセグメントは最も薄く、それゆえ最も可撓性のあるセグメントとなる。
【００１８】
膜の可能な寸法及び大きさは以下の通り定められ得、それ自体で、又は前述の特徴との任意の組合せで実施され得る。
【００１９】
−  一定の材料厚の円弧は、３０度から１２０度、好ましくは５５度から９０度の角度を包囲する。
【００２０】
−  リセスは、その径方向外縁部で、周縁部の圧力室側の表面に対して９０度から１６０度、好ましくは１２０度から１３０度の鈍角を形成する。
【００２１】
−  内部空間側で、円弧の延長の外側端点における接線が、センサ・ハウジングの縦軸に対して１０度から８０度、好ましくは３０度から４０度の開口角度を包囲する。
【００２２】
−  外側の円弧の半径と膜の外半径との比率は、０．１から０．４、好ましくは約０．２５である。膜は、たとえばスチール、鉄ベース、ニッケルベース、コバルトベース又はチタンベースの合金で製作され得、これは大きな強度及び温度耐性を示す。
【００２３】
本発明はまた、内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するための、上述の特徴を備える圧力センサの使用に関する。この圧力センサはまた、内燃衝撃型の用途で、たとえば急速且つ大きな圧力及び温度変化も生じる圧力室内で使用され得る。
【００２４】
本発明は、図面に関連して実施例の実例を用いて以下に記述される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による圧力センサの膜の実施例の第１の形態の断面図である。
【図２】本発明による圧力センサの膜の実施例の第２の形態の断面図である。
【図３】本発明による圧力センサの膜の実施例の第３の形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１及び図２において、圧力室内、より詳細には内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するための圧力センサ１の膜６の実施例の形態の断面が示される。圧力センサ１は、内部空間４と測定要素５とを備える中空円筒形のセンサ・ハウジング３を含み、測定要素５は、好ましくは、圧電又は圧電抵抗の測定要素であり、内部空間４に配置されている。センサ・ハウジング３及び測定要素５は、部分的にのみ示される。たとえば、電気的連結、又は、センサ・ハウジング上に測定要素を支持することなど、圧力センサの他の要素は示されない。圧力センサ１は、たとえば、エンジン・ブロックの適切な開口に螺合されるか、その他、封止される方法で取り付けられる。図では、圧力室２の内側壁１２は、膜６の領域に破線で示される。
【００２７】
回転対称の膜６は、周縁部７と、中央プランジャ８と、可撓性の環状膜セグメント９とを有する。膜は、周縁部７によって中空円筒形のセンサ・ハウジング３の上縁にしっかりと溶着され、センサ・ハウジング３の内部空間４を圧力室２から封止する。図示される実施例の形態では、膜とセンサ・ハウジングとは、縁部と縁部とが連結される。他の連結、たとえば周方向のシームによる連結も可能である。可撓性の環状膜セグメント９は、周縁部７を中央プランジャ８と連結する。この中央プランジャ８は、測定要素５に相互作用的に連結されており、これによって、圧力室２内の内部圧力の結果として生じる、圧力センサ１の縦軸Ａに沿ったプランジャ８の偏位は、測定要素５によって記録され得る。
【００２８】
断面では、環状膜セグメント９は、圧力室側で、軸方向Ａにおいて最も高い点としての頂点Ｓ１を有する凸状の円弧１０として設計される。この円弧１０は一定の材料厚を有し、周縁部７又は中央プランジャ８よりも薄い。本質的に平坦なベースを備える中央トラフ１３は、プランジャ８の上方に形成され、円弧１０によって範囲が定められる。円弧１０が中央トラフ１３のベースと接触する点において、円弧１０は、圧力室側に径方向内側端点Ｐ１を有する。周縁部７との連結点において、円弧１０は、径方向外側端点Ｐ２を有し、内側端点Ｐ１は、外側端点Ｐ２に対して、縦軸Ａに沿って内部空間４の方向にずらして配置される。円弧１０の頂点Ｓ１は、周縁部７の圧力室側の表面１６よりも低く配置されるのが好ましい。周縁部７の内部空間側の表面１６は、圧力センサ１が組み立てられた状態で、この表面１６が圧力室２の壁１２と本質的に同一平面にあり、円弧１０が圧力室２内に突出しないように、円弧１０を越えて突出するのが好ましい。周縁部７は、周囲縁を形成し、それによって、膜６の残りの部分に対して隆起している。
【００２９】
図１及び図２から、円弧の一定半径によって、円弧１０に包囲される角度α（中間点の角度アルファ）は、内側端点Ｐ１又はトラフ１３のベースをより下方に移動させるという点で拡大され得ることが分かる。円弧の角度は、図１では約１０５度であり、図２では約１２０度である。円弧１０の角度αは、圧力室側の周囲リセス１１が周縁部７の側で径方向内側に向けて形成されるという設計／深さによっても拡大され得る。通例として、リセス１１の最も低い点は、円弧１０の外側端点Ｐ２と本質的に一致する。
【００３０】
図示される実施例の実例では、リセス１１は、その径方向外縁部で、周縁部７の圧力室側の表面１６に対して好ましくは約１３５度の鈍角γを形成する。鋭角は移行において形成される。内部空間側で、円弧１０の延長の端点、又は環状膜セグメント９の周縁部７への移行における接線は、円筒形のセンサ・ハウジングの縦軸Ａ、又は図示される実施例では縦軸Ａに平行して延びる円筒形のセンサ・ハウジング３の内側壁１５に対して約３０度の開口角度βを包囲する。
【００３１】
図２における本発明による実施例の形態では、内部空間側での円弧１０の内側の延長において、プランジャ８はアンダーカット１４を有し、これは内部空間側で測定要素５に作用するプランジャ８の表面積の拡大をもたらす。
【００３２】
図１及び図２に示す実施例の形態とは異なり、図３の実施例の形態における膜６は、ほぼ頂点Ｓ１の所にある縁部７の表面１６を有する。縦軸Ａに沿って、この表面１６は、さらに内部空間４の方向、及び頂点Ｓ１と外側端点Ｐ２の間に配置される高さにずらされ得る。このような実施例の形態では、膜が圧力室２の壁１２に対して後退して配置されるように、圧力センサ１は、圧力室側で縦軸Ａの方向に頂点Ｓ１の上部に突出する封止コーン又は保護スリーブ１７を有する。
【符号の説明】
【００３３】
１  圧力センサ
２  圧力室
３  センサ・ハウジング
４  内部空間
５  測定要素
６  膜
７  周縁部
８  プランジャ
９  環状膜セグメント
１０  円弧
１１  リセス
１２  圧力室の壁
１３  中央トラフ
１４  アンダーカット
１５  内側壁
１６  縁部の表面
１７  封止コーン／保護スリーブ
Ａ  縦軸
Ｐ１  円弧の径方向内側端点
Ｐ２  円弧の径方向外側端点
Ｓ１  円弧の頂点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
2016153790000001.pdf