CN101393063B - 一种内燃机用集成式燃烧压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于内燃机燃烧控制及传感器领域，具体涉及一种内燃机用集成式燃烧压力传感器，解决现有技术中压电元件依靠预紧力压紧在整个系统中，使整个系统容易受到外界振动及温度变化的干扰等问题，具有精度高、抗干扰性强、成本低等特点，它是可集成于现有内燃机部件内的压力传感器。它由一个或多个压电测力元件、至少一个刚性连接元件、至少一个柔性连接元件、至少一个内燃机功能元件、一个壳体及若干附件组成，压电元件一端连接于刚性连接元件，另一端连接于内燃机功能元件，刚性连接元件连接于刚性壳体上，内燃机功能元件通过柔性连接元件连接于壳体上。本发明安装于内燃机靠近燃烧室的位置，用于内燃机燃烧压力的测量。

Description

一种内燃机用集成式燃烧压力传感器

技术领域：

本发明属于内燃机燃烧控制及传感器领域，具体涉及一种内燃机用集成式燃烧压力传感器。

背景技术：

为了进一步降低汽车能耗，减少污染，汽车内燃机控制系统迫切需要实时测量燃烧状况，以对燃烧过程进行更好地控制。在燃烧过程的各物理参数中，燃烧压力能准确反应燃烧过程，又最便于测量。

现代的汽车发动机结构极为紧凑，对发动机结构的任何改变都将影响到发动机的性能，所以燃烧压力的测量最好能集成于现有的零部件中。在现有的发动机技术范围内，汽油发动机的火花塞和柴油发动机的电热塞都是适合集成压力传感器的元件。

迄今欧美日的多家厂商都开展了燃烧压力传感器的研发。已开发成功的有瑞士Kistler公司、奥地利AVL公司及美国PCB公司。但这些传感器都工艺复杂，价格昂贵，只适用于发动机试制阶段在实验室内使用。德国Bosch公司、西门子公司、日本NGK公司、Denso公司、美国Federal Mogul公司、Delphi公司都在致力于开发低成本的燃烧压力传感器，国际相关专利如下：DE 102004011097；DE 102004024341B3；DE 102004043874；DE 102004063750；DE 102005017802；DE 102005016462A1；DE 102005016463 A1；DE 102005016464A1；DE 102005017802A1；DE 102005021229A1；DE 10218544；DE 10227371A1；DE 10332960；DE 10343521；DE 10346295；DE 10346330；DE 10347216A1；DE 19680912；DE19901795B4；DE 69809345T2；EP 126985A1；EP 1500879A1；EP 1582722B1；EP 1624249 A2；EP 989367B1；EP 989368B1；FR 2855896；FR 2884298；FR2884299；JP 59085932；WO 06032152A1；WO 06089446A1。

迄今已发表的专利除了德国BERU公司的方案外都基于压电原理。但所有解决方案中压电元件都是依靠预紧力压紧在整个系统中，此时整个系统容易受到外界振动及温度变化的干扰，当系统预紧力变化时，测量特性也会随之改变。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种内燃机用集成式燃烧压力传感器，解决现有技术中压电元件依靠预紧力压紧在整个系统中，使整个系统容易受到外界振动及温度变化的干扰等问题，具有高精度、抗干扰性强、低成本等特点，它是可集成于现有内燃机部件内的压电式压力传感器。

本发明的技术方案如下：

一种内燃机用集成式燃烧压力传感器，安装于内燃机靠近燃烧室的位置，传感器设有一个或多个压电测力元件、一个壳体、至少一个内燃机功能元件、至少一个刚性连接元件、至少一个柔性连接元件；压电测力元件一端连接于刚性连接元件，另一端连接于内燃机功能元件，刚性连接元件连接于壳体上，内燃机功能元件通过柔性连接元件连接于壳体上。

所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，压电测力元件以烧结或钎焊或粘接的方式一端连接于刚性连接元件上，另一端连接于内燃机功能元件；刚性连接元件以烧结或钎焊或粘接方式连接于壳体上，内燃机功能元件通过柔性连接元件以烧结或钎焊或粘接方式或借助压紧力的方式连接于壳体上。

所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，所述压电测力元件在其远离燃烧室一端通过一个或多个刚性连接元件与刚性壳体相连；所述内燃机功能元件通过柔性连接元件与刚性壳体在刚性壳体靠近燃烧室一端相连。

所述压电元件以烧结或钎焊或粘接的方式连接于其它元件上。压电元件指以一种或多种压电材料制成的具有适合测力功能的形状及大小的元件。压电材料可以是压电陶瓷、压电水晶、磷酸镓(GaPO₄)单晶体或其它具有压电性能的材料。

所述的烧结方式指在利用高温将被连接元件结合在一起并使其在内燃机用集成式燃烧压力传感器的工作状态下保持结合的工艺。

所述的钎焊方式是指利用不同于被连接元件的材料的金属材料在高温熔解时将被连接元件连接在一起并使其在内燃机用集成式燃烧压力传感器的工作状态下保持结合的工艺。

所述的粘接方式是利用不同于被连接元件的材料的非金属材料将被连接元件连接在一起并使其在内燃机用集成式燃烧压力传感器的工作状态下保持结合的工艺。

所述的非金属材料指高分子聚合物材料、或金属氧化物、或非金属氧化物、或氮化物、或碳化物材料，或上述材料的混合物。

所述的高分子聚合物材料为环氧树脂、或聚醚醚酮、或其它在200摄氏度以内不会融化或分解的高分子聚合物材料。

所述的金属氧化物或非金属氧化物材料以粉末或纤维形式混合入其它粘结材料中，其颗粒或纤维直径小于200微米，最好小于50微米。

所述金属氧化物为氧化铝、或氧化铁、或氧化锆(ZrO₂)、或氧化镁、或氧化钙、或氧化锂、或氧化锌、或其它金属氧化物、或上述物质的混合物。

所述的非金属氧化物为氧化硅、或氧化硼、或其它非金属氧化物、或上述材料的混合物。

所述的氮化物为氮化硅、或氮化硼、或氮化铝、或其它氮化物、或上述材料的混合物。

所述的碳化物为碳化硅、或碳化钨、或其它碳化物、或上述材料的混合物。

所述的内燃机功能元件为电热塞、或火花塞、或燃油喷嘴、或其它内燃机内能实现除压力测量外其他一种或几种辅助或检测或启动内燃机燃烧过程的功能或其它可改善内燃机工作状态或内燃机工作时不可缺少的功能、且与内燃机内燃烧气体有直接或间接接触的元件。

所述的柔性连接元件除去与其它元件连接部分，为一薄型膜片结构、或其它具有保证柔性连接元件在燃烧压力正方向的刚度小于其垂直于燃烧压力正方向刚度的结构。

所述的薄型膜片结构特征在于，其膜片厚度为0.1至0.8毫米。

所述的薄型膜片结构特征在于，除去与其它元件连接结构外，其外径大于其厚度的5倍。

所述的薄型膜片结构特征在于，当其中间有孔为环形结构时，除去与其它元件连接结构外，其外径与内径之差的一半，即环形宽度大于其厚度的2倍。

所述的柔性连接元件由碳钢、或不锈钢、或陶瓷、或石墨、或铜合金、或铝合金、或其它在400摄氏度以内不会融化或分解的材料制成。

所述的压电(测力)元件在其远离燃烧室一端通过一个或多个刚性连接元件与刚性壳体相连。刚性连接元件在燃烧压力正方向的总刚度是柔性连接元件在燃烧压力正方向的刚度的10倍或10倍以上。

本发明的有益效果是：

1、本发明放弃了以预紧力保证压电元件受力状态的方案，而采用烧结、钎焊或粘接的方法保证压电元件的受力，减小了系统内压力，降低了成本，提高了系统可靠性。

2、本发明以一个或多个柔性连接元件在不影响系统测量精度的情况下减小外界噪声、振动、温度及燃烧气体的影响。

3、本发明将测力元件置于传感器内靠近燃烧室的位置，使系统固有频率提高，可以减小信号噪声。

A.通过本发明测得的燃烧压力信号可以使发动机控制系统更有效地优化燃烧过程，提高燃烧效率，降低油耗及污染。

B.通过本发明测得的燃烧压力信号可以使发动机控制系统通过燃烧状况实时辨别燃油种类及质量，适用于使用替代燃料的发动机，在燃油质量不稳定的情况下仍然保证低油耗及低排放。如使用生物柴油和普通柴油的发动机，或使用酒精类燃料和汽油或氢气的发动机都可以通过燃烧压力信号来判断目前使用的燃料种类，对燃烧过程进行优化。美国、中国、印度和大部分亚洲及拉美地区的柴油质量都不稳定，通过对燃烧压力信号的分析可以调整发动机工作状态，以适应当前使用的燃油。

C.通过本发明测得的燃烧压力信号可以优化发动机的噪声，减小噪声污染，改善乘坐舒适性，延长发动机及整车寿命。

D.通过本发明测得的燃烧压力信号可以替代一些发动机中的传感器，如汽油发动机中的爆震传感器(Knock Sensor)，柴油发动机中的氧化氮(NOx)传感器，可以降低发动机制造成本。

E.通过本发明测得的燃烧压力信号可以最大限度地提高发动机的功率及升功率。在发动机设计时因为要考虑到制造误差及磨损状况对于发动机的最大功率都预留了一个较大的安全系数。而通过燃烧压力信号可以判断出发动机系统是否已经过载，从而可以最大限度地利用发动机的潜能。

F.通过本发明测得的燃烧压力信号可以监测发动机其它部件的工作状况，如柴油发动机中高压共轨系统的压电陶瓷高压阀会随时间出现性能衰退，通过对燃烧压力的监测可以识别这一变化并进行补偿，以使燃油喷射时间及喷射量保持在预设状态。

G.对于汽油直喷及汽油压燃式发动机(HCCI)及氢气内燃机，通过燃烧压力信号可以直接避免爆震，从而使其燃烧过程可控。

附图说明：

图1为本发明内燃机用集成式燃烧压力传感器原理图之一。

图2为本发明内燃机用集成式燃烧压力传感器原理图之二。

图3为实施例-集成于电热塞的柴油发动机的燃烧压力传感器。

图4为本发明柔性连接元件结构示意图。

图5为图4的A-A剖视图。

图6为以本发明涉及的燃烧压力传感器测得的某柴油发动机在一个工作循环内燃烧压力信号与标准燃烧压力信号的对比。

图中，1发动机气缸盖；2内燃机功能元件；3壳体；4刚性连接元件；5电热杆；6柔性连接元件；7压电元件；8发动机气缸；9柔性连接元件上的连接结构(凸环)；10基准燃烧压力传感器所测得的某柴油发动机燃烧压力信号；11本发明涉及燃烧压力传感器所测得的某柴油发动机燃烧压力信号；12上述两种信号的差值。

具体实施方式：

如图1-图2所示，本发明所述集成式燃烧压力传感器组成部件有压电(测力)元件7、刚性连接元件4、柔性连接元件6、壳体3、内燃机功能元件2及其他附件如信号传输、信号处理、供电线路等等。压电元件7以烧结或钎焊或粘接方式一端连接于刚性连接元件4，另一端连接于内燃机功能元件2，如电热塞或火花塞，刚性连接元件4以烧结或钎焊或粘接方式连接于刚性壳体3上。内燃机功能元件2直接或通过功能元件的附件，如功能元件的壳体，或功能元件的其他部分通过柔性连接元件6以烧结或钎焊或粘接方式或借助压紧力的方式连接于壳体3上。

刚性连接元件4的刚度应远大于柔性连接元件6的刚度，刚性连接元件4在燃烧压力正方向的总刚度与柔性连接元件在燃烧压力正方向的刚度(即变形与受力的比值)之比应≥10。

压电元件7可以布置于传感器整体径向方向的中心位置上，其信号的传输及内燃机功能元件的信号或电流或电压的传输可以布置在其外围(图1)；压电元件7也可以为环形或多个压电元件以星形布置在传感器整体径向方向的外围，其所测信号及内燃机功能元件的信号或电流或电压可以通过中间的空间传输(图2)。

