ЗАПАЛЬНАЯ СВЕЧА С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
IGNITION PLUG CAPABLE OF PRESSURE MEASUREMENT

Данное изобретение относится к запальной свече, тип которой указан в ограничительной части независимого пункта 1. Такая запальная свеча известна из документа DE 102004044727. Она содержит устройство измерения давления, предназначенное для измерения давления в камере сгорания, поэтому такую свечу называют также запальной свