CN102282422A - 具有压力感应罐的电热塞 - Google Patents
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Abstract
一种电热塞组件包括集成内部压力传感器。为降低中心电极上的负载，提高传感器响应性能，提供更佳的热性能，该压力传感器组件被收容于一罐中，该罐形成密封舱并在其座区域刚性连接该电热塞壳体的内侧。该压力传感器与热探头的底端直接接触，因此气压变动引起的热探头移动将直接导致传感器堆上力的改变。
Description
发明领域
本发明涉及电热塞，特别是涉及具有集成压力感应装置的内燃机用电热塞。
背景技术
电热塞通常运用于需要强热源直接引燃或辅助引燃的情况下。因此，电热塞常应用于空间加热器、工业炉和柴油机等设备中。
在压燃式发动机领域中，高输出和高效率以及使用混合燃料是其发展趋势，这就同时增加了对各种燃烧传感器的需求和使用，以增强对发动机和燃烧过程的控制。燃烧传感器，特别是燃烧压力传感器在过去一直是分立的传感器，该传感器通过量身打造的收容这些传感器的特定螺纹孔***燃烧室。由于本身的成本很高且对于汽缸盖周围安装空间有特殊要求，这些传感器通常仅用于发动机和发动机控制领域，无法进行批量生产。
在现有技术中就可以发现一些具有集成压力传感器的电热塞的例子。但即使不是全部，也仍有许多的压力感应的电热塞的设计都存在一个特定的问题或者关键点，那就是为了充分预载压力传感器而在电热塞元件中，以及特别是在电极本身处所产生的不良应力。现有设计将压力感应装置结合于电热塞外壳中，这就对电极与热探头元件之间的接合强度提出了很高的要求。
在2007年5月3日公开的，美国公开号为2007/0095811的申请中，提供了现有技术的一个实例。根据该设计，压力感应单元预先安装于热探头上，并通过随后结合至电热塞外壳上端的外部支撑管进行预张紧。这种设计的一个明显缺点在于其位于电热塞外壳和热探头之间的挠性膜元件(用于缓冲压力波动)是延其长度方向被压缩的。其设计的另一个缺点在于其传感器元件的位置，该传感器元件会凸伸入相对远离汽缸盖座的燃烧气体中而受到急剧的热冲击。这些特征导致工作寿命的减少并影响最佳性能的发挥。
整体而言，现有具有集成压力传感器的电热塞趋向于把其中心电极或其他力传输元件拉紧放置，外壳元件压缩放置。图2提供了一种这样的现有电热塞设计的示意图。其中心电极和热探头之间的接头需要正常电热塞运作过程中所不需要且很难达到的抗张强度。此外，传感器上的预载和预张紧必须足够大以保证无论什么状况下负载都保持在传感器上，即使感应到的压力变化使得预载减轻。无疑，中心电极未张紧的例子随处可见，比如上文提到的US2007/0095811中。然而，这些例子极易扭曲(distortions)或存在其他设计缺陷。现有设计还对所有必要的元器件具有一定的最小长度要求，且依赖于通过细长的中心电极传递的力，这会影响热性能并降低灵敏度。此外，有关传感器堆的组件的加工问题，也就是共同起到传感器组件作用的该堆元件的加工问题，会使所需电气连接复杂化。
因此，需要一种具有集成压力传感器的电热塞，能够避免对中心电极元件施加不必要的压力，支持更低的启动负载，具有更好的热性能和更高的灵敏度，且不需要中心电极和热探头之间存在牢固的连接。此外，在批量生产方面，需要一种更易于组装的电热塞和压力传感器组件。
发明内容
本发明为解决现有设计存在的上述问题，提供一种内燃机用电热塞组件，其中，该组件具有集成内部压力传感器。该组件包括具有轴向延伸孔的外壳和细长的热探头。该热探头设有位于所述孔中并与所述外壳电接触的底端。一电极与所述热探头的所述底端电接触而与所述外壳电绝缘。压力传感器设于所述外壳中。该压力传感器相对所述热探头的所述底端被支撑，并适于在所述电热塞组件被安装于发动机中时测量压力波动。一罐设于所述外壳中并围绕所述压力传感器。该罐在其第一端和第二端之间延伸，且该第一端操作性地固定于所述外壳，该第二端与所述压力传感器压接。该罐建立作用于所述压力传感器上的压缩预载力，而不将可能在所述外壳中产生的瞬态畸变传递至所述压力传感器。
根据本发明的另一方面，提供一种电热塞组件的制造方法。该方法包括下列步骤：形成具有轴向延伸孔的外壳；形成细长的热探头，该热探头具有底端和与该底端相对的加热端；将所述热探头的底端支撑于所述外壳的所述孔中以建立该外壳与该热探头之间的电传导；将一电极电连接至所述热探头的所述底端而保持该电极与所述外壳之间的电绝缘；提供具有第一和第二端的罐；将所述罐的所述第一端连接至所述外壳；提供压力传感器；将所述压力传感器设于所述罐内，使得该压力传感器靠在所述热探头的所述底端上；以及压缩所述压力传感器与所述罐的所述第二端以建立该压力传感器上的预载力。
本发明，克服现有技术的缺点之处在于，其不依赖电极将力传递至压力传感器或传递来自压力传感器的力。相反，该电极基本不受影响地穿过压力传感器。这与类似图2中所示的现有***形成区别。根据本发明，通过使用围绕压力传感器以形成密封舱(containment capsule)的罐，压力传感器直接有效地设于热探头的底端并压在其上。罐刚性连接至外壳，优选非常靠近其座。由于热探头响应压力波动产生移动，而外壳不动，因此热探头的移动直接导致作用于压力传感器上的力产生变化。当力随着气压增大时，初始预载力会相对减小。由此，该力承载元件可具有小的长度和大的截面积，高硬度和高传感器灵敏度。可将罐设计为具有小的长度，基于其本身封闭的本性，可以降低热膨胀差异，因此会带来额外的好处，即良好的热性能，进一步地，可降低初始预载。根据需要，可采用简单易于实现的同轴结构实现电连接。位于罐内的组件内固有的排布状况有助于加工制造。优选将电热塞的罐至外壳的连接设为非常靠近外壳的端部，也就是，靠近所述座，从而减小化由于电热塞的所述外部外壳内的力发生变化引起的信号失真。
附图说明
为了更清楚地理解本发明的上述以及其他特征和优点，以下结合具体实施例和附图对本发明进行详细描述，其中：
图1是现有电热塞组件的侧视图；
图2是具有集成压力感应装置的现有电热塞组件的部分剖视图，其中，当该传感器组件预加载时，中心电极处于拉紧状态；
图3是根据本发明的四分之一剖(in quarter-section)的电热塞组件的部分立体图；
图4是图3中的电热塞组件的部分剖视图；
图5A-D显示本发明电热塞被组装的组装过程；
图6是根据本发明第一可选实施例的电热塞组件；
图7是第二可选实施例的剖视图；
图8是第三可选实施例的剖视图；以及
图9是根据图8所示第三可选实施例的电极的部分立体图。
具体实施例
参考附图，其中各附图中的相似的数字指代相似或相应的元部件，根据现有技术的电热塞10如图1和图2所示。电热塞10包括具有孔14的环形金属外壳12，该孔14沿虚纵轴A延伸。外壳12可由任何适合的金属制成，例如各种等级的钢。外壳12还可结合一电镀或涂覆层，例如覆盖其部分或全部表面(包括外表面16以及孔14内表面)的镍或镍合金涂层，从而提高其抗高温氧化和腐蚀的能力。外壳12包括外部扳手面18或者其他合适构造的工具容置部分，以便帮助将螺纹20旋入发动机气缸盖、预燃室、进气歧管等上的一适当螺纹孔中。锥形座22以配合的方式抵接于形状互补的开口上，以在操作过程中形成压力紧密封。
电热塞组件10包括热探头24。热探头24可为金属或陶瓷型。金属型热探头24通常包括抗热元件、粉末填料和密封件。若热探头采用陶瓷构造，则可根据已知陶瓷设计来构造热探头24。无论是金属构造还是陶瓷构造，热探头24均会设有支撑于外壳12中的底端26(图2)和与该底端26相对的加热端28。电极30与热探头24的底端26电接触而与外壳12保持电绝缘。在图2所示的实例中，电极30设有锥式尖端，该尖端座入形成于热探头24底端26的配合插座中。该技术领域中已知的其他接头设计经适当的配置，也可以有效应用于本发明中。压力传感器32设于外壳12中，从而形成完全集成的压力感应电热塞10。
继续参照图2，组装过程中，电极30处于张紧状态，从而将压力传感器32压缩。增加作用于热探头24上的压力会导致允许中心电极30移动的挠性膜34产生位移。从而推动上固定件36向上移动，从而降低压力传感器32上的预载压缩力。因此，电极30中的初始负载，也就是，预载，必须足够的大，以适应负载上的这种降低以及由压力传感器组件32的热效应所引起的任何变化。考虑到该组件的长度及其开放本性，这将导致更大的热差，热效应将是真实存在的。因此，实际上需要较大的初始负载。这就会产生不良影响：导致热探头24的底端26和电极30之间的接头产生***。
现在参照图3、图4和图5A-D，根据本发明的电热塞110如图所示。在图3-5D中，举例描绘了本发明的一个实施例，为方便起见，其中的附图标记相对于图1和图2中的附图标记相差100。如这些附图所示，罐138设于外壳112中，并围绕压力传感器132。罐138在其第一端140和第二端142之间延伸，使得第一端140操作性地固定于外壳112，而第二端142(通过帽件146作用)与压力传感器132压接。罐138有效建立起作用于压力传感器132上的压缩预载力，而不会将外壳112中产生的瞬态畸变传递至压力传感器132。此外，罐138将中心电极130与任何预载力隔离，使得其至热探头124的连接不受压力传感器132的预载操作的影响。
外壳112具有与其扳手面(未示于图3-5D中)相邻的上端和与座122相邻的下端。挠性压力敏感膜134适于在安装于发动机中时暴露于压力波动之下，且优选设于外壳112的下端处。罐138的第一端140在压力敏感膜134附近直接连接于外壳112。可能最好如图3和图4所示，罐138包括大致圆柱状的侧壁144和从侧壁144向内延伸的帽件146。侧壁144直接连接至外壳112，而帽件146抵靠压力传感器132顶部与其挤压配合。帽件146可被铜焊或焊接至侧壁144，如图3中的焊接线所示。
热探头124和电极130之间的这种特定接头设计可与接下来的设计不同。然而，在所述实施例中，所示热探头124包括基本位于其底端126上的探头接触垫148，用于将压缩预载力从压力传感器132传递至热探头124。由此，可以看出，中心电极130建立起至接触垫148的电接触与连接，依次将电力传递至热探头124中所设的适当电阻元件。
压力敏感膜134可采用多种形式，但在该优选实施例中，该压力敏感膜134与外壳112的下部一体成型使其包含环形座122。压力敏感膜134还可包括边缘部150，该边缘部150从座122向上短距离延伸。边缘部150设有直接连接至罐138第一端140的配合界面。在本实施例中，该配合界面采用埋头孔的形式，通过紧配合例如干涉配合的方式，收容罐138的第一端140。压力敏感膜134还包括薄挠性膜部，其从边缘部150径向向内延伸至套管部152。套管部152与热探头124的外表面直接配合，以将热探头124的压力感应动作传递至该挠性膜部。
现在介绍压力传感器132，几个元件堆叠或组装在一起构成该整个压力感应装置。这些元件包括设于探头接触垫148与压力传感器132之间的下绝缘垫154。同样地，上绝缘垫156设于帽件146和压力传感器132之间。上传感器接触部158和下传感器接触部160分别在该压力传感器132的相对侧直接抵接上绝缘垫156和下绝缘垫154。这些接触部158、160将电信号传输至压力传感器132或者传输来自该压力传感器132的电信号，以便用于发动机控制***，而不接触带电电极130或接地外壳112。
由于预载操作过程中罐138免于施加任何应力至电极130上，因此无需电极130具有足够的刚性以承载压缩负载。因此，虽然在本发明的设计选择范围内同样可以设置刚性电极130，但电极130可根据需要由挠性电缆(flexible cable)构成。本发明的另一个优点是通过罐138提供的封闭形式来实现的，从而大大降低了所需的初始预载，且使其温度特性更为稳定。由于罐138具有足够大的横截面且长度较中心电极130小，因此能够获得比依赖电极所承载的负载的现有设计更高的测量灵敏度。进一步地，当罐138通过直接连接至接地外壳112而起接地屏蔽作用时，会降低***中电子噪声。而且，罐138在其下端，膜134附近连接至外壳112，意味着作用于外壳112上的力的变化通过座区域122可设置为使得传递至压力传感器132的负载产生最小的变化。
图5A-D举例说明了电热塞组件110可能的组装过程。在该实例中，图5A显示先将罐138的侧壁144部分连接至压力敏感膜134的边缘部150，构成外壳112的一部分。该连接可通过干涉配合、焊接、铜焊或其他方法实现。而且，在该步骤，将中心电极130，以挠性电缆的形式，直接连接至热探头124的接触垫148。当然，如果优选刚性形式的电极130，则其可用来代替该挠性电缆。图5B显示将传感器元件154、160、132、156、158组装于侧壁144内侧，位于探头接触垫148的顶部。在图5C中，帽件146位于传感器堆的顶部，并且施加力以为传感器132提供恰当的预载。通过诸如焊接、铜焊或其他方法，在帽件146和罐138的侧壁144之间形成刚性接头。在图5D中，进行剩余的电连接，并通过适当的方法，例如焊接或铜焊，将外壳112的上部连接至边缘部150。
图6显示了本发明电热塞组件210的第一可选实施例，其中，与前述介绍的元部件相似或相应的元部件通过前缀2来区分。在该实例中，呈现出电连接的变化，其中仅下传感器接触部260和下绝缘垫254一同被应用。在该设计中，上绝缘垫和上传感器接触部均被省去，电连接直接经帽件246建立。进一步地，在该第一可选实施例中，外壳212的构造被改变，一凸缘262从罐238的侧壁244向外延伸出并插于边缘部250和外壳212的上部之间。
电热塞组件310的第二可选实施例如图7所示。相似或相应的元部件在此通过以3开头的相同的附图标记来标识。该第二可选实施例与图6所示的第一可选实施例在很多方面是相似的，不同之处在于其下接触垫和下传感器接触部被省去。上绝缘垫356和上传感器接触部358被采用。罐338和压力敏感膜334结合在一起成为一个整体，使得侧壁344与边缘部350一体成型。采用与前述方式类似的方式将帽件346连接至侧壁344。当然，本领域普通技术人员可在本发明的精神之内设想罐及其相关元件的其他构造。
图8和图9举例说明了本发明另一第三可选实施例410，其相似或相应的元部件通过以4开头的相似附图标记来标识。在该第三可选实施例中，与压力传感器32的电接触并不通过罐438来实现，而是通过电极430的特殊配置以传导所需的点连接。更具体地，电极430设有绝缘盖464。虽然也可以采用挠性电缆设计，但本实例中的电极430是刚性的。在此，上传感器接触部458具有线形结构，如图9所示，且设于绝缘盖464外表面上所设的一个槽中。同样地，下传感器接触部460设于绝缘盖464上所设的一个槽中。这些传感器接触部458、460，在其与各位于压力传感器432相对侧的上盘状端子466和下盘状端子468接触的适当位置处，具有弯折的圆形结构。该设计中，罐438也具有独特的形状。侧壁444和帽件446构成完整整体，无需后续连接操作。当罐438座入压力敏感膜434边缘部450中并通过诸如干涉配合、焊接、铜焊或其他固定技术与之连接时，实现预载。
以上根据相关法律规范对本发明进行了说明，因此，该说明仅用于示范而非实质限制。很明显，本领域普通技术人员可根据上述实施例对本发明做各种改变和修改，均在本发明由所附权利要求限定的范围内。
Claims (22)
1.一种具有集成的内部压力传感器的内燃机用电热塞组件，该组件包括：
具有轴向延伸孔的外壳；
具有设于所述孔中并与所述外壳电接触的底端的细长的热探头；
与所述热探头的所述底端电接触而与所述外壳电绝缘的电极；
设于所述外壳中的压力传感器，该压力传感器支撑在与所述热探头的所述底端相对的一侧上，并适于在所述电热塞组件被安装于发动机中时测量压力波动；以及
设于所述外壳中并围绕所述压力传感器的罐，该罐在其第一端和第二端之间延伸，且该第一端操作性地固定于所述外壳，该第二端与所述压力传感器压接，以建立作用于所述压力传感器上的压缩预载力，而避免所述外壳中产生的瞬态畸变传递至所述压力传感器。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述外壳包括上端和下端，该外壳还包括位于所述下端的压力敏感膜，该压力敏感膜适于在安装于发动机中时暴露于压力波动之下，所述罐的所述第一端在所述压力敏感膜附近直接连接于所述外壳。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述罐包括大致圆柱状的侧壁和从该侧壁向内延伸的帽件，所述侧壁直接连接至所述外壳。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述帽件被铜焊或焊接至所述侧壁。
5.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所示热探头包括基本位于其底端上的探头接触垫，用于将压缩预载力从所述压力传感器传递至所述热探头。
6.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述压力敏感膜包括用于在安装于发动机中时建立围绕所述外壳的流体密封的环形座。
7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，所述压力敏感膜包括从所述环形座向上延伸的边缘部，该边缘部包括直接连接至所述罐的所述第一端的配合界面。
8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述压力敏感膜包括从所述边缘部径向向内延伸的薄膜部。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述压力敏感膜包括套管部，该套管部从所述薄膜部的径向向内边延伸并与所述热探头直接配合，以将该热探头的压力感应动作传递至所述薄膜部。
10.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，还包括设于所述帽件和所述压力传感器之间的上绝缘垫。
11.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，还包括设于所述探头接触垫和所述压力传感器之间的下绝缘垫。
12.根据权利要求10所述的组件，其特征在于，所述压力传感器包括直接抵接所述上绝缘垫的上传感器接触部。
13.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述电极由挠性电缆构成。
14.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述热探头包括与所述外壳电接触的导电导热管状套和设于该管状套中的抗热元件，该抗热元件具有电连接至所述电极的近端和电连接至所述管状套的封闭加热端的远端。
15.一种具有集成内部压力传感器型电热塞组件的制造方法，该方法包括下列步骤：
形成具有轴向延伸孔的外壳；
形成细长的热探头，该热探头具有底端和与该底端相对的加热端；
将所述热探头的底端支撑于所述外壳的所述孔中以建立该外壳与该热探头之间的电传导；
将一电极电连接至所述热探头的所述底端而保持该电极与所述外壳之间的电绝缘；
提供具有第一和第二端的罐；
将所述罐的所述第一端连接至所述外壳；
提供压力传感器；
将所述压力传感器设于所述罐内，使得该压力传感器靠在所述热探头的所述底端上；以及
压缩所述压力传感器与所述罐的所述第二端以建立该压力传感器上的预载力。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述罐包括侧壁和帽件，所述压缩所述压力传感器的步骤包括相对所述侧壁移动所述帽件。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述相对所述侧壁移动所述帽件的步骤包括将所述帽件铜焊或焊接至所述侧壁。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述将所述压力传感器设于所述罐内的步骤包括将一上绝缘垫插于所述帽件与所述压力传感器之间。
19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述形成拉伸的热探头的步骤包括将一探头接触垫固定于所述底端，所述将所述压力传感器设于所述罐内的步骤包括将一下绝缘垫插于所述探头接触垫与所述压力传感器之间。
20.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述形成外壳的步骤包括预成型具有环形边缘部的压力敏感膜，所述将所述罐的所述第一端连接至所述外壳的步骤包括将所述罐的所述第一端直接连接至所述预成型的压力敏感膜的所述边缘部。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述外壳包括区别于所述预成型的压力敏感膜的本体部，在所述压缩所述压力传感器的步骤之后还包括将所述本体部连接至所述预成型的压力敏感膜。
22.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述压力传感器包括直接抵接所述下绝缘垫的下传感器接触部。
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