CN102539065A - 用于内燃机的压力测量塞 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于测量内燃机压力的压阻型压力测量塞(1)。压力测量塞包括塞体(2)和感测结构(4)。塞体包括带螺纹的塞体部(2a)和密封塞体部(2b)，所述带螺纹的塞体部包括用于将塞体拧入内燃机的汽缸的外螺纹，所述密封塞体部形成塞的末端且被构造成用于在塞体和内燃机之间提供密封。塞体还包括位于带螺纹的塞体部和密封塞体部之间的感测体部(2c)。感测体部由整体件制成且包括筒状体部(2c1)、移动部(2c2)和感测结构。感测结构形成筒状体部和移动部之间的连接且允许移动部相对于筒状体部沿筒状体部的筒轴线(6)移动。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的压力测量塞，该压力测量塞包括塞体和感测结构，其中该塞体包括带螺纹的塞体部和密封塞体部，该带螺纹的塞体部包括用于将塞体拧入内燃机的汽缸的外螺纹，该密封塞体部形成塞的末端且被构造成用于在压力测量塞和内燃机之间提供密封。更具体地，本发明涉及一种用于内燃机的压阻式压力测量塞。
背景技术
未来用于柴油机和四冲程发动机的先进燃烧技术策略依赖于在整个内燃机循环(压缩-燃烧-排气循环)期间来自每个汽缸的精确压力反馈。这些策略可以包括或不包括HCCI(均质混合压燃)燃烧，并且能导致需要快速和精确压力响应的高的压力释放速率。
从EP2138819A1中已知上面提到的类型的压力测量塞。移动杆被布置在塞体中。感测结构被以此方式布置在杆和塞体之间，使得感测结构受到存在于汽缸的燃烧室中压力的作用，以便所述杆将汽缸的燃烧室中的压力传递给感测结构。所述杆被布置在塞体中以便可相对于塞体以滑动方式沿轴向方向位移，从而燃烧室中的压力导致加热杆相对于塞体轴向运动，由于该运动，感测结构受到力的作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种没有上面提到的现有技术的局限中的至少之一的改进的压力测量塞。本发明的另一目的是提供一种压力测量塞，它具有至少以下特征之一：可靠、制造成本低、对于苛刻压力介质的耐久性和/或坚固性并且耐内燃机常有的高温和振动。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的压力测量塞来实现。实施本发明的有利实施例和其它方式可以通过从属权利要求所提到的措施来实现。
根据本发明，压力测量塞包括塞体，所述塞体包括位于带螺纹的塞体部和密封塞体部之间的感测体部。所述感测体部由整体件制成且包括筒状体部、移动部和感测结构。所述感测结构形成所述筒状体部和所述移动部之间的连接且当内燃机的燃烧室或汽缸中的压力变化时允许所述移动部相对于所述筒状体部沿所述筒状体部的筒轴线移动。
这些特征使得制造具有较少部件的压力测量塞成为可能。与EP2138819A1中示出的装置相比，感测结构是塞体一部分的一体部件，且不需要通过环状焊接将感测结构联接到塞体。此外，不需要通过焊接将移动杆联接到感测结构。因为所需要进行的焊接少，所以处理步骤数减少，因而压力测量装置的生产成本下降。与塞体的一部分组合成整体件的感测结构的又一优势是：不再有承受作用于杆的压力所引起的应力的焊接处。这提高了塞的寿命。塞体的密封塞体部必需在塞体和内燃机之间形成密封。因此，将压力测量部分别联接到塞体的带螺纹的塞体部和密封塞体部的焊接不承受介质压力所引起的应力。塞体的压力感测部被夹在塞体的带螺纹的塞体部和密封塞体部之间。
在一个实施例中，感测体部的筒状体部具有比带螺纹的塞体部和/或密封塞体部的厚度大的厚度。这些特征使得根据本发明的压力测量塞对于安装和扭矩力的影响显著地更不敏感。
