CN1514908A - 用于控制流体的阀以及用于确定压力的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于控制流体的阀、尤其是一种喷油阀，该阀具有一个布置在壳体(11)中的阀构件(11)，以便打开或者关闭与一个布置在后面的腔室(18)的接通。为了操作阀构件(3)而设置一个操作元件(2)。阀构件(3)借助于一个预压紧元件(10)沿预压紧方向进行预先张紧。另外使阀构件(3)与一个传感器元件(9)相连接，以便记录来自布置在所述阀构件后面的腔室(18)中的压力信息。传感器元件(9)在这种情况下可以设置为单独的构件，或者根据一种特别优选的方案同时将所述操作元件用作传感器元件。

Description

用于控制流体的阀以及用于确定压力的方法
本发明涉及一种用于控制流体的阀、尤其是一种喷油阀，该阀具有一个集成装置用于确定压力；以及一种用于确定在汽车的燃烧室中的压力和压力变化的方法。
在常用的马达中，例如为了确定爆震而使用所谓的爆震传感器。这种已知的爆震传感器通过激励一种引震物质(seismische Masse)而得知马达的爆震。在这种情况下，机械脉冲转换成电信号，该电信号由一个控制设备进行处理。爆震传感器从外部机械固定地与气缸或者发动机缸体相连接。然而使用这种爆震传感器只能识别爆震。另外已知燃烧室压力传感器，该传感器设置在气缸头中的一个自身的孔中，用于连续地测量燃烧室中的气压。这种已知的压力传感器的缺点是，此处每一个气缸在马达的气缸头中必须分别有一个自己的孔，并且每一个气缸分别必须设置一个自己的管道，这相对费事并且增加了制造费用。
另外已知所谓的离子流测量(Ionenstrommessung)，这种测量以在施加电极电压时通过离子来测量电流为基础，所述电极电压在混合气点火时通过一个点火火花而形成。如果通过施加在火花塞电极上的测量电压而使电流经过离子，那么点燃混合气。借助于例如在火花塞上的离子流测量可以得到用于控制马达的调节量。借助于所述离子流测量可以识别例如停机和马达爆震，并可对于混合气的制备进行优化。
然而已知的用于识别断火或者爆震的机构相对费事，并由于附加的构件以及安装而引起附加的费用。
本发明的优点
与此相比，根据本发明的用于记录压力和用于记录压力变化的装置具有的优点是，可直接集成到用于控制流体的一个阀中。在这种情况下用于控制流体的所述阀包括一个布置在一个壳体中的阀构件，该阀构件使与一个布置在后面的腔室的接通实现打开或者关闭。另外设置一个用于操作该阀构件的操作元件、并沿着预压紧方向设置一个用于预压紧该阀构件的预压紧元件。在这种情况下阀构件与一个传感器元件相接触，以便记录来自布置在后面的腔室中的压力信息。根据本发明的、具有集成的压力传感器的阀在马达中尤其是用作喷油阀或者用作进气/排气阀。因为所述阀通过该阀构件实现与布置在后面的腔室一例如一个燃烧室一的直接接通，所以在这里出现的压力或者压力变化通过该阀构件传递到传感器元件上。在这种情况下不需要在气缸头中另外打孔。
根据本发明的另一种优选的方案，所述传感器元件布置在阀壳体的外部。在这种情况下，传感器元件或者作为单独的构件布置在阀壳体和一个气缸头之间、并借助于一个固定件进行预压紧；或者作为阀壳体的一个集成的组件。在这种情况下，燃烧室中的压力变化通过该壳体传递到压力传感器上。这种压力信息可以通过一个电路或者也可以直接作为电信号继续传送到一个调控机构上，并进行处理。因此所述压力传感器可以用作所谓的“附加解决机构(Add-on-Loesung)”，特别是用于装备喷油阀。在所述传感器元件的一种集成的结构中，该元件可以例如与喷油阀壳体进行熔结。另外可以尤其是在电磁执行元件的情况下将一个传感器集成在磁通(Kraftfluss)中。此外可以在压电的或者磁致伸缩的执行元件的情况下，为了优化执行元件的功率或者传感器的灵敏性可以将该执行元件和传感器分开。
可以看出，本发明可以在每一种类型的阀和节气门的情况下用于计量流体和一同测量接在后面的腔室中的压力。在这种情况下，不但可以在直接操作阀针或者闭合件时应用本发明，而且可以在液压和/或机械转化***中使用本发明。
所述阀构件的操作元件最好设计为压电执行元件、设计为电磁线圈或者设置为磁致伸缩元件。
按本发明的一种特别优选的方案，所述操作元件同时设计为传感器元件。因此可以取消设置一个单独的传感器元件，因为已经存在的、用于操作阀构件的操作元件可以同时用作传感器元件。这将是特别有利的，如果该操作元件设计为压电执行元件或者设计为磁致伸缩元件。如果所述操作元件设计为压电执行元件，那么该阀构件通过压电效应以已知的方式进行操作。在这种情况下，在压电执行元件上施加一个预定的压力，以便使压电执行元件发生长度变化，以便将阀构件从其阀座处取下。在这种情况下只要压力保持不变，所述压电执行元件就维持其长度的变化。这样可以在压电执行元件惰性状态下—其中压力不发生变化—来记录布置在后面的腔室中出现的压力变化，该变化通过所述阀构件传递到该压电陶瓷元件上。因此压电执行元件同时也作为传感器进行工作。以此所述压电元件同时用作执行元件并用作传感器。在用作喷油阀时在这里可以以简单的方式通过爆震接收假定的压力变化。也可以标定压电元件并因此可以确定燃烧室中的绝对压力，其中相邻的压力用作测量值。以此可以例如通过一个控制器来确定一个优选的点火时刻。根据本发明，因此可以用本发明的不同的设计变型来确定在不同的时间窗口中的压力，其中背压以及绝对或相对压力都可确定。
如果所述传感器元件设计为磁致伸缩元件，那么也可以得到上面所述效应。在磁致伸缩元件的情况下，一个物体的几何尺寸在磁场的影响下发生变化。在这种情况下，该物体的延伸根据磁场强度而进行。在这里磁场场强越大，那么物体延伸得越长。这种效果的逆转称作磁弹性的或者磁机械的效应。此时在机械压力的作用下，磁感应强度发生变化。在本发明使用磁致伸缩元件的情况下，这可以不但用作执行元件而且可用作传感器，其中在阀构件的惰性阶段所述压力变化通过阀构件传递到磁致伸缩元件上，并在那里—相应于磁致伸缩元件—由于磁感应强度发生变化而确定。作为磁致伸缩材料可以例如使用Terfenol-D。因此可以用一种磁致伸缩元件作为所述执行元件，也可将其作为传感器，所以可以记录压力改变、并在相应的标定时也可记录绝对压力。
为了提供一种特别紧凑的结构，所述传感器元件最好与该阀构件布置在一条共同的轴线上。
最好将设计为压电执行元件的传感器元件也通过阀构件的预压紧元件进行预压紧。以此可以进一步地减少构件数量。
在将操作元件同时用作传感器元件的情况下，最好将位于操作元件和一个控制/调节机构之间的线路也用于传递作为传感器的操作元件的信号。
如果将传感器元件设置为单独的构件，那么该元件最好紧挨着所述操作元件进行布置。在这里该单独的传感器元件例如布置在阀构件和操作元件之间，或者布置在操作元件的对着该阀构件的端部处。
按根据本发明的用于测量汽车燃烧室中的压力、压力变化以及在相应的标定时的绝对压力的方法，所述压力通过一个布置在燃烧室处的阀构件传递到一个传感器元件上。因此在燃烧室中存在的压力或者在燃烧室中出现的压力变化传递到与所述传感器连接的阀构件上。
因此例如在一个喷油阀中所述喷油阀同时也用作压力传感器。以此减少马达上的构件数量，并且尤其是明显地降低了制造成本。
按根据本发明的方法的一种优选方案，所述阀构件的操作元件同时也用作传感器元件。以此可以进一步地减少阀构件的数量并制备一个特别紧凑的阀。在用作喷油阀的情况下，所述阀因此具有喷射燃料的功能；而且它也测量燃烧室中的压力和压力变化，因此尤其可以获知爆震和断火。另外也可以根据在燃烧室中存在的压力将点火时刻进行优化，并将混合气制备进行优化，这导致节约燃料并减少废气。可以看到，也可在将所述传感器元件布置在阀壳体(作为单独的构件或者作为壳体的集成组件)的外部的情况下使用根据本发明的方法。在这种情况下，压力信息通过该壳体传递到传感器元件上。
特别有利的是，在一种向外打开的阀中使用本发明，因为在这种情况下所述阀构件所在的腔室中，压力或者压力变化应该从该腔室传递到一个传感器上。
本发明因此以简单的方式解决记录一个腔室中的压力的问题，在这里将一个阀与一个压力传感器组合起来。所述压力在这种情况下通过可运动的阀构件来记录，所述阀构件在阀惰性的状态下(完全打开的阀或者完全闭合的阀)可以将压力传递到所述传感器元件上。以此尤其测量气流的背压。在将传感器元件布置在阀壳体的外部时，最好测量燃烧室和环境之间的压力差。
特别优选的是，将一个喷油阀的一个压电执行元件或者一个磁致伸缩执行元件用作用于记录马达的一个燃烧室中的压力或者压力变化的执行元件和压力传感器。按本发明的另一种优选的应用，所述磁致伸缩的压力传感器在预先压紧的情况下安装在一个气缸头和一个伸入到燃烧室中的阀头之间，其中所述压力传感器可以设计为单独的构件或者设计为阀壳体的集成组件。
附图说明
本发明的多个实施例在附图中示出并在下面进行详细描述。
图1示出一个根据本发明的第一实施例的、用于控制流体的阀的示意性截面视图，
图2示出一个根据本发明的、用于控制流体的阀的第二实施例的示意性截面视图，
图3示出一个用于控制流体的、根据本发明的阀的第三实施例的示意性截面视图，
图4示出一个用于控制流体的、根据本发明的阀的第四实施例的示意性局部截面视图，
图5示出一个用于控制流体的、根据本发明的阀的第五实施例的示意性截面视图，
图6示出一个用于控制流体的、根据本发明的阀的第六实施例的示意性截面视图，
图7示出一个用于控制流体的、根据本发明的阀的第七实施例的示意性截面视图。
下面参照图1对于用于控制流体的阀1的第一实施例进行说明。阀1是喷油阀。
如图1所示，阀1包括一个设计成圆柱形并用作执行元件的磁致伸缩元件2。所述执行元件由一个电磁线圈6包围。该执行元件通过一个连接体5与一个阀构件3相连接，该阀构件打开或者关闭一个阀座4。一个复位弹簧10布置在连接件5和阀座4之间。复位弹簧10此处使所述磁致伸缩元件和阀构件3复位，而它们两个都固定地与连接件5相连接。处于压力下的燃料通过一个燃料管道7导入阀构件3的前面的范围中(参见图1)。
如上所述，在第一个实施例中所述执行元件由磁致伸缩构件2以及电磁线圈6所组成。作为磁致伸缩的构件2的材料可以例如使用Terfenol-D。根据第一实施例，所述执行元件同时用作压力传感器，它记录阀的惰性状态的压力或者压力变化、例如尤其是燃烧室的爆震。
本发明的执行元件/传感器的功能在这里描述如下。如果燃料要从燃料管道7喷射到燃烧室中，那么通过电磁线圈6产生一个磁场。由于这个磁场，磁致伸缩的构件2沿着阀构件3的方向伸长，所述构件2以其另一端固定地定位在阀的壳体11中。磁致伸缩构件2的长度变化通过连接件5传递到阀构件3上，所述阀构件3因此离开其阀座4。这样可以将管道7中的处于压力下的燃料喷射到燃烧室中。在喷射的时刻，阀构件3在一个所谓的惰性状态下保持在其打开的位置中。这样尤其是在喷射时在燃烧室中打开的阀构件3处出现的压力改变可以通过阀构件3和连接件5传递到磁致伸缩的构件上。由于磁致伸缩效果的逆转—该逆转称作磁弹性的或者磁机械的作用—磁致伸缩的构件2部分地收缩。根据这种机械的压力，磁感应强度发生变化，这可以作为信号在电磁线圈6上量取。因此根据本发明的执行元件可以同时用作传感器。可以看出，用作传感器实际上只是当阀在其惰性状态下、也就是在阀的打开位置时的时刻或者在阀的闭合位置时的时刻是有意义的，因为否则由于阀针运动到开启状态中或者闭合状态中就会记录假信号。可以注意到，根据阀构件的运动在喷射时可以只测量流体的背压，而不测量相对压力或者压力变化。因此根据本发明不需在燃烧室处设置一个单独的压力传感器。这样可以避免在燃烧室处一个附加的开口，并且构件数量和制造费用减少了。
可以看出，在磁致伸缩的组合的执行元件-传感器的位置上也可以应用一个压电组合的执行元件-传感器。另外在相应的机械的方案中，本发明可以不仅像在图1中示出的一样在一个向外打开的阀中使用，也可以在一个向内打开的阀中使用。
图2示出一个根据本发明的第二实施例的阀。相同的或者功能相同的构件用与第一实施例中相同的附图标记进行标注。
根据第二实施例的阀1基本上相应于根据第一实施例的阀。然而其区别在于，在根据第二实施例的阀1中设置一个单独的、用于接收发动机舱中的压力的传感器9。传感器9设计为压电堆垛或者简单的压电板，所述传感器具有环形或者平板形的结构。压电传感器9在这种情况下布置在磁致伸缩的构件2和壳体11之间。在燃烧室中的压力变化在封闭的阀中通过阀针3和中间件5传递到磁致伸缩构件2处，并从此处传递到压电传感器9上。因此设计为喷油阀的阀1同时也用作压力传感器，其中压电传感器9与阀构件3布置在一个共同的轴线X-X上。在其它方面第二实施例相应于第一实施例，因此可以参见在那里所给出的说明。
在图3中示出一个按本发明的第三实施例的、根据本发明的阀。相同的或者功能相同的构件用与第一实施例中相同的附图标记进行标注。
在图3中示出的阀是一个电磁致动阀，该阀包括一个电流线圈6和一个带有电枢的阀针3。一个弹簧10使阀针3停止在其关闭位置处。另外设置一个设计为压电堆垛的压力传感器9，该传感器布置在阀针凸缘和弹簧10之间。线圈6通过一个电接头12供以电流。另外设置一个用于将固体颗粒从燃料中过滤出来的滤筛13和两个O形圈14，以便可以将阀密封住。如同在前面的实施例中，在不运动的开启位置或者闭合位置中，燃烧室中的压力变化通过阀构件3传递到压电传感器9上。在一个附加的额外测量管道中，在这个实施例中也可以在活性的状态下通过所述阀构件来测量压力变化。在封闭的阀中，在这种情况下尤其是测量绝对压力的或者对于环境的相对压力的变化；在开启的阀中，根据阀构件的方案必要时只测量流体的背压。
在图4中示出了一个按本发明的第四实施例的、根据本发明的阀。相同的或者功能相同的构件用与前面实施例中相同的附图标记进行标注。
如在图4中示出，特别简单地示出的阀1包括一个操作执行元件2，该元件操作一个阀头3。压电传感器9布置在一个绝缘盘16和一个固定凸缘15之间。预紧力F作用到固定凸缘15上。阀1布置在一个气缸头17处，并另外具有一个燃料输入管道7以及一个电接头12。在这种实施例中压电传感器是一个单独的构件，该构件布置在阀壳体的外部。在这里阀1与其结构类型无关地固定在气缸头上，使得压电传感器9在固定在气缸头上所引起的预压力F的作用下位于阀凸缘15和气缸头17之间。这种预压力F通过在燃烧室18和环境p0之间的压力差根据阀头的端面A反作用一个力FBr。按照这种拉紧，根据在燃烧室18中的压力变化得到一个按比例的力FBr，该力反作用于预压力。因此根据电路得到一个按比例的电流或者电压变化，该变化可以继续传导给处理单元，并在那里用于混合气制备的-和点火时刻的优化。为了减少由于电的和热的影响的干扰，该压电传感器与环境充分地进行绝缘。在这种结构中，由端面A和燃烧室与环境之间的压力差所引起的机械力FBr的转换器不是阀针本身，而是整个阀。可以看出，这样一种结构在其它阀和节流阀的情况下也可以应用。另外在阀头3上设置一个密封件。
在图5中示出一个根据本发明的第五实施例的阀。相同的或者功能相同的构件用与前面实施例中相同的附图标记进行标注。
如在图5中示出的，阀1包括一个压电执行元件2以及一个单独的压电传感器9。执行元件2和传感器9在这种情况下互相相邻地紧挨着布置，并定位在两个板形元件之间。执行元件2固定地与一个阀构件3相连接，所述阀构件打开或者关闭一个阀座4，以便产生到燃烧室18的接通。在这种情况下执行元件2支承在一个支座19上，这样所述执行元件2在进行控制时其长度沿着一个弹簧10的方向增大。弹簧10通过一个连接件5与执行元件2相连接并对其预紧。
在这种情况下图5中示出的阀的功能是：当启动压电执行元件2时，所述执行元件沿着弹簧10的方向增大其长度，这样与压电执行元件2固定地连接的阀针3可以离开其阀座4，并将燃料喷射到燃烧室18中。例如由于爆震而出现的压力变化通过阀针3传递到压电传感器9上并从那里作为信号继续传导到一个控制-调节机构处。在这种情况下可以使用用于控制压电执行元件2的相同的线路。
在图6中示出一个按本发明的第六实施例的阀1。相同的或者功能相同的构件用与前面实施例中相同的附图标记进行标注。
如在图6中所示，在第六种实施例中也将一个压电执行元件2和一个压电传感器9设计为两个单独的构件。压电传感器9在这种情况下布置在压电执行元件2和一个中间件5之间，所述中间件与阀针3相连。一个弹簧10使阀针3保持在其闭合位置处。一个弹簧21对执行元件2和传感器9预加载荷。
当启动压电执行元件2时，它沿着其纵轴方向改变其长度，这样压电执行元件2的行程通过连接件5传递到阀针3上，所述阀针离开其阀座4。以此在一个燃料输入管路7和一个燃烧室之间实现接通，这样燃料喷入燃烧室中。
当例如通过在燃烧室中的爆震而出现压力峰值时—这导致在燃烧室中压力发生变化—这种压力变化通过阀针3和连接件5传递到压电传感器9上。可以将信号从压电传感器9继续传导到一个处理单元处。在其它方面，第六种实施例基本上相应于从第二到第五种实施例，因此可以参见在那里所给出的说明。
在图7中示出一个按本发明的第七实施例的阀1。相同的或者功能相同的构件用与前面实施例中相同的附图标记进行标注。
第七实施例基本上相应于第六实施例，其中在第七实施例中与第六实施例不同之处是一个第一连接件5和一个第二连接件20布置在阀针3和压电传感器9之间。另外设置一个单独的预压紧弹簧21，以便将设计为压电元件的执行元件2进行预压紧。另外在阀针3中设置一个凸缘22，以便支承一个复位弹簧10，该复位弹簧将阀针保持在其封闭位置中。在其它情况下，第七实施例基本上相应于前面所述实施例，因此可以取消细节描述。
因此本发明涉及一种阀或者一种节流阀，该阀具有用于控制流体的集成的压力传感器；该阀尤其是一个喷油阀，它具有一个布置在一个壳体11中的阀构件3，以便使对于一个布置在后面的腔室18的接通实现打开或者闭合。设置一个操作元件2用于操作阀构件3。阀构件3借助于一个预压紧元件10沿着一个预压紧方向进行预压紧。另外阀头与一个传感器元件9相连接，该阀头凸出到燃烧室中，以便接收布置在阀构件后面的腔室18中的压力信息。传感器元件9可以在这种情况下设置为单独的构件，或者根据一个特别优选的方案可以将操作元件同时也用作传感器元件。
前面对于按本发明的实施例的描述只是用于说明目的，而不是用于限制本发明。在本发明的构思中可以进行不同的改动或者修改，而不背离本发明以及其等同的构思。

Claims (13)

1.一种用于控制流体的阀、尤其是一种喷油阀，该阀具有一个阀构件(3)、一个操作元件(2)和一个预压紧元件(10)，所述阀构件(3)布置在壳体(11)中，以便打开或者关闭与一个布置在后面的腔室(18)的接通；所述操作元件(2)用于操作阀构件(3)；所述预压紧元件(10)使阀构件(3)沿预压紧方向进行预压紧，其特征在于，阀构件(3)与一个传感器元件(9)相连接，以便使传感器元件(9)可以记录来自布置在后面的腔室(18)中的压力信息，其中压力信息通过阀构件(3)进行传递。
2.根据权利要求1的阀，其特征在于，操作元件(2)是压电执行元件或者电磁执行元件或者磁致伸缩元件。
3.根据权利要求1的阀，其特征在于，操作元件(2)同时也是传感元件(9)。
4.根据权利要求1至3中任一项的阀，其特征在于，传感元件(9)与阀构件(3)布置在一条轴线(X-X)上。
5.根据权利要求2至4中任一项的阀，其特征在于，设计为压电元件的传感器元件(9)通过一个用于操作元件(2)的预压紧元件(21)进行预压紧。
6.根据权利要求1至5中任一项的阀，其特征在于，传感器元件(9)使用在操作元件(2)和一个控制/调节机构之间的线路用于传递信号。
7.根据权利要求1至6中任一项的阀，其特征在于，设计为压电执行元件的传感器元件(9)与操作元件(2)相邻地紧挨着进行布置。
8.根据权利要求1至7中任一项的阀，其特征在于，传感器元件(9)布置在阀构件(3)和操作元件(2)之间，或者操作元件(2)布置在阀构件(3)和传感器元件(9)之间。
9.用于测量在一个马达的燃烧室(18)中的压力或者压力变化的方法，其特征在于，一个布置在燃烧室(18)上的阀构件(3)在所述阀构件(3)的不运动的状态下将燃烧室(18)中的压力和/或压力变化传递到一个与阀构件(3)相连接的传感器(9)上。
10.根据权利9的方法，其特征在于，阀构件(3)的操作元件(2)同时也是传感器元件(9)。
11.将一个喷油嘴的一个压电执行元件或者一个磁致伸缩执行元件用作记录一个马达燃烧室中的压力和/或压力变化的压力传感器，所述执行元件用于直接或者间接操作一个阀构件(3)。
12.一个压电压力传感器(9)的应用，该传感器在预压紧的情况下安装在一个气缸体(17)和一个伸入到燃烧室中的阀头(3)之间，其中压力传感器(9)可以设计为单独的构件或者阀壳体的集成组件，其中压力变化通过阀壳体传递到压力传感器，压力信息通过电路或者也可直接作为电信号传递到一个控制机构上。
13.根据权利要求12的压电压力传感器的应用，其特征在于，压力传感器为压电环、板或者堆垛。
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