CN102150026A - 用于测量发动机燃烧室内压力的具有压力传感器的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量内燃发动机汽缸燃烧室内压力的具有压力传感器(11-13)的装置，该装置包括：外部本体(1)；部分延伸在燃烧室内的指销(5)；插在本体内并围绕指销上部分的内套筒(14)，套筒一方面固定于指销而另一方面固定于本体，并在这两个固定区之间具有可弹性变形部分(17)；其特征在于，套筒(14)在延伸于本体上部分的固定区(18)固定至本体(1)。

Description

用于测量发动机燃烧室内压力的具有压力传感器的装置

技术领域

本发明涉及用于测量内燃发动机汽缸内压力的具有压力传感器的装置。

背景技术

在内燃发动机、尤其是狄塞尔型柴油发动机中，每个汽缸一般包括可以特别是在发动机启动时，预热所述汽缸的燃烧室的预热塞。为此，该预热塞包括预热电极容纳在其中并延伸在燃烧室中的指销。

这种预热塞位于穿过发动机汽缸盖的孔腔中。该孔腔一方面在汽缸盖外表面附近包括螺纹，另一方面在限定燃烧室的汽缸盖的内表面附近包括锥形止挡。以互补的方式，预热塞包括本体，该本体一方面具有外螺纹，外螺纹将紧固在孔腔的内螺纹中，以保证通过旋拧将预热塞固定于汽缸盖。该本体另一方面在它的下端部包括锥形座，所述锥形座(在旋拧结束时)支承在孔腔的锥形止挡上并因此密封地封闭燃烧室。

已经知道将压力传感器装入到这种预热塞中。实际上，已注意到，了解每个汽缸内的压力值允许更好地控制在发动机中心的燃烧进行。该信息用于调节燃料喷射到每个汽缸中。因此可以优化发动机的燃料消耗，并减少污染物的排放。

该传感器可以正好位于预热塞的预热指销上方。

作为变型，还已知将传感器装在预热塞的称为预热塞头部的部分中，该部分延伸在汽缸和汽缸盖外，或者将传感器安装在预热塞头部上。该设置一方面允许使用尺寸更大的、因此有更大灵敏度的传感器，另一方面允许使用直径更大的、因此效率更高的预热电极。另外，这样设置的传感器不承受燃烧室的温度。

因此，在这种预热塞中，需要把支配在汽缸燃烧室内的压力传递直到位于所述汽缸外的所述预热塞头部中或头部上的压力传感器。已经提出过不同的安装，以使施加在位于汽缸中的预热指销上的力再被传递给压力传感器。

因此，文献WO 2005/111501提出一种预热塞，该预热塞包括：

-如上面描述的本体、预热指销和压力传感器，所述传感器包括压电元件和位于所述压电元件两侧的两个接触元件；

-插在本体内并围绕预热指销以使预热指销与所述本体隔绝的管形中间构件；该中间构件的下端部固定于预热指销上；所述中间构件另外在本体的座处被固定在本体上；中间构件在这两个固定区之间包括可弹性变形部分，该可变形部分使预热指销可在汽缸内支配的压力变化的作用下轴向移动；因此该可变形部分完全延伸在燃烧室内；

-轴向延伸在预热指销与压力传感器之间、用于把预热指销的移动传递给所述传感器的管形撑隔件；该撑隔件自由安装在中间构件中，并且给预热指销的电极供电的芯体自由穿过该撑隔件。

还知道在某些类型的狄塞尔型柴油发动机(一般为大汽缸工作容量发动机)和汽油型发动机中设置专用于测量发动机汽缸的燃烧室中压力的装置。这类装置包括具有允许其紧固于汽缸盖的部件的本体，并且压力传感器位于该本体内。和预热塞一样，该装置通常还包括延伸在燃烧室内的指销，指销的移动产生轴向力，轴向力由压力传感器测量，从而确定燃烧室内的压力。但是，该指销未设有预热电极。因此它可以具有除“指销”形式以外的各种形式，如暴露在燃烧室内的平板或短柱体。这类装置有时被称为SAPS(“Stand Alone Pressure Sensor”，法文为“capteur de pression isolé”，即独立压力传感器)。本发明也涉及此类压力测量装置。为了简化起见，在下面对根据本发明的预热塞所描述的特征(除只与预热塞的预热功能有关的特征外)也应用于符合本发明的SAPS型的压力测量装置，尽管对其不作明确描述。

发明内容

本发明旨在提供一种用于测量内燃发动机汽缸内压力的包括压力传感器的如预热塞或SAPS型测量装置的装置，该装置的灵敏度相对已知装置、尤其是WO 2005/111501中描述的装置提高。

