CN102686948B - 带金属指部的预加热火花塞 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预加热火花塞。该预加热火花塞包括：·管状主体（2）；·指部（4），该指部安装在所述管状主体（2）的内部，并在所述主体的端部处凸出到该主体外；以及·压力传感器（8）；·膜（28），所述膜在所述主体（2）和所述指部（4）之间延伸，允许在所述指部（4）和所述主体（2）之间的相对纵向移动。所述压力传感器（8）布置在一方面的第一支持部件（38）和第二支持部件（40）之间，其中所述第一支持部件通过第一管状部件（20，20’）与所述指部（4）在所述膜（28）的附近连接，而所述第二支持部件则通过第二管状部件（22）与所述主体（2）连接。

Description

带金属指部的预加热火花塞

技术领域

本发明涉及预加热火花塞，该预加热火花塞包含用于测量内燃机气缸内部压力的力传感器。

背景技术

在内燃机中，特别是在柴油机中，每个气缸一般都包括预加热火花塞，该预加热火花塞允许加热所述气缸的燃烧室，特别是在发动机启动的时候。这种预加热火花塞布置在攻丝的孔中，该孔穿过发动机的气缸盖。该预加热火花塞一方面包括设有外部螺纹的主体，另一方面包括用于在燃烧室中延伸的指部，其中所述外部螺纹能够与设置在孔中的内螺纹配合，在所述指部中放置有预加热电极。

已知在这种预加热火花塞中包含力传感器，最经常是包含压电传感器。实际上，注意到，获知在每个气缸内部的压力的数值允许更好地控制在发动机内部的燃烧的进行。该信息特别地被用于调节燃料在每个气缸中的喷射。由此可以优化发动机的燃料消耗，并减少污染性排放。

该传感器可以布置在火花塞的预加热指部的紧上方。

文档FR-2 884 299提出一种预加热火花塞，该预加热火花塞包括：管状主体，该管状主体带有用于将其固定在孔中的固定区域和火花塞头部；安装在火花塞主体与火花塞头部相对的端部处的指部；以及力传感器。在这种预加热火花塞中，指部被固定在火花塞主体上使得指部在连接区域中固定在火花塞主体上，并且火花塞主体在其与指部的连接区域和其固定在孔中的固定区域之间具有可以弹性变形的部分，使得所述连接区域可以移动并可以相对于假设为固定的固定区域来纵向地移动。该可弹性变形部分可以通过材料（相对于固定区域）的薄化来获得。力传感器则布置在一方面的固定在连接区域上的元件和另一方面的火花塞的固定元件之间。

由此，可弹性变形的部分充当将火花塞主体分成两个部分的膜，即固定部分和可动部分，其中固定部分用于安装在气缸盖中，而可动部分则受到发动机气缸中的压力。该膜可以变形，而可动部分纵向地移动。该取决于气缸中压力的移动然后被传递给力传感器，该力传感器因此可以给出关于施加在火花塞指部上的压力的指示。指部、膜和力传感器等由此构成力传感器。膜的移动不受气缸盖中或火花塞主体剩余部分中的应力影响。因此，力传感器的测量独立于这些应力。

文档FR-2 884 299中所述的预加热火花塞包括由陶瓷制成的加热指部。这种指部具有35mm的标准长度和3.3mm的外部直径，即相对于常见金属加热指部是减小的尺寸，所述常见金属加热指部的长度大约为50mm，外部直径大约为4mm。

常见金属加热指部的尺寸理论上似乎与在类似于文档FR-2 884 299中所述的预加热火花塞的预加热火花塞中包含这种金属指部不兼容，这是由于指部在燃烧室内部凸出的长度必须受限。为了解决这些问题，可以考虑设计新的缩短长度的金属加热指部，但这种指部的设计和制造成本，以及该指部预加热性能的可能的降低，导致要放弃这一解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种包含有力传感器的预加热火花塞，该预加热火花塞具有文档FR-2 884 299中所述的预加热火花塞的优点，并且还能够接收已知的标准金属加热指部。

本发明的另一目的在于提出一种包含有力传感器的预加热火花塞，该预加热火花塞相对于已知的火花塞在压力测量方面具有更好的可靠性和/或准确性和/或灵敏度。优选地，该预加热火花塞允许来自于燃烧室的热量良好地排出，以限制在压力传感器处的温度。而且，有利地，该火花塞的指部的振动不会干扰由传感器所进行的压力测量。

