CN110226033A - 火花塞燃烧电离传感器 - Google Patents

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Abstract

一种火花塞燃烧电离传感器，其用于测量内燃机气缸内的离子电流。传感器测量当燃烧期间释放的能量使气缸内的空气离子化时流动的离子电流，从而可以检测燃烧和排放参数。火花塞燃烧电离传感器通常包括与火花塞的火花电极分开的绝缘的专用感测电极。还可以屏蔽感测电极以进一步减少诸如电磁干扰(EMI)的干扰。使用专用电极允许在点火过程产生较少电磁噪声的条件下进行离子电流测量，并且还消除了当火花电极也用于感测离子电流时通常需要的电路的需求。

Description

火花塞燃烧电离传感器
技术领域
示例性实施例总体上涉及一种用于内燃机中的缸内燃烧感测的火花塞燃烧电离传感器。
背景技术
在整个说明书中对相关技术的任何讨论决不应被认为是承认这种相关技术是广泛已知的或者构成本领域公知常识的一部分。
目前，基于火花塞的电离传感器使用标准火花塞的火花电极来检测燃烧室中的电离。这通常通过连接到火花塞的电路来完成，以隔离和测量在燃烧期间流动的离子电流。
使用未修改的火花塞的传统传感器通常导致在燃烧期间产生的掩蔽或有缺陷的离子电流信号。这是因为点火线圈产生的高压所产生的干扰，该高压施加到火花电极以引发燃烧。另外，传统传感器使用连接到火花塞线的电路，该电路与点火系统同时操作。
发明内容
示例性实施例涉及火花塞燃烧电离传感器。火花塞燃烧电离传感器包括一个或多个专用离子电流感测电极。一个或多个专用电极也可以被屏蔽和接地，从而显著减少或消除施加到火花塞的火花电极以启动燃烧过程的高压所产生的干扰。与火花电极一样，专用感测电极通常可以从火花塞的上部延伸，穿过绝缘体或壳体(例如螺纹金属壳体)进入燃烧室。然后可以将感测电路连接到感测电极，以在燃烧期间监测发动机气缸中的离子电流。
因此，相当广泛地概述了火花塞燃烧电离传感器的一些实施例，以便可以更好地理解其详细描述并且可以更好地理解对本领域的贡献。将在下文描述火花塞燃烧电离传感器的其它实施例并且其将形成所附权利要求的主题。在这方面，在详细解释火花塞燃烧电离传感器的至少一个实施例之前，应理解火花塞燃烧电离传感器的应用不限于在以下描述或附图中示出的结构细节或部件的布置。火花塞燃烧电离传感器能够具有其他实施例并且能够以各种方式加以实践和实施。而且，应理解的是，本文采用的措辞和术语出于描述目的，不应视为限制。
附图说明
从下文给出的详细描述和附图将更加全面地理解示例性实施例，其中相同的元件由相同的附图标记表示，这些附图标记仅以说明的方式给出，因此不限制本文的示例实施例。
图1A是火花塞燃烧电离传感器的横截面图，其示出了专用离子感测电极；
图1B是火花塞燃烧电离传感器的替代实施例的剖视图，其示出了专用离子感测电极；
图2A是具有专用离子感测电极的火花塞燃烧电离传感器的替代实施例的正视图；
图2B是具有图2A中所示的专用离子感测电极的火花塞燃烧电离传感器的剖视图；
图2C是图2A和2B的火花塞燃烧电离传感器的俯视图；
图3A是火花塞燃烧电离传感器的仰视图，其示出了接地电极的一种可能取向；
图3B是火花塞燃烧电离传感器的仰视图，其示出了接地电极的替代取向；
图3C是火花塞燃烧电离传感器的仰视图，其示出了接地电极的另一种替代取向；
图4A是火花塞燃烧电离传感器的正视图，其具有构造为同轴配置的管的专用感测电极；
图4B是火花塞燃烧电离传感器的横截面图，其具有构造为同轴配置的管的专用感测电极；
图4C是图4A的火花塞燃烧电离传感器的俯视图；
图5A是具有多个离子电流感测电极的火花塞燃烧电离传感器的正视图；
图5B是火花塞燃烧电离传感器的一端的详细透视图；
图5C示出了具有多个离子电流感测电极的火花塞燃烧电离传感器的替代实施例；
图5D示出了具有多个离子电流感测电极的火花塞燃烧电离传感器的另一替代实施例；
图6A是具有多个火花电极的火花塞燃烧电离传感器的正视图；
图6B是图6A的火花塞燃烧电离传感器的详细透视图；
图7A是火花塞燃烧电离传感器的正视图，该传感器具有多个构造为焊盘的离子电流感测电极；
图7B是图7A的火花塞燃烧电离传感器的详细透视图；
图8是具有非传统外壳的火花塞燃烧电离传感器的剖视图；
图9是示例性火花塞燃烧电离传感器和相关电路/系统的互连的示意图；
图10示出了显示电磁干扰对示例性非屏蔽离子电流感测电极的影响的实验数据；
图11示出了显示电磁干扰对示例性屏蔽离子电流感测电极的影响的实验数据；
图12示出了从屏蔽的专用离子电流信号电极和传统的火花塞电离系统获得的信号的比较；
图13是具有同轴感测电极和屏蔽件的火花塞燃烧电离传感器的剖视图；
图14是具有专用感测电极和屏蔽火花电极的火花塞燃烧电离传感器的剖视图。
具体实施方式
A.概述
示例性火花塞燃烧电离传感器通常包括壳体、可以拧入内燃机气缸盖的螺孔中的螺纹部分、火花电极和接地电极。另外，示例性传感器可以具有专用离子电流感测电极，其与(a)接地电极和(b)火花电极电隔离。如图所示，感测电极可以定位成使得在两者之间不会产生火花，换句话说，使得仅在火花电极和接地电极之间产生火花或多个火花。这可以通过感测电极和火花电极之间的距离或者通过因燃烧室中的空气﹣燃料混合物的湍流而造成电极的不同取向来实现。
参照附图，图1和2示出了示例性实施例。在这些实施例中，示出了外壳(或壳体)1，其包括机加工到外壳上的螺纹部分1b，以用于插入螺孔中，如上所述。使用与外壳的六边形特征1c接合的标准尺寸的套筒扳手可以将火花塞紧固至适当的扭矩。当安装火花塞时，其壳体1通过锥形区域或压缩垫圈(未示出)抵靠发动机的气缸盖安置。与传统的火花塞一样，将火花塞安置在螺纹孔中会形成接地电极的接地路径，该接地电极与螺纹和火花塞座导电接触。
外壳1围绕绝缘体9，该绝缘体9由电绝缘材料制成，所述电绝缘材料可以是例如陶瓷(即烧结氧化铝、硅酸铝、氮化硅或陶瓷混合物)。薄金属密封垫圈7和弹性O形环8可以定位在外壳1和绝缘体9的接触区域之间，以密封燃烧气体并保持燃烧室内的压力，如图2B所示。绝缘体9通常具有高介电强度和良好的导热性。绝缘体9可以容纳单件式火花电极5(参见图1A)或多件式单元(例如，图1B和2B)，所述多件式单元包括射频噪声抑制电阻器4而且还包括金属连接端子2、导电杆3和导电的耐腐蚀火花电极5。端子2通过标准卡扣连接器或螺纹连接器提供点火系统14(图9)连接到火花电极5的连接。
还如图所示，传感器火花塞还包括J形接地电极1a，其定位成与火花电极产生火花隙，使得在火花电极5和接地电极1a之间产生点火火花以开始燃烧过程。图3A﹣3C示出了接地电极1a的不同的可行取向，可以基于由流过发动机的进气口的燃料﹣空气混合物的滚流/旋流产生的缸内湍流来使用所述取向。
B.离子电流感测电极
除了上述部件之外，图1和2的示例性实施例还包括延伸到燃烧室中的专用的电绝缘感测电极6。离子电流感测电极6与火花电极5和接地电极1a电隔离。感测电极6可以由导电材料制成，该导电材料在一端延伸到内燃机的燃烧室中，而另一端可以连接到信号处理单元13，如图9所示。感测电极6可以是单件式实心杆，或者可选地它可以包括或连接到多个元件，例如导电杆、电阻器、电容器或能够携带经过火花塞主体的离子电流的任何组件。除了图1中所示的构造之外，感测电极6还可以构造为管，如图4A﹣4C所示。在该实施例中，感测电极6可以同轴地布置成围绕火花电极5，其中绝缘管11用于电隔离这两个元件。
再次参照图1A，专用感测电极6被绝缘管11或其他绝缘材料包围，绝缘管11或其他绝缘材料又被电磁干扰屏蔽件12包围，该电磁干扰屏蔽件12可导电地耦接到地。屏蔽件12耦接到地的一种可能方式是通过激光焊接到外壳1上。例如可以在图8中使用这种焊接，其中屏蔽件12伸出外壳1的顶部。在屏蔽件不一定与外壳相邻的其他构造中，例如如图1A所示，屏蔽件可以通过电连接器接地，例如用于连接到感测电极6顶端的电连接器。屏蔽感测电极6具有使得在打火期间(或从任何其他可能的源)强加在离子电流信号上的电磁噪声最小化的优点。
图1B示出了替代布置，其中感测电极6仍然定位在绝缘管11内或者使用其他绝缘材料绝缘，但是所得到的组件容纳在火花塞的外金属壳体1内，如上所述，所述外金属壳体1接地。在该实施例中，不需要围绕感测电极的单独屏蔽件，这是因为接地外壳用作屏蔽件。这两种构造(例如，1A或1B)可以显著减少或消除感测的离子电流信号中的电磁干扰，这允许更精确且简化的气缸内燃烧的测量。此外，如图1A所示，感测电极6可以基本上平行于火花电极5，或者如图1B所示，如果需要，它可以与火花电极成一定角度以容纳连接器或者与火花塞的其他部分更好地隔开。
可以使用任何多种已知技术来建立从感测电极6的顶部到信号处理电路的电连接。例如，电极6的顶部可以构造成与传统的自动型连接器配合，以允许接线到信号处理单元，例如图9中所示的信号处理单元13。
其他电极构造也是可行的。例如，如图7B所示，多个感测电极6以焊盘型构造布置。在该实施例中，感测电极在火花塞的绝缘体上包括导电焊盘，该导电焊盘具有穿过主体9或在主体9上延伸抵达火花塞顶端的导电引线或其他元件，在顶端它们可如本文所述连接到感测电路。也可以使用导电材料或合金在主体9的外表面上印刷包括感测电极6的导电焊盘。
还如图5B至图5D所示，也可以使用多个感测电极6，而不是图1和2中所示的单个元件。在该实施例中，电极6穿过主体9中的多个孔。这些孔和电极也可用于多种目的，例如燃料喷射器喷嘴或多个火花电极(如图6B所示)。此外，在具有多个火花电极的构造中，一些或所有火花电极也可用于离子电流测量。在图6B中示出一个这样的实施例。在该实施例中，火花电极中的一个或多个可以用作专用离子感测探头，使得电极不再用于打火，但是如上文关于其他实施例所讨论的那样可以与信号处理单元(诸如图9中的信号处理单元13)结合使用，以测量离子电流。
在某些情况下，有利地是修改气缸盖的火花塞孔以允许非常规火花塞，如图8所示。这将允许安装具有不同形状和设计的离子传感器组件，以确保离子电流信号的完整性，而不受传统火花塞形状和尺寸的空间限制。图8中所示的火花塞仍然可以包括上文关于图1B所讨论的所有基本元件。
如图13所示，附加的管状元件可以添加到类似于图4的实施例中。在该实施例中，火花电极5被绝缘体11a包围，该绝缘体11a又被屏蔽件12包围，该屏蔽件12可以接地。另一个绝缘层11b围绕屏蔽件12，该屏蔽件12还被感测电极6围绕，所述感测电极6在此构造为如图4A﹣4C中的管。在该实施例中，屏蔽件12没有围绕单个的感测电极，而是作为围绕火花电极的屏蔽件操作，因此即使使用多个感测电极，它们也将被屏蔽以免受电磁噪声的影响。
在图14的示例性实施例中，火花电极也被绝缘体11和屏蔽件12包围。在该实施例中，专用感测电极6可以穿过绝缘体而不需要紧邻包围电极6的屏蔽件，这是因为火花电极被屏蔽。
C.优选实施例的操作
参照图9，在典型的火花点火式内燃机中，发动机控制单元14向所需发动机气缸的点火系统15发送火花正时指令，以基于发动机的点火命令点火。电流流过穿过导电杆3和射频噪声消除电阻器4(图1实施例)的火花电极5，从而在火花隙上产生高电压。当火花隙上的电压超过火花隙内的空气﹣燃料混合物的介电强度时，在火花电极5和接地电极1a之间产生火花，以引发火焰核心，随后是包括在燃烧室各处的火焰传播的燃烧过程。
由打火和火焰传播释放的能量使燃烧室中的燃料﹣空气混合物离子化，从而在燃烧过程中产生离子和自由电子。为了测量该燃烧电离，可以将DC或AC电压提供给感测电极6以吸引离子和电子并完成绝缘电极和发动机缸体和/或缸内多发动机部件之间的电路。电子和负离子被吸引到带正电的电极末端，而正离子被吸引到存在于气缸中的接地电极或任何接地路径。电子和离子的这种移动导致电离电路闭合，从而允许离子电流流过信号处理单元13中具有已知值的电阻器。在单元13中可以通过用电阻器上的测量电压除以电阻值或通过其它已知方法来计算离子电流。
以这种方式测量的离子电流受到为引起点火火花而产生的电压的干扰最小。例如，离子电流路径不是由火花电极5引起的相同路径，并且可以在与火花塞的接地电极不同的位置中从感测电极流到地面。由于这个原因并且由于专用感测电极的屏蔽，由专用电极产生的离子电流提供了相对不受火花电极影响的气缸内燃烧过程的更精确表示。
在示例性实施例中，可以通过感测电极从燃烧室内的第一代自由离子和电子中检测离子信号，而不会受到点火过程产生的电磁噪声干扰。在同一发动机循环内发生多个火花的多次打火过程中，仍然可以从头到尾捕获离子电流信号，而几乎没有或没有受到点火事件的干扰。
由于离子电流信号是通过根据缸内温度、压力、当量比和其他操作参数电离空气﹣燃料混合物物质而产生，因此可以使用测量的离子电流信号量化电离物质并获得燃烧和排放参数。
从传感器获得的缸内燃烧电离信号可以用作反馈信号，以对内燃机中的燃烧过程提供逐周期和逐缸的控制。这种控制可用于帮助发动机满足严格的排放标准并且还实现改进的燃料经济性。此外，可以在使用源自离子电流信号的燃烧反馈的发动机上成功地使用诸如稀薄均质操作或稀薄分层操作的先进燃烧技术。也可以用这样的信号检测诸如发动机爆震、不点火或延迟点火的燃烧异常。
本文的各种实施例通过引入燃烧室的专用电绝缘探头实现了缸内感测(例如测量)离子电流信号，而不存在由点火线圈产生并且施加于火花电极以引发燃烧的高压引起的点火事件的任何干扰。打火操作可以与缸内离子电流感测同时发生，其中离子电流信号的形状失真最小或没有。示例性专用离子电流传感器还具有不需要使用额外电路将离子电流信号与火花产生电压分离或隔离开的优点。
如所讨论的那样，由于可以使用单一用途的隔离电路来测量离子电流，因此信号处理单元13中的监控电路可以连续工作。例如，即使存在火花命令，也可以连续地将AC或DC偏压信号施加到一个或多个专用离子电流感测探头。因此，一旦气缸中的条件允许离子电流流动，其就可以通过感测电极及其在信号处理单元13中的相关电路来测量。
实验表明，有利的是屏蔽电绝缘离子电流探头以免受因发生火花导致的电磁干扰。这种屏蔽可以通过例如在电绝缘的感测电极周围安装金属管来实现，该金属管也通过外螺纹壳体导电地耦接到地。图10和11示出了在实验期间记录的数据，以测试打火事件的电磁干扰对离子电流信号的影响。在该实验中，基于时间的点火命令被馈送到火花塞的点火系统15而不运行发动机。使用屏蔽以及未屏蔽的离子电流测量电极。图10显示了使用未屏蔽的离子感测电极的结果。可以清楚地看到与发生火花对应的错误信号。如果发动机运转，这种不希望的信号将强加在离子电流信号上，从而使得精确测量离子电流变得更加困难。图11示出了在屏蔽探头处测量的电压，其示出了屏蔽的有效性，这是因为由不期望的电磁干扰引起的电压很小或没有。
图12示出了针对传统电离测量系统和本文公开的各种实施例在信号存在于运转发动机中时对信号所进行的比较。实线示出来自如在此讨论和说明的示例性实施例中所公开的屏蔽的专用传感器的离子电流信号。虚线示出来自传统火花塞电离系统的电离信号，在传统火花塞电离系统中火花电极也用作离子电流电极。不需要的电流信号通常存在于任何电路装置中，这是因为相同的电极和相同的导线用于将感测到的电流传送到检测电路。如从图12中可以进一步看出的那样，来自传统电离系统的信号具有显著的电压，该电压不仅由于气缸内的电离，而且还由于为了利用期望的离子电流信号而可能需要考虑的电磁干扰。当使用来自传统电离系统的信号时，实际的离子电流信号被来自打火电压的电磁干扰掩盖。如从图12中可以看出，由于来自检测电路中其他源的电压，可能很难或不可能确切地确定何时开始燃烧(由离子电流表示)。
除非另外定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。尽管与本文描述的方法和材料类似或等效的方法和材料可以应用于火花塞燃烧电离传感器的实践或测试，但是上文描述了合适的方法和材料。本文提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献在适用法律和法规允许的范围内通过引用整体并入本文。在不背离其精神或者基本属性的前提下火花塞燃烧电离传感器可以以其他特定形式实施，因此期望本实施例在所有方面都被认为是说明性而非限制性。说明书中使用的任何标题仅为了方便起见而没有法律或限制作用。