本发明的另一目标是提出一种更高可靠性的装置。

在下文中，在所述装置具有基本竖直的轴向方向并且指销位于底部分的位置来描述根据本发明的装置。用于描述所述装置的元件或部分的形容词“上”和“下”均参照该特殊位置。

本发明涉及用于测量内燃发动机汽缸燃烧室内压力的具有压力传感器的装置，该装置包括：

-外部本体；

-用于部分地延伸在燃烧室内的指销；

-插在本体内并围绕指销上部分的内套筒，该内套筒一方面固定于指销而另一方面固定于本体，并且套筒在这两个固定区之间具有可弹性变形部分。

根据本发明的装置的特征在于，内套筒在延伸于所述本体上部分的固定区被固定至本体。

内套筒的可弹性变形部分通常可以使指销在燃烧室内支配的压力的作用下移动，并且所述装置有利地包括允许把指销移动产生的轴向力传递给压力传感器的部件，例如下面要描述的刚性撑隔件和保持零件。因此，传感器的灵敏度直接取决于根据指销所承受的压力而内套筒发生变形的幅度。与符合本发明的内套筒相反的是，WO 2005/111501中描述的预热塞的中间构件被固定在本体的座上，即固定在本体的下端部。因此，根据本发明的内套筒可具有比WO 2005/111501的先前的中间构件更长的可变形部分，这大大提高了根据本发明的装置的灵敏度。

根据本发明的装置的本体通常包括允许把装置紧固在设于发动机汽缸盖内的孔腔中的紧固部件如外螺纹。所述装置优选还包括锥形座，锥形座适于支承靠在孔腔的锥形止挡上，以保证密封性。因此，当所述装置安装在汽缸盖中时，所述本体在沿它的轴向方向、即沿汽缸盖厚度方向互相分开的两个区域与汽缸盖连在一起。因此，本体的延伸在紧固部件与本体的座之间的部分承受可能在温度、压力、装置的锁紧力矩或机械荷载作用下会出现的汽缸盖形变。有利的是，在根据本发明的装置中，内套筒固定在本体上的固定区延伸在所述本体的紧固部件上方。因此，汽缸盖的形变不会作用在(构成装置敏感元件的)内套筒上；因此，内套筒的变形只取决于汽缸内存在的压力，这使根据本发明的装置具有很大的可靠性。

有利的是，内套筒的可弹性变形部分完全延伸在本体内。因此，该可弹性变形部分不会暴露于燃烧室的温度，特别是不会暴露于快速温度变化。相反，WO 2005/111501的中间构件的可变形部分延伸在燃烧室中，因此承受可能(在相等压力下)改变其可变形部分的长度、因此可能使压力测量产生错误的热冲击。在根据本发明的装置中避免了此类测量错误，因此装置的可靠性增加。

套筒的下端部优选也延伸在本体内。因此，必要时除了可从本体上端部凸伸(在汽缸外)的套筒上端部外，内套筒完全包含在本体内。

有利的是，根据本发明的装置包括在本体与内套筒之间的缓冲元件，该缓冲元件是导热体并适于缓冲内套筒的径向振动，而这不会阻碍内套筒的轴向变形，并且优选不会把本体承受的轴向力所导致的轴向力传递给内套筒，或者至少最大程度地限制可能传递的轴向力。该缓冲元件一方面允许把内套筒可能吸收的热量排向本体，然后排向汽缸盖。另一方面缓冲元件与内套筒固定于本体的固定区一起能避免内套筒的任何振动模式，而其可能的出现会干扰压力测量。最后，该缓冲元件有利地还适用于实现本体与内套筒之间的密封。

有利的是，该缓冲元件布置成尽可能低，以便避免在本体与内套筒之间形成空腔。因此优选缓冲元件位于内套筒的下端部与本体之间。

有利的是，根据本发明的装置包括固定于内套筒的保持零件如带有外螺纹的螺母，压力传感器的上表面承靠在该保持零件上。换句话说，压力传感器的上表面(通过保持零件)与内套筒连在一起，因此阻止压力传感器向上轴向平动。

另外，所述装置包括被内套筒包围的刚性撑隔件，压力传感器的下表面支承靠着该撑隔件。有利地，内套筒与该撑隔件的下端部连在一起，并且套筒的可弹性变形部分位于撑隔件的下端部与内套筒固定于本体的固定区之间。为此，内套筒例如具有撑隔件的下端部承靠在上的突肩。因此，撑隔件被卡锁在该突肩与压力传感器的下表面之间，传感器的上表面此外通过保持零件相对于内套筒的上端部固定。因此，内套筒的突肩与保持零件共同形成允许将撑隔件的下端部与内套筒连在一起的部件。

