SE512141C2 - Trycksensor för mätning av gastryck i en cylinder av en förbränningsmotor - Google Patents

Description

512 14.1 2 . gastrycket från den cylinderanslutna sidan utövar en påverkan. Den cirkulära, skivformade delen är koncentrisk relativt den tubformade kanalen och är för- sedd med ett centralt utsprång eller utstående klack 3. Gastrycket överförs via kanalen 1 till den cirkulärt formade skivdelen 2 och det centrerade utsprånget 3, via ett kraftöverföringsorgan 4 till ett kraftmätningsorgan 5. Kraftöverfö- ringsorganet är format på så sätt att kraften från gastrycket, vilket påverkar den cirkulära skivformade delen, konverteras via kraftöverföringsorganet 4 till en spänning i kraftmätningsorganet 5. Övriga cylindriska delar vilka omger den tubformade kanalen är, med anledning av trycksensorns konstruktion, ansedda att vara mycket stabila. Ett komplett system för övervakning av gastryck med en sensor enligt det nämnda US-patentet finns beskrivet i en ar- tikel "CYLDET, ASEA'S SYSTEM FOR MONITORING THE COMBUSTION PRESSURE IN DIESEL ENGINES" vilken presenterats vid American Society of Mechanical Engineers Meet April 5-10, 19i75 (75-DGP-1 1).

I den periodiska tidskriften MARINE ENGINEERS REVIEW, från oktober 1995 återfinns en annons med "Reader ref. A1037" vilken kortfattat presenterar en trycksensor ”SEC ENGINE ANALYZER”. Från referensen står det klart att gastrycket , via ett rör med relativt tunna väggar och ett cirkulärt tvärsnitt vars ena ände är öppen mot en cylinder (vilken inte visas), har möjlighet att påverka den cirkulära ändytan vid rörets andra ände, vilken är stängd. Röret är an- slutet till ett membran av magnetiskt material, via svetsar mot rörändarna.

Membranet är mekaniskt förspänt och står i kontakt med röret via svetsarna.

Mellan membranet och det cylindriska röret fmns en kolumn för termisk isola- tion. Gastrycket bestäms indirekt genom att förändringar i rörets längd ut- nyttjas som utgångspunkt. Det anslutna membranet sätts i vibration med hjälp av magnetiska spolar, och referensen hävdar att vibrationernas frekvens- ändring i kvadrat är proportionell mot det aktuella gastrycket.

Nackdelen med denna konstruktion är att membranet och röret har olika tem- peraturkoefiïcienter, vilket leder till att det uppstår stora spänningsvariationer i membranet, vilka enbart beror på temperaturen och vilka kommer att tolkas som tryckändringar. Än mer allvarligt är det faktum, att röret med varje tryck- puls utsätts för en motsvarande adiabatisk termisk puls från den komprime- 512 14 'l¿« r 3 rade gasen. Denna puls orsakar i sin tur en dynamisk förändring av rörets längd, vilket likaså uppfattas som en tryckförändring av mâtsystemet. Sam- manlagt betyder detta att trycksensorn introducerar ett dynamiskt mätfel vil- ket varierar med det maximala trycket och frekvensen.

I en broschyr från KISTLER, "KISTLER INFORMATION 53, DECEMBER 1996", beskrivs en trycksensor som består av ett tjockväggigt rör med ett cirkulärt tvärsnitt. En axiell del av röret, med ett tvärsnitt motsvarande en cirkelsektor, har avlägsnas. Effekten av cylindertrycket i rörets inre hälrum blir att röret ex- panderar i tangentiell riktning, proportionellt mot cylindertrycket. Expansio- nen registreras med ett piezoelektrriskt element. Nackdelen med en trycksensor som baseras på piezokristaller är att den endast mäter dynamiskt tryck, och den kan följaktligen inte användas för att mäta statiskftryck. Dessutom upp- står även här en dynamisk förskjutningspuls vilken beror av den motsvarande adiabatiska termiska pulsen i gasen. Mätfel som dessa har stor betydelse vid utvärdering av effektiviteten hos en cylinder i en motor.

Följaktligen utsätts ett cirkulärt cylindriskt rör med en öppning mot en cylin- der och en stängd andra ände för cylindertryck, och detta cylindertryck kom- mer att påverka både den axiella längden och diametern hos röret. I det ovan nämnda amerikanska patentet används kraften med vilken cylindertrycket på- verkar den stängda änden, och i den ovan nämnda SEC ENGINE ANALYZER används ändringarna i den axiella längden orsakade av cylindertrycket, för att avgöra cylindertrycket. Diameterförändringarna hos det cirkulärt cylinderfor- made röret kan fortfarande inte användas för att avgöra cylindertrycket, efter- som där finns en kolumn mellan mätmembranet och tryckcylindern, och att en expansion inte kan överföras via kolumnen.

I GB 1389408 visas en anordning för mätning av trycket från en vätska i ett cirkulärt rör, med en utföringsform anpassad för att mäta gastrycket från en cylinder. Rörets mätsektion har ett cirkulärt tvärsnitt.

I GB 2019007 visas en liknande anordning för att mäta gastryck i en cylinder.

Från denna anordning är det känt att använda ett rör där rörets ytterväggar 512 141 i 4 vid mätsektionen bildar två planparallella ytor. I US 4290311 visas en teknik för att mäta tryck i ett rör där två givare är placerade mot röret. Röret har ett cirkulärt tvärsnitt vid mätpunkten. Givarna, som är spänningsgivare, är place- rade mellan två parallella delar och givarnas kontaktytor mot röret har formats så att de överensstämmer med det cirkulära röret.

I US 3898885 visas en teknik för att använda ett rör med cirkulärt tvärsnitt för att bestämma vätsketrycket i en flexibel slang. I GB 2198239 visas en teknik för att använda ett rör med planparallella mätytor för att mäta vätsketrycket i en flexibel slang. I US 5044203 visas också en teknik för att mäta vätsketryck- et i en flexibel slang genom att använda ett rör med planparallella mätytor.

Beskrivning av uppfinningen, fördelar En trycksensor enligt föreliggande uppfinning innefattar likaså ett rör vars ena ände är öppen mot en cylinder, för vilken gastrycket skall mätas. Rörets andra ände är, enligt teknikens ståndpunkt, stängd på samma sätt. Uppfinningen innefattar att röret är format på ett sådant sätt, att rörväggarnas rörelser kan utnyttjas för bestämning av cylindertrycket, i stället för att utnyttja trycket mot rörets stängda ände.

En utföringsform av ett rör med dessa egenskaper visas i Fig 2, vilket så att säga är ett rör format med en mätsektion vilken avsevärt skiljer sig från cir- kulära rör och rör med planparallella ytor enligt teknikens ståndpunkt. I axiell riktning innefattar röret en sektion ansluten till cylindem, en mätsektion och en sluten sektion.

I en utföringsforrn av trycksensorns måtrör, vilken visas i Fig 2, är rörväggar 6 formade så att det inre tvärsnittet liknar formen av ett timglas. Timglastvär- snittet består av två mer eller mindre cirkulära delar, sammanbundna av en midja med höjden "h" i y-riktningen. Ur mätningsaspekt ger detta två ekviva- lenta parallella mättvärsnittsektioner på ett avstånd "h" från varandra, var och en med en bredd "B" motsvarande avståndet mellan de två cirkulâra delarnas centrum ix-ríktningen, och en axiell längd "L" i z-riktningen. 512141 s Externt står röret i kontakt med solida balkar 9, 10 på båda sidor om mätytor- na 7, 8, vilka överför trycket i hålrummet till ett kraftmätande organ vilket vi- sas, t ex, i Fig 5. Denna utñringsform kan även formas på så sätt att balkarna 9, 10 är fixerade vid eller tillverkade i samma material som mätröret 6, såsom visas i den partiellt bortbrutna isometriska vyn i Fig 3.

I den timglasformade utföringsformen har inverkan av temperaturförändringar i hålrummet minimerats. Temperaturförändringar, orsakade av korta pulser under komprimering och förbränning av bränsle i cylindern, utgör en felkälla för trycksensorn, vilken mäter kraften alstrad av gastrycket och dessutom kraften alstrad av temperaturförândririgarna. Följaktligen kommer mätningar- na att innehålla ett fel. Av denna anledning har trycksensorrörets 6 väggar formats för att minimera temperaturförändringseffekterna. Detta har uppnåtts genom att reducera två av de faktorer som avgör storleken på den av tempe- raturförändringania orsakade kraften.

Effekten av temperaturförändringar på trycksensorns hälrumsväggar ger upp- hov till en kraft Fs, vilken är jämförbar med den av en temperaturförândring orsakade sammandragande spänningen i en spänd fjäder, vilken är lika med: FS = AT.oc.h.1<, där Fs = kraften orsakad av en temperaturförändring AT = temperaturförändringen o: = materialets utvidgningskoefficient h = avståndet mellan mätytorna icï == systemets fjâderkonstant Höjden h i utföringsforrnen som visas i Fig 2 och 3, som är avståndet mellan mätytorna, är ekvivalent med avståndet mellan fjåderändama. Höjden h har relativt diametern H av de halvcirkulära delarna av röret reducerats genom midjan i timglasformen, och styvheten x, hos mätytorna har sänkts genom den stora formiörändringen av trycktubens tvärsnitt. Fjäderkonstanten för detta system år ungefär en storleksordning mindre än vad den skulle vara ßr en an- 512 141 6 ordning enligt den kända mättekniken, med två planparallella ytor. De stora minskningarna av dessa två faktorer reducerar avsevärt inverkan från krafter FS på mätytorna, orsakade av temperaturändringar.

Utföringsformen som visas i figurema 2, 3, 4 och 5 kan jämföras mot exempel- vis de planparallella anordningarna enligt känd teknik. Om h = H/ 2 och fjä- derkonstanten vc, har reducerats med en storleksordning, skulle kraften FS or- sakad av ternperaturförändringar i timglasutföringsformen reduceras till en fraktion av värdet jämfört med effekten på anordningen med planparallella mätytor.

Balkarna 9, 10 vilka visas i tvärsnitt i Fig 2, är uppdelade i den axiella rikt- ningen, såsom visas i Fig 3, i tre sektioner 11, 12, 13, mellan två ändsektioner 18, 19 med hjälp av fyra spår 14, 15, 16, 17. De fyra spåren är belägna på båda sidor av mätytorna 7, 8, vilket visas i Fig 2. Spåren verkar för att isolera den centrala mätsektionen 12, mot förändringar av det mekaniska tillståndet vid de två rörändarna 18, 19. Den centrala mätsektionen kan i denna utfö- ringsform liknas vid en sektion i mitten av ett oändligt långt rör. Fördelen med att sensorn efterliknar ett oändligt långt rör, är att tryck och temperaturefïek- ter på ändsektionerna blir obetydliga för mätsektionen i mitten av trycksen- SOTD.

Den centrala mätsektionen 12 är omgiven av, eller ansluten till, ett kraftmät- ningsorgan, såsom visas i Fig S. I Fig 5 visas röret 6 tillsammans med ett kraftmätningsorgan vilket innefattar två magnetoelastiska givare. I utförings- formen som visas i figurerna 2, 3, 4 och 5 kan en attrapp av ett kraftmät- ningsorgan monteras på balksektionema ll, 13, på båda sidor av den centrala mätsektionen 12. Kraftmâtningsattrappen verkar på de två sektionerna på båda sidor av den centrala mätsektionen, och tillhandahåller ett mekaniskt sy- stem som liknar kraftmätningsorganet som är monterat på mätsektionen l2.

Detta minimerar eventuella skillnader mellan den centrala sektionen och de två sidoliggande sektionernas mekaniska egenskaper, för att på detta sätt komma närmare den ideala effekten av ett oändligt långt mätrör. 5.12 141¿¿¿1 7 Resultatet av dessa förändringar, införlivade i utföringsformen av trycksen- som, som visas i figurema 2, 3, 4 och 5, är minimerad påverkan från tempe- raturpulser jämfört med anordningar som använder cirkulära eller planparal- lella mätytor.

I en annan utföringsform av föreliggande uppfinning kan rörets väggar bestå av fler än ett lager. Lagren kan anordnas t.ex. som koncentriska lager, i spiral- anordnade lager, som inbördes förbundna lager och som en blandning av kon- centriska och spiralformade lager. Utföringsforrnen med ett flertal vâgglager ger fördelen att den relativa, styvheten för samma totala väggtjocklek, kraftigt re- duceras, jämfört med ett rör med en enkel vägg. Minskningen av den relativa styvheten beror på att styvheten ändras i förhållande till kvadraten av rörvägg- ens tjocklek. Detta innebär att mätytoma därför utför samma rörelse vid ett relativt sett mycket lägre gastryck, i en utföringsforrn med ett flertal Väggla- ger,men med samma totala väggtjocklek. Följaktligen minskas avsevärt ande- len av kraften som fördelas i röret relativt den totala uppmätta tryckkraften.

Utföringsformen med ett flertal vägglager ökar vidare noggrannheten i mät- ningen eftersom den minskade styvheten hos tryckröret innebär att fördel- ningseffekten i trycksensorns rörmaterial reduceras avsevärt.

Enligt en annan utföringsform av trycksensom närmar sig höjden h mellan mätytoma ett värde H, den inre diametern av de cirkulära delarna i mätröret. I denna utföringsform består mätrörets väggar av fler än ett lager. Denna utfö- ringsform kan användas i situationer där mâtfel orsakade av varierande tem- peratur har reducerats tillräckligt. Detta kan uppnås via en utföringsform med ett flertal väggar, där den minskade kraften som krävs för att skapa mätbar rö- relse av rörets mâtsektion under driftsförhällanden, gör att felet orsakat av temperaturfluktuationer blir försumbart.

Trycksensom enligt uppfinningen som beskrivits ovan har flera fördelar jäm- fört med trycksensorer för mätning av gastryck i cylindrar i förbränningsmoto- rer enligt rådande teknik. 8 Genom att använda två identiska mätorgan i ett kraftmätande organ, uppnås bättre möjligheter att kunna kompensera för systematiska fel än för en tryck- sensor baserad på en mätyta.

Genom att använda lämpliga mätorgan, som t ex de som är baserade på den magnetoelastiska principen, trådtöjningsgivare och liknande, krävs endast en total deformation av sensordelarna på några pm. Detta innebär i sin tur att fördelningen av kraften i röret blir liten i ñrhållande till gastryckens arbets- kraft. utformningen av röret med konstruktionen av byglarna som beskrivits medför dessutom att de termodynamiska effekterna i kanalväggarna endast minimalt påverkar mätsignalen. Den relativa storleken av de parallella mät- ytoma "B x L" med avseende på övriga ytformer är lämplig för de valda kraft- överförings- och mätningsorgan som anvisas. Minimeringen av fördelningsef- fekterna blir ännu mera påtaglig när utföringsformer såsom timglasformen och konstruktionen med flerlagersväggar kombineras i en trycksensor.

Ytterligare en fördel med utföringsformen som visas i figurerna 2, 3, 4 och 5, kan hänföras till det jämna och enhetliga inre tvärsnittet av den rörforrnade 'delen 6. Detta motverkar uppbyggnad av avfall eller partikelavlagringar från eylindergaserna och tillåter enkel och fullständig rengöring. Trycksensorn kan rengöras under ett underhållsiörfarande t.ex. genom, användning av tryckluft, eller genom att låta förbränningsgasema passera genom det enhetligt formade röret med hög hastighet under motoms normala drift. Det senare kan ske ge- nom öppning av en ventil (icke visad) placerad vid den ände av trycksensorn som inte är ansluten till cylindern.

Kort beskrivning av ñgurema Fig 1 visar en utföringsforrn av en trycksensor för att mäta gastryck i en cylinder av en förbränningsmotor, enligt rådande teknik.

Fig 2 visar ett tvärsnitt av ett rör ingående i en sensor för gastryck, enligt föreliggande uppfinning.

Fig 3 visar en isometrisk vy över en utföringsform av trycksensorn enligt föreliggande uppfinning. 512 141. 9 Fig4 visar en isometrisk vy över en utföringsforrn enligt föreliggande uppfinning.

Fig 5 visar ytterligare en isometrisk vy över en utföringsform enligt före- liggande uppfinning med kraftmätningsorgan.

Beskrivninz av uppfinningen En utföringsform av en trycksensor för att mäta gastryck i en cylinder av en förbränningsmotor visas i Fig 2. Mâtsektionens väggar i röret 6 är formade på så sätt att det inre tvårsnittet liknar formen av ett tímglas, bestående av två cirkulära delar förbundna med varandra via en midjesektion. I en alternativ utiöringsform kan rörets väggar dessutom vara anslutna till balkarna 9, 10, såsom visas i Fig 3. Den yttre ytan av balkens sektion 12 är ansluten till ett stabilt kraftmåtningsorgan, såsom t ex visas if Fig 5.

I utföringsformen som visas i figurerna 2, 3, 4 och 5 är höjden h, avståndet mellan mätytoma, minskat genom midjan hos timglasformen. I axiell riktning är trycksensorröret 6, delat i tre sektioner 11, 12, 13 mellan de två ändsektio- nerna 18, 19, genom fyra spår 14, 15, 16, 17 i balkarna 9, 10, vilket visas i Fig 3. Dessa är placerade på vardera sidan om mätytorna 7, 8, som visas i Fig 2.

Mâtytorna i ett rör med ett tvärsnitt liknande det som visas i Fig 2, har en ek- vivalent bredd som är lika med distansen "B" mellan de två cirkeldelarnas centrum, och en längd L i den axiella (z) riktningen.

Den centrala mätsektionen 12 är omgiven av ett kraftmåtningsorgan, vilket ansluter mot balkarna 9, 10, huvudsakligen på det sätt som visas i Fig 5. Rö- ret som beskrivits av uppfinningen är betecknat med nr 6. Röret är förbundet med cylindern för vilken gastrycket skall bestämmas. Rörets andra ände, vil- ken inte visas, är sluten. Mot de tidigare beskrivna, parallella mätytorna "B x L" i röret är balkarna 9, 10 placerade, på vilka de kraftöverförande oken 20 och 21 är fixerade. I utföringsformen som visas i Fig 5, är oken 20 och 21 integre- rade med balkarna 9 och 10. För anslutning av trycksensorn mot cylinder- blocket är sensorn lämpligen formad som en cirkulär skiva enligt Fig 5. Detta är även ett resultat av att okens utåt svängda delar har formen av en cirkelbå- ge. 512141 10 Anordningama för spänningsmätning 22 och 23, vilka sammanbinder de båda oken 20 och 21, innefattar mätorganen 24 och 25 för att bilda ett kraftmät- ningsorgan. Mätorganen av den visade utföringsformen är baserade på den välkända magnetoelastiska mätprineipen enligt PRESSDUKTOR konstruk- tionsprincipen. Detta betyder att urtagen i båda anordningarna för spän- ningsmätning har bearbetats så att ett cirkulärt membran är format i bågarna, i ett plan parallellt med rörets tvärsnittsplan. Hål är anordnade i varje mem- bran för en primärlindning 26 för magnetisering av membranet med en växel- ström, och för en lindning 27 för mätning av strömmarna som uppstår.

I en alternativ utiöringsform av trycksensorn, vilken kan ha samma form som den som visas i Fig 5, är skillnaden att bearbetningen utförts så att de cirkulä- ra membranen ligger i ett plan som är parallellt med ett mot rörets tvârsnitts- plan vinkelrätt orienterat plan, vilket delar röret i två identiska halvor.

I utföringsformen som visas i figurerna 2, 3, 4 och 5 kan en kraftmätningsat- trapp monteras på balksektionema ll, 13 på vardera sidan av den centrala mätsektionen 12.

Ur trycksensorsynpunkt är det uppenbart att det är mätsektionen 12 i röret, Fig 3, som är den viktigaste delen. Formen av sektionen som är förbunden med cylindern, och de öppna respektive stängda ändarna kan åstadkommas med många olika, mer eller mindre rörliknande forrner. Utgångsmaterialet för att tillverka röret kan ßljaktligen vara rörformat eller ha en annan godtycklig form beroende på den slutliga utformningen och beroende på vilka möjligheter för bearbetning eller formning som är tillgängliga.