Claims (21)

1.一种火花塞，包括：
火花电极；
电绝缘体，其具有第一端和第二端，其中，所述电绝缘体围绕所述火花电极的至少一部分，并且其中，所述火花电极在所述电绝缘体的所述第一端处暴露；
围绕所述电绝缘体的一部分的壳体，其中，所述壳体适于将所述火花塞安装在发动机气缸盖中；
接地电极，其连接到所述壳体，其中，所述接地电极定位成在所述火花电极和所述接地电极之间产生火花隙；和
感测电极，其延伸穿过所述壳体或所述电绝缘体，其中，所述感测电极与火花电极电隔离，其中感测电极的一部分在所述接地电极附近暴露。
2.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述感测电极与所述接地电极电隔离。
3.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述感测电极延伸穿过所述电绝缘体，所述火花塞还包括：
绝缘材料，其基本上沿其长度围绕所述感测电极；和
导电屏蔽件，其基本上沿其长度围绕所述绝缘材料，所述导电屏蔽件与所述感测电极和所述火花电极电隔离，其中，所述导电屏蔽件显著减少了所述感测电极中的电磁干扰。
4.根据权利要求3所述的火花塞，其中，所述导电屏蔽件被构造为导电地耦合到地。
5.根据权利要求4所述的火花塞，其中，所述壳体包括金属，并且其中所述导电屏蔽件导电地耦合到所述金属。
6.根据权利要求1所述的火花塞，还包括至少第二火花电极，所述第二火花电极在所述电绝缘体的所述第一端处暴露。
7.根据权利要求1所述的火花塞，还包括至少第二感测电极，其中，所述第二感测电极与所述火花电极电隔离，并且其中所述第二感测电极的一部分在所述电绝缘体的所述第一端处暴露。
8.根据权利要求1所述的火花塞，其中所述感测电极基本上是管状的并且基本上沿其长度围绕所述火花电极，所述火花塞还包括：
绝缘材料，所述绝缘材料沿着所述火花电极的长度设置在所述火花电极和所述感测电极之间。
9.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述壳体包括金属，并且其中所述感测电极延伸穿过所述壳体，所述火花塞还包括：
绝缘材料，所述绝缘材料基本上沿其长度的至少一部分围绕所述感测电极。
10.根据权利要求9所述的火花塞，其中，所述感测电极与所述接地电极电隔离。
11.根据权利要求9所述的火花塞，还包括至少第二感测电极，所述第二感测电极延伸穿过所述金属并且包括在所述火花塞的所述第一端处暴露的导电元件，所述火花塞还包括：
基本上沿其长度围绕所述第二感测电极的绝缘材料。
12.根据权利要求10所述的火花塞，其中，所述感测电极包括单个导电元件。
13.根据权利要求10所述的火花塞，其中，所述感测电极包括多个导电元件。
14.根据权利要求13所述的火花塞，其中，所述多个导电元件包括导电杆和电阻器。
15.根据权利要求1所述的火花塞，其中，所述感测电极包括位于所述电绝缘体上的导电焊盘。
16.根据权利要求15所述的火花塞，其中，所述感测电极包括构造为导电焊盘的多个感测电极。
17.根据权利要求15所述的火花塞，其中，所述至少一个感测电极与所述接地电极电隔离。
18.根据权利要求16所述的火花塞，还包括导电引线，所述导电引线耦合到所述导电焊盘并延伸穿过所述电绝缘体。
19.根据权利要求17所述的火花塞，其中，所述壳体带螺纹并且包括金属。
20.根据权利要求1所述的火花塞，还包括：
绝缘材料，所述绝缘材料基本上沿其长度围绕所述火花电极；和
导电屏蔽件，所述导电屏蔽件基本上沿其长度围绕所述绝缘材料，所述导电屏蔽件与所述感测电极和所述火花电极电隔离，其中，所述导电屏蔽件显著减少了所述感测电极中的电磁干扰。
21.根据权利要求20所述的火花塞，还包括：
绝缘层，其基本上沿其长度围绕所述导电屏蔽件，其中，所述感测电极基本上是管状的，并设置在所述绝缘层和所述电绝缘体之间。
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