为此，本发明提出一种预加热火花塞，该预加热火花塞包括：

管状主体；

指部，该指部安装在管状主体的内部，并且在该主体的端部处凸出到主体外；以及

压力传感器；

膜，该膜在主体和指部之间延伸，允许指部和主体之间的相对纵向移动。

根据本发明，压力传感器布置在一方面的第一支持部件和第二支持部件之间，其中所述第一支持部件通过第一管状部件在膜的附近与指部连接，而第二支持部件则通过第二管状部件与主体连接。

这种火花塞的结构完全是创新性的。该结构允许围绕金属指部（直径为4mm，长度为50mm）来包含压力传感器和用于将燃烧室中的压力传递到该传感器的装置。所提出的结构允许不使用（或不太使用）指部和电极——其中所述电极也称为芯，为指部供电——来传递由该指部所受的压力施加在指部上的力。

一个优选的实施形式设置成第一管状部件在第二管状部件的内部延伸。

可以设置成：膜固定在第一连接区域上，该第一连接区域允许将膜固定在指部上，而第一管状部件则通过第二连接区域来固定在指部上，其中所述第二连接区域布置在离第一连接区域小于10mm处，优选地布置在离第一连接区域小于7mm处。在指部和第二管状部件之间的连接区域的附近将第一管状部件连接在指部上允许摆脱指部的弹性，并限制在指部中通过的力。理想地，上述距离为零。

有利地，第一管状部件比第二管状部件传导更少的热量。在这种情况下，可以设置成：这两个管状部件为金属圆柱形部件；第一管状部件的壁的厚度包括在0.05mm和0.2mm之间，而第二管状部件的壁的厚度则包括在0.4mm和1mm之间。

在一个特别地限制部件数量的优选变型中，第一管状部件在第一端部处口径缩小并且焊接在指部上，并在其第二端部处承载第一支持部件，该第一支持部件自由地围绕为指部供电的电极安装。

对于第二管状部件，可以设置成：第二管状部件在第一端部处焊接在膜上，并且其第二端部承载环形的第二支持部件，该第二支持部件自由地围绕为指部供电的电极安装。在这种情况下，第二管状部件例如在其第一端部处固定在主体上。

为了作用于指部的固有频率模式并且为了避免这些模式干扰压力传感器的测量，可以用例如硅胶的材料来在一方面的压力传感器、第一支持部件、第二支持部件和另一方面的为指部供电的电极之间进行填充。同样地，还可以用合成材料来填充，以保证围绕为指部供电的电极以及围绕其他从主体出来的导体的密封性。

最后，本发明涉及一种内燃机，特别是柴油机，该内燃机包括如上所述的预加热火花塞。

附图说明

本发明的细节和优点在以下参照所附示意图给出的说明中将变得显而易见。在这些附图中：

图1为根据本发明的火花塞主体的纵向剖视图；

图2为图1放大的并还带有填充的细节图；

图3为图1另一放大的细节图；

图4至图10为透视图，这些透视图示出允许实现根据本发明的预加热火花塞的优选实施形式的安装方法；以及

图11为示出力传递给压力传感器的示意图。

具体实施方式

图1以纵向剖视图示出了根据本发明的预加热火花塞。传统地，该预加热火花塞包括主体2、指部4、芯6、和压电传感器8。

在本说明的以下内容中，将在以下位置上描述预加热火花塞：在该位置上，呈现出大致竖直的纵向方向，指部4在火花塞的下部凸出到主体2外。因此，以下所用的“下”和“上”以及类似的形容词是参照该火花塞位置的。

因此，火花塞的下部用于位于内燃机的气缸中，而也称为火花塞头部10的火花塞的上部用于凸出到所述内燃机的气缸盖外。

在图1中，示意性地示出主体2。该主体为管状主体。在图1中，该主体具有圆柱形形状。这里没有示出允许将火花塞螺固在内燃机气缸盖攻丝的孔（同样未示出）中的螺纹。传统地，火花塞头部10还包括一个部分，该部分具有外轮廓呈六边形的截面，由此允许火花塞在气缸盖中的夹持和螺固和/或解除螺固。本领域的技术人员已知这种装置，这里例如参照前序部分所引举的文档FR-2 884 299的图1，该图1示出了设有这种固定和夹持装置的火花塞头部。

有时也被称为壳的主体2在图1中所示出的区域即其下部中例如具有大约为0.6mm的壁厚。

注意到在其下端部处，主体2通过环形部件12来延长，该环形部件的安装将在下文说明。该环形部件12具有圆锥形的下边缘。该圆锥形端部14用于与对应的在气缸盖中实现的圆锥配合，以实现密封性。当火花塞被插紧到对应的攻丝孔中时，环形部件12的圆锥形端部14支在对应的在气缸盖中实现的圆锥上，由此允许借助于夹紧火花塞来实现火花塞主体和气缸盖之间的良好的密封性。

