CN105466694A - 一种集缸压测量和碳烟检测的探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集缸压测量和碳烟检测的探测装置，包括火花塞(1)，在所述火花塞(1)上设有采集检测缸压的缸压传感器(102)及用于捕捉采集燃烧室内火焰发光信号的观测窗口(103)，在所述火花塞(1)上端设有分别输出缸压信号及光信号的缸压通讯线(108)和光纤通讯线(107)。此发明可便捷高效的测量发动机缸压和缸内碳烟形成，结构简单，便于携带安装，应用在发动机台架试验和整车道路试验过程中，从而可根据测量情况针对性的对发动机燃烧系统进行优化设计。
Description
技术领域
本发明属于发动机技术领域，特别是火花塞点火汽油发动机领域，更具体地说，涉及一种发动机缸压和缸内碳烟形成测量的探测装置。
背景技术
在目前发动机开发过程中，我们为了了解发动机的运行情况，特别是缸内燃烧情况是否满足设计要求，是否达到发动机性能和排放要求，因此我们需要对缸内的压力和燃烧情况进行实时监测，以保证我们能够真正获得缸内燃烧情况，从而在发动机开发过程中通过优化控制策略来优化和设计更加可靠的燃烧系统。
目前针对火花塞点火式汽油发动机，在试验开发过程中能够利用预埋式和火花塞式缸压传感器测量缸内压力变化，但是关于缸内燃烧情况是无法同步采集和记录，从而导致我们目前不能全面的收集缸内的燃烧情况。因此不利于后续燃烧系统开发和优化，以及排放目标的达成。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种可便捷高效的测量发动机缸压和缸内碳烟形成的集缸压测量和碳烟检测的探测装置，结构简单，便于携带安装，应用在发动机台架试验和整车道路试验过程中，从而可根据测量情况针对性的对发动机燃烧系统进行优化设计。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所提供的这种集缸压测量和碳烟检测的探测装置，包括火花塞，在所述火花塞上设有采集检测缸压的缸压传感器及用于捕捉采集燃烧室内火焰发光信号的观测窗口，在所述火花塞上端设有分别输出缸压信号及光信号的缸压通讯线和光纤通讯线。
为使上述技术方案更加详尽和具体，本发明还提供以下更进一步的优选技术方案，以获得满意的实用效果：
所述观测窗口为设于所述火花塞端面上的圆柱形石英通道。
所述缸压传感器布置于火花塞壳体下端的螺纹段上。
在所述火花塞壳体一侧设有竖直方向的切削平面，在该平面上加工有通向火花塞内部通道的螺纹孔，所述缸压传感器安装连接在所述螺纹孔内。
所述缸压通讯线和光纤通讯线分别连接至缸压信号放大器和光纤信号放大器，缸压信号及光信号经信号放大器和光纤信号放大器进行信号放大处理。
经放大处理的缸压信号及光信号输出连接至燃烧分析仪组件，所述燃烧分析仪组件连接至电脑，经燃烧分析仪组件进行分析转化为电压信号输出至电脑进行处理显示。
在所述火花塞端面上设有中心电极和侧电极，所述中心电极设于所述火花塞端面上偏移中心的一侧。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：本发明集缸压测量和碳烟检测的探测装置，实时采集发动机连续循环工况下的同一个缸内的缸压和燃烧数据，根据试验现象可以更具针对性的分析产生原因，从而能够采取更有效的优化方案和方法。为进一步提高发动机性能和降低发动机油耗提供有力的支持，同时为应对后续针对直喷汽油机更加严苛的排放法规提供了有效的检测方式。具有便携性，可以应用于对整车试验过程中的发动机燃烧监控，尤其是目前车辆排放日趋严格的情况下，通过对整车冷启动试验过程中火焰和碳烟的检测，从而有针对性的对发动机燃烧系统进行优化和设计，从发动机原排层面解决发动机排放法规的限制。
附图说明
下面对本说明书的附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明探测装置结构示意图；
图2为本发明探测装置端部结构示意图；
图3为本发明探测装置使用工作示意图；
图4为正常燃烧缸压和碳烟显示示意图；
图5为扩散燃烧缸压和碳烟显示示意图。