如图3所示，集成于电热塞的柴油发动机的燃烧压力传感器，本实施例所述燃烧压力传感器集成于柴油发动机的电热塞中。

本实施例所述压电元件7可以为压电陶瓷或压电晶体(如石英)，其工作温度应在150摄氏度以上，最好能在200摄氏度以上。压电元件7以耐高温高强度胶粘接于刚性连接元件4及电热杆5上。耐高温高强度胶的工作温度在150摄氏度以上，最好能在200摄氏度以上。胶中可混合一定量的金属氧化物或非金属氧化物或碳化物或氮化物或上述物质的混合物，以改善其高温性能。刚性连接元件4以金属或陶瓷或其他高强度材料制成，以焊接或粘接或高温钎焊方式连接于壳体3上。电热杆5钎焊或粘接于柔性连接元件6上，柔性连接元件6焊接或粘接于壳体3上。燃烧压力传感器安装于发动机气缸盖1上，电热杆5部分伸入发动机气缸8内。发动机运转时其气缸内的燃烧压力F作用于电热杆5上，并通过电热杆5传至压电元件7形成测量信号。压电元件7粘接于刚性连接元件4及电热杆5上可以保证力传递的均匀性、准确性及在各部件受热膨胀时保证力的传递。

柔性连接元件6为一0.1至0.8mm厚的环形金属或工程陶瓷膜片，柔性连接元件6内沿可带有适于与电热杆5连接的柔性连接元件上的连接结构(凸环)9，可保证柔性连接元件6与壳体3及电热杆5连接更加紧密，如图4-图5所示。此膜型结构保证柔性连接元件在燃烧压力F正方向的刚度小于其垂直于燃烧压力F正方向的刚度，可在不影响燃烧压力测量精度的情况下有效避免发动机振动和热膨胀对信号精度的影响。

图6显示，以本发明涉及燃烧压力传感器所测得的某柴油发动机燃烧压力信号11与基准燃烧压力传感器所测得的此柴油发动机燃烧压力信号10完全吻合(所示为一个工作循环)，上述两种信号的差值12近似于零。

本发明中，压电测力元件可以是一种或多种压电材料制成的具有适合测力功能的形状及大小的元件，压电材料可以为压电陶瓷、压电水晶、磷酸镓单晶体或其它具有压电性能的材料。

本发明中，烧结方式可以是在高温环境下将不同的材料结合在一起并使其在内燃机用集成式燃烧压力传感器的工作状态下保持结合的工艺；钎焊方式可以是利用不同于被连接元件的材料的金属材料在高温熔解时将被连接元件连接在一起并使其在内燃机用集成式燃烧压力传感器的工作状态下保持结合的工艺；粘接方式可以是利用不同于被连接元件的材料的非金属材料将被连接元件连接在一起并使其在内燃机用集成式燃烧压力传感器的工作状态下保持结合的工艺。

本发明中，非金属材料可以为高分子聚合物材料、或金属氧化物、或非金属氧化物、或氮化物、或碳化物材料，或上述材料的混合物；所述高分子聚合物材料为环氧树脂、或聚醚醚酮、或其它在200摄氏度以内不会融化或分解的高分子聚合物材料；所述的金属氧化物为氧化铝、或氧化铁、或氧化锆、或氧化镁、或氧化钙、或氧化锂、或氧化锌、或其它金属氧化物、或上述物质的混合物；所述的非金属氧化物为氧化硅、或氧化硼、或其它非金属氧化物、或上述材料的混合物；所述的氮化物为氮化硅、或氮化硼、或氮化铝、或其它氮化物、或上述材料的混合物；所述的碳化物为碳化硅、或碳化钨、或其它碳化物、或上述材料的混合物；所述金属氧化物或非金属氧化物材料以粉末或纤维形式混合入其它粘结材料中，其颗粒或纤维直径小于200微米。

本发明中，内燃机功能元件可以为电热塞、或火花塞、或燃油喷嘴、或其它内燃机内能实现除压力测量外其他一种或几种辅助或检测或启动内燃机燃烧过程的功能或其它可改善内燃机工作状态或内燃机工作时不可缺少的功能、且与内燃机内燃烧气体有直接或间接接触的元件。

本发明中，柔性连接元件可以由碳钢、或不锈钢、或陶瓷、或石墨、或铜合金、或铝合金、或其它在400摄氏度以内不会融化或分解的材料制成；除去与其它元件连接部分，为一薄型膜片结构、或其它具有保证柔性连接元件在燃烧压力正方向的刚度小于其垂直于燃烧压力正方向刚度的结构；除去与其它元件连接结构外，其外径大于其厚度的5倍；当其中间有孔为环形结构时，除去与其它元件连接结构外，其外径与内径之差的一半，即环形宽度大于其厚度的2倍。

Claims (9)