指部4相对于主体2同轴地安装，并从主体2和环形部件12凸出，由此构成预加热火花塞的下部。指部4凸出的部分用于位于发动机的燃烧室内。

该指部4为“传统的”金属加热指部。该指部包括布置在套管18内部的电阻16。电阻16由芯6来供电，该芯在主体2中延伸，并从该主体2的上部出来。

注意到在一方面的指部4和芯6与另一方面的主体2之间存在另外两个管状部件。因此，在指部4的上部和芯6的下部的周围有第一管和第二管，其中所述第一管以下称为弹性管20，而第二管以下称为接口22。

图3示出了弹性管20和接口22在其下部的安装。

图1和图3示出了弹性管20的第一实施形式（第二实施形式在图5和之后的附图中示出）。

在图1和图3的实施形式中，环24焊接在指部4的套管18上。该环24在其外表面上具有肩部26，该肩部接收弹性管20的下部。该弹性管20支在环24上，并与指部4同轴地安装在离该指部一定距离处。在弹性管20的下边缘和环24之间同样进行了焊接。

注意到在图1和图3中，接口22借助于以下称为膜28的部件来安装在指部4上。该膜28具有连接区域30，该连接区域的形状为适于指部4的外表面的圆柱形管状，使得允许将膜28用力安装在指部4的套管18上。在该第一连接区域30与指部4或更确切地说指部4的套管18之间进行激光焊接。

允许弹性管20和指部4之间的连接的区域将称为第二连接区域32。在图1和图3的实施形式中，该第二连接区域因此位于环24处。

设置了第三连接区域，以将膜28连接到接口22上。该第三连接区域34在膜28的圆柱形管状部分处实现。该第三连接区域34的直径比第一连接区域30的大，并且该第三连接区域被布置在第一连接区域30上方。第一连接区域30通过严格意义上的膜与第三连接区域34连接。该膜具有弯曲区域，用于将第一连接区域30连接到第三连接区域34上。

该严格意义上的膜，因其形状及其制造所用的板材厚度而得名，具有允许第一连接区域30相对于第三连接区域34移动的相对柔韧性，如下所述，其中所述的第三连接区域假设为固定的。严格意义上的膜的柔性因此允许指部4相对于主体2纵向移动，而该主体本身也被假设为固定的。

作为说明性示例，可以例如指出，当火花塞被安装在发动机中时，第一连接区域30和第三连接区域34之间的相对位移大约为2μm。更一般地，膜的弹性使得该膜允许当在固定于第一连接区域30上的指部上施加1bar的压力时，第一连接区域30相对于第三连接区域34移动大约0.01μm。更一般地，可以例如预见：对于施加在指部4上的1bar的压力，第一连接区域30和第三连接区域34之间的相对位移包括在0.005μm和0.02μm之间。

图2则示出了压电传感器8的安装。

该压电传感器包括压电陶瓷36，该压电陶瓷被安装在第一支持环38和第二支持环40之间。

第一支持环38为圆柱形环，该圆柱形环像塞子那样安装在弹性管20的上端部。在第一支持环38的周边实现有肩部，以允许相对于弹性管20完美地定位该环。这两个部件例如借助于激光焊接来相互焊接在一起。第一支持环38呈管状，并让芯6在其中间自由地通过。

压电陶瓷36直接支在第一支持环38上。接触件42以传统的方式位于压电陶瓷36的上方，特别地允许获得由压电陶瓷36提供的电信号。这里，接触件42具有在其下端口径扩大的管状，该口径扩大部分与压电陶瓷36接触。

第二支持环40借助于绝缘环44支在接触件42上。

第二支持环40具有适于接口22的内直径的外直径，并被安装在该接口22的上端部的内部。接口22和第二支持环40例如通过激光焊接来相互焊接在一起。在该焊接之前并在焊接过程中在第二支持环40上施加预应力，以使压电陶瓷36受到预应力。

这里要注意，相对于现有技术的大多数设有压力传感器的预加热火花塞，力在这里不是由指部4和芯6来传递。压电陶瓷36的预应力不是通过在芯6上施加拉力或是拧紧接合在芯6的螺母来实现，而是通过直接支在传感器上来实现。

如在示出了本发明的一个优选实施变型的图2中可以注意到的，在压电传感器8处实现了填充。在所示出的优选实施形式中，围绕芯6倾注硅胶46，以特别地填充指部4上方在一方面的芯6和另一方面的接触件42、压电陶瓷36、第一支持环38和弹性管20的上部之间的自由空间。

在火花塞的主体2的上部中，还进行了合成材料的填充48，以实现预加热火花塞主体2和从该火花塞出来的导体（其中包括芯6）之间的密封性。

为了更好地示出根据本发明的火花塞的结构，图4至图10示出了一种方法的一部分，该方法允许获得所述火花塞的一个优选实施形式。

在所示出的方法中，从指部4及其芯6开始。如上所述，这里是金属指部，而不是陶瓷指部。相对于陶瓷指部，金属指部一般具有更大的体积，但特别地具有价格更低的优点。然后，弹性管20’被套在指部4上。这里示出了一个实施变型。弹性管20’实际上对应于图1和图3的弹性管20和环24。这里，弹性管20’在其下端部处口径缩小。因此，在运行方面与上述第一实施变型完全相同。弹性管20’被用力装合在指部4上，并例如通过激光焊接来焊接在指部4上。

然后，膜28被安装在指部4上。因此，例如通过激光焊接来将该膜28的第一连接区域30焊接在指部4上。该第一连接区域30优选地尽可能接近位于在弹性管20’和指部4之间实现的焊缝处的第二连接区域32。理想地，第一连接区域30与第二连接区域32重合。默认情况下，力图使分隔第一连接区域30和第二连接区域32的距离最小化。该距离例如小于10mm，优选地小于7mm。关于第一连接区域30和第二连接区域32之间的相对位置的说明同样适用于图1和图3的实施例。因此，在该第一实施例中，第一连接区域30和第二连接区域32之间的距离优选地小于10mm，并优选地小于7mm。这里可以考虑分隔在指部4上实现的焊缝的距离。

随后的步骤在于安装第一支持环38，该第一支持环被从火花塞的上方围绕着芯6来套上，以套接在弹性管20’的上部中。然后在第一支持环38和弹性管20’之间实现优选地为激光焊接的焊接。接着的步骤进行接口22的安装，该接口将抵靠在膜28上，并例如通过激光焊接在第三连接区域34处焊接到该膜上。接口22安装好后可以安装压电传感器8。因此，按照以下顺序围绕芯6套上压电陶瓷36、接触件42、绝缘环44和第二支持环40。该第二支持环安装在接口22内部，预应力将第二支持环40向下压，即向着第一支持环38压。在接口22和第二支持环40之间的焊接允许在压电陶瓷36上维持预应力。

附图没有示出主体2、环形部件12的安装，也没有示出在火花塞头部10处实现的填充。

如图1至图3所示，接口22在其下部具有周边卡环50。主体2安装在该周边卡环50上方，并抵靠该周边卡环，而环形部件12则安装在该周边卡环50下方，并同样抵靠该卡环。

以下同样参照图11来说明根据本发明的带压力传感器的预加热火花塞的运行。该图非常示意性地示出了用于实现测量气缸中压力的各个元件。待测量的压力由箭头52来表示。该压力施加在这里用直线来简单地表示的指部4上。这里假设发动机的气缸盖是固定的。预加热火花塞与该气缸盖在实现于主体2外部的螺纹和圆锥形端部14处接触。

这里，在图11的左部示出了带有附图标记54的气缸盖。

这里假设整个主体2都是固定的，因为在该主体上没有施加任何应力，而且该主体被安装在两个固定区域（即环形部件12及其未示出的螺纹）之间。因此，接口22的下部和第三连接区域34同样也是固定的（因为紧邻主体2）。

在图11中，同样非常示意性地示出了弹性管20（或20’）、压电传感器8和接口22。在图11的另一侧同样示出了膜28。

如图11所示，注意到膜28将气缸盖54连接到指部4上，第三连接区域34与气缸盖54刚性接触。与膜28平行的，有接口22、压电传感器8和弹性管20（或20’）。

作为（非限制性）数值示例，这里可以给出几个数量级。这里假设：

管20（或20’）的测量灵敏度K20包括在10和20N/μm之间；

压电传感器8的测量灵敏度K8包括在200和250N/μm之间；

接口22的测量灵敏度K22包括在50和100N/μm之间；并且

膜28的测量灵敏度K28包括在100和150N/μm之间。

为了获得这些数值，假设例如弹性管20（或20’）的壁的厚度大约为0.1mm，而接口22的壁的厚度则大约为0.5mm。这里，重要的是，弹性管20（或20’）比接口22薄。

如果还假设膜28允许第一连接区域30相对于第三连接区域34每bar的压力大约移动0.01μm，则对于在燃烧室中的200bar的最大压力，可以得到大约为30N的施加在压电传感器上的力。

因此，若采用具有大约为20pC/N的灵敏度的压电陶瓷36，则系统的灵敏度大约为3pC/bar。

具有小的壁厚度的弹性管20（或20’）允许限制通过该弹性管20（或20’）传导热量。在所示出的实施形式中，估计来自于燃烧室的热量中大约90%通过经过膜28被向着气缸盖排出。因此保护了压电传感器8。

此外，关于测量，注意到施加在压电陶瓷36上的预应力朝向与待测量的力相反的方向。因此，由此限制了在测量压力时在压电陶瓷36处的总体应力。

硅胶46和填充48的存在允许影响指部4和芯6的共振模式。这里可以不考虑压电传感器8的通频带的固有模式，该通频带一般在5kHz以下。

本发明不限于上述的优选实施形式及其变型。本发明还涉及本领域的技术人员所能实现的所有实施变型。

因此，例如，如上所述，可以想到在预加热火花塞的指部上的同一位置连接弹性管和膜。

可以通过改变弹性管的形状来取消允许将弹性管连接到火花塞的指部上的环；同样地，可以考虑将膜包含到接口上。

在所述的实施形式中，假设火花塞的外壳分为两个部分：主体和环形部件。对于根据本发明的火花塞，同样可以考虑由一个部分组成的外壳。

Claims (11)

1.一种预加热火花塞，所述预加热火花塞包括：

管状主体（2）；

指部（4），所述指部安装在所述管状主体（2）的内部，并在所述管状主体的端部处凸出到该管状主体外；以及

压力传感器（8）；

膜（28），所述膜在所述管状主体（2）和所述指部（4）之间延伸，允许所述指部（4）和所述管状主体（2）之间的相对纵向移动，

所述压力传感器（8）布置在第一支持部件（38）和第二支持部件（40）之间，其中所述第一支持部件通过第一管状部件（20，20’）与所述指部（4）在所述膜（28）附近连接，而所述第二支持部件则通过第二管状部件（22）与所述管状主体（2）连接，所述预加热火花塞的特征在于，所述第一管状部件（20，20’）在所述第二管状部件（22）的内部延伸。

2.如权利要求1所述的预加热火花塞，其特征在于，所述膜（28）固定在第一连接区域（30）上，所述第一连接区域允许将所述膜（28）固定在所述指部（4）上，所述预加热火花塞的特征还在于，所述第一管状部件（20，20’）通过第二连接区域（24）固定在所述指部（4）上，其中所述第二连接区域布置在距离所述第一连接区域（30）小于10mm处。

3.如权利要求1和2中任一项所述的预加热火花塞，其特征在于，所述第一管状部件（20，20’）比所述第二管状部件（22）传导更少的热量。

4.如权利要求3所述的预加热火花塞，其特征在于，所述两个管状部件（20，20’；22）为圆柱形金属部件，所述预加热火花塞的特征还在于，所述第一管状部件（20，20’）的壁的厚度包括在0.05mm和0.2mm之间，而所述第二管状部件（22）的壁的厚度则包括在0.4mm和1mm之间。

5.如权利要求1所述的预加热火花塞，其特征在于，所述第一管状部件（20’）在第一端部处口径缩小并且焊接在所述指部（4）上，所述预加热火花塞的特征还在于，所述第一管状部件的第二端部承载所述第一支持部件（38），所述第一支持部件围绕为所述指部（4）供电的电极（6）自由地安装。

6.如权利要求1所述的预加热火花塞，其特征在于，所述第二管状部件（22）在第一端部处焊接在所述膜（28）上，所述预加热火花塞的特征还在于，所述第二管状部件的第二端部承载所述第二支持部件（40），所述第二支持部件围绕为所述指部（4）供电的电极（6）自由地安装。

7.如权利要求6所述的预加热火花塞，其特征在于，所述第二管状部件（22）在其第一端部处固定在所述管状主体（2）上。

8.如权利要求1所述的预加热火花塞，其特征在于，在所述压力传感器（8）、第一支持部件（38）、第二支持部件（40）与为所述指部（4）供电的电极（6）之间使用硅胶（46）材料进行填充。

9.如权利要求1所述的预加热火花塞，其特征在于，使用合成材料进行填充，以保证围绕为所述指部（4）供电的电极（6）的密封性以及围绕其他从所述管状主体（2）出来的导体的密封性。

10.如权利要求2所述的预加热火花塞，其特征在于，所述第二连接区域（24）布置在距离所述第一连接区域（30）小于7mm处。

11.一种内燃机，其特征在于，所述内燃机包括如权利要求1至10中任一项所述的预加热火花塞。

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