图中标记为：101、火花塞，102、缸压传感器，103、观测窗口，104、中心电极，105、侧电极，106、火花塞陶瓷体，107、光纤通讯线，108、缸压通讯线，109、壳体，201、气门，202、活塞，203、电脑，204、缸压信号放大器，205、光纤信号放大器，206、燃烧分析仪分析组件，207、信号线。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明集缸压测量和碳烟检测的探测装置，用于火花塞点火汽油发动机测量缸压和燃烧碳烟测量。如图1所示，该探测装置包括火花塞1，在火花塞1上设有采集检测缸压的缸压传感器102及用于捕捉采集燃烧室内火焰发光信号的观测窗口103，在火花塞1上端设有分别输出缸压信号及光信号的缸压通讯线108和光纤通讯线107。
本发明集缸压测量和碳烟检测的探测装置，如图3所示，缸压通讯线108和光纤通讯线107分别连接至缸压信号放大器204和光纤信号放大器205，采集到的缸压信号及光信号经信号放大器204和光纤信号放大器205进行信号放大处理。经放大处理的缸压信号及光信号输出连接至燃烧分析仪组件206，燃烧分析仪组件206连接至电脑203，经燃烧分析仪组件206进行分析转化为电压信号输出至电脑203进行处理显示。电脑203中安装燃烧分析软件，根据燃烧分析仪组件206输入的电压信号处理显示出分析图表，如图4、5所示，分别为正常燃烧缸压和碳烟显示示意图及扩散燃烧缸压和碳烟显示示意图。如此方法可以将同一个缸内的燃烧数据和缸压数据在-360到360度曲轴转角坐标内进行实时对比分析。
本发明，如图2所示，观测窗口103为设于火花塞101端面上的圆柱形石英通道。圆柱的轴线与火花塞101主轴线平行分布，从而使得端面与活塞上表面平行，当火花塞点火，火焰开始传播后，窗口用于采集火花塞点火后传递到光纤通道的光强判断缸内燃烧情况，以及碳烟产生情况。在火花塞101头部端面设计的石英玻璃通道采集到的燃烧室内火焰光信号通过贯穿火花塞101内部的光纤通道输出，并通过光纤通讯线107传送至光纤放大器进行信号放大后给燃烧分析仪组件进行分析处理。
缸压传感器102布置于火花塞壳体109下端的螺纹段上。在火花塞壳体109一侧设有竖直方向的切削平面，在该平面上加工有通向火花塞101内部通道的螺纹孔，缸压传感器102安装连接在螺纹孔内，便于安装更换。缸压传感器102可设计为压电式传感器，将信号通过缸压通讯线108传递给放大器进行信号放大后给燃烧分析仪分析组件206进行分析处理。
在火花塞101端面上设有中心电极104和侧电极105，中心电极104设于火花塞101端面上偏移中心的一侧。为了将缸压传感器102和光纤通道布置在同一个火花塞101上，采用中心电极104和侧电极105偏置处理，将中心电极104由原来的中心位置偏移至一侧，侧电极105同样也进行了偏移，由常规的设置在壳体边缘更改为设置与端面位置。因此在电极的另一侧有足够的空间用于缸压传感器102和观测窗口103，及在火花塞壳体109内部加工布线通道和相关接头。同时为了便于布置缸压传感器102和光纤以及观测窗口103，进一步缩小了中心电极与壳体之间的距离，从而给予光纤布置更大的空间，有利于保护光纤接头。
火花塞101包括上端的火花塞陶瓷体106和下端的螺纹段，外部设有壳体109，内部设有通道。本发明中考虑到布置问题，由于火花塞头部需要集成观测窗口103和缸压传感器102，将缸压传感器102布置在火花塞101侧面，处于安装螺纹的下半段。同时保证在火花塞101安装到位之后给予压力传感器足够的探测空间，故设置切削平面，在偏置的火花塞壳体的侧面下方螺纹处铣出一个约7mm见方，2mm深的切削平面，并在该平面上加工有通向内部通道的螺纹孔，用于安装缸压传感器102，加工深度用于保证缸压传感器102测量平面有足够的间隙用于测量缸内瞬时压力。用于采集缸内光信号的观测窗口103也布置于此偏置壳体端面，同样观测窗口103的设置需要满足采集通道与气缸中轴线平行，可以在火焰伴随活塞下行过程传播时能够较全面的观测到缸内因燃烧产生的光亮变化，从而判断缸内燃烧情况是否达到最佳。
本发明中的火花塞直径为M12或M14，可适用于目前大部分火花塞点火发动机。本发明中火花塞可加工配套的各种高度火花塞垫圈，根据实际发动机火花塞缸内升入长度，可在集成光纤的火花塞上安装垫圈，以保证和实际发动机的一致性。
本发明实施例中，如图2所示观测窗口103布置在火花塞偏置的端面位置，毗邻侧电极位置，其采集窗口为圆柱状。在火花塞壳体109内部加工有装配光纤的孔洞和接头，用于传递光信号。采集端面与活塞上表面平行，在发动机运行过程中可以实时探测燃烧室内火花塞点火后，缸内火焰亮度变化，并通过光纤输出信号线107传递到光纤放大器205；缸压传感器布置于火花塞壳体109螺纹段的下半部分，位于火花塞端面上的石英玻璃观测窗口的光信号和侧面的缸压传感器分别通过在火花塞壳体109内部加工的用于传输信号接头的通孔分别连接了光纤通讯线107和缸压通讯线108，通过信号线的传输，将缸压信号和光信号传递到所对应的放大器。