符合本发明的装置可以是预热塞。在这种情况下，指销包括加热元件，该加热元件有利地通过自由穿过撑隔件的中心导体被供电。

本发明还涉及内燃发动机，其特征在于内燃发动机包括装有至少一根据本发明装置的至少一汽缸。

附图说明

通过阅读下面参照示意性附图并涉及作为非限定例子提供的优选实施方式的描述，可以了解本发明的其它细节和优点。附图中：

-图1是符合本发明的预热塞的透视示意图，为了显示预热塞的内部而去掉了预热塞的四分之一；

-图2是图1的预热塞的一半的纵剖面图。

具体实施方式

图1和2所示的预热塞包括外部本体1、预热指销5、中心导体8、压力传感器11-13、保持零件15和刚性的撑隔件9，预热指销5的一突起部分延伸在本体1外而另一部分延伸在所述本体内。根据本发明，预热塞还包括套筒14，优选地还包括缓冲元件16。

本体1在其外表面上从下往上依次包括：向上扩大的锥形座4、柱形部分、外螺纹2、向上扩大的锥形部分22，然后是具有六边形横截面的握持区3。六边形的握持区3限定比本体其它部分更宽大的预热塞头部。预热塞用于安装并通过旋拧固定在内燃发动机、例如狄塞尔型柴油发动机的汽缸盖(未示出)中。为此，汽缸盖被穿有通向发动机汽缸燃烧室内的孔腔。该孔腔包括与本体1的外螺纹2相对应的内螺纹(外螺纹2形成将预热塞紧固于汽缸盖的紧固部件)、和适于与所述本体1的锥形座4配合的锥形止挡。借助握持区3将预热塞旋拧在汽缸盖中，握持区3保持在汽缸盖外(即留在发动机外)。旋拧结束时，锥形座4紧紧地贴靠着孔腔的锥形止挡；因此其密封地堵塞孔腔。当预热塞这样安装在汽缸盖中时，预热塞头部在汽缸盖和发动机之外延伸，本体1的其它部分在汽缸盖的厚度部分内延伸，并且指销5的突起部分延伸在汽缸燃烧室内。

预热指销5包括(例如为金属的)加热芯6和保护套7。中心导体8的下端部嵌在指销5的加热芯6的上端部中，以便能够给所述加热芯6提供电能。该中心导体8从指销5直到所述本体的上端部穿过本体1，以便然后从预热塞头部伸出以被连接到供电电缆(未示出)。

套筒14除它的上端部外延伸在本体1内。该套筒从下向上相继包围指销5的上部分、撑隔件9、压力传感器11-13和保持零件15。套筒(从下向上)相继具有：与指销5相对的基本柱形的第一部分、锥形内突肩21(作为变型该突肩可以是平的)、第二柱形部分、基本沿着本体1的锥形部分向上扩大的锥形部分、在预热塞头部处的第三柱形部分，其中所述第二柱形部分的壁具有面积小于第一柱形部分面积的横截面。套筒的突肩21延伸在指销5的上方，优选直接在指销上端部以上。

套筒14一方面在固定区19固定于指销5。为此，指销5的上部分压插在套筒中，和/或通过锁紧配合在套筒中。套筒14另一方面在固定区18固定至本体1，固定区18延伸在所述本体的上部分，更确切地延伸在本体上端部，在预热塞头部处和因此在所述本体的外螺纹2上方。可以通过使套筒锁紧配合在本体中或者通过旋拧得到该固定，在这种情况下，本体1和套筒14分别包括互补的内螺纹和外螺纹。在所述固定区18和19之间，套筒相对于本体是自由的。另外，在套筒的突肩21与其用于固定至本体的固定区18之间，套筒14包括可弹性变形部分17。

压力传感器11-13包括位于导电材料制的两个接触元件12和13之间的环形的压电元件11。压电元件11与接触元件12和13，连同下面描述的撑隔件9，每个都具有用于使中心导体8无摩擦通过的中心孔。

管形的撑隔件9从下向上相继包括：(向上扩大的)锥形下端部、柱形部分、基本沿着套筒14锥形部分的锥形部分，然后是柱形上端部，撑隔件借助其锥形部分朝压力传感器11-13的方向扩大。撑隔件9的上端部具有用于承靠于压力传感器的上支承表面。该上支承表面与接触元件13的下表面基本对应(支承表面承靠着接触元件的下表面)。撑隔件9的(锥形)下端部支承在套筒14的(锥形)突肩21上。在该下端部以外，撑隔件9相对于套筒14是自由的：撑隔件与套筒之间存在径向间隙，用以允许套筒的可弹性变形部分17发生变形。

