CN110121637B - 内燃机的发动机部件中的燃烧压力传感器及其组件 - Google Patents

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Abstract

燃烧压力传感器包括传感器本体(9)、***传感器本体(9)中的至少一个第一光学纤维(1、2)、以及附接到传感器本体(9)的弹性可变形膜(7；13)。所述至少一个第一光学纤维(1、2)布置成允许测量弹性可变形膜(9)的压致偏转。所述至少一个第一光学纤维(1、2)的端部(25)连接到传感器本体(9)，使得能够承受处于足够热以在弹性可变形膜(7；13)上再生烟灰沉积、但是足够冷以防止弹性可变形膜(7；13)的熔化的温度范围内的温度。当包括在内燃机中时，至少一个这样的燃烧压力传感器与其弹性可变形膜(7；13)一起定位成与发动机部件的周围本体(8)直接接触，以将热量直接传递到周围本体(8)。

Description

内燃机的发动机部件中的燃烧压力传感器及其组件
技术领域
本发明涉及改进的燃烧压力传感器，其使用光学纤维技术，并且特别适用于检测内燃机中的燃烧压力。本发明还涉及配备有改进的燃烧传感器的燃烧发动机。
背景技术
燃烧压力传感器能够通过最少的传感器实现出色的发动机控制。燃烧压力传感器可以直接从燃烧室提供关于燃烧的信息。这些信息包括点火正时、气门正时和能量供应的影响，但也可以检测发动机损坏危险，如自动点火、发动机爆震、漏气、超过最大燃烧压力(Pmax)或超过每个曲柄角的压力上升Dp/da太多。
然而，已知的燃烧压力传感器(例如可从Optrand获得并在US6,131,465中描述的那些传感器)可以仅承受有限的工作温度，而存在其光学纤维和传感器本体之间的固定或连接损坏的风险。玻璃粘合剂允许的最高温度最高为510℃或更低，这要求传感器末端温度不超过510℃的温度。防止传感器末端的烟灰(soot)污染需要至少535℃的温度，而实际上传感器末端可能会暴露于高达800℃的燃烧温度。已知的燃烧压力传感器的另一个缺点是它们对温度变化的敏感性，称为热冲击。这种对温度变化的敏感性以相当不可预测的方式使压力测量值失真。已知的燃烧压力传感器的另一个缺点是它们对发动机爆震的抗热震性不足，爆震导致温度升高，容易达到10.000℃。由于这些缺点，已知的燃烧压力传感器仅在发动机研究和试验台发动机中看到有限的用途，但遗憾的是在现场不成功。
已知的燃烧压力传感器，其足够小，例如直径为2.5mm，被构建到发动机部件(例如喷射器或电热塞)中，未被证明适合于连续使用。直径大于5mm的较大直径的燃烧压力传感器更可靠，但具有大直径的缺点。此外，某些类型的燃烧压力传感器必须配备液体冷却***。尚未证明这种传感器适合于作为发动机管理***的一部分在商业生产的内燃机上连续使用。
发明内容
因此，本发明的目的是提供改进的燃烧压力传感器，其可用作商业生产和操作的内燃机中的发动机管理***的一部分。本发明的另一个目的是提出改进的燃烧压力传感器，其与内燃机、燃料喷射器或其它部件(如电热塞、火花塞、气缸盖或其它发动机)相结合。因此，在更一般的意义上，本发明的目的是克服或减少现有技术的至少一个缺点。本发明的另一个目的是提供耐用的、组装和操作不那么麻烦的而且还可以相对便宜地制造的替代解决方案。任选地，本发明的目的是至少提供有用的替代方案。
为此，本发明提供燃烧压力传感器、包括燃烧压力传感器的燃料喷射器或其它部件、以及包括燃烧压力传感器、单独的适配器或燃料喷射器的内燃机。
虽然根据本发明的燃烧压力传感器的各个特征可以提供各种不同问题的解决方案，但它仍然是单个制品。尽管如此，单个通用统一发明概念仍然是改进的燃烧压力传感器整体，其特定技术特征之间的技术关系对现有技术作出共同贡献。
具体地，根据本发明的燃烧压力传感器可包括传感器本体、***传感器本体中的至少一个第一光学纤维、以及附接到传感器本体的弹性可变形膜。所述至少一个第一光学纤维“组”可以布置成允许测量弹性可变形膜的压致偏转，并且所述至少一个第二“组”光学纤维的端部可以连接到传感器本体，使得能够承受足够热以在弹性可变形膜上再生烟灰(soot)沉积、但是足够冷以防止弹性可变形膜熔化的温度范围内的温度。这种燃烧压力传感器的温度范围可以在540℃至750℃之间。传感器本体可以任选地由具有低于α6(*10-6m/mK-1)的相对低的膨胀系数的材料制成。为了与石英制成的光纤相关的膨胀最小化，因此本体可以由可瓦合金(Kovar)(低热膨胀系数“CTE”不锈钢)、石英或陶瓷材料制成。
在燃烧压力传感器中，至少一个第一光学纤维可以通过熔焊或钎焊连接到传感器本体，例如通过使用真空炉或非真空和感应和/或Handy HiTemp钎剂(Flux)以及真空钎焊膏(Paste)HF 350/60-521/90Bl(这两者均可以通过www.lucasmilhaupt.com提供)、粘接、粘合(如Ceramabond，可以通过www.aremco.com提供)、或压配合。
此外，将至少一个第一光学纤维连接到传感器本体的方式可以有效地阻止在温致膨胀和收缩下的断开。
可选地，至少一个第一光学纤维的端部可以通过至少一个套圈连接到传感器本体。在这方面，至少一个第一光学纤维的端部也可以通过一对套圈连接到传感器本体，该对套圈相对地接合传感器本体的一部分。关于这些选择，至少一个套圈可以由具有相对低膨胀系数的材料制成，包括石英或陶瓷。
或者，至少一个第一光学纤维的端部也可以通过切割环连接到传感器本体，切割环布置成仅切割纤维涂层，而不切割纤维本身。所述至少一个第一光学纤维的端部到传感器本体的可选连接中的任一种也可以与布置成将连接端部处于张紧状态的连接(这可以通过弹簧实现)进行组合。
在燃烧压力传感器可以放置得足够冷的情况下，可选地，聚酰胺涂覆的纤维可以通过例如聚酰胺注射成型而连接到套圈或本体。
在具有一个或多个上述特征的任何燃烧压力传感器中，可以将至少一个第二光学纤维***传感器本体中，然后可以布置至少一个第二光学纤维以允许检测弹性可变形膜的温致热膨胀，使得能够对由至少一个第一光学纤维获得的压力相关值进行温度校正。在这种燃烧压力传感器中，至少一个第一光学纤维可以相对于弹性可变形膜居中定位，而至少一个第二光学纤维可以定位在弹性可变形膜的外边缘附近。然后，所述至少一根第二光学纤维可以是第二对光学纤维中的一根，而第二对光学纤维中的一根光学纤维发光，第二对光学纤维中的另一根光学纤维允许测量由弹性可变形膜的外边缘上的反射表面反射的光的强度。
在根据本发明的燃烧压力传感器中，至少一个第一光学纤维可以是第一对光学纤维中的一个，而第一对光学纤维中的一个光学纤维发光，第一对光学纤维中的另一个光学纤维允许测量由弹性可变形膜的中心部分上的反射表面反射的光的强度。在这种构造中，由第一对构成的每根光学纤维的至少一个端部放置在反射表面的一定距离处，以允许反射光在一根光学纤维中反射。
在根据本发明的燃烧压力传感器中，至少一个第一光学纤维可替代地可以布置成用于光束分光。然后可以通过根据法布里-珀罗(Fabry-Pérot)测量原理的辩证镜获得光束分光，并且引起干涉路径的差异。
作为另一替代方案，通过使用纤维布拉格光栅(FBG)测量原理，也可以布置至少一个第一光学纤维以用于检测光学纤维长度的变化。为了使用纤维布拉格光栅测量原理，至少一个光学纤维包括多个区段/透镜，其中至少一个光传输因子被布置成由于至少一个第一光学纤维中的应变的变化而改变。在所述至少一个第一光学纤维的一个实施例中，光传输因子是折射率。对于不同波长的光，折射率是不同的。当区段中的应变发生变化时，发生折射率的绝对变化，进而可以测量折射率的绝对变化。根据该测量，可以确定区段中的应变。由于区段中的应变是与至少一个第一光学纤维的端部附接的柔性膜的变形的结果，所以可以确定柔性膜在与所述至少一个第一光学纤维附接的部位处的变形。所述至少一个第一光学纤维的另一个端部附接在另一部位处，使得所述至少一个第一光学纤维长度仅能够由于其所附接的柔性膜的变形而改变。
根据本发明的内燃机可包括至少一个具有一个或多个上述特征的燃烧压力传感器。在这样的内燃机中，至少一个燃烧压力传感器可以定位成使其弹性可变形膜与发动机部件的周围本体直接接触，以便能够将热量直接传递到周围本体。发动机部件可以是燃料喷射装置或气缸盖或任何其它发动机部件。
在本发明的内燃机的另一实施例中，弹性可变形膜可通过发动机部件中的通道与内燃机的燃烧室分离。这种通道具有的长度可以选择成与弹性可变形膜的工作温度范围相称(commensurate)。此外，隔热罩可以位于通道内，位于燃烧室和弹性可变形膜之间的位置处。
本发明的内燃机的另一种变型可以进一步包括发动机管理控制***，其连接到至少一个燃烧压力传感器，用于控制商业用途的发动机的操作。当至少一个第二光学纤维包括在至少一个燃烧压力传感器中时，至少一个第二光学纤维布置成允许检测弹性可变形膜的温致热膨胀，并且发动机管理控制***可以然后适于计算由至少一个第一光学纤维获得的压力相关值的温度校正。发动机管理控制***还包括第一光源，该第一光源布置成向所述至少一个第一光学纤维提供第一光束。发动机管理控制***还包括第一光传感器，其布置成接收第一光束的反射部分。当设置有至少一个第二光学纤维时，发动机管理控制***布置成确定弹性可变形膜的多个位置之间的温度差。为了给第二光学纤维提供光束，在发动机管理控制***中设置有第二光源和第二光传感器。
本发明的另一个特征是能够实时测量气缸中的温度。该信息可用于优化发动机中的温度损失，从而提高发动机效率。
本发明的燃烧压力传感器可以利用光学纤维技术的工作原理来测量由可变形膜反射的光的强度，以记录由压力变化引起的膜的弯曲。膜的温度通过传感器的设计及其在周围发动机部件中的安装来控制，在使用中，其高于540℃的值以抵消/再生烟灰在膜上的沉积，并且低于最高温度750℃的值以防止损坏膜。通过固定能够承受这些高温的光学纤维，可以实现该工作温度范围。此外，燃烧压力传感器可选地安装成其膜与周围发动机部件直接接触，而不是膜的热量在到达发动机部件之前首先通过传感器本体消散，这使得用于消散热的距离缩短。
缩短从膜到发动机冷却剂的热传递的另一种方式是在套圈的鼻部引入气隙，以便隔离套圈并在其周围提供足够的材料来传递这种热量。
一个方面是燃烧压力传感器的膜暴露的温度适合于所要求的工作温度范围。如果膜的温度低于540℃的值，它将被烟灰污染，测量将变得不准确或完全被抑制。当在内燃机的最大功率操作期间燃烧压力传感器的膜将达到其温度上限时，爆震或发动机爆震的发生可能容易导致膜的破坏。因此，重要的是燃烧压力传感器的膜暴露的温度不超过750℃，以保持足够的强度。因此，改进了传感器与周围本体(例如安装有传感器的气缸盖或喷射器本体)之间的热传递配合的益处。
因此，该方面还涉及传感器及其周围本体的组合，并且与温度控制相关的特征也一起工作，以使得能够结合发动机管理控制单元连续使用本发明的传感器。通过将传感器定位在冷却水通道或燃料输送管道附近，可以获得传感器的额外冷却。在空气冷却的内燃机中，可以选择靠近冷却肋附近的位置。
其它参数(例如材料特性或与热源的距离)也可以改变，以获得燃烧压力传感器的最佳膜表面温度范围。在特定的发动机操作条件下，还可以想到的是，调节冷却水温度或内燃机的燃烧质量以防止损坏燃烧压力传感器，或者将其保持在其最佳工作温度范围内。为了能够在高于540℃的温度下操作，重要的是任何纤维和传感器本体之间的连接可以承受这样的温度。
周围本体可以由不同的材料制成，例如铝或铸铁(气缸盖)、或钢(喷射器本体或单独的适配器)。用于将燃烧压力传感器安装在内燃机中的单独适配器还可包括火花塞或电热塞。重要的是，燃烧压力传感器的膜可以尽可能直接地将热量消散到其周围本体。还可以应用隔热罩以减少直接暴露给膜的热量。
本发明的主要目的是制造一种不需要隔热罩的燃烧压力传感器。隔热罩降低了热冲击。但燃烧压力传感器并不需要它，因为它会带走热冲击。通过具有两个纤维组的第二纤维“组”来实现，可以计算来自膜的热变化的偏转和来自膜上的压力的偏转。这是通过以下原理实现的：现在有两个具有两个未知数的方程，这在数学上是可解的。隔热罩的最大缺点是烟灰堵塞问题，该烟灰堵塞问题使传感器的寿命短于3个月，无法在发动机实验室外的应用中使用。因此，提及隔热罩的唯一理由是不排除将隔热罩用作未来即将出现的新情况的计划B的选项。
本发明的另一方面涉及将光学纤维固定到传感器本体，该传感器本体也对温度敏感。内燃机的燃烧室中的每个循环的温度可以在0℃和10,000℃之间变化，这取决于发动机的类型。即使在为燃烧压力传感器选择的遮蔽环境中，这意味着光学纤维与传感器本体的连接也应该能够跟随温度快速变化的极端情况而不会危及纤维和传感器本体之间的结合。当粘合材料分解时或者当光学纤维的膨胀系数与传感器本体的材料大不相同时，这种结合可能受到危害。
如果光学纤维从传感器本体上脱离，其相对于膜的位置将变得不确定，导致传感器读数无用。本发明提出一种具有相对低膨胀系数的材料的传感器本体，例如石英或陶瓷材料。优选地，膨胀系数低于α6(*10-6m/mK-1)，以确保光学纤维牢固地固定在传感器本体中。
可选地或另外地，本发明提出使用套圈来相对于传感器本体固定光学纤维。这样的套圈也可以由具有低膨胀系数的材料制成，例如石英或陶瓷材料。然后，也可以采用熔焊、钎焊、胶合、注塑或甚至压配合连接，而不会由于温度变化而导致松散工作的风险。
通过使由热引起的膜变形与由压致膜变形区分开来解决热冲击问题。常规的燃烧压力传感器示出出高达30％的热冲击灵敏度，尤其是在未使用隔热罩时。本发明提出测量主要由温度升高引起的膜的扩大，以及主要由压力变化引起的膜的弯曲。然后可以使用所获得的测量值来计算实际压力值。可以使用额外的一组光学纤维来测量由热引起的膜扩大或膨胀。
虽然一根光学纤维可以单独用于将光束引导到传感器膜的反射表面，而另一根光学纤维可以用来引导反射的光束，但也可以使用单根光学纤维来检测膜的变形。这可以通过使用光束分光或通过使用压电(Piezo)测量原理、法布里-珀罗测量原理或纤维布拉格光栅(FBG)测量原理来实现。
或者，可以通过夹持将光学纤维或多个光学纤维附接到传感器本体。尽管通过钎焊或熔焊固定最初可能是优选的，因为它既坚固又小，但是仍然可以成功地采用各种其它固定选择。一种选择是类似于管道连接和配件使用的切割环。还可以通过弹簧或通过使光学纤维本身处于预张紧状态来张紧两个套圈之间的光学纤维。套圈可以通过焊接、夹持或熔化光学玻璃纤维而固定到光学纤维。当使用切割环时，优选的是它仅切入光学纤维的涂层。
本发明的又一方面是在燃烧期间控制作为燃烧室的内燃机的至少一个气缸中的燃烧温度。众所周知，在内燃机中燃烧可燃物期间，可能会形成NOx，并且CH4(甲烷)可能不会完全燃烧。本发明的一个目的是优化内燃机中的燃烧温度，以最小化排放，例如NOx、CH4或任何其它排放，如CO和THC。
实验表明，如果燃烧温度超过1500℃，NOx排放量会显著增加。实验进一步表明，如果燃烧温度低于1300℃，则CH4排放显著增加。因此，优选的是改进对内燃机中的燃烧过程的控制，以将燃烧温度保持在特定范围内。
控制模块用于根据气缸处或气缸内设置的传感器提供的信息控制不同的发动机参数。所提供的信息包括气缸内的压力、气缸中用于燃料和氧气的可用体积、气缸中的温度、喷射的燃料量或任何其它发动机参数中的至少一个。
控制模块布置成计算在实际体积校正的气缸中测量的压力之外的理论燃烧温度，在知道活塞位置的情况下，由于本发明，也可以通过由CPS给出的CPS膜的温度值直接计算燃烧温度，影响空气-燃料比(λ)、点火正时、喷射的燃料量和燃料在一个燃烧循环中喷射的次数中的至少一个。在这种情况下，空气应理解为大约五分之一的氧气(O2)、五分之四的氮气(N2)和少量其它气体的混合物。
获得气缸内温度的第一种方法是使用理想气体方程估算温度：
Figure GDA0003530595880000071
其中P是气缸内的压力，V是可用于燃料和空气的气缸内的体积，T是气缸内的温度，k是取决于占据气缸体积的物质的常数。
气缸内的压力可以从燃烧压力传感器获得，体积可以从气缸参数(例如孔、冲程和曲轴角)得出。常数k可以从已知的空气-燃料比和在气缸中喷射的燃料量得出。
理想的气体定律只能提供气缸内的全局温度，并忽略气缸内的局部温度变化，这可能导致温度低于或高于全局温度。对于均质燃烧原理，如均质充量压缩点火(HCCI)和反应控制压缩点火(RCCI)，这种近似足够精确地提供一个温度值，该温度值可以作为反馈控制参数，以持续优化和监测发动机的排放。在RCCI中，将第一可燃物与预定量的氧气或空气以及任选地预定量的再循环废气一起引入气缸中。
允许第一可燃物与氧气和任选的废气混合。接下来，在气缸中引入第二可燃物，其中第二可燃物在比第一可燃物低的压力下点燃。可以进行单次或多次第二可燃物的喷射，并且由于气缸内的高压而点燃第二可燃物。第二可燃物的燃烧充当点燃第一可燃物的火花。
获得气缸内温度的另一种方法是比较由第一纤维模块和第二纤维模块中的至少一个测量的弹性膜的偏转。值可以用于补偿检测到的压力，并且以相同的方式提供温度指示。
由于使用RCCI时气缸内的燃烧非常均匀，因此与常规的火花点火(SI)或压缩点火(CI)发动机相比，燃烧期间气缸内的温度差将相对较小。由于要实现气缸内相对较小的温度范围，使用理想气体定律得出的燃烧温度的近似足以精确控制气缸中的所述温度。
用于控制气缸内燃烧期间的温度的控制参数之一被识别为点火正时。该正时例如可以用曲轴角的度数表示。例如，点火正时增加0.1度的曲柄角可以使燃烧温度升高300℃。
控制内燃机的操作的方法可用于在燃烧期间控制气缸内的温度。在该方法中，首先将燃烧期间获得的温度与预定温度范围进行比较。如果发现所获得的温度低于预定温度范围，则该方法可以在随后的燃烧冲程中提前触发燃烧的时刻。或者，如果发现所获得的温度高于预定温度范围，则该方法可以在随后的燃烧冲程中延迟触发燃烧。
在第一燃烧冲程中获得燃烧温度并使用所述获得的温度来调节后续燃烧冲程的某些参数，可以形成用于控制气缸中的燃烧温度的闭合控制回路。
触发燃烧的延迟包括延迟喷射第二可燃物的时刻和减少提供给气缸的第二可燃物的量中的至少一个。触发燃烧的提前包括提前喷射第二可燃物的时刻和增加第二可燃物的量中的至少一个。
喷射第二可燃物的时刻和提供给气缸的第二可燃物的量可以由控制模块控制，其中在控制模块中可以使用优化算法来计算喷射时刻和待喷射的可燃物的量的最佳组合，以达到期望的燃烧温度。可以为算法提供特定于发动机或气缸的校准数据。附加地或替代地，可以向算法提供关于第二可燃物的性质的已知信息，例如燃点、密度、最低自动点火温度、化学计量燃烧比、任何其它相关性质或其任何组合。
第二可燃物可以以一个阶段、两个阶段或更多个阶段进行喷射。在不同阶段，可以将相同或不同量的第二可燃物喷射到气缸中。具体地，提供第二次喷射或进一步的喷射以触发燃烧。当第二可燃物以两个阶段喷射时，喷射第二可燃物的时刻的延迟包括相对于第一喷射阶段延迟第二喷射阶段。此外，当以两个阶段喷射第二可燃物时，喷射第二可燃物的时刻的提前包括相对于第一阶段提前第二喷射阶段。
燃烧可以通过在气缸中喷射第二可燃物来触发，其中第二可燃物优选是压缩点火类型的，例如柴油。另外，可以通过增加气缸中的压力来触发燃烧，其中第二可燃物被提供到使第二可燃物被点燃的压力。第二可燃物的点火还与提供第二可燃物的气缸内的温度有关。
在控制内燃机操作的替代方法中，所获得的温度可落在预定温度范围内。在这种情况下，控制方法可以旨在通过使用任何上述控制燃烧期间温度的方法、任何其它控制方法或其任何组合将温度控制在预定温度范围内的优选温度。
用于控制气缸内燃烧期间温度的另一个控制参数是燃烧期间气缸内的空气-燃料比(λ)。可以通过测量废气的组成并通过控制提供给气缸的要燃烧的燃料的量来控制λ。
附图说明
从所附说明书并参考附图，本发明的其它有利方面将变得清楚，其中：
图1：示出了安装在发动机部件中的燃烧压力传感器组件的横截面示意图；
图2：示出了一个细节，示出了使用一对套圈的光学纤维的替代固定，使得纤维的预张紧起到弹簧的作用，使纤维保持就位；
图3：示出了一个细节，示出了另一种替代的光学纤维的切割环固定；
图4：示出了安装在发动机部件中的压力传感器组件的另一个实施例的横截面示意图；
图5：示出了使用替代纤维布拉格光栅测量原理的燃烧压力传感器的横截面示意图；和
图6：示出了使用替代法布里-珀罗测量原理的燃烧压力传感器的局部示意横截面。
图7A：示出了第一个实际传感器的横截面；
图7B：示出了第一个实际传感器的横截面的特写；
图8A：示出了第二个实际传感器的横截面；和
图8B：示出了第二个实际传感器的横截面的特写；和
图9：示出了包含燃烧压力传感器的马达管理***的示意图。
图10：示出了用于控制内燃机的操作的方法。
具体实施方式
在横截面中，图1示意性地示出了安装在周围发动机部件安装结构8中的燃烧压力传感器组件。在该示例中，发动机部件安装结构8可以是内燃机的气缸盖或燃料喷射器的本体，或者任何其它发动机部件，例如火花塞或电热塞。燃烧压力传感器(CPS)具有传感器本体9，其可以方便地由诸如石英、陶瓷材料或可瓦合金(Kovar,低CTE不锈钢)的材料制成。在传感器本体9内，光学传输纤维1、2、3、4布置成其端部面向可变形膜7。
第一中心光学纤维1和第二中心光学纤维2定位成检测可变形膜7的弯曲，该弯曲主要是由于压力变化导致的，并且仅仅在很小的程度上是由于温度变化而导致的。
第一外侧边缘光学纤维3和第二外侧边缘光学纤维4定位成检测可变形膜7的外边缘处的放大，该放大主要是由于温度增加而导致的，并且仅仅在很小的程度上是由于压力变化而导致的。然后，可以使用气缸内的燃烧气体温度来比较从成对的中心光学纤维1、2和外侧边缘光学纤维3、4获得的值，以通过计算消除热冲击的影响。由于膜7的构造以及中心光学纤维1、2和外侧边缘光学纤维3、4的不同位置，中心光学纤维1、2和外侧边缘光学纤维3、4针对相同的压力检测到由于热冲击而导致的不同的变形。基于这种偏转或变形的差异，可以确定温度对变形的影响，并且由此可以确定温度对感测压力的影响。可选地或另外地，在确定温度对变形的影响的情况下，也可以确定例如在燃烧期间的气缸中的温度。
这导致可靠的燃烧压力值，该值是能够以新颖的方式控制发动机中的燃烧过程以获得最佳效率、可靠性、功率和排放的参数。同时还测量气缸中的温度过程，其可用于计算温度损失，这使得能够进行有效提升。膜7示出为朝向燃烧压力源凸出地指向的大致圆顶结构。尽管如此，也可以颠倒膜的位置，使其圆顶结构凹入地指向燃烧压力源。在膜7的所提出的颠倒位置中，其热膨胀时的圆顶结构将更靠近传感器本体中的光学纤维端部或末端，而不是从其移开。取决于燃烧压力传感器的特定构造，可以在其它部件中找到用于膜7膨胀的补偿，以在相反方向上膨胀。
从图1中还可以看出，周围安装结构的附图标记8指向的位置是由膜7的外周收缩的向内指向的周向脊。在该位置处，膜7可以直接将其热量传递到周围结构8，使得不需要考虑热传递屏障。周围结构8的向内指向的脊还在发动机的燃烧室5和燃烧压力传感器的膜7之间形成通道6。隔热罩11可任选地定位在通道6内，以进一步降低膜7将暴露的温度。
此外，在图1中示出了用于温度校正的外侧边缘光学纤维3、4对的焊接端部25相对于中心光学纤维1、2对的焊接端部25偏心地定位，以用于测量燃烧压力。纤维端部25的连接相对于传感器本体9的下表面正交。传感器本体9内的倾斜通道21使得光学纤维1、2、3、4能够以这种方式定位。中心焊接到传感器本体9中的插座22具有适于将光学纤维1、2、3、4引导并保持在燃烧压力传感器外部的内径。
在如图1所示的实施例中，光学纤维1、2、3、4通过焊接或粘接固定到传感器本体9上。
或者如图2所示，光学纤维(例如第一中心光学纤维1)也可以通过与传感器本体9的直径减小部分相对的一对套圈12而相对于传感器本体9保持就位。套圈12由具有低膨胀系数的材料制成，例如石英或陶瓷材料。
在压力传感器组件的另外设想的实施例中，可以在套圈的远侧端部和传感器本体之间提供分离间隙。可以通过使套圈的远侧端部处的套圈的外径变窄来形成该分离间隙。可选地或另外地，传感器本体中的孔的内径朝向远侧端部增加。套圈的外径的减小和/或传感器本体中的孔的内径的增加可以是逐步的、连续的、单调的、线性的、交错的、其它的或它们的组合。在一个实施例中，套圈和传感器本体之间的间隙至少部分地且可选地完全填充有钎焊膏，而在另一个实施例中，间隙保持敞开。
在另一个实施例中，传感器中提供的周向间隙仅设置在传感器本体中。在该实施例中，本体的中心部分延伸到远侧端部，在该中心部分中可以获得孔，纤维设置成穿过该孔，由套圈包围或不包围。在直接邻近孔的传感器本体部分和传感器本体的外部部分之间，提供周向分离间隙。
该分离间隙布置成在传感器本体和纤维以及膜和纤维之间提供隔热屏障。分离间隙可以填充有空气、真空或诸如陶瓷的隔离材料，其中材料具有比传感器本体所包含的材料更高的热阻。分离间隙围绕纤维周向地设置，使得燃烧热对纤维温度的影响可以保持尽可能低。
此外，如图3所示，传感器本体9的锥形孔中的切割环14可用于将每个光学纤维端部相对于传感器本体9保持就位。切割环14具有向内指向的切割边缘26，该切割边缘仅夹持光学纤维的涂层，例如第一中心光学纤维1的涂层。如图3中示意性所示，纤维1的未涂覆部分23小于涂覆的纤维。
现在转到图4，示出了安装在周围发动机部件8中的压力传感器组件的另一个实施例，再次以示意性横截面示出。这里，保持中心光学纤维1、2和外边缘光学纤维3、4的传感器本体9安装在钢套筒10中。钢套筒10安装在适当的发动机部件的周围结构8中。在该实施例中，可变形膜13与燃烧室5的表面齐平安装，如附图标记20所示。膜13焊接到钢套筒10上。膜13与钢套筒10的焊接可以通过热处理来完成，以减小张力和/或获得膜的细粒结构。石英本体9可以以各种方式连接到钢套筒10，例如通过彼此压靠，或通过套筒10上的折叠接缝来保持传感器本体9。
在传感器本体9和钢套筒10之间提供热间隙24。
图1和图4的实施例的共同点是传感器本体9中的倾斜通道21，以及可由不锈钢制成的插座22，用于引导和保持中心燃烧压力测量光学纤维1、2对和外边缘温度校正光学纤维3、4对。每对中的一根光学纤维仅用于将发射的光束引导到膜7的反射表面，而每对中的另一根光学纤维引导从反射膜表面反射的光。或者，也可以在中心压力检测光学纤维和外边缘温度校正光学纤维之间仅布置单个发光光学纤维。这种光学纤维的替代布置将导致总共三根光学纤维。
如图5和图6中示意性地所示，可选地，可以通过仅使用用于测量压力的单根光学纤维并且类似地使用另一根用于温度校正的单根光学纤维来获得测量值。
图5示出了纤维布拉格光栅(FBG)测量原理的替代方案，其中FBG纤维15用于燃烧压力测量。FBG纤维15居中地定位在例如保持在传感器本体9中的石英本体16中。
图6示出了法布里-珀罗测量原理的替代方案，其中通过光学纤维1传输到膜13的光被辩证镜17分成两束。由辩证镜17进行的这种分束导致在由辩证镜17反射的光束和由位于距辩证镜17的距离19处的膜13的反射表面反射的光束之间产生由附图标记18表示的引起延迟的不同干涉路径。
应当理解，图5和图6是简化表示，并且显然纤维布拉格涂层或法布里-珀罗测量原理也可以应用于任何前述实施例中的外边缘温度校正光学纤维。
前述实施例的相同可互换性也适用于光学纤维1、2、3、4与任何传感器本体9或石英本体16的连接。
因此，公开了一种燃烧压力传感器，包括传感器本体9、***传感器本体9中的至少一个第一光学纤维1、2、以及附接到传感器本体9的弹性可变形膜7；13。所述至少一个第一光学纤维1、2布置成允许测量弹性可变形膜9的压致偏转。所述至少一个第一光学纤维1、2的端部25连接到传感器本体9，使得能够承受处于足够热以在弹性可变形膜7；13上再生烟灰沉积、但是足够冷以防止弹性可变形膜7；13的熔化的温度范围内的温度。当包括在内燃机中时，至少一个这样的燃烧压力传感器与其弹性可变形膜7；13一起定位成与发动机部件的周围本体8直接接触，用于将热直接传递到发动机部件的周围本体8，例如气缸盖或燃料喷射器。
图7A示出了第一实际压力传感器700，图7B示出了第一实际压力传感器700的远侧端部的细节。第一实际压力传感器700包括传感器本体710，通过该传感器本体设置有孔。在孔中，设置有套圈730。在该实施例中，套圈730的远侧端部不延伸穿过孔直到本体710的远侧端部。在另一个实施例中，两个远侧端部都设置在一条线上。第一纤维模块742和第二纤维模块744的端部延伸，使得它们在本体710的远侧端部处于同一平面中。根据上面讨论的实施例，第一纤维模块742和第二纤维模块744可以包括一根纤维、两根纤维或更多根纤维。
在装置本体的远侧端部处设置有膜720。膜720具有D形横截面，具有基本平坦的中心部分和周围周向部分，该周围周向部分具有基本垂直于中心部分的取向。中心部分和周向外部部分之间的过渡优选地设置成弯曲部而不是尖锐角部。在该实施例中，膜720凹入地设置在传感器700中。
弯曲部优选地具有基本恒定的半径。在另一个实施例中，弯曲部具有基本上椭圆形或抛物线形形状、另一形状或其组合。装置本体的远侧端部和/或纤维模块的远侧端部之间的距离优选为约50μm，介于20μm至70μm之间。膜720的特性使得在350巴的压力下，膜的偏转大约在7μm至10μm之间。
在该实施例中，套圈730在远侧端部处与套圈730的其余部分相比更窄。通过阶梯函数使套圈730的外径变窄。本体710中的孔具有基本恒定的横截面，这导致套圈730和装置本体710之间的气隙712，该气隙用于隔离由本体710的远侧端部形成的内部隔热罩中的温度，从膜上吸收大部分的助焊剂热量并将其输送到发动机冷却。
图8A示出了第二实际压力传感器800，图8B示出了第一实际压力传感器800的远侧端部的细节。第二实际压力传感器800包括传感器本体810，通过该传感器本体设置有孔。传感器本体810可以是较大实体的一部分，例如用于柴油发动机的燃料喷射器。
在孔中，设置有第一套圈830。在该实施例中，第一套圈830的远侧端部不延伸穿过孔直到本体810的远侧端部。在另一个实施例中，两个远侧端部都设置在一条线上。第一纤维模块842和第二纤维模块844的端部延伸，使得它们在本体810的远侧端部处于同一平面中。根据上面讨论的实施例，第一纤维模块842和第二纤维模块844可以包括一根纤维、两根纤维或更多根纤维。
在装置本体的远侧端部处设置有膜820。膜820具有D形横截面，具有基本平坦的中心部分和周围周向部分，该周围周向部分具有基本垂直于中心部分的取向。中心部分和周向外部部分之间的过渡优选地设置成弯曲而不是尖锐角部。在该实施例中，膜820凸出地设置在传感器800中。
弯曲部优选地具有基本恒定的半径。在另一个实施例中，弯曲部具有基本上椭圆形或抛物线形形状、另一形状或其组合。装置本体的远侧端部和/或纤维模块的远侧端部之间的距离优选为约50μm，介于20μm至70μm之间。膜820的特性使得在350巴的压力下，膜的偏转大约在6μm至20μm之间。
在该实施例中，第一套圈830在远侧端部处比第一套圈830的其余部分窄。通过阶梯函数使第一套圈830的外径变窄。本体810中的孔具有基本恒定的横截面，这导致第一套圈830和装置本体810之间的气隙812。
第二实际压力传感器800还包括第二套圈850。第二套圈850与第一套圈830部分重叠。在该实施例中，第一套圈830位于重叠部分的外侧，作为第二套圈850的覆盖物。在第一套圈830和第二套圈850的整体周围，设置可选的第三套圈860。通过提供多个套圈，可以精确地设置纤维端部到膜的距离，将该位置固定到套圈860，这可以易于拆卸和安装并以精确的方式将其恢复到其原始位置。
图9示出了马达管理***900，其包括至少一个根据任何上述实施例的燃烧压力传感器910。马达管理***900还包括控制模块920，其布置成接收外部信号942并且布置成将控制信号931发送到内燃机930。控制模块920还布置成将第一光束911发送到燃烧压力传感器910并且接收第一光束的至少一部分的反射912。控制模块920还布置成将第二光束921发送到燃烧压力传感器910并且接收第二光束的至少一部分的反射922。燃烧压力传感器910布置成经由导管932暴露于内燃机930中的压力。
外部信号942可以基于从内燃机获取的数据，其中所述数据可以包括燃烧温度、进气温度、氧气水平、燃料空气比、发动机RPM、发动机负荷、燃料箱水平、进气压力、火花正时、节气门、发动机冲程、曲柄角、任何其它参数或其任何组合。
控制信号931可以包括基于从外部信号942、第一光束的反射911、第二光束的反射922或其任何组合中的一个获取的数据的信号。这里，控制信号931被布置成根据优化参数(例如燃料效率或排放)来控制内燃机910的操作。因此，相信本发明的操作和构造将从前面的描述和附图中显而易见。出于清楚和简明描述的目的，在此将特征描述为相同或单独实施例的一部分，然而，应当理解，本发明的范围可以包括具有所描述的全部或一些特征的组合的实施例。
图10示出了控制包括曲轴、活塞和气缸的内燃机的操作的方法1000，其中该方法包括在气缸部件1001中提供可燃混合物。可燃混合物至少包含第一混合比的氧气和第一可燃物。该过程还包括在部分1002中获得曲轴的环形位置。在部分1003中，该部分的执行在曲轴的第一环形位置处触发混合物的燃烧。在部分1004中，在燃烧期间获得气缸中可燃混合物的温度。在部分1005中，将获得的温度与预定范围进行比较。如果温度超出该范围，则在部分1006中调节第一混合比和在其中触发燃烧的曲轴的第一环形位置中的至少一个。
第一可燃物可以是火花点火型燃料，例如汽油、LPG、甲醇、乙醇、生物乙醇、天然气、氢气、硝基甲烷、任何其它火花点火型燃料或其任何组合。第一混合物包含所述第一可燃物并且还包含氧气。第一混合物可任选地包含再循环废气。
在部分1002中获得曲轴的环形位置可以使用曲轴位置传感器来完成，例如霍尔效应传感器、光学传感器、谐波平衡器或电感传感器。该位置可以是相对位置或绝对位置。
在部分1003中曲柄轴的第一环形位置处的混合物的燃烧可以通过使用火花塞在气缸中引入火花来触发。或者，可以在气缸中引入第二可燃混合物，其中所述第二可燃混合物是压缩点火型的，例如柴油。在压缩第二可燃混合物时，第二可燃混合物将点燃并作为点燃第一可燃混合物的火花。更一般地，在喷射第一可燃物质之后喷射的第二可燃物质在比第一可燃物质低的压力下进行自燃。
可燃混合物的燃烧正时可通过调节第一混合比、第二可燃混合物的喷射正时、火花塞的启动或另一燃烧触发器中的至少一个来控制。
在部分1004中，在燃烧期间获得气缸中混合物的温度可以使用温度传感器直接完成，或者可以根据不同的发动机参数估算温度。这些不同的发动机参数包括气缸中的压力以及气缸中混合物占据的体积，其可以从已知的气缸参数(例如孔和行程)和确定活塞在气缸中的位置的曲柄角得出。
更具体地，上面讨论的燃烧压力传感器可以用于确定燃烧期间气缸中的温度。使用由第一纤维模块或第二模块测量的偏转，结合可燃混合物占据的体积，以及基于可燃混合物的含量的预定常数。否则，可以使用由第一纤维模块和第二纤维模块测量的偏转的差异来获得气缸中的温度。这些方法可用于相对于参考温度确定燃烧期间的温度。
将获得的温度与预定的温度范围进行比较，其中预先确定所述温度范围以进行优化而使某些排放最小化，例如NOx、CH4、烟灰(soot)、颗粒物质(PM)、任何其它排放物或其任何组合。
为了控制气缸中的第二次燃烧的温度，使用从比第二次燃烧更早发生的第一次燃烧获得的数据。然后，为了控制温度，调节可燃混合物的空气燃料比、提供给气缸的第二可燃物的量、第二可燃物的一次或多次喷射的喷射正时以及第二可燃物的喷射持续时间中的至少一个。还可以调节所述控制参数的任何组合以在燃烧期间控制气缸中的温度。从先前燃烧获得的数据的这种使用可以形成闭环控制***，旨在将燃烧温度保持在预定温度范围内。
对文本中包含的出版材料或信息来源的引用不应被解释为承认该材料或信息是该国或国外公知常识的一部分。本文中引用的每篇文献、参考文献或专利出版物应作为本文的一部分由读者阅读和考虑，并且出于简明的原因，其内容在本文中不再重复、复制或拷贝。本领域技术人员清楚的是，本发明不限于本文描述的任何实施例，并且可以在所附权利要求的范围内进行修改。
此外，运动学反转也被认为是固有地公开的，并且可以在本发明的范围内。在权利要求中，任何附图标记不应被解释为限制权利要求。当在本说明书或所附权利要求中使用时，术语“包括”、“包含”和“具有”不应该以排他性或穷举性的意义解释，而是以包含性的意义解释。因此，如本文所用，表述为“包括”或“包含”并不排除除了所列出的那些之外的其它元素、整数、另外的结构或额外的行为或步骤的存在。
此外，词语“一”不应被解释为限于“仅一个”，而是用于表示“至少一个”，并且不排除多个。在不脱离本发明的范围的情况下，未具体或明确描述或要求保护的特征可以另外包括在本发明的结构中。诸如“用于……的装置”的表达应该被理解为：“构造为……的部件”或“构造成……的构件”，并且应该被解释为包括所公开的结构的等同物。
使用诸如“关键”、“优选”、“特别优选”等表达并不旨在限制本发明。在结构、材料或行为被认为是必不可少的程度上，它们本身这样无意义地表达。在不脱离由权利要求确定的本发明的范围的情况下，通常可以在技术人员的范围内进行添加、删除和修改。

Claims (21)

1.一种燃烧压力传感器，其包括传感器本体、***传感器本体中的至少一个第一光学纤维以及附接到传感器本体的弹性可变形膜，其中所述至少一个第一光学纤维被布置成用于允许测量弹性可变形膜的压致偏转，其中：
所述至少一个第一光学纤维的端部连接到传感器本体；
至少一个第二光学纤维***到传感器本体中；
所述至少一个第二光学纤维被布置成用于允许检测弹性可变形膜的温致热膨胀，以使得由所述至少一个第一光学纤维获得的压力相关值能够进行温度校正；
第一光学纤维位于距传感器的轴线第一距离处，并位于距弹性可变形膜第三距离处；并且，
第二光学纤维位于距传感器的轴线第二距离处，并位于距弹性可变形膜第四距离处，并且，所述第一距离小于所述第二距离；
其中所述至少一个第二光学纤维中的每一个是第二对光学纤维中的一个，其中所述第二对光学纤维中的一个光学纤维发光，并且其中所述第二对光学纤维中的另一个光学纤维允许测量由在弹性可变形膜的外边缘处的反射表面反射的光的强度；
其中所述至少一个第一光学纤维中的每一个是第一对光学纤维中的一个，其中所述第一对光学纤维中的一个光学纤维发光，并且其中所述第一对光学纤维中的另一个光学纤维允许测量由在弹性可变形膜的中心部分上的反射表面反射的光的强度；
其中，通过所述传感器本体设置有孔；在所述孔中，设置有至少一个套圈；所述至少一个第一光学纤维的端部通过所述至少一个套圈连接到传感器本体；所述套圈的外径在所述套圈的远侧端部处变窄；在所述传感器本体中的所述孔的内径朝向远侧端部增加；
其中，燃烧压力传感器包括分离间隙，所述分离间隙布置成在所述至少一个套圈的至少一部分与传感器本体的至少一部分之间提供隔热分离，其中分离间隙围绕套圈的远侧端部周向地设置。
2.根据权利要求1所述的燃烧压力传感器，其中所述至少一个第一光学纤维相对于弹性可变形膜居中定位，并且其中所述至少一个第二光学纤维邻近弹性可变形膜的外边缘定位。
3.根据权利要求1所述的燃烧压力传感器，其中弹性可变形膜具有基本平坦的中心部分和围绕外边缘部分的周边部分，所述周边部分具有基本垂直于所述中心部分的取向。
4.根据权利要求1中任一项所述的燃烧压力传感器，其中第一光学纤维的端部与膜之间的第一纤维距离基本上等于第二光学纤维的端部与膜之间的第二纤维距离。
5.根据权利要求1所述的燃烧压力传感器，其中所述至少一个第一光学纤维的端部通过一对套圈连接到传感器本体，所述一对套圈与传感器本体的一部分相对地接合。
6.根据权利要求1所述的燃烧压力传感器，其中所述至少一个套圈由具有相对低的膨胀系数的材料制成，包括可瓦合金、石英或陶瓷中的一种。
7.根据权利要求1所述的燃烧压力传感器，其中所述至少一个第一光学纤维通过钎焊、熔焊、粘接、注塑和/或压配合中的一种连接到传感器本体。
8.根据权利要求1所述的燃烧压力传感器，其中将所述至少一个第一光学纤维连接到传感器本体的方式还阻止在温致膨胀和收缩下的断开。
9.根据权利要求1所述的燃烧压力传感器，其中所述至少一个第一光学纤维被布置成用于光束分光。
10.根据前述权利要求中任一项所述的燃烧压力传感器，其中在所述至少一个套圈和传感器本体之间设置有分离间隙，其中分离间隙围绕所述套圈周向地设置，其中占据分离间隙的材料具有的热阻比传感器本体所包含的材料的热阻高。
11.根据权利要求1所述的燃烧压力传感器，其中温度范围在540℃至750℃之间。
12.根据权利要求1所述的燃烧压力传感器，其中传感器本体由具有低于ɑ＝6(10-6m/m*K-1)的相对较低的膨胀系数的材料制成。
13.根据权利要求12所述的燃烧压力传感器，其中传感器本体由可瓦合金、石英和陶瓷材料中的一种制成。
14.一种内燃机，其包括至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的燃烧压力传感器。
15.根据权利要求14所述的内燃机，其中所述至少一个燃烧压力传感器定位成使其弹性可变形膜与发动机部件的周围本体直接接触，以将热量直接传递到周围本体。
16.根据权利要求14或15所述的内燃机，其中弹性可变形膜通过发动机部件中的通道与内燃机的燃烧室分离。
17.根据权利要求16所述的内燃机，其中通道的长度选择为与弹性可变形膜的工作温度范围相称。
18.一种燃烧压力传感器操作模块，其被布置成操作根据权利要求1至13中任一项所述的燃烧压力传感器，该操作模块包括：
第一光源，该第一光源布置成为第一光学纤维提供第一光束，
第二光源，该第二光源布置成为第二光学纤维提供第二光束，
第一光传感器，该第一光传感器布置成接收来自第一光学纤维的第一光束的至少一部分的反射，
第二光传感器，该第二光传感器布置成接收来自第二光学纤维的第二光束的至少一部分的反射。
19.一种燃烧压力传感器处理模块，其被布置成：
-接收与根据权利要求18的操作模块接收的信号相对应的信号。
20.一种燃烧压力测量***，其包括：
根据权利要求1-13中任一项所述的燃烧压力传感器，
根据权利要求18所述的操作模块，
根据权利要求19所述的处理模块。
21.一种用于确定根据权利要求1-13中任一项所述的燃烧压力传感器的膜上的多个位置之间的温度差的方法，其包括：
使用与从第一光学纤维接收的光束相对应的信号的至少一部分来确定膜的第一变形，
使用与从第二光学纤维接收的光束相对应的信号的至少一部分来确定膜的第二变形，
比较第一变形和第二变形。
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