ДАТЧИК ДЕТОНАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01M15/00 G01L23/22 

Изобретение относится к области контроля вибрации двигателей внутреннего сгорания, а именно к датчикам детонации широкополосного типа, применяемым в системах электронного управления двигателями внутреннего сгорания.

Наиболее важными характеристиками датчиков детонации широкополосного типа являются
- ширина полосы пропускания частоты виброколебаний (рабочий частотный диапазон);
- равномерность амплитудно-частотной характеристики в рабочем частотном диапазоне;
- стабильность коэффициента преобразования и вышеперечисленных характеристик в процессе эксплуатации при воздействии дестабилизирующих факторов, связанных с работой двигателя внутреннего сгорания (высокая температура, механические и тепловые удары и т.п.);
- технологичность и низкая себестоимость в условиях массового производства.

В практике автомобилестроения существуют различные типы датчиков детонации широкополосного типа.

Известен датчик детонации широкополосного типа /1/, представляющий заключенное без зазора в электроизоляционный корпус основание, выполненное в виде втулки с фланцем, на котором последовательно снизу вверх установлены пьезоэлемент с токосъемниками, инерционный элемент, тарельчатая пружина и гайка. Токосъемники электрически изолированы от основания и инерционного элемента с помощью двух электроизоляционных прокладок, одна размещена между нижним токосъемником и фланцем основания, а другая - между верхним токосъемником и инерционным элементом. На корпусе сформирован соединитель, содержащий два токовывода, соединенные с токосъемниками.

Однако такая конструкция обладает существенными недостатками:
1) из-за отсутствия зазора между корпусом и пьезоэлементом, последний при действии инерционных сил вдоль оси датчика испытывает сложное объемное сжатие, т.к. помимо продольного сжатия пьезоэлемент претерпевает ограничение деформирования в поперечных направлениях (см. фиг. 1). Для такой схемы суммарный заряд, генерируемый на торцевых электродах пьезоэлемента, в этом случае будет определяться как
QΣ = d33·S3·P-d32·S2·P-d31·S1·P,
где d33 - пьезомодуль в продольном направлении;
d31, d32 - пьезомодуль в поперечных направлениях;
S1, S2, S3 - площадь пьезоэлемента в продольном и поперечном направлениях;
P - давление.

Если принять, что
d33 350 пКл/Н
d31 = d32 150 пКл/Н
S1 = S2 0,2 · S3,
а давление Р одинаково по всем направлениям, то суммарный заряд
QΣ = P·290·S3.

В то же время одноосное сжатие реализует заряд
Q1= P · d33 · S3 = P · 290 · S3/
Тем самым за счет ограничения деформирования пьезоэлемента в поперечных (нерабочих) направлениях при его осевом сжатии суммарное значение генерируемого заряда примерно на 20% меньше расчетного. Скомпенсировать снижение коэффициента преобразования возможно за счет увеличения массы инерционного элемента. Однако с увеличением массы инерционного элемента возрастают габариты датчика и происходит снижение значения нижней резонансной частоты, влекущей за собой уменьшение рабочего частотного диапазона;
2) в рабочем диапазоне температур датчика от - 40^oC до +150^oC из-за существенной разницы температурных коэффициентов линейного расширения материала электроизоляционного корпуса - 3,5·10^-5oC^-1, пьезоэлемента - 0,5·10^-5oC^-1, металлических деталей датчика (инерционный элемент, пружина, крепежный элемент и основание) - 1,1·10^-5oC^-1 пьезоэлемент также изменяет свое напряженное состояние. Такое изменение носит случайный, непрогнозируемый характер, зависящий от адгезии материала корпуса к деталям датчика, температурных и механических воздействий в процессе эксплуатации и т.д. В результате повышается нестабильность коэффициента преобразования и значения нижней резонансной частоты, приводящей к сужению рабочей полосы частот и уменьшению равномерности амплитудно-частотной характеристики;
3) корпус датчика, а также присоединенный к электрическому соединителю датчика кабель из-за непосредственного соприкосновения электроизоляционного корпуса с пьезоэлементом приводят к непрогнозируемому изменению значения коэффициента преобразования и уменьшению значения нижней резонансной частоты, что особенно проявляется в процессе эксплуатации;
4) относительно большое количество последовательно сопрягаемых деталей, от состояния качества механической обработки торцевых поверхностей и жесткостей которых зависит значение нижней резонансной частоты, уменьшающей ширину рабочего частотного диапазона.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является датчик детонации широкополосного типа /2/, содержащий заключенные без зазора в электроизоляционный корпус основание и крепежный элемент. Основание выполнено в виде втулки с фланцем, на котором последовательно снизу вверх установлены пьезоэлемент с токосъемником на нижней плоскости, инерционный элемент и пружина, один край которой установлен на верхней плоскости инерционного элемента, а на корпусе сформирован электрический соединитель, содержащий два токовывода, первый токовывод соединен с токосъемником. Между токовыводами введено средство для защиты от воздействия электроизоляционного корпуса, выполненное в виде электроизоляционной распорной втулки, охватывающей пьезоэлемент, инерционный элемент и пружину. Инерционный элемент и пружина выполнены электропроводными. Второй токовывод размещен между верхним краем пружины и крепежным элементом. Пьезоэлемент охвачен первым токовыводом. Пружина выполнена тарельчатой и установлена на инерционный элемент основанием меньшего диаметра, а корпус выполнен из реактопластов. Между токосъемником и фланцем основания, а также между вторым токовыводом и крепежным элементом установлены нижняя и верхняя электроизоляционные прокладки соответственно. Этот датчик является прототипом.

Такая конструкция датчика детонации за счет отсутствия соприкосновения электроизоляционного корпуса с пьезоэлементом, инерционным элементом и пружиной по сравнению с датчиком /1/ обладает более широкой полосой пропускания частот (до 10 кГц), небольшим значением неравномерности амплитудно-частотной характеристики (не более ±1 дБ), большей стабильностью коэффициента преобразования (±30%), меньшим количеством сопрягаемых деталей. Однако, как показала практика серийного изготовления, этот датчик для массового производства относительно сложен, не обладает необходимой технологичностью, является дорогостоящим в изготовлении вследствие того, что:
во-первых, используется большое количество деталей, входящих в конструкцию датчика;
во-вторых, использование электроизоляционной распорной втулки, ограждающей пьезоэлемент, инерционный элемент и пружину от непосредственного соприкосновения с электроизоляционным корпусом, приводит к необходимости соблюдения и реализации очень жестких геометрических допусков и отклонений при изготовлении этих деталей вследствие замкнутой размерной цепи сопрягаемых элементов;
в-третьих, сохраняется нежелательное воздействие (из-за адгезии) электроизоляционного корпуса на крепежный элемент как при изготовлении, так и при эксплуатации, что выражается в ухудшении характеристик датчика, а именно уменьшении ширины рабочего частотного диапазона, нестабильности коэффициента преобразования. Тем самым увеличивается процент брака при изготовлении и снижаются эксплуатационные свойства датчика.

Задача изобретения - увеличение конструкторского запаса по частотным свойствам (расширение рабочего частотного диапазона), повышение значения коэффициента преобразования и равномерности амплитудно-частотной характеристики, стабильности вышеперечисленных характеристик в процессе изготовления и эксплуатации, а также повышение технологичности.

Технический результат достигается тем, что в известном датчике детонации, содержащем заключенные в электроизоляционный корпус основание в виде втулки с фланцем, на котором установлены пьезоэлемент, инерционный элемент, поджатый к пьезоэлементу посредством пружины и крепежного элемента, а также токосъемники, электроизоляционные прокладки, токовыводы, соединенные с токосъемниками и средство для защиты от воздействия электроизоляционного корпуса, охватывающее пьезоэлемент, инерционный элемент, пружину, новым является то, что средство защиты дополнительно охватывает крепежный элемент и выполнено в виде электроизоляционного антиадгезионного покрытия со значением модуля упругости, меньшим значения модуля упругости материала электроизоляционного корпуса.

Кроме того, электроизоляционные прокладки и токосъемники выполнены за одно целое.

Увеличение конструкторского запаса по частотным свойствам (расширение рабочего частотного диапазона), повышение значения коэффициента преобразования и равномерности амплитудно-частотной характеристики достигается тем, что выполнением средства для защиты от воздействия электроизоляционного корпуса в виде электроизоляционного антиадгезионного покрытия со значением модуля упругости, меньшим значения модуля упругости материала электроизоляционного корпуса, обеспечивается свобода деформирования пьезоэлемента, инерционного элемента, пружины и крепежного элемента за счет "зазора" между ними и корпусом и тем самым устраняется непосредственное воздействие распределенной массы корпуса и присоединенного к электрическому соединителю датчика кабеля на пьезоэлемент, инерционный элемент, пружину и крепежный элемент.

Кроме того, использование электроизоляционных прокладок и токосъемников, выполненных за одно целое, уменьшает количество сопрягаемых деталей, увеличивает продольную жесткость и, следовательно, приводит к расширению рабочего частотного диапазона и повышению равномерности амплитудно-частотной характеристики.

Повышение стабильности основных технических характеристик датчика в процессе эксплуатации достигается также тем, что введением электроизоляционного антиадгезионного покрытия при изменении температуры устраняется воздействие деформации электроизоляционного корпуса, вызванной различием коэффициентов линейного расширения последнего и деталей датчика.

Повышение технологичности и стабильности характеристик датчика в процессе изготовления обеспечивается тем, что за счет использования электроизоляционного антиадгезионного покрытия устраняется непосредственное воздействие электроизоляционного корпуса на детали датчика и тем самым уменьшается диапазон изменений основных технических характеристик, а следовательно, количество брака, что существенно сказывается на себестоимости датчика. Такое исполнение также снимает жесткие требования по выбору материала корпуса. Выполнение электроизоляционной прокладки и токосъемника в виде одной детали сокращает количество деталей в датчике, что также сказывается на повышении технологичности.

Рассмотрим более подробно особенности совокупности отличительных признаков заявляемого датчика детонации широкополосного типа.

Суть заявляемого технического решения ясна из прилагаемых разъяснений и иллюстраций, где фиг.1 - пьезоэлемент датчика детонации, фиг.2 - конструктивная схема датчика детонации, фиг.3 - амплитудно-частотная характеристика датчика детонации.

На фиг.2 показано:
1 - электроизоляционный корпус;
2 - основание;
3 - фланец основания;
4 - пьезоэлемент;
5 - электроизоляционная прокладка;
6 - токосъемник электроизоляционной прокладки;
7 - инерционный элемент;
8 - пружина;
9 - крепежный элемент;
10, 11 - токовыводы;
12 - средство защиты (электроизоляционное антиадгезионное покрытие);
13 - электрический соединитель.

На фиг.3 показано:
F_н - нижнее значение резонансной частоты;
Δf - рабочий частотный диапазон;
δ - неравномерность амплитудно-частотной характеристики.

Датчик детонации содержит основание 2 в виде втулки с фланцем 3, заключенное в электроизоляционный корпус 1, на котором установлены пьезоэлемент 4, инерционный элемент 7, поджатый к пьезоэлементу посредством пружины 8 и крепежного элемента 9, электроизоляционные прокладки 5 с токосъемниками 6, выполненные за одно целое (например, фольгированные стеклотекстолит, полиимидная пленка). Электрический соединитель 13 с токовыводами 10, 11 находится на боковой поверхности электроизоляционного корпуса 1. Токовыводы 10, 11 соединяются с токосъемниками 6 с электроизоляционных прокладок 5 с помощью сварки или пайки. Пьезоэлемент 4, инерционный элемент 7, пружина 8 и крепежный элемент 9 охвачены средством защиты в виде электроизоляционного антиадгезионного покрытия со значением модуля упругости, меньшим значения модуля упругости материала электроизоляционного корпуса 1 (модуль упругости полиамида, АГ4 - (8-10)·10⁴ кгс/см²), образуя как бы "зазор" между деталями датчика и корпусом. Покрытие может наноситься методом напыления или смачивания. В качестве материала покрытия можно использовать органосиликатные типа ОС или полиметилсилоксановые композиции с модулем упругости (2-5)·10² кгс/см². Корпус формируется прессовкой или заливкой из реактопластов, термопластов и заливочных компаундов.

Датчик детонации широкополосного типа, установленный на двигателе внутреннего сгорания, работает следующим образом.

Инерционный элемент 7 под действием виброколебаний, вызванных процессом детонации в цилиндрах двигателя, оказывает на пьезоэлемент 4 усилие, под действием которого на электродах пьезоэлемента генерируется напряжение
,
где A - амплитуда виброускорения;
ζ - коэффициент преобразования;
m - масса инерционного элемента;
d33 - пьезомодуль;
C - электрическая емкость пьезоэлемента.