图3是为本发明系统工作示意图，显示气门201，当活塞202运行至压缩上止点附近时候，发动机火花塞101开始点火，正常火核开始传播，缸压继续升高。通过火花塞上观测窗口103采集到火焰的光信号，从相应的光纤输出通道经过光纤通讯线107将光信号传递给光纤放大器205，将信号进行放大处理，再通过信号线207输出给燃烧分析仪组件206,最终经过燃烧仪模组件206转化为电压信号后传递给电脑204进行软件分析。同样的步骤方式，采集到缸压数据。将缸压数据和光信号数据应用燃烧分析仪软件对比，在同一曲轴转角坐标系下可以得到同一时刻缸压(上线)和火焰(下线)信号的一一对比数据(参见图4、5)，由此可以判断缸内燃烧是否正常，图4为燃烧正常情况下的缸压数据和火焰光信号的对比，图5为扩散燃烧，可以看到缸内光纤采集的光信号有两个波峰，其中第一个波峰是正常燃烧的火焰产生的光信号，第二个波峰是扩散燃烧产生的碳烟火焰光信号，通过图4、图5两幅图的对比可以清晰的发现缸内非正常燃烧的情况，通过此设备可以实时监测发动机缸内的燃烧情况。
本发明为实时采集发动机连续循环工况下的同一个缸内的缸压和燃烧数据，通过缸压和光信号在同一曲轴转角区域内的差异对比，为判断缸内的异常燃烧情况和是否有碳烟产生提供了一种更直接有效的判断方式，根据试验现象可以更具针对性的分析产生原因，从而能够采取更有效的优化方案和方法。为进一步提高发动机性能和降低发动机油耗提供有力的支持，同时为应对后续针对直喷汽油机更加严苛的排放法规提供了有效的检测方式。本发明集缸压测量和碳烟检测的探测装置，可以通过车载燃烧分析仪，应用于整车试验，尤其是针对冷启动工况非正常燃烧的检测试验应用中。同时也具有便携性，可以应用于对整车试验过程中的发动机燃烧监控，尤其是目前车辆排放日趋严格的情况下，通过对整车冷启动试验过程中火焰和碳烟的检测，从而有针对性的对发动机燃烧系统进行优化和设计，从发动机原排层面解决发动机排放法规的限制。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，但是本发明并不受限于上述方式，只要采用本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进或直接应用于其它场合的，均落在本发明的保护范围内。
Claims (7)
1.一种集缸压测量和碳烟检测的探测装置，包括火花塞(1)，其特征在于：在所述火花塞(1)上设有采集检测缸压的缸压传感器(102)及用于捕捉采集燃烧室内火焰发光信号的观测窗口(103)，在所述火花塞(1)上端设有分别输出缸压信号及光信号的缸压通讯线(108)和光纤通讯线(107)。
2.按照权利要求1所述的集缸压测量和碳烟检测的探测装置，其特征在于：所述观测窗口(103)为设于所述火花塞(101)端面上的圆柱形石英通道。
3.按照权利要求1所述的集缸压测量和碳烟检测的探测装置，其特征在于：所述缸压传感器(102)布置于火花塞壳体(109)下端的螺纹段上。
4.按照权利要求3所述的集缸压测量和碳烟检测的探测装置，其特征在于：在所述火花塞壳体(109)一侧设有竖直方向的切削平面，在该平面上加工有通向火花塞(101)内部通道的螺纹孔，所述缸压传感器(102)安装连接在所述螺纹孔内。
5.按照权利要求1至4任一项所述的集缸压测量和碳烟检测的探测装置，其特征在于：所述缸压通讯线(108)和光纤通讯线(107)分别连接至缸压信号放大器(204)和光纤信号放大器(205)，缸压信号及光信号经信号放大器(204)和光纤信号放大器(205)进行信号放大处理。
6.按照权利要求5所述的集缸压测量和碳烟检测的探测装置，其特征在于：经放大处理的缸压信号及光信号输出连接至燃烧分析仪组件(206)，所述燃烧分析仪组件(206)连接至电脑(203)，经燃烧分析仪组件(206)进行分析转化为电压信号输出至电脑(203)进行处理显示。
7.按照权利要求6所述的集缸压测量和碳烟检测的探测装置，其特征在于：在所述火花塞(101)端面上设有中心电极(104)和侧电极(105)，所述中心电极(104)设于所述火花塞(101)端面上偏移中心的一侧。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160406 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |