CN107923810B - 电容式汽缸压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于内燃机的电容式压力传感器，其具有包括底表面的外壳、可变电容器和电路。可变电容器由固定电极和可弹性弯曲的电极形成。施加于底表面上的压力起着使可弹性弯曲的电极弯曲的作用。这种弯曲会改变可变电容器的电容。电路被配置为基于可变电容器的可变电容来生成信号。该电容表示施加于底表面上的压力。

Description

电容式汽缸压力传感器

技术领域

汽缸压力传感器被用来改进内燃机的效率和排放。这样的传感器目前用于包括船用发动机在内的各种应用的大型柴油内燃机内。但是，汽缸压力传感器具有广泛的应用，并且它们可以部署于各种各样的内燃机以及其它基于汽缸的应用(诸如空气压缩机和液压系统)中。

背景技术

对于内燃机的闭环控制，汽缸压力是重要的控制参数。现有的汽缸压力传感器典型地基于压电或压阻测量，受到不佳的可靠性和寿命的影响。在许多情况下，现有的汽缸压力传感器的操作寿命为重大的发动机检修之间的预期时间的十分之一。当前的传感器不佳的稳定性和寿命会导致维护成本大幅增加，并且增加发动机的停用时间。举例而言，现有的汽缸压力传感器的典型的使用寿命为大约2000小时，而用于海洋应用的这样的传感器的目标是16000小时。

典型地，压阻类型的汽缸压力传感器包括附接到弯曲膜的应变仪。弯曲膜使应变仪弯曲，并且传感器仪表的电阻率发生变化。电阻率的这种变化可以被测量。压电传感器包括通过移动膜与刚性支架之间的预紧来压紧的压电陶瓷。对膜施加压力会导致可以被测量的电荷。

典型地，在现有的传感器设计中，测量元件与热偏转膜直接接触。这导致测量元件的高的机械应力和热应力。因此，需要在感测元件与膜之间进行热绝缘。这样的实施方式是困难的，并且通常会导致困难的机械方案。在所提出的方案中，这些问题得到解决，并且可以实现简单且可靠的压力传感器。

发明内容

本发明的某些实施例的目标是提供简单且可靠的电容式压力传感器。通过这样的实施例，可以实现简单、鲁棒且可靠的电容式汽缸压力传感器。

本发明的某些实施例提供可以用于内燃机内的电容式压力传感器。这样的电容式压力传感器提供对内燃机内的气缸压力的测量。

由内燃机的气缸提供的高温和反复应力提供了压力传感器的一种挑战性的用途。本发明的一些实施例允许通过使压力传感器的某些构件与气缸的高温高压环境隔绝来对这些挑战性的环境进行测量。

本发明的一些实施例包括外壳、可变电容器以及相关联的电路。外壳可以由具有底表面和外表面的钢气缸形成。外表面可以是有螺纹的，以允许安装到内燃机的汽缸盖。可变电容器可以由固定电极和可弹性弯曲的电极形成。施加于底表面上的压力起着使可弹性弯曲的电极弯曲的作用。这种弯曲会改变可变电容器的电容。相关联的电路可以被配置为基于可变电容器的可变电容来生成信号。该电容表示施加于底表面上的压力。正因如此，不需要与热膜机械接触，并且现有方案的某些问题得以避免。

本发明的一些实施例使用陶瓷，诸如低温共烧陶瓷(LTCC)。这些陶瓷可以用于形成传感器的外壳内部的结构。

根据本发明的第一方面，提供了可安装于内燃机的汽缸盖的电容式压力传感器。外壳具有底表面以及可变电容器。可变电容器由固定电极和可弹性弯曲的电极形成。固定电极被布置于外壳内，并且可弹性弯曲的电极24被布置为可由施加于底表面上的压力弯曲，因此可变电容器的可变电容表示施加于底表面上的压力。传感器还可以包括被配置为基于可变电容器的依赖于压力的电容来生成信号的电路30，该信号表示施加于底表面上的压力。

第一方面的各种实施例可以包括以下列表中的至少一个特征：

·可弹性弯曲的电极形成底表面的至少一部分

·固定电极与可弹性弯曲的电极基本平行

·底表面被配置为暴露于内燃机的汽缸

·可弹性弯曲的电极被配置为暴露于内燃机的汽缸

·电容式压力传感器还包括至少部分布置于底表面与电路之间的热绝缘构件

·可弹性弯曲的电极在施加于底表面上的压力低于20巴、50巴、80巴、100巴、200巴、300巴或400巴时是可弹性弯曲的

·底表面与电路之间的热导率小于3.5(W/(m*K))

·固定电极包括陶瓷，诸如低温共烧陶瓷(LTCC)

·电容式压力传感器还包括电连接到固定电极的第一导电结构以及电连接到可弹性弯曲的电极第二导电结构

根据本发明的第二方面，提供了一种将电容式压力传感器安装于内燃机的汽缸盖的方法。

根据本发明的第三方面，提供了包括具有电容式压力传感器的汽缸盖的内燃机。

根据本发明的第四方面，提供了包括本发明的任一实施例的电容式压力传感器的用于内燃机的汽缸盖。

根据本发明的第五方面，提供了用于测量发动机的汽缸内的压力的电容式压力传感器装置，该传感器装置包括：可安装于内燃机的汽缸盖的、具有侧壁的圆柱形外壳；布置于外壳内的固定电极，以及裸露的、可响应于气缸内的压力变化的可移动电极，所述电极形成具有根据所述压力变化而变化的电容的电容器；用于生成表示所述变化的电容的信号的电路。

本发明由独立权利要求的特征限定。某些特定的实施例以从属权利要求来限定。

附图说明

图1示出了根据至少一些示例性实施例的具有圆柱形外壳并且包括由固定电极和可弹性弯曲的电极形成的可变电容器的电容式压力传感器的示意图，

图2示出了根据本发明的至少一些示例性实施例的电容式压力传感器的示意图，其中可弹性弯曲的电极形成外壳的一部分，

图3示出了根据本发明的至少一些示例性实施例的电容式压力传感器的示意图，其中固定电极由钢形成并且利用陶瓷绝缘体进行绝缘，

图4示出了根据本发明的至少一些示例性实施例的电容式压力传感器的示意图，其中固定电极和可弹性弯曲的电极两者都由低温共烧陶瓷(LTCC)形成，以及

图5示出了根据本发明的至少一些示例性实施例的电容读出方案。

具体实施方式

在本发明的某些实施例中，传感器的外壳由底表面、侧表面和顶表面限定。外壳可以是具有圆形顶表面和底表面的圆柱形。在这种情况下，侧表面将是沿着气缸的圆周的表面。

根据本发明的一些实施例，提供了包括具有底表面的外壳、可变电容器以及相关联的电路的电容式压力传感器。可变电容器由固定电极和可弹性弯曲的电极形成。施加于底表面上的压力起着使可弹性弯曲的电极弯曲的作用。这种弯曲会改变可变电容器的电容。电路被配置为基于可变电容器的可变电容而生成信号。该电容表示施加于底表面上的压力。电路可以布置于外壳内部、外壳外部之上或者与外壳分开的外部。电路可以通过适当的电连接装置(诸如同轴导线)与可变电容器电连接。

图1示出了根据本发明的至少一些实施例的电容式压力传感器100的示意图。电容式压力传感器100可安装于内燃机的汽缸盖。电容式压力传感器包括外壳10、可变电容器20及相关联的电路30。外壳具有底表面12。可变电容器20由固定电极22和可弹性弯曲的电极24形成。固定电极22被布置于外壳10之内，并且可弹性弯曲的电极24被布置于固定电极22与底表面12之间。传感器还可以具有被配置为基于可变电容器20的可变电容来生成信号的相关联的电路30，该信号表示施加于底表面12的压力。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，可弹性弯曲的电极24可以形成底表面12的至少一部分。

在本发明的某些实施例中，外壳10的外表面14是圆柱形的。外壳可以形成气缸。在这样的实施例中，气缸的底部的尺寸可以被调整为使得它随着压力而偏转。

在某些实施例中，内部结构可以由陶瓷(例如，低温共烧陶瓷)形成。在这种情况下，LTCC层可以形成内部结构。该结构可以在形成可变电容器20的固定电极22与可弹性弯曲的电极24之间提供间隙。内部结构还可以起着底表面12与其余构件之间的热绝缘体的作用。

如图1所示，在某些实施例中，外壳10内的内部结构可以被机械压紧。这可以通过机械夹紧结构来完成。机械夹紧结构可以由压紧螺母76、PCB 70和第一导电结构62构成。压紧螺母可以通过弹簧74与机械夹紧结构分开。在这种情况下，弹簧74确保合适的夹紧力。

在图1内还示出了电接触件60和第一导电结构62。导电结构可以将固定电极22电连接至电路30，例如经由印刷电路板(PCB)70。电路30可以贴附到印刷电路板70。电路30可以通过PCB 70电连接到第一导电结构62。

如图1进一步示出的，在某些实施例中，固定电极可以包括诸如LTCC的陶瓷。这可以以分层的方式来形成。

在图1中还示出了用于传输由电路生成的信号的导线32。该导线32可以将信号传输到发动机控制单元，用于对装备有传感器的发动机进行密切控制。

在电容式压力传感器的某些实施例中还可以包括布置于外壳10的外表面14的至少一部分上的螺纹40。

在本发明的一些实施例中，外壳10可以具有带螺纹40的外表面14。

在电容式压力传感器的一些实施例中，可弹性弯曲的电极24可以被布置为可响应于施加于底表面12的压力而弹性弯曲。

在本发明的某些实施例中，电容式压力传感器的测量分辨率可以借助于以下式子来估计：ΔPmin＝(d/β)*(ΔV/V)，其中β＝(Δd)/ΔP。在这些式子内，ΔPmin指的是测量分辨率，d是固定电极22与可弹性弯曲的电极24之间的距离，并且Δd是可弹性弯曲的电极的位移，ΔP是压力变化，ΔV表示电子器件噪声，并且V是所施加的测量电压。作为根据所提供的式子来估计的示例，如果机械灵敏度为β＝7n/bar，电极间隙为d＝50μm，电子器件噪声为ΔV＝3nV/√Hz并且测量电压为V＝3V，则10kHz频带的分辨率为≈1mbar。例如，具有大于1MW的容量的柴油发动机所需的测量分辨率是10巴@10kHz BW。

在某些实施例中，固定电极22可以被布置为相对于外壳10的外表面14基本垂直。

在本发明的一些实施例中，底表面12可以被配置为暴露于内燃机的汽缸。

在本发明的某些实施例中，可弹性弯曲的电极24可以被配置为暴露于内燃机的汽缸。

图2示出了根据本发明的某些示例性实施例的电容式压力传感器100的示意图，其中压紧螺母76可以提供机械夹紧力。夹紧力将固定电极22固定于外壳10。绝缘体52可以至少部分地定位于固定电极22与外壳10之间。绝缘体可以是陶瓷。绝缘体也可以是MICA。绝缘体使固定电极22与外壳10电绝缘。

一些实施例可以包括至少部分地布置于压紧螺母76与固定电极22之间的弹簧74。固定电极22可以通过更多的绝缘体52与弹簧74电绝缘。

热绝缘构件可以被布置于压紧螺母76与支撑板72之间。

图3示出了根据本发明的某些实施例的电容式压力传感器100的示意图。固定电极22可以包括钢并且利用绝缘体52进行绝缘。绝缘体可以是陶瓷。绝缘体同样可以是MICA。绝缘体使固定电极22与外壳10电绝缘。固定电极22可以经由拧紧螺栓或螺丝82紧固至外壳。拧紧螺栓或螺丝82也可以通过绝缘体52与固定电极22绝缘。弹簧74可以被布置于固定电极22与拧紧螺栓或螺丝82之间。

热绝缘构件可以被布置于固定电极22与支撑板72之间。PCB 70可以至少部分地由支撑板72支撑。被配置为基于可变电容器20的可变电容而生成信号的电路30可以被固定于PCB。可替代地，电路30可以按照各种其它方式布置于外壳内部、外壳外部之上或者与外壳分开的外部。可以提供导线32，导线32电连接到可变电容器和/或PCB 70，并且可以连接到另一个构件或连接到被布置为与外壳分开的电路30。

可以提供同轴导线34以用于将固定电极22与电路30电连接。电路可以布置于外壳内部、外壳外部之上或者与外壳分开的外部。同轴导线34可以经由夹紧接触件66连接到固定电极22。同轴导线34或相应的连接电极以及夹紧接触件66可以是固定电极22的集成部分。

可变电容器20可以由固定电极22以及形成为外壳10的一部分的可弹性弯曲的电极24形成。

如图3所示，在本发明的某些实施例中，热绝缘构件50可以至少部分地布置于底表面12与电路30之间。该热绝缘构件可以是例如石棉。

根据本发明的某些实施例，电容式压力传感器可安装于内燃机的汽缸盖。

图4示出了根据本发明的某些实施例的电容式压力传感器的示意图。在所示的实施例中，传感器的内部结构可以经由粘合剂80粘附于外壳。该粘合剂可以被施加于外壳，使得它在底表面12与内部结构之间。在这样的应用中，可以使用高温胶水，例如陶瓷粘合剂。

当外壳的形成底表面12的部分弹性弯曲时，它使得可弹性弯曲的电极弯曲并且可变电容器的可变电容改变。

同样如图4所示，可弹性弯曲的电极24可以包括陶瓷，诸如LTCC。

如图4所示，在本发明的某些实施例中，存在电连接到固定电极22的第一导电结构62以及电连接到可弹性弯曲的电极24的第二导电结构64。这些结构将电极电连接至PCB 70和/或电路30。

在本发明的一些实施例中，热绝缘构件50可以至少部分地布置于底表面12与可弹性弯曲的电极24之间。

在图4中还示出了结构材料层78。这些层也可以包括陶瓷，诸如LTCC。

图5示出了根据本发明的某些实施例的电容读出方案。

在本发明的某些实施例中，导电构件被集成于诸如LTCC的陶瓷内。

在本发明的一些实施例中，可弹性弯曲的构件可以在暴露于内燃机的燃烧室内所表现出的压力时弹性弯曲。在某些情况下，可弹性弯曲的电极24可以在施加于底表面12上的压力低于20巴、50巴、80巴、100巴、200巴、300巴或400巴时弹性弯曲。

在本发明的某些实施例中，电路30可以与底表面12热绝缘。底表面12与电路30之间的热导率可以小于例如3.5(W/(m*K))。

在本发明的一些实施例中，外壳10的底表面12可以弹性弯曲。在这种情况下，底表面12与可弹性弯曲的电极24之间的构件也可以弹性弯曲。

根据本发明的一个实施例的电容式压力传感器的安装方法包括将电容式压力传感器固定于内燃机的汽缸盖的步骤。

根据本发明的一些实施例的内燃机包括具有固定于其上的根据本发明的实施例的电容式压力传感器的汽缸盖。

根据本发明的一些实施例的应用内燃机的汽缸盖包括固定于所述汽缸盖的根据本发明的实施例的电容式压力传感器。

应当理解，所公开的本发明的实施例并不限于本文所公开的特定结构、处理步骤或材料，而是应当扩展到本领域技术人员可意识到的它们的等同物。还应当理解，本文所采用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非意指为限制性的。

本说明书通篇对一种实施例或实施例的引用意指，结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性包括于本发明的至少一种实施例中。因而，在本说明书通篇的各个位置出现的短语“在一种实施例中”或“在实施例中”并不一定全都指的是同一实施例。在使用诸如、大约或基本上的术语来引用数值时，确切的数值也被公开。

如同本文所使用的，为了简便起见，多个项目、结构元件、构成元件和/或材料可以列入共同的列表中。但是，这些列表应当被理解为列表中的每个成员都被单独标识为单独的和唯一的成员。因而，这样的列表中的个体成员都不应当仅仅基于它们都出现在共同的组中而没有相反的表示就被理解为与同一列表中的任意其它成员为事实上的等同物。另外，在本文中还可以提及本发明的各种实施例和示例，连同它们的各种构件的替代方案。应当理解，这样的实施例、示例和替代项不应被理解为彼此的事实上的等同物，而应被理解为本发明的单独和自主的表示。

而且，所描述的特征、结构或特性可以按照任意合适的方式结合于一个或多个实施例中。在下面的描述中，提供了众多具体细节，例如，长度、宽度、形状等示例，从而为本发明的实施例提供全面的理解。但是，本领域技术人员应当意识到，本发明可以在没有一个或多个上述具体细节的情况下实现，或者以其它方法、构件、材料等来实现。在其他情况下，没有详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作，以避免使本发明的各个方面变得晦涩难懂。

虽然前述示例是关于在一种或多种特定应用中本发明的原理的说明，但是本领域技术人员应当清楚，在无需发挥创造性能力且不背离本发明的原理和概念的情况下，可以在形式上、用法上以及实施方式的细节上进行众多修改。因此，本发明并没有受此限制，而是由后面所阐明的权利要求来限定。

动词“包括”和“包含”在本文中用作开放性的限定，即既不排除也不要求存在没有叙述的特征。在所附的权利要求中所述的特征是可相互自由结合的，除非另有明确说明。而且，应当理解，在本文通篇中，“一(a)”或“一个(an)”(即单数形式)的使用并不排除复数。

工业应用

本发明的至少一些实施例找到了在内燃机的控制系统中的工业应用。一些实施例包括在诸如空气压缩机和液压系统的高温和/或高压的其它恶劣环境下的压力传感器应用。

附图标记列表

Claims (16)

1.一种电容式压力传感器，包括：

-由钢制成并且能够安装于内燃机的汽缸盖的圆柱形外壳，用于测量内燃机的汽缸中的压力，所述圆柱形外壳具有外表面和底表面，当圆柱形外壳安装于内燃机的汽缸盖时，所述底表面暴露于内燃机的汽缸内的压力和热环境；

-具有固定电极和可弹性弯曲的电极的可变电容器，固定电极与可弹性弯曲的电极基本平行地布置于圆柱形外壳之内，并且可弹性弯曲的电极形成由钢制成的圆柱形外壳的底表面，并且被布置为响应于施加于底表面上的压力而弯曲，并且由此可变电容器的可变电容表示施加于底表面上的压力；以及

-绝缘体结构，将固定电极与圆柱形外壳绝缘，并且限定固定电极和可弹性弯曲的电极之间的间隙。

2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其中固定电极被布置为相对于外壳的外表面基本垂直。

3.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，包括被配置为基于可变电容器的可变电容来生成信号的电路，所述信号表示施加于底表面上的压力。

4.根据权利要求3所述的电容式压力传感器，还包括至少部分布置于底表面与电路之间的热绝缘构件。

5.根据任意前述权利要求所述的电容式压力传感器，其中可弹性弯曲的电极在施加于底表面上的压力小于20巴时可弹性弯曲。

6.根据权利要求3所述的电容式压力传感器，其中底表面(12)与电路(30)之间的热导率小于3.5W/(m*K)。

7.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，还包括电连接到固定电极的第一导电结构以及电连接到可弹性弯曲的电极的第二导电结构。

8.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，还包括连接装置，用于将固定电极与如下电路电连接，所述电路被配置为基于可变电容器的可变电容来生成信号，所述信号表示施加于底表面上的压力。

9.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其中外表面包括带螺纹的外表面。

10.一种电容式压力传感器装置，用于测量发动机的气缸内的压力，所述传感器装置包括：

-由钢制成并且能够安装于内燃机的汽缸盖的圆柱形外壳，所述圆柱形外壳具有侧壁和底壁，当圆柱形外壳安装于内燃机的汽缸盖时，所述底壁暴露于内燃机的汽缸内的压力和热环境；

-布置于外壳内的固定电极，

-形成圆柱形外壳的底部的至少一部分的弹性电极，当圆柱形外壳安装于内燃机的汽缸盖时所述弹性电极暴露于内燃机的汽缸内的压力和热环境，弹性电极响应于气缸内的压力变化，所述固定电极和所述弹性电极形成具有根据内燃机的汽缸内的所述压力变化而变化的电容的可变电容器；

-绝缘体结构，将固定电极与圆柱形外壳绝缘，并且限定固定电极和弹性电极之间的间隙；以及

-电路，连接到可变电容器以用于生成信号，所述信号表示所述变化的电容。

11.根据权利要求10所述的电容式压力传感器装置，其中弹性电极形成外壳的底壁的至少一部分。

12.根据权利要求10或11所述的电容式压力传感器装置，其中固定电极与弹性电极平行。

13.根据权利要求10所述的电容式压力传感器装置，还包括至少部分布置于底壁与电路之间的热绝缘构件。

14.根据权利要求10所述的电容式压力传感器装置，其中弹性电极在施加于底壁上的压力低于20巴、50巴、80巴、100巴、200巴、300巴或400巴时可弹性弯曲。

15.根据权利要求10所述的电容式压力传感器装置，还包括电连接到固定电极的第一导电结构以及电连接到弹性电极的第二导电结构。

16.根据权利要求10所述的电容式压力传感器装置，还包括连接装置，用于将固定电极与如下电路电连接，所述电路被配置为基于可变电容器的电容来生成信号，所述信号表示施加于底表面上的压力。

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