在一个实施例中，压阻元件被附接到感测结构的环形表面，其中环形表面处于与所述筒轴线垂直的平面中。更特别地，感测结构包括孔以形成所述环形表面，其中所述孔与所述移动部对齐。而且，所述孔位于所述感测结构的中心。在一个实施例中，所述感测结构的中心与所述塞体的筒轴线重合。这些特征改进了压阻元件所附接的表面中的应力的分布，使得感测结构对测量压力更敏感。
在一个实施例中，所述感测结构中的孔是沿筒轴线穿过所述感测结构和所述移动部延伸的通孔。该特征使得制造适用于不同应用的感测体部成为可能。例如，通过在通孔中附接虚设杆，感测体部可用于仅测量压力的塞中。通过在通孔中附接发热杆，感测体部可用于组合的压力测量和发热塞中。通过在通孔中附接温度传感器，感测体部可用于组合的压力/温度测量塞中。
在一个实施例中，所述感测体部包括环形凹部，所述环形凹部被构造成用于接收所述带螺纹的塞体部的端部、将所述感测结构定位在所述带螺纹的塞体部中且在所述感测结构和所述带螺纹的塞体部之间提供环形空间。这些特征提供对于将带螺纹的塞体部焊接到感测体部而造成的热冲击较不敏感的感测体部。
在进一步的实施例中，所述环形凹部还在所述感测体部中在所述筒状体部和所述感测结构之间设置去应力槽。这些特征进一步减小压力测量塞对于安装和塞体中的扭矩力的敏感度。
在一个实施例中，所述感测体部是相对于所述塞体的筒轴线同心的元件。该特征使得环形表面中的应力围绕筒轴线均匀分布，使得对压阻元件的布局的要求较不苛刻。
在一个实施例中，所述感测体部是金属注射成型部件。以此方式，感测体部能够容易地高精度制造。此外，与通过金属切割工艺由不锈钢整体件制造的情形相比，通过注射成型制造感测体部的材料成本较低。
在一个实施例中，所述压力测量塞还包括带有外第一边缘和内第二边缘的环形膜片。所述第一边缘被焊接到所述筒状体部的外缘。所述第二边缘被焊接到所述移动部。所述环形膜片在所述筒状体部和所述移动部之间提供密封。该膜片保证感测结构的移动部能够无摩擦地在筒状体部中沿轴向方向移动且保护感测结构不承受燃烧过程导致的极端温度。该膜片还限定了压力敏感区域。
显然，本专利申请中提到的各方面可以相互组合，且每个方面都可以分开考虑以进行分案申请。以下，结合以示例方式示出本发明优选实施例的各特征的附图，详细描述本发明以阐明本发明的其它特征和优势。
附图说明
在下文，基于以下参照附图对典型实施例所进行的详细描述，说明本发明的上述以及其它方面、属性和优势及细节，相同的附图标记表示相同或相应的部件，其中：
图1是根据本发明的压力测量塞的第一实施例的剖面图；
图2是图1中示出的感测体部和膜片的透视图；以及
图3是根据本发明的压力测量塞的第二实施例的剖面图。
具体实施方式
参照附图，图1示出根据本发明制造的改进的压力测量塞1的第一实施例。仅示出压力测量塞的从螺纹到塞顶部的部分。未示出压力测量塞的从螺纹直到连接器的部分，因为本发明不依赖于该部分。同样，未示出可被设置在塞体中的PWB(印刷线路板)上的传感器电子元件。
在图1中示出的实施例的示例中，塞体2包括通过焊接机械地连接在一起的带螺纹的塞体部2a、感测体部2c和密封塞体部2b。密封塞体部2b被设置在燃烧室侧，该密封塞体部2b具有密封锥形体2b1，借助于该密封锥形体2b1压力测量塞在汽缸头处与燃烧压力密封隔离开。带螺纹的塞体部2a包括外螺纹以将压力测量塞1拧入内燃机中的通向燃烧室的开口。
感测体部2c由整体件制成且包括筒状体部2c1、感测结构4和移动部2c2。感测结构4在面向带螺纹的塞体部2a的一侧将移动部2c2与筒状体部2c1联接。筒状体部2c1的面向外部的表面形成塞体的外侧的一部分。压阻元件10被附接到感测体部2c的感测结构4的环形表面4a。环形表面4a处于与筒轴线6垂直的平面中。
感测结构4包括孔4b以形成环形表面中的中央开口。孔4b与移动部2c2的轴线6对齐。应该注意，感测体部2c的对称轴线6与移动部2c2的本体轴线和筒状体部2c1的本体轴线重合。
感测体部2c包括被构造成用于接收带螺纹的塞体部2a的端部的环形凹部2d。当带螺纹的塞体部的端部被接收在环形凹部中时，感测结构4位于带螺纹的塞体部2a中。感测结构4和带螺纹的塞体部2a的内侧之间的环形空间改进了测量塞的测量性能。