Сигнал с пьезоэлемента посредством токосъемников 6, токовыводов 10 и присоединенного к датчику кабеля поступает в электронный блок, где происходит его обработка.

Т.к. частота виброколебаний, вызванных детонацией двигателя может изменяться от 5 до 10 кГц, то ширина рабочего частотного диапазона датчика должна перекрывать этот спектр частот, а неравномерность амплитудно-частотной характеристики датчика в этом диапазоне должна быть минимальной (см. фиг.3). Нижнее значение резонансной частоты датчика, определяющей ширину рабочего частотного диапазона и неравномерность амплитудно-частотной характеристики, рассчитывается по формуле

где K - жесткость конструкции датчика;
m - масса инерционного элемента.

В результате того, что выполнением средства для защиты от воздействия электроизоляционного корпуса в виде электроизоляционного антиадгезионного покрытия, охватывающего пьезоэлемент 4, инерционный элемент 7, пружину 8 и крепежный элемент 9 устраняется воздействие корпуса на эти детали датчика (распределенная масса корпуса датчика и присоединенного к нему кабеля в формировании основных технических характеристик не участвуют), тем самым коэффициент преобразования, нижнее значение резонансной частоты и неравномерность амплитудно-частотной характеристики стабильны при изготовлении и при эксплуатации, что в свою очередь оптимизирует работу электронного блока.

Изготовленные в соответствии с отличительными признаками датчики детонации имеют стабильные в процессе изготовления и эксплуатации основные технические характеристики: изменение коэффициента преобразования ±15% вместо ±30% у прототипа, более широкий (на 25%) частотный диапазон, что увеличивает конструкторские запасы по основным параметрам датчика, а также уменьшенную в 2 раза неравномерность амплитудно-частотной характеристики. Тем самым существенно снижается брак при изготовлении датчика из-за превышения нормируемых значений основных технических характеристик, улучшаются эксплутационные свойства.

Снижена материалоемкость и трудоемкость изготовления датчика, сняты ограничения по выбору материала корпуса, что существенно при массовом производстве.

Источники информации:
1. Патент Германии N4123786 "Датчик детонации" от 18.07.91 г. G 01 L 23/22.

2. Патент России N2039355 "Датчик детонации" от 12.05.93 г. H 01 L 41/08.

Изобретение относится к контролю вибрации двигателей внутреннего сгорания и предназначено для систем электронного управления двигателями внутреннего сгорания. Изобретение позволяет увеличить конструкторский запас по частотным свойствам, повысить значения коэффициента преобразования и равномерности амплитудно-частотной характеристики, стабильности вышеперечисленных характеристик в процессе изготовления и эксплуатации, а также повысить технологичность. Датчик детонации содержит заключенные в электроизоляционный корпус основание в виде втулки с фланцем, на котором установлены пьезоэлемент, инерционный элемент, поджатый к пьезоэлементу посредством пружины и крепежного элемента, средство для защиты от воздействия электроизоляционного корпуса, охватывающее пьезоэлемент, инерционный элемент и пружину, а также токосъемники, электроизоляционные прокладки и токовыводы, соединенные с токосъемниками. Средство для защиты выполнено в виде электроизоляционного антиадгезионного покрытия, дополнительно охватывающего крепежный элемент. Значение модуля упругости материала покрытия меньше значения модуля упругости материала электроизоляционного корпуса. Электроизоляционные прокладки и токосъемники выполнены за одно целое. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик детонации, содержащий заключенные в электроизоляционный корпус основание в виде втулки с фланцем, на котором установлены пьезоэлемент, инерционный элемент, поджатый к пьезоэлементу посредством пружины и крепежного элемента, средство для защиты от воздействия электроизоляционного корпуса, охватывающее пьезоэлемент, инерционный элемент и пружину, а также токосъемники, электроизоляционные прокладки и токовыводы, соединенные с токосъемниками, отличающийся тем, что средство для защиты выполнено в виде электроизоляционного антиадгезионного покрытия, дополнительно охватывающего крепежный элемент, при этом значение модуля упругости материала покрытия меньше значения модуля упругости материала электроизоляционного корпуса. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что электроизоляционные прокладки выполнены за одно целое.