CN1369057A - 设有压力传感器的火花塞和设有这种火花塞的内燃机 - Google Patents

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Abstract

一种内燃机用的火花塞(1、101),具有一个金属壳(2、102),其端部(3、103)有外螺纹可旋入到气缸头的螺孔内,该壳体在内侧支承着一个绝缘体(4、104),特别是用陶瓷做的,有一中央电极(5、105)延伸通过该绝缘体而能与高电压连接,在壳体螺纹端部区(3、103)的内表面(11、117i)和绝缘体端(4、104)的外表面之间形成一个环状室(10、110),该火花塞还设有至少一个压力传感器(C),特别是电阻式的,并这种设计使当火花塞在位时该传感器能受到相关燃烧室的压力,该压力传感器(C)被安装在形成环状室(10、110)边界的壳体的螺纹端部(3、103)的内表面(11、117i)沿径向向外的地方,使环状室(10、110)的几何形状尺寸不致由于传感器的存在而被改变,其特征为,在壳体的螺纹端部上向内开出一个凹腔(14、114)以便容纳一个筒部(17、117),该筒部能够复制出环状室(10、110)的几何形状尺寸。

Description

设有压力传感器的火花塞 和设有这种火花塞的内燃机
本发明涉及一种内燃机的火花塞，该火花塞有一金属壳，其端部有外螺纹可旋入到气缸头的螺孔内，该壳体在内部支承着一个绝缘体特别是用陶瓷做的，有一中央电极延伸通过该绝缘体能与高电压连接，在壳体螺纹端部区的内表面和绝缘体端的外表面之间形成一个环状室，该火花塞还设有至少一个压力传感器，特别是电阻式的，并设计当火花塞在位时使这个传感器受到相关燃烧室的压力。
测量内燃机气缸内的压力极其重要，它使随后的热力计算能在压力循环的基础上进行。
压力测量的精度和循环的定时是在计算燃烧所释放能量时的关键因素。
曾经提出这种测量可用以石英晶体为基础的压电式传感器来完成。石英晶体通过气缸内得到的压力可被压缩，压力施加在石英上可产生以皮库(库仑的负12次方)计的微电流，这个微电流必须在电荷放大器内放大。因此这种解决方案就传感器和放大器而言都很费钱并且难于实现，因为在微量电流内漂移常会发生。这种形式的测量伴随着程序，常须对硬件校验。
另外，压电式传感器可很好地显示施加在传感器上的压力的差异或变化，但不能给出压力的实际或绝对的值。标定这个偏置值始终是个问题。
因此曾提出使用压敏电阻式传感器来替代压电式传感器，这样做有两个好处：
能给出绝对压力的实际值，
输出信号很容易用惠斯顿电桥放大。
在另一方面，压敏电阻式传感器具有对高温抗力低的缺点。但目前已能得到能够承受温度约为250℃的压敏电阻式传感器，这个温度对装在火花塞的用途而言已足够高了。
曾经提出在火花塞内安装传感器特别是压敏电阻式传感器的各种解决方案。
但迄今为止所有提出的安装方案都不能完全令人满意，因为它们扰乱燃烧发生的途径并导致测得的压力值不同于实际值。某些安装方案包括一个有点相当大体积的孔用来将压力传输到传感器上，这样会修改室的体积并产生谐振信号，这些信号与实际的燃烧现象并不一致。
本发明的目的主要是要提出一种安装压力传感器特别是压敏电阻式传感器的方法，该方法可避免任何对燃烧发生途径的可观的修改，并且使我们得到尽可能准确的测出值，同时还可合适地保护传感器使它不受热的损害。
按照本发明，属于上述形式、设有压力传感器的、用于内燃机的火花塞，其特征在于该压力传感器被安装在形成环状室边界的壳体的有螺纹的端部的内表面沿径向向外的地方，使环状室的几何形状尺寸不致由于传感器的存在而被改变。
一种较好的做法是在壳体的有螺纹的端部上向内开出一个凹腔以便容纳一个筒部，该筒部能够复制出环状室的几何形状尺寸；该筒部在其外表面上为传感器开有一个凹部，因此传感器被包围在一封闭的空间内，该空间以筒部和凹腔的壁为界，另外在筒部的壁上至少设有一个小直径的孔使压力能从燃烧室作用到传感器上。
留给传感器的封闭空间用来保护传感器使它不受燃烧室高温的损害。
在一可替代的形式中，传感器被粘结到筒部的凹部的外面上而小孔开到所说凹部内离开传感器一些距离使后者在其与粘结到筒部的一面相对的另一面上受到燃烧室的压力。
在另一个可替代的形式中，传感器被粘结到筒部的凹部的外面上，而小孔开到传感器与筒部粘结的那个面上。
筒部可被粘结到壳体螺纹端部内的凹腔内。传感器可被粘结到筒部的凹部内。
在一个具体的实施例中，至少一个接地电极被连接到壳体和地上。所说这些电极的顶尖被互相间隔开一个预定的距离。筒部上可具有至少一个槽以使这些接地电极的通过。
压力传感器可放置在接地电极沿直径的对面。
筒部可载有多个压力传感器。
在另一个实施例中，筒部具有至少一个形成接地电极的轴向延伸部，中央电极和接地电极的顶尖被间隔开一个预定的距离。
最好至少有一条沟道在壳体内被穿入而平行于火花塞的轴线，其一端开通到内藏传感器的封闭空间内，而另一端进入到连通外界的空间内，这条沟道允许导线通过以便从压力传感器导出电信号。
还可将至少一个温度传感器设在筒部上。
本发明还涉及一种内燃机，其气缸设有这种火花塞。
本发明除了上面列出的一些设施外，还具有一定数目的其他设施，这些设施将结合两个具体的实施例说明，它们将结合附图详细说明，但无论如何不能限制本发明。
图1为按照本发明第一实施例的火花塞的概略的垂直轴向剖面图，有些部件为其外观；
图2为带有电极顶尖和压力传感器的火花塞端部的放大视图；
图3为筒部的透视图；
图4为与图1类似的图，但所画为本发明的火花塞的第二实施例；
图5为图4中一个画圈的、用标号V指出的细节的放大视图；
图6为图4中筒部的立视图；
图7为图6中沿线VII-VII切开的剖视图。
参阅图1，可见按照本发明第一实施例的、用于内燃机的火花塞1，该火花塞有一金属壳2，其端部3有外螺纹可旋入到气缸头(未示出)的螺孔内，该气缸头开通到气缸(未画出)的燃烧室内。
壳体2在其内侧支承着一个由陶瓷制成的绝缘体4，中央电极5通过该绝缘体被一连接杆6连接到接线端7，在适当时刻可将高电压施加在其上。连接到壳体2上的第二电极8由金属条构成向内弯曲成一直角。两个电极的顶尖间隔开一个预定的距离以便产生火花。电极8通过用螺纹旋入气缸头内的壳体2被接地。在图1中画出的例子中，壳体2在其长度的大约中间有一螺帽状部分9可用来旋紧和旋松螺纹。在壳体2和气缸头之间的密封发生在螺帽9到接线端7的反对侧。
当火花塞1在气缸头上就位时向燃烧室开通的环状室10由螺纹部3的圆筒形内表面11和绝缘体4靠近电极5顶尖一端的外表面12作为边界。在所画实施例中，表面12略成截锥形，其小底靠近电极5的顶尖。
绝缘体4具有一个截锥形的肩部4a，以密封的方式如插置一个铜垫密片，搁置在螺纹部3的另一个内截锥形的肩部3a上。绝缘体4可用一套管12沿轴向搁置在绝缘体4的宽部13上而被固定在壳体2内，套管12是在电极顶尖的另一端被接合和固定在壳体2中的。
火花塞1设有压敏电阻式压力传感器C。这个压力传感器C被安装在形成环状室10边界的壳体端部3的内表面11的径向外侧，使环状室10的几何形状尺寸不会由于传感器的存在而改变。
换句话说，按照本发明设有传感器的火花塞的环状室10的内表面11仍保持相同的圆筒形状和相同的尺寸如同没有设置传感器C的火花塞一样。因此空间10的微观几何形状尺寸没有改变，这意味着进行燃烧的途径没有被修改。
按照一个有效的解决方案，端部3在其内侧具有一个台阶状凹腔14，该凹腔具有与中央电极5同轴的第一圆筒形孔14a。这个孔14a的一端向燃烧室开通，并在另一端延伸到向内的径向台阶15。接着直径比孔14a小的第二孔14b从台阶15延伸一段比孔14a短的长度。这个第二孔14b的端头为一向内的径向台阶16，在该处该孔与壳体端部3的端孔的圆筒形表面11相会。
一个金属筒部17被设计得可被容纳在凹腔14内并复制出环状室10的几何形状尺寸。筒部17将凹腔14填满使筒部的内圆形表面17i与圆筒形表面11的上部对齐，从而使该表面重新构成并延伸到向燃烧室开通的端头。
筒部17具有一个套筒17a可被容纳在凹腔14的部分14a内，该套管还被一个较薄的颈圈17b架在其上，该颈圈填充在凹腔的部分14b内。在筒部17的外圆筒形表面上例如可用铣削开出一个凹部18以便容纳传感器C。该凹部18在燃烧室一侧被一肩部19围住，而在其相对端是开启的。
在筒部的外表面上，例如在直径上与凹部18相对的位置上，用机加工制出一条与筒部17的轴线平行的槽20，使当将筒部17安装在火花塞的壳体3内时在电极8未被弯曲之前允许电极8在其内通过。
筒部17可用粘结固定到壳体3的凹腔14内。在壳体内穿有一条与火花塞轴线平行的沟道21，以便在一端开通到凹槽14的部分14a内。在其另一端，该沟道21开通到一个与外界连接的空间22内。
空间22和外界的连接可通过在宽部13上制出的至少一条槽13a来做到。按照另一种可能性，传感器C的连接导线也可通过一个斜孔22a引出，该斜孔在壳体2的壁上制出，靠近螺帽9而在该螺帽9到螺纹端3的反对的一侧上。
传感器C可用粘结固定在凹部18内。安装时，传感器的连接导线被接合在沟道21内，而筒部17被倾斜成角度地取向使凹部18对准沟道21的中心。其时电极8还没有向内弯曲，这意味着筒部17能够滑入并粘结到凹腔14内，其时电极8可沿着槽20移动。在筒部17配装好以后，电极8能被弯曲成直角。
至少有一个小直径孔23在作为凹部18内侧边界的筒部的薄部24上制出，这个直径约为几个十分之一毫米。一个较优的做法是制出多个小孔23，在凹部18和室10之间建立起连通关系，使传感器C受到在燃烧室内得到的压力。该孔23不会出现谐振问题，因为其直径极小，并且其长度很短，因为该壁部分24的厚度很小，约为几个十分之一毫米。
按照本发明，传感器藏在封闭空间内以资保护使它免受燃烧室高温的损害。
多个压力传感器小室可配装在筒部17的周边上，然后粘结到火花塞壳体上，其方式与结合凹部18说明的方式相似。
通过能被密封的沟道21将传感器的连接导线穿过并引出使我们有可能同时克服温度和密封的问题。
图4到7画出本发明的火花塞的第二实施例，其中与第一实施例等同或类似的元件用相同的标号加一百来指出。
按照第二实施例的火花塞101具有一个与筒部117成为一体的接地电极108，该电极由一根大致平行于火花塞轴线的金属条构成，从筒部117的圆筒形壁延伸到火花塞之外，其端部向内弯曲成直角。两个电极108和105的顶尖间隔开一个预定的距离以便产生火花。电极108通过用螺纹旋入到气缸头内的壳体102而被接地。
当火花塞101在气缸头内就位时环状室110向燃烧室开通。环状室110的边界为筒部117的圆筒形内表面117i和绝缘体104靠近电极105顶尖一端的截锥形外表面112。
压力传感器C被安装在限定环状室110边界的壳体的端部103内，在筒部117的内表面117i的沿径向的外侧，使环状室的几何形状尺寸不会由于传感器的存在而被改变。这个端部103在朝向其内侧有一凹腔114，筒部117的外圆筒形部被粘结在凹腔的侧表面上。筒部117能将凹腔114完全填充以致筒部的内圆筒形表面117i能与在凹腔114之上的壳体103的内部对齐。
在筒部117的圆筒形外表面上例如可用铣削制出一个大致成L形的凹部118。凹部118的长腿平行于火花塞的轴线延伸并离开电极108向火花塞的内侧开通。凹部118的短腿119伸出成圆弧形，有一孔123开通到短腿119内离开传感器C一个距离而传感器C被容纳在凹部118的长腿内。孔123在筒部117的薄壁部124上制出，这个薄壁部124是在L形的凹部118上形成的。当然可以有多个孔123，只要它们不是在传感器C上开通。
在壳体102内至少穿通有一条平行于火花塞轴线的沟道，其一端开通到凹腔114内，而其另一端开通到一个与外界连通的空间122内。这条沟道预定用来容纳传感器C的连接导线121，导线121预定延伸通过一个在壳体102的壁上靠近螺帽109而在螺帽到螺纹端103的反对侧制出的斜孔。如从图5可最好地看到，连接导线由一根粘结或铜焊在筒部117的圆筒形外表面上的套管121和多条在套管内延伸的测量线121a构成。有一密封件125设在凹部118内以便在测量线121c和传感器C之间提供密封。
图4示出压紧在火花塞壳体102部件109上的密封垫并预定要压紧在气缸头上。
直接在筒部117上设置接地电极108可使机加工较为容易。当然可设想在一个火花塞上设有多个接地电极，或者替代的办法是在火花塞上为置环形的接地电极如同在竞争的内燃机中所用的火花塞那样。
在火花塞如图1到7所示只有一个接地电极时，火花可在电极5、105的下端和面对它的接地电极8、108之间沿轴向起弧。在火花塞具有多个接地电极时，这些电极的下端都沿径向弯向中央电极，因此火花沿径向起弧。在竞争的内燃机所用火花塞具有环形接地电极的情况下，筒部有一内颈圈沿径向向中央电极，因此火花能在中央电极的周边上的任何一点起弧。

Claims (13)

1.一种内燃机用的火花塞(1、101)，具有一个金属壳(2、102)，其端部(3、103)有外螺纹可旋入到气缸头的螺孔内，该壳体在内侧支承着一个绝缘体(4、104)，特别是用陶瓷做的，有一中央电极(5、105)延伸通过该绝缘体而能与高电压连接，在壳体螺纹端部区(3、103)的内表面(11、117i)和绝缘体端(4、104)的外表面之间形成一个环状室(10、110)，该火花塞还设有至少一个压力传感器(C)，特别是电阻式的，并这种设计使当火花塞在位时该传感器能受到相关燃烧室的压力，该压力传感器(C)被安装在形成环状室(10、110)边界的壳体的螺纹端部(3、103)的内表面(11、117i)沿径向向外的地方，使环状室(10、110)的几何形状尺寸不致由于传感器的存在而被改变，其特征为，在壳体的螺纹端部上向内开出一个凹腔(14、114)以便容纳一个筒部(17、117)，该筒部能够复制出环状室(10、110)的几何形状尺寸。
2.权利要求1的火花塞，其特征为，传感器(C)为压敏电阻式传感器。
3.权利要求1或2的火花塞，其特征为，在筒部(17、117)的外表面上为传感器开有一个凹部(18、118)，因此传感器被包围在一封闭的空间内，该空间以筒部(17、117)和凹腔(14、114)的壁为界，另外在筒部的壁的薄部(24、124)上至少设有一个小直径的孔(23、123)，使压力能从燃烧室作用到传感器上。
4.以上权利要求中任一项的火花塞，其特征为，凹腔(14)被制成台阶状，并有与中央电极(5)同轴的第一圆筒形孔(14a)，这个孔(14a)的一端向燃烧室开通，并在另一端延伸到向内的径向台阶(15)，接着直径比孔(14a)小的第二孔(14b)从台阶(15)延伸一段比孔(14a)短的长度，这个第二孔(14b)的终端为一向内的径向台阶(16)，在该处该孔与部件(3)端孔的圆筒形表面(11)相会。
5.权利要求4的火花塞，其特征为，筒部(17)具有一个套管(17a)可被容纳在凹腔(14)的部分(14a)内，该套管还被一个较薄的颈圈(17b)架在其上，该颈圈填充在凹腔的部分(14b)内，凹部(18)是在筒部(17)的圆筒形外表面上制出的。
6.权利要求3到5中任一项的火花塞，其特征为，筒部(17、117)被粘结到壳体螺纹端部(3、103)内的凹腔(14、114)内。
7.权利要求3的火花塞，其特征为，传感器(C)被粘结到筒部(117)的凹部(118)的外面上，而小孔(123)开到所说凹部内，离开传感器一些距离，使后者在其与粘结到筒部的一面相对的另一面上受到燃烧室的压力。
8.权利要求3的火花塞，其特征为，传感器(C)被粘结到筒部(17)的凹部(18)的外面上，而小孔(23)开到传感器与筒部粘结的那个面上。
9.以上权利要求中任一项的火花塞，其中至少有一个接地电极(8)被连接到壳体和地上，所说电极(5、8)的顶尖被预定的距离间隔开，其特征为，筒部(17)具有至少一个槽(20)以便接电电极(8)的通过。
10.权利要求1到9中任一项的火花塞，其特征为，筒部(117)具有至少一个形成接地电极(108)的轴向延伸部，中央电极(105)和接地电极(108)的顶尖被预定的距离间隔开。
11.以上权利要求中任一项的火花塞，其特征为，至少有一条沟道(21、121)被穿入到壳体(2、102)内而平行于火花塞的轴线，其一端开通到内藏传感器(C)的封闭空间内，而另一端进入到连通外界的空间(22、122)内，这条沟道允许导线(121a)通过，以便从压力传感器导出电信号。
12.以上权利要求中任一项的火花塞，其特征为，至少有一个温度传感器设在筒部上。
13.气缸内设有按照权利要求1到12中任一项的火花塞的内燃机。
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