I en annan utföríngsform av föreliggande uppfinning kan rörvåggarna vara sammansatta av mer än ett lager. Lagren kan vara anordnade på många olika sätt, t ex som: koncentriska lager, spiralanordnade lager, lager sammanbund- na med varandra, och en blandning av koneentriska och spiralformiga lager. 5,12 fl 4 lgjíg' .- 11 l ytterligare en utfóringsform av föreliggande uppfinning närmar sig höjden h mellan mâtytorna den inre diametern H av de cirkulâra delarna av mätröret. I denna utiöringsform av mâtröret år väggarna sammansatta av fler ån ett lager.

Denna utiöringsform kan användas i situationer vari mätfel orsakade av tem- peraturfluktuationer är reducerade i tillräcklig utsträckning. Detta kan uppnås med en utföringsform med ett flertal väggar, vari den nödvändiga kraften för att generera mâtbar rörelse av rörets mâtsektion under driftsförhållanden är reducerad, så att fel orsakade av temperaturfluktuationer blir försurnbara.

Den föredragna och bästa utföringsformen av föreliggande uppfinning år en utföringsforrn vars tvärsnitt visas i Fig 2, och i isometrisk vy i figurerna 3, 4, vari mâtrörets 6 väggar innefattar mer än ett lager och vari attrapper av kraft- mätningsorgan år monterade på balkarna 11, 13 på vardera sidan av den cen- trala mätsektionen 12.

Claims (1)

1. 512141 12 PATENTKRAV . Trycksensor för mätning av gastryck i en cylinder av en förbränningsmotor, vilken trycksensor innefattar ett rör (6) vilket i den axiella riktningen inne- fattar en delsektion ansluten till cylindern och öppen mot cylindern, en del- sektion för mätning (12) uppvisande en axiell längd ”L”, och en slutsektion vars ände år sluten, kännetecknad av, att mätsektionen (12) har en tvär- snittsform vilken innefattar en timglasform uppvisande två cirkelformade delar med ett inbördes centrurnavstånd "B”, förbundna med varandra ge- nom en midja med höjden ”h”, varigenom formas två parallella identiska mätytor ”BxL” med ett inbördes avstånd "h". . Trycksensor enligt krav 1, kännetecknad av, att rörets väggar vid mätsek- tionen (12) innefattar ett eller flera lager väggmaterial. . Trycksensor för mätning av gastryck i en cylinder av en förbrânningsmotor enligt krav 1 och 2, kännetecknad av, att tryckrörets (6) måtsektion (12) står i kontakt med balkar (9, 10) vid vilka ok (20, 2 1) är anordnade, mellan vilka mâtanordningar för spärmingsmâtning (22, 23) är anslutna, innefat- tande kraftmåtningsorgan (24, 25). . Trycksensor ñr mätning av gastryck i en cylinder av en förbrânningsmotor enligt krav 1 till 3, kännetecknad av, att kraftmätningsorganen (24, 25) be- står av magnetoelastiska sensorer. . Trycksensor ßr mätning av gastryck i en cylinder av en förbränningsmotor enligt krav 1 till 3, kännetecknad av, att kraftmätningsorganen (24, 25) be- står av spânningsgivare. . Trycksensor enligt krav 1 och 2, kännetecknad av, att tryckrörets (6) mät- sektion ( 12) står i kontakt med balkar (9, 10), vilka är uppdelade genom spår (14, 15, 16, 17) mellan ändsektioner (18, 19), så att åtminstone en sektion (11, 13) återfinns på respektive sida av rörets mätsektion (12). 512.141: 13 7. Trycksensor enligt krav 1, kånnetecknad av, att ett element bildande en kraftmâtningsattrapp av kraftrnätningsorganet, och uppvisar en liknande mekanisk form som kraftmâtningsorganet år anordnat vid en eller flera av balkarnas (9, 10) sektioner (11, 13) intill mâtsektionen (12). 8. Trycksensor enligt krav 1 och 2, kânnetecknad av, att höjden h mellan trycksensorns måtytor (7, 8) närmar sig radien H av rörets semieirkulâra delar.