环形凹部2d进一步在感测体部2c中在筒状体部2c1和感测结构4之间形成去应力槽(decoupling groove)2e。以此方式，感测结构4和筒状体部2c1之间的材料的刚度被减小。这减小压力测量塞相对于安装作用力的敏感度。当两个部分被焊接在一起时，在冷却之后，在焊接区域将产生一些应力。通过去应力槽2e和/或通过将感测结构4定位在离焊接区域一定距离处能够减小该应力。
从图1可看出，感测体部2c的筒状体部2c1具有比带螺纹的塞体部和/或密封塞体部的环形壁的厚度大的厚度。
感测体部2c能够由金属注射成型MIM工艺或金属切割工艺制造。已经发现MIM工艺是减小制造成本的经济有效的工艺。
感测体部包括用于接收塞体2的密封塞体部2b的另一环形凹部2f。环形凹部2f进一步被构造成形成感测体部2c的外缘以接收柔性环形膜片12。环形膜片12是S形膜片且包括第一边缘12a和第二边缘12b。第一边缘12a的轮廓环绕第二边缘12b的轮廓。第一边缘12a被焊接到筒状体部2c的外缘。第二边缘12b被焊接到移动体部2c2。环形膜片12在筒状体部2c和移动体部2c2之间提供密封且保护感测结构4免遭燃烧室内的苛刻环境，更具体地，保护安装在感测结构上的感测元件10免遭热燃烧气体。膜片12进一步减小移动部的末端的径向移动，这改进了感测结构4的测量性能。
图2是图1中示出的感测体部2c和膜片12的透视图。感测体部2c和膜片12是同心部件。利用MIM工艺来获得感测体部2c能够改进感测体部2c的同心度。
附图中示出的压力测量塞以如下方式工作。由于活塞的燃烧压力或压缩压力，移动部2c2相对于感测体部2c的筒状体部2c1沿轴线6方向位移。感测结构4的环形表面4a将变形，引起表面应力。附接到表面4a的压阻传感器、金属丝应变仪或类似的感测元件10将感测应力值，传感器电子元件将从该应力值确定代表作用在塞上的压力的值。
因而，感测结构4将移动部2c2的轴向移动转换成径向方向的表面应变。当移动部2c2沿对称轴线6的轴线方向移动时，安装在感测结构4的环形表面上的压阻元件10提供代表在径向方向上的表面应变的电阻变化。
膜片12优选由金属材料制成，并且例如通过径向圆周填角焊缝或径向圆周贯通焊缝而被机械连接到移动部2c2和筒状体部2c1。连接还能够通过激光焊接、压接、模锻、钎焊、压配合等方式实现。膜片12可以是图1或图3中示出的膜片形式，或者是波纹管状密封件的形式(未示出)。
图3示出根据本发明的压力测量塞1的第二实施例，该实施例与图1和图2中示出的第一实施例具有多个共同点。第一实施例中的实心移动部2c2被包括用于对杆进行定位的纵向通孔8的细长交接体2c2’代替。所述杆可以是虚设杆、发热杆、测温杆、火花塞。通孔8终止于感测结构4的中心孔4b中的那侧。
第二实施例使得能够在压力测量塞被加工完成之前(即，在加热杆、测温杆或虚设杆被焊接到中空移动部2c2’之前)对压力测量塞进行校准。这允许制造出经校准的压力测量塞子组件，而另一制造商能够通过将所需的杆安装到该子组件中而完成该塞，即，获得组合的压力测量/发热塞、组合的压力和温度测量塞或带有虚设杆的压力测量塞。由于将杆安装到细长交接体不在感测结构中引起偏移或敏感度偏移，所以不需要额外的校准。因此，可以通过利用临时密封构件封闭通孔8而在将最终杆焊接到传感器之前进行压力校准。可以对设有可拆卸密封构件的塞进行压力校准。通过拆卸该密封构件而获得经校准的压力测量塞子组件，该经校准的压力测量塞子组件可以由第三方通过将最终杆焊接到细长交接体2c2’的自由端来完成，因而为通孔8提供必要的封闭。附接最终杆以及将最终塞安装在内燃机中不影响塞的压力测量部的性能，这使得在利用塞产生的压力信号控制内燃机之前不需要后续校准。
应该注意，细长交接体2c2’可以由通过激光焊接、压接、模锻、钎焊、压配合等方式机械连接的两个或更多部分制成。在这种情况下，感测体部2c包括筒状体部2c1、感测结构4和短移动部。然后将细长中空交接体在短中空移动部的背离感测结构4的端部附接到短中空移动部，以获得具有与图3示出的实施例相同的性能的结构。
根据本发明，燃烧压力作用于杆的外表面上。作用在杆和膜片12上的压力由中空移动部2c2’传递到感测结构4且以这种方式转换成作用在感测结构4上的力。由于压力改变，移动部2c2’沿其纵向轴线6移动。
带螺纹的塞体部2a和密封塞体部2b优选由具有高抗性的不锈钢制成，例如具有高强度和硬度、优秀的抗腐蚀性并易于热处理的沉淀硬化不锈钢。
感测体部2c能够通过金属注射成型MIM工艺制造。应变仪可以是通过微型机电系统(MEMS)工艺制造的微熔硅应变仪，并且可以被玻璃粘接(glass-bond)到感测结构4。膜片12优选由非常适合在极端环境中工作的抗氧化、抗腐蚀材料制成。因科内尔合金(Inconelalloy)是这种材料的示例。
显然，此前描述的用于体现本发明的措施可以分开实施、并行实施或者以不同组合实施，如果适当，也可以补充其它措施；在此情况下，实施最好视装置应用的领域而定。应该注意，尽管已经通过说明本发明的方式描述了本发明的具体实施例，本发明还包括落入所附权利要求的范围内的所有变型和等同发明。
Claims (11)
1.一种用于内燃机的压力测量塞(1)，所述压力测量塞包括塞体(2)和感测结构(4)，其中所述塞体包括：
带螺纹的塞体部(2a)，所述带螺纹的塞体部包括用于将所述塞体(2)拧入所述内燃机的汽缸的外螺纹；
密封塞体部(2b)，所述密封塞体部形成所述压力测量塞(1)的末端且被构造成在所述压力测量塞和所述内燃机之间提供密封；
其特征在于：
所述塞体还包括位于所述带螺纹的塞体部(2a)和所述密封塞体部(2b)之间的感测体部(2c)，其中所述感测体部(2c)由整体件制成且包括筒状体部(2c1)、移动部(2c2)和所述感测结构(4)，其中所述感测结构(4)形成所述筒状体部(2c1)和所述移动部(2c2)之间的连接且允许所述移动部(2c2)相对于所述筒状体部(2c1)沿所述筒状体部(2c1)的筒轴线(6)移动。
2.如权利要求1所述的压力测量塞，其中压阻元件(10)被附接到所述感测结构(4)的环形表面(4a)，所述环形表面(4a)处于与所述筒轴线(6)垂直的平面中。
3.如权利要求2所述的压力测量塞，其中所述感测结构(4)包括孔(4b)以形成所述环形表面，其中所述孔(4b)定位成与所述移动部(2c2)对齐。
4.如权利要求3所述的压力测量塞，其中所述孔(4b)是沿所述筒轴线(6)穿过所述感测结构(4)和所述移动部(2c2)延伸的通孔(8)。
5.如权利要求1所述的压力测量塞，其中所述感测体部(2c)包括环形凹部(2d)，所述环形凹部被构造成用于接收所述带螺纹的塞体部(2a)的端部、将所述感测结构定位在所述带螺纹的塞体部(2a)中且在所述感测结构(4)和所述带螺纹的塞体部(2a)之间提供环形空间。
6.如权利要求5所述的压力测量塞，其中所述环形凹部(2d)还在所述感测体部(2c)中在所述筒状体部(2c1)和所述感测结构(4)之间形成去应力槽(2e)。
7.如权利要求1所述的压力测量塞，其中所述感测体部的所述筒状体部具有比所述带螺纹的塞体部和/或所述密封塞体部的厚度大的厚度。
8.如权利要求1所述的压力测量塞，其中所述感测体部(2c)是沿所述筒轴线(6)的同心元件。
9.如权利要求1所述的压力测量塞，其中所述感测体部(2c)是金属注射成型部件。
10.如权利要求1所述的压力测量塞，其中所述压力测量塞还包括环形膜片(12)，其中第一边缘被焊接到所述筒状体部(2c1)的外缘，且第二边缘被焊接到所述移动体部(2c2)，以在所述筒状体部(2c1)和所述移动体部(2c2)之间提供密封。
11.一种包括如权利要求1所述的感测体部(2c)的技术特征的压力感测元件。
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