压力传感器由保持零件15向上方轴向锁紧，保持零件15可以是拧在设于套筒14内的相应内螺纹中的带有外螺纹的螺母。因此，撑隔件9和压力传感器11-13形成的整体被卡锁在保持零件15与套筒14的突肩21之间。保持零件15一方面被装配成使在保持零件15、接触元件12、压电元件11、接触元件13、撑隔件9和套筒突肩21之间没有出现任何间隙，另一方面被装配成使压电元件11具有给定预负荷，即在没有施加在指销5上的压力情况下所述压电元件在给定范围内受到压缩。

附图中所示的装置最后包括位于套筒14的下端部与本体1之间的是导热体的缓冲元件16。为此，本体1有利地具有接纳缓冲元件16的内突肩。该缓冲元件适于减缓套筒14的径向振动，而不妨碍套筒的轴向变形，也不给套筒传递约束本体1的汽缸盖的形变产生的轴向力。

当所示的预热塞安装在发动机汽缸盖中时，相应汽缸的燃烧室中支配的压力在指销5上施加轴向力(在压力增加的情况下向上施加，或者在压力减小的情况下向下施加)。该力通过指销5被传递到套筒14的下端部，因此套筒的可弹性变形部分17发生变形。该变形使撑隔件9成比例移动。该移动改变撑隔件的支承表面通过接触元件13施加在压电元件11上的压力。压电元件11把它接收的压力转换为电场，从而在接触元件12、13中产生信号。因此该信号代表汽缸内支配的压力。

根据本发明，套筒14具有大长度的可弹性变形部分17，该可弹性变形部分既不承受燃烧室的温度，也不承受汽缸盖的形变。因此，它的变形只取决于施加在指销5上的压力。符合本发明的预热塞提供准确和可靠的结果。另外，不需要在把预热塞安装在汽缸盖中之后校准测量传感器，套筒14的变形不取决于施加于预热塞的锁紧力矩。

本发明可以相对于所示实施方式进行许多变型，只要这些变型也属于权利要求书所限定的范围内。

例如，根据本发明的预热塞可以包括陶瓷预热指销。

另外，撑隔件可以直接靠置于指销的上表面上，因此与指销连在一起。在这种情况下，套筒的可弹性变形部分可以延伸在指销上表面与套筒在本体上固定的区域之间。

作为变型，压力传感器可以直接设置在指销的上方，并且撑隔件可以位于所述传感器的上方，卡锁在传感器(在下)和保持零件(在上)如所示螺母15之间。还是在这种情况下，套筒的可弹性变形部分可以延伸在指销上表面与套筒在本体上的固定区之间。但是，该方案没有所示方案有利，因为它要求使用尺寸更小的压力传感器，这会影响它的灵敏度。

Claims (10)

1.用于测量内燃发动机汽缸燃烧室内压力的具有压力传感器(11-13)的装置，所述装置包括：

-外部本体(1)；

-用于部分地延伸在所述燃烧室内的指销(5)；

-插在所述本体内并围绕所述指销的上部分的内套筒(14)，所述套筒一方面固定于所述指销而另一方面固定于所述本体，并且在这两个固定区之间具有可弹性变形部分(17)；

其特征在于，所述套筒(14)在固定区(18)固定于所述本体(1)，所述固定区延伸在所述本体的上部分。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述本体(1)包括允许把所述装置紧固在设于发动机汽缸盖内的孔腔中的紧固部件(2)；并且，所述套筒固定于所述本体的所述固定区(18)延伸在所述紧固部件(2)上方。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述套筒的所述可弹性变形部分(17)完全延伸在所述本体(1)内。

4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述套筒(14)的下端部延伸在所述本体(1)内。

5.如权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括在所述本体(1)与所述套筒(14)之间的缓冲元件(16)，所述缓冲元件(16)是导热体并适于减缓所述套筒的径向振动，而不妨碍所述套筒的轴向变形。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述缓冲元件(16)位于所述套筒(14)的下端部与所述本体(1)之间。

7.如权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括由所述套筒环围的刚性的撑隔件(9)；并且，所述套筒(14)与所述撑隔件(9)的下端部连在一起，所述套筒的可弹性变形部分(17)位于所述撑隔件的下端部与所述套筒固定于所述本体的所述固定区(18)之间。

8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括固定于所述套筒(14)的保持零件(15)，所述压力传感器(11-13)的上表面承靠于所述保持零件(15)。

9.如权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述指销(5)包括通过中心导体(8)被供电的加热元件(6)。

10.内燃发动机，其特征在于所述内燃发动机包括装配有至少一如权利要求1至9中任一项所述的装置的至少一汽缸。

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