1.一种内燃机用集成式燃烧压力传感器，其特征在于：安装于内燃机靠近燃烧室的位置，传感器设有一个或多个压电测力元件、一个壳体、至少一个内燃机功能元件、至少一个刚性连接元件、至少一个柔性连接元件；压电测力元件一端连接于刚性连接元件，另一端连接于内燃机功能元件，刚性连接元件连接于壳体上，内燃机功能元件通过柔性连接元件连接于壳体上；所述柔性连接元件具有保证柔性连接元件在燃烧压力正方向的刚度小于其垂直于燃烧压力正方向刚度的结构；具体为一圆形或圆环形薄型膜片结构，膜片厚度为0.1至0.8毫米；膜片外径大于其厚度的5倍；所述薄型膜片结构，当其中间有孔为圆环形结构时，其内沿带有适于与内燃机功能元件相连接的凸环，其外径与内径之差的一半，即环形宽度大于其厚度的2倍。

2.根据权利要求1所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，其特征在于：压电测力元件以烧结或钎焊或粘接的方式一端连接于刚性连接元件上，另一端连接于内燃机功能元件；刚性连接元件以烧结或钎焊或粘接方式连接于壳体上，内燃机功能元件通过柔性连接元件以烧结或钎焊或粘接方式或借助压紧力的方式连接于壳体上。

3.根据权利要求1所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，其特征在于：所述压电测力元件在其远离燃烧室一端通过一个或多个刚性连接元件与壳体相连；所述内燃机功能元件通过柔性连接元件与壳体在壳体靠近燃烧室一端相连；内燃机功能元件与柔性连接元件与燃烧气体直接接触。

4.根据权利要求2所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，其特征在于：所述的烧结方式指在高温环境下将不同的材料结合在一起并使其在内燃机用集成式燃烧压力传感器的工作状态下保持结合的工艺；所述的钎焊方式是指利用不同于被连接元件的材料的金属材料在高温熔解时将被连接元件连接在一起并使其在内燃机用集成式燃烧压力传感器的工作状态下保持结合的工艺；所述的粘接方式是利用不同于被连接元件的材料的非金属材料将被连接元件连接在一起并使其在内燃机用集成式燃烧压力传感器的工作状态下保持结合的工艺。

5.根据权利要求1所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，其特征在于：压电测力元件指以一种或多利压电材料制成的具有适合测力功能的形状及大小的元件，压电材料为具有压电性能的材料，具体为压电陶瓷、压电水晶、磷酸镓单晶体。

6.根据权利要求4所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，其特征在于：所述的非金属材料指高分子聚合物材料、或金属氧化物、或非金属氧化物、或氮化物、或碳化物材料，或上述材料的混合物；所述高分子聚合物材料为在200摄氏度以内不会融化或分解的高分子聚合物材料，具体为环氧树脂、或聚醚醚酮；所述的金属氧化物为氧化铝、或氧化铁、或氧化锆、或氧化镁、或氧化钙、或氧化锂、或氧化锌、或上述物质的混合物；所述的非金属氧化物为氧化硅、或氧化硼、或上述材料的混合物；所述的氮化物为氮化硅、或氮化硼、或氮化铝、或上述材料的混合物；所述的碳化物为碳化硅、或碳化钨、或上述材料的混合物；所述金属氧化物或非金属氧化物材料以粉末或纤维形式混合入粘结材料中，其颗粒或纤维直径小于200微米。

7.根据权利要求1所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，其特征在于：所述内燃机功能元件为内燃机内能实现除压力测量外的一种或几种辅助或检测或启动内燃机燃烧过程的功能或改善内燃机工作状态或内燃机工作时不可缺少的功能、且与内燃机内燃烧气体有直接或间接接触的元件，具体为电热塞、或火花塞、或燃油喷嘴。

8.根据权利要求1所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，其特征在于：所述柔性连接元件由在400摄氏度以内不会融化或分解的材料制成，具体为碳钢、或不锈钢、或陶瓷、或石墨、或铜合金、或铝合金。

9.根据权利要求1所述的内燃机用集成式燃烧压力传感器，其特征在于：所述压电测力元件在其远离燃烧室一端通过一个或多个刚性连接元件与壳体相连，刚性连接元件在燃烧压力正方向的总刚度是柔性连接元件在燃烧压力正方向的刚度的10倍或10倍以上。

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