ЗАПАЛЬНАЯ СВЕЧА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК F23Q7/00 G01L23/10 

Настоящее изобретение относится к штифтовой запальной свече, предназначенной, в частности, для двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением.

Такие запальные свечи известны, например, из патентного документа DE 10346295 A1.

В соответствии с конструкцией известной запальной свечи измерительный элемент расположен за пределами головки цилиндра, что обеспечивает защиту измерительного элемента от воздействия высоких температур камеры сгорания. Конструкция данного типа обуславливает удлинение канала передачи усилий, что, в свою очередь, приводит к низкой частоте собственных колебаний, а также к возникновению искажений и фазовых сдвигов в результатах измерения.

Таким образом, если корпус и элементы, предназначенные для передачи усилий, изготовлены из разных материалов, то наличие длинных каналов передачи усилий приводит к увеличению разницы в тепловом расширении, а это вызывает искажение результатов измерений.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать штифтовую запальную свечу, которая регистрирует значения давления, в значительной степени не зависящие от температуры, влияния теплового расширения и других источников погрешности.

В соответствии с настоящим изобретением данная задача решена благодаря тому, что штифтовая запальная свеча содержит по меньшей мере один корпус с по меньшей мере одним нагревательным элементом, выполненным, по существу, в форме стержня, причем указанный нагревательный элемент одним концом выдается за пределы корпуса свечи, а также по меньшей мере один измерительный элемент, при этом нагревательный элемент и измерительный элемент соединены друг с другом неразъемно. Таким образом, преимущество заключается в том, что каналы теплоотвода ограничены до минимума. Согласно предпочтительному варианту изобретения корпус свечи имеет, по существу, трубчатую форму. Это способствует упрощению процесса изготовления и, в результате, сокращению производственных затрат.

Согласно другому предпочтительному варианту изобретения корпус свечи состоит из по меньшей мере двух частей. Таким образом, он содержит по меньшей мере одну верхнюю часть и по меньшей мере одну нижнюю часть корпуса. В данном случае преимущество состоит в том, что производство является более выгодным.

Согласно еще одному варианту изобретения корпус свечи содержит по меньшей мере одну среднюю часть. Наличие указанной средней части обеспечивает преимущество, которое заключается в том, что нагревательный стержень одним концом, который обращен в противоположную от камеры сгорания сторону, неразъемно соединен с одним из торцов измерительного элемента. Причем измерительный элемент другим своим торцом соединен с верхней и средней частями корпуса посредством сварного кольца и внешней поверхности. Через данное жесткое соединение керамический нагревательный стержень передает давление непосредственно на измерительный элемент. Причем для того, чтобы скрепить элементы, обеспечивающие передачу усилий, нет необходимости в создании предварительного натяга.

В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения в нижней части корпуса предусмотрен уплотнительный конус. Кроме того, целесообразно, по существу, поместить нагревательный элемент в защитную трубку. Указанная защитная трубка предохраняет нагревательный элемент от возможных повреждений.

В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения штифтовая запальная свеча содержит по меньшей мере один уплотнительный элемент. Преимущество установки данного уплотнительного элемента состоит в том, что обеспечена защита чувствительных измерительных элементов от воздействия коррозионных газов камеры сгорания.

Согласно еще одному предпочтительному варианту изобретения уплотнительный элемент отличается незначительной жесткостью в осевом направлении и сравнительно большой жесткостью в радиальном направлении. Преимущество установки данного уплотнительного элемента заключается в том, что уплотнительный элемент, нежесткий в осевом направлении, в значительной степени блокирует влияние внешних источников погрешности, таких как тепловое расширение и деформирование головки цилиндра; а также за счет жесткости в радиальном направлении в значительной мере предохраняет элементы, обеспечивающие передачу усилий. В результате, частота возбуждения в радиальном направлении увеличивается.

