СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В КАМЕРЕ СГОРАНИЯ И ПРЕДНАЗНАЧЕННОЕ ДЛЯ ЭТОГО УСТРОЙСТВО
METHOD TO DETERMINE PRESSURE IN COMBUSTION CHAMBER AND DEVICE DESIGNED FOR THIS PURPOSE

Данное изобретение относится к способу определения давления в камер сгорания, в частности, в камере двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, изобретение относится к устройству, реализующему указанный способ. Датчики подобного типа, позволяющие измерять давление в камере сгорания, известны, например, из патента DE 10343521. В этом патенте описана запальная свеча, которая обеспечивает возможность измерения давления и предназначена для использования в дизельном двигателе. Эта свеча содержит корпус, вставляемый в цилиндр дизельного двигателя, нагревательный стержень, расположенный в этом корпусе, и датчик давления, установленный с предварительным напряжением между нагревательным стержнем и корпусом свечи, причем таким образом, что на него действует давление, существующее в камере сгорания цилиндра. При этом нагревательный стержень установлен в корпусе свечи с возможностью смещения в осевом направлении и тем самым передает на датчик давление, действующее в камере сгорания цилиндра.
-6
-1
Подобный датчик давления, предназначенный для камеры сгорания, раскрыт также в патенте DE 10346295. В этом патенте описана запальная свеча, имеющая цилиндрический корпус, одна концевая часть которого расположена вблизи камеры сгорания двигателя. При этом свеча также содержит: резьбовую часть, находящуюся в зацеплении с двигателем; трубчатый элемент, закрепленный внутри цилиндрического корпуса так, что его концевая часть выдается за указанную концевую часть корпуса; тепловыделяющий элемент, который находится внутри трубчатого элемента и вырабатывает тепло, используя подведенный ток; металлический центральный стержень, одна концевая часть которого электрически соединена с указанным тепловыделяющим элементом, а другая концевая часть выдается за вторую концевую часть корпуса; и датчик давления, предназначенный для измерения давления в камере сгорания двигателя, которое передается через центральный стержень в виде осевой нагрузки, действующей на трубчатый элемент, причем часть среднего стержня, расположенная внутри трубчатого элемента, имеет коэффициент теплового расширения не более 10,5×10 [°С].
В публикации DE 102005016463 раскрыта штифтовая запальная свеча, предназначенная для использования в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Эта свеча содержит первый модуль, включающий в себя нагревательный элемент и корпус свечи, и модуль измерения давления, который примыкает к первому модулю со стороны, направленной в противоположную от нагревательного элемента сторону. В модуль измерения давления встроен по меньшей мере один силоизмерительный датчик, выполненный с возможностью генерирования электрического сигнала в зависимости от действующей на него силы, причем указанный по меньшей мере один силоизмерительный датчик соединен с нагревательным элементом таким образом, что может испытывать действие силы, передаваемой на него через этот нагревательный элемент.
Из публикации DE 102005017802 известна еще одна штифтовая запальная свеча, предназначенная для использования в двигателе внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Эта свеча содержит нагревательный элемент и корпус, причем корпус оснащен по меньшей мере одним силоизмерительным датчиком, соединенным с нагревательным элементом таким образом, что может испытывать действие силы, передаваемой на него через указанный нагревательный элемент. Кроме того, данная стержневая запальная свеча содержит по меньшей мере один уплотнительный элемент, который соединен с нагревательным элементом и снабжен по меньшей мере одним элементом с упругими свойствами. Указанный по меньшей мере один уплотнительный элемент изолирует нагревательный элемент относительно корпуса свечи.
К сожалению, при изготовлении запальной свечи, обеспечивающей возможность измерения давления, приходится проводить трудоемкий процесс предварительного натяжения, осуществляемый при помощи винтов. Особенно сложно создавать сильное предварительное напряжение механическими средствами в случае небольших размеров свечи. Однако отказаться от предварительного напряжения нельзя, оно должно быть создано. Также очень сложно компенсировать отклонения формы деталей. Кроме того, невозможно исключить влияние сторонних воздействий на процесс измерения давления.
В связи с вышесказанным задача данного изобретения состоит в создании устройства и способа, предназначенных для определения давления в камере сгорания, которые лишены упомянутых недостатков и при этом позволяют снизить восприимчивость к боковым колебаниям и исключить влияние на измерительный элемент внешних деформаций с обеспечением более высокой концентричности между нагревательным стержнем и корпусом.
Эта задача решена путем разработки устройства, характеризующегося признаками пункта 1 формулы изобретения, и способа, характеризующегося признаками пункта 5 формулы изобретения. Предпочтительные варианты изобретения являются предметом зависимых пунктов.
Преимущества изобретения заключаются в том, что оно крайне простое в реализации. Поэтому устройства такого типа предпочтительны с точки зрения производственных затрат. Однако главное преимущество состоит в возможности компенсации внешних воздействий. Благодаря возможности двойного направления нагревательного стержня при помощи двух пружинных мембран, а также благодаря размещению измерительных и ссылочных элементов в нейтральной плоскости предложенная запальная свеча, обеспечивающая возможность измерения давления, развязана от действия боковых колебаний и прочих деформаций.
Иллюстративный вариант выполнения изобретения представлен на прилагаемых чертежах, из которых:
фиг.1 изображает запальную свечу, обеспечивающую возможность измерения давления за счет измерения смещений;
фиг.2 изображает запальную свечу, обеспечивающую возможность измерения давления за счет измерения смещений альтернативным образом;
фиг.3 изображает запальную свечу, обеспечивающую возможность измерения давления; причем на показанную свечу действует давление топливного газа;
фиг.4 изображает запальную свечу, обеспечивающую возможность измерения давления за счет измерения деформации мембраны; причем на показанную свечу действует давление топливного газа;
фиг.5 изображает запальную свечу, обеспечивающую возможность измерения давления; причем на показанную свечу действует помеха;
фиг.6 изображает запальную свечу, обеспечивающую возможность измерения давления за счет измерения деформации мембраны; причем на показанную свечу действует помеха.
Задача датчика давления, внедренного в нагревательный стержень, (показан, например, на фиг.1) заключается в измерении давления топливного газа в камере сгорания. Нагревательный стержень 5 удерживается посредине корпуса 6 при помощи двух пружинных мембран 1, 2, которые имеют одинаковую жесткость и могут деформироваться в осевом направлении, обеспечивая тем самым смещение нагревательного стержня 5 в этом осевом направлении. На нагревательном стержне 5 закреплен ссылочный элемент 3, например магнит. На корпусе 6 установлен элемент 4 измерения смещений, например индуктивная катушка. Альтернативой измерению смещений является проиллюстрированное на фиг.2 измерение деформации мембраны. В этом случае на каждой из двух пружинных мембран 1, 2 установлен один или несколько гибких чувствительных элементов 4, например тензометрических датчиков (ТМД-датчиков) или емкостных датчиков, которые при смещении нагревательного стержня под действием существующего в камере сгорания давления передают через CAN-шину соответствующий сигнал в блок управления автомобиля.
Если, как показано на фиг.3, на рабочую поверхность нагревательного стержня 5 и пружинной мембраны 1, находящейся со стороны камеры сгорания, действует давление сгорания, то нагревательный стержень смещается относительно камеры сгорания, а мембраны 1, 2 деформируются в том же направлении. Измерительный элемент 4 остается в своем прежнем положении, а ссылочный элемент 7 смещается вместе с нагревательным стержнем 5. Давление сгорания определяют на основании величины смещения ссылочного элемента 7 относительного измерительного элемента 4.
На фиг.4 показана запальная свеча, на которую действует давление топливного газа, причем данная свеча обеспечивает возможность измерения давления путем измерения деформации мембраны. Когда на рабочую поверхность нагревательного стержня 5 и мембрану, находящуюся со стороны камеры сгорания, действует давление сгорания, нагревательный стержень 5 смещается относительно камеры сгорания, а мембраны 1, 2 деформируются в том же направлении. Давление сгорания устанавливают на основании деформации мембраны, определенной при помощи гибкого чувствительного элемента 4, причем данные о давлении передаются в блок управления автомобиля.
Как показано на фиг.5, при измерении может возникнуть интенсивный сигнал помехи, приводящий к появлению направленной снаружи деформации корпуса 6, которая в свою очередь может обусловить относительное смещение между ссылочным элементом 7 и измерительным элементом 4. Для исключения влияния этой помехи ссылочный элемент 7 и измерительный элемент 4 должны находиться в так называемой нейтральной плоскости 8, в которой указанное относительное смещение при деформации возникнуть не может. Например, если корпус имеет равномерную и симметричную форму, нейтральная плоскость 8 лежит посредине зоны деформации.
На фиг.6 показана запальная свеча, подверженная действующей снаружи деформации; эта свеча обеспечивает возможность измерения давления путем измерения деформации мембраны. Если пружинные мембраны 1 и 2 имеют одинаковые жесткость и форму, то они будут деформироваться в одинаковой степени, но в противоположных направлениях. При соответствующем расположении и подсоединении измерительных элементов эта деформация полностью компенсируется.
Перечень ссылочных обозначений
1 пружинная мембрана
2 пружинная мембрана
3 ссылочный элемент
4 измерительный элемент
5 нагревательный стержень
6 трубчатый корпус
7 ссылочный элемент
8 нейтральная плоскость