Согласно другому предпочтительному варианту изобретения нагревательный элемент и/или защитная трубка и/или уплотнительный элемент соединены друг с другом неразъемно и/или с геометрическим замыканием. В данном случае преимущество заключается в том, что керамический нагревательный элемент и чувствительные измерительные элементы защищены от воздействия газов камеры сгорания. Согласно одному из предпочтительных вариантов изобретения уплотнительный элемент и защитная трубка выполнены заодно целое. Выполнение защитной трубки и уплотнительного элемента в виде одной цельной детали обеспечивает преимущества, как с точки зрения процесса изготовления, так и с точки зрения производственных затрат. Это объясняется тем, что отсутствующий сварной шов не может разгерметизироваться, а герметичная защитная трубка, выполняющая функцию уплотнительного элемента, предохраняет чувствительные элементы от воздействия коррозионных газов камеры сгорания.

В соответствии с еще одним вариантом изобретения измерительный элемент содержит по меньшей мере один датчик для измерения давления и/или по меньшей мере один датчик для измерения температуры. Преимущество в данном случае состоит в том, что обеспечена возможность компенсировать любые погрешности измерений, обусловленные изменением температуры.

Например, если датчик для измерения температуры, выполненный в виде измерительной полоски, расположен на измерительном элементе в той его части, которая, как правило, не испытывает механического напряжения или изменений напряжения, то данный температурный датчик можно использовать в качестве датчика опорного значения. Кроме того, указанный датчик обеспечивает возможность корректировки окончательных результатов измерений.

Согласно другому предпочтительному варианту изобретения измерительный элемент выполнен из материала, который обладает пьезоэлектрическим эффектом и, по существу, не зависит от температуры в интервале рабочих температур, например, из кварца или ортофосфата галлия (GaPO₄).

Далее представлено подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 показана штифтовая запальная свеча.

На фиг.2 изображен поперечный разрез штифтовой запальной свечи, показанной на фиг.1.

На фиг.3 показан вид сверху на измерительный элемент, изображенный на фиг.2.

Штифтовая запальная свеча, изображенная на фиг.1, содержит верхнюю часть 1 корпуса, среднюю часть 2 корпуса, керамический нагревательный стержень 3 и нижнюю часть 4 корпуса. В нижней части 4 корпуса предусмотрен уплотнительный конус 5. На конце нагревательного стержня 3, который обращен в противоположную сторону от камеры сгорания 12, установлен внутренний электрод 11. Вокруг внутреннего электрода расположен измерительный элемент 7 и сварное кольцо 6.

На фиг.2 показан разрез штифтовой запальной свечи, изображенной на фиг.1. Штифтовая запальная свеча содержит верхнюю часть 1 корпуса, установленную над средней частью 2 корпуса. Керамический нагревательный стержень 3 расположен, в частности, в средней части 2 корпуса и нижней части 4 корпуса, таким образом, что концом, обращенным в противоположную сторону от камеры сгорания 12, он вставлен в измерительный элемент 7. При этом нагревательный стержень 3 соединен с внутренним электродом 11 с силовым и/или геометрическим замыканием и/или неразъемно. В нижней части 4 корпуса предусмотрен уплотнительный конус 5. На торце нагревательного стержня 3, который обращен в противоположную сторону от камеры сгорания 12, установлен внутренний электрод 11 таким образом, что измерительный элемент 7 и сварное кольцо 6 расположены вокруг него, по существу, концентрично. Измерительный элемент 7 и сварное кольцо 6 соединены друг с другом с силовым и/или геометрическим замыканием и/или неразъемно. Сварное кольцо 6 соединено с верхней частью 1 и/или со средней частью 2 корпуса с силовым и/или геометрическим замыканием и/или неразъемно. Между средней частью 2 и нижней частью 4 корпуса установлена мембрана, переходящая в защитную трубку 13, причем мембрана и защитная трубка представляют собой цельную деталь. В качестве альтернативного варианта мембрана 10 соединена с защитной трубкой 13 посредством сварки. Защитная трубка 13, по существу, охватывает часть нагревательного стержня 3, которая выступает внутрь камеры сгорания 12, и предохраняет указанную часть нагревательного стержня, а также внутреннюю полость частей 1, 2, 4 корпуса от воздействия газов камеры сгорания.

Кольцеобразный легкодеформируемый трубчатый измерительный элемент 7 выполнен из материала, который сохраняет свои упругие свойства при нагревании до температуры 200°C и увеличении давления до 200 бар и имеет постоянный модуль упругости. Измерительный элемент 7 изготовлен, например, из керамики. Согласно одному из вариантов настоящего изобретения измерительный элемент выполнен, по существу, из диоксида циркония (ZrO₂). На внешней поверхности измерительного элемента 7 расположен датчик 8 деформаций. В предпочтительном варианте изобретения датчик 8 деформаций представляет собой тензодатчик, предназначенный для измерения деформаций измерительного элемента 7, причем на основании этих измерений можно сделать вывод о режиме работы камеры сгорания 12.

На фиг.3 изображен упругий элемент 7. При незначительных деформациях электрическое сопротивление тензодатчиков 8, 9 меняется. Указанные датчики используют в качестве датчиков деформаций и с помощью специального связующего вещества крепят к частям, которые под действием нагрузки деформируются в наименьшей степени. Возникающая в результате деформация или растяжение тензодатчика 8 вызывает изменение его сопротивления. Измерения, полученные посредством тензодатчиков, преобразуют, например, за счет использования мостовых схем включения, в частности четвертьмостовой, полумостовой или полномостовой схемы включения. Существуют следующие варианты конструктивного исполнения тензодатчиков: проволочный, фольговый, полупроводниковый или розеточный тензодатчик. Упругий элемент 7 расположен между сварным кольцом 6 и керамическим нагревательным стержнем 3, причем для температурной компенсации используют тензодатчик 9, который устанавливают в той части элемента 7, которая, как правило, не испытывает нагрузку. Существует возможность использования тензодатчиков для измерения деформаций в виде растяжения или сжатия поверхности элементов. Тензодатчики позволяют экспериментально определять механическое напряжение и судить о нагрузке на материал в фактическом диапазоне приложения нагрузок. Тензодатчик 8, например, представляет собой фольговый тензодатчик, причем фольга измерительной решетки представляет собой проволоку высокого сопротивления толщиной примерно от 3 до 8 мкм. Фольгу измерительной решетки наклеивают на тонкую полимерную подложку, подвергают травлению и снабжают электрическими выводами. Согласно одному из вариантов изобретения на верхней стороне тензодатчика 8 предусмотрена вторая тонкая полимерная пленка. Вторая полимерная пленка прочно соединена с подложкой, в результате, обеспечена защита измерительной решетки от механических повреждений. Согласно еще одному варианту изобретения на подложке в определенном порядке расположено несколько тензодатчиков.

Для изготовления фольговых тензодатчиков используют константан или нихром. Форма измерительной решетки зависит от области применения датчика, ее выбирают в зависимости от конкретного назначения. Длина измерительной решетки составляет примерно от 0,2 до 150 мм. Подложки тензодатчиков 8, 9 изготовлены из акриловой смолы, эпоксидной смолы, фенолоальдегидной смолы или полиамида. В предпочтительных вариантах изобретения используют пьезоэлектрические, оптико-поляризационные или емкостные тензодатчики. На практике их используют по конкретному назначению. Емкостные тензодатчики используют в интервале высоких температур выше 1000°C. Тензодатчики 8, 9 изготовлены из металлических проводников или полупроводников, сопротивление которых меняется при растяжении. При растяжении тензодатчика 8, 9 его сопротивление увеличивается. При сжатии тензодатчика его сопротивление уменьшается. У полупроводников изменение сопротивления происходит в значительно большей степени, примерно в 50-80 раз больше, по сравнению с металлическими проводниками.

Изменение сопротивления, возникающее при восприятии тензодатчиками 8, 9 механического напряжения, обусловлено деформацией измерительной решетки и изменением удельного сопротивления материала, из которого данная решетка изготовлена. Различные материалы тензодатчиков обеспечивают различную величину чувствительности, так называемый коэффициент тензочувствительности тензодатчика.

Для изготовления тензодатчиков, предназначенных для работы в нормальных условиях, используют константан благодаря тому, что он отличается низкой зависимостью от температур, и несмотря на то, что он обладает низким коэффициентом тензочувствительности. Если требуется более широкий интервал температур, или необходимо измерять температуры ниже -150°C, то в качестве материала измерительной решетки используют нихром. Максимальная способность тензодатчика 8, 9 к деформированию зависит, главным образом, от способности к деформированию материала измерительной решетки. Кроме того, она зависит от связующего вещества, его способности к деформированию и прочности клеевого соединения, а также от материала подложки. При комнатной температуре значение максимальной способности к деформированию для полупроводниковых тензодатчиков лежит примерно в пределах нескольких тысяч мкм/м, а для фольговых тензодатчиков не превышает 50000 мкм/м.

Номинальное сопротивление тензодатчика представляет собой сопротивление, измеренное между выводами при отсутствии нагрузки на тензодатчик. Оно составляет, например, 120, 350, 700 или 1000 Ом. Максимальное электрическое напряжение, на которое рассчитан тензодатчик, зависит от его размера и материала, к которому он прикреплен. При этом потери мощности на резисторе тензодатчика следует снижать через поверхность тензодатчика. Например, в случае использования материалов с хорошей теплопроводностью подведенное напряжение, как правило, составляет примерно от 5 до 10 В, в случае использования тензодатчиков небольшого размера и материалов с низкой теплопроводностью подаваемое напряжение составляет 0,5 В.

Полупроводниковые тензодатчики в значительной степени подвержены влиянию температур, поэтому их можно использовать в определенных условиях. Компенсация температурных погрешностей обеспечена за счет включения по мостовой схеме Уитстона. Кроме того, эффекты в отдельных плечах моста при компоновке всех четырех плеч на одной и той же микросхеме больше соответствуют действительности, чем при приклеивании и соединении четырех различных полупроводниковых тензодатчиков. В случае использования тензодатчиков из константана и нихрома влияние температуры минимально. Для тензодатчиков из константана при повышении температуры на 100°C сигнал меняется менее чем на 1%. Любой контролируемый материал при повышении температуры расширяется. Если расширение материала происходит без ограничения, то оно не соответствует прикладываемой нагрузке. Измерение указанного расширения нежелательно. Решить указанную проблему можно, главным образом, благодаря использованию «согласованных» тензодатчиков. Производитель обеспечивает тензодатчик 8 дополнительным температурным эффектом, в результате возникает сигнал, противоположный сигналу, характерному для эффекта расширения, обусловленного изменением температуры материала, на котором расположен тензодатчик. Данный способ компенсации осуществим только в определенном интервале температур, причем компенсация в этом случае является неполной. Это связано с тем, что любой материал обладает соответствующим коэффициентом температурного расширения, который, помимо прочего, зависит от предварительной обработки материала, например, прокатанного или закаленного. Полную компенсацию обеспечивают за счет выполнения оперативных измерений. Например, посредством тензодатчика 9, установленного на ненагруженном элементе, дополнительно производят измерение температурного эффекта, а затем, используя мостовую схему Уитстона (полумостовую схему) или процессор, выделяют его из сигнала, полученного на нагруженном элементе. В случае, когда изменение температуры составляют 150°C и выше, целесообразно использовать тензодатчики из нихрома. Изменение сопротивления, как правило, регистрируют путем включения тензодатчика в электрическую схему - мост Уитстона, и подают в виде сигнала напряжения в усилитель (на чертеже не показан).

При этом существует три способа измерения посредством тензодатчиков:

1) способ несущей частоты, причем несущая частота составляет от 200 Гц до 50 кГц;

2) способ постоянного напряжения;

3) способ стабильного тока.

Способ стабильного тока обеспечивает возможность использования длинных проводников при построении отдельных измерительных мостов, при этом искажения сигнала не происходит. Потери в кабеле компенсируют за счет электронных схем при способе несущей частоты и способе постоянного напряжения. Способ несущей частоты и способ постоянного напряжения отличаются друг от друга, прежде всего, шириной полосы частот сигнала, обеспечиваемой усилителями, представленными на рынке в настоящее время. Для способа постоянного напряжения характерной является ширина полосы частот примерно до 100 кГц, для способа несущей частоты - как правило, примерно от нескольких сотен герц до 3 кГц. Еще одно различие заключается в разной степени восприимчивости к помехам, которая, однако, зависит также от конкретных внешних условий и назначения. Способ несущей частоты является нечувствительным к термоэлектрическим напряжениям, синфазным помехам (электрическим помехам), а также - если частота помех лежит вне диапазона несущей частоты плюс/минут ширина полосы частот сигнала - противофазным помехам (магнитным помехам). Тем не менее, для того, чтобы исключить возникновение взаимных помех, необходимо синхронизировать несколько усилителей несущей частоты. Усилители постоянного напряжения используют в лабораториях или при оптимальных условиях. Измерительные усилители несущей частоты целесообразно использовать в производственных целях, поскольку в этом случае измерения часто приходится проводить при сильных полях помех. Это зависит от частот паразитного излучения и используемых усилителей.

Номера позиций

1. Верхняя часть корпуса

2. Средняя часть корпуса

3. Керамический нагревательный стержень

4. Нижняя часть корпуса

5. Уплотнительный конус

6. Сварное кольцо

7. Упругий элемент/измерительный элемент

8. Датчик деформации

9. Температурная компенсация

10. Мембрана (с защитной трубкой)

11. Внутренний электрод

12. Камера сгорания

13. Защитная трубка

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с воспламенением от сжатия. Штифтовая запальная свеча содержит корпус с нагревательным элементом 3 (НЭ), выполненным в форме стержня. НЭ одним концом выдается за пределы корпуса свечи и размещается внутри камеры сгорания (КС) ДВС. В корпусе свечи размещен также измерительный элемент (ИЭ) 7. ИЭ предназначен для измерения давления в КС ДВС. ИЭ выполнен из пьезоэлектрического материала. НЭ и ИЭ соединены неразъемно, причем ИЭ присоединен к торцу НЭ. Технический результат заключается в повышении точности измерения давления за счет устранения влияния теплового расширения на результаты измерений. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Штифтовая запальная свеча, предназначенная, в частности, для двигателя внутреннего сгорания с самовоспламенением, содержащая по меньшей мере один корпус с по меньшей мере одним нагревательным элементом (3), выполненным, по существу, в форме стержня, причем нагревательный элемент одним концом выдается за пределы корпуса свечи, а также по меньшей мере один измерительный элемент (7), при этом нагревательный элемент (3) и измерительный элемент (7) соединены неразъемно, причем измерительный элемент присоединен к торцу нагревательного элемента, причем измерительный элемент (7) выполнен из материала, который обладает пьезоэлектрическим эффектом и, по существу, не зависит от температуры в интервале рабочих температур.

2. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что указанный торец нагревательного элемента обращен в сторону, диаметрально противоположную камере сгорания.

3. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что корпус свечи имеет, по существу, трубчатую форму.

4. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что корпус свечи состоит по меньшей мере из двух частей и содержит по меньшей мере одну верхнюю часть (1) корпуса и по меньшей мере одну нижнюю часть (4) корпуса.

5. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что корпус свечи содержит по меньшей мере одну среднюю часть (2) корпуса.

6. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что в нижней части (4) корпуса свечи предусмотрен уплотнительный конус (5).

7. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент (3), по существу, помещен в защитную трубку (13).

8. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере один уплотнительный элемент (10).

9. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что нагревательный элемент (3) и/или защитная трубка (13), и/или уплотнительный элемент (10) соединены неразъемно и/или с геометрическим замыканием.

10. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что уплотнительный элемент (10) и защитная трубка (13) выполнены как одно целое.

11. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что измерительный элемент (7) содержит по меньшей мере один датчик (8) для измерения давления и/или по меньшей мере один датчик (9) для измерения температуры.

12. Штифтовая запальная свеча по п.1, отличающаяся тем, что измерительный элемент (7) выполнен из кварца или ортофосфата галлия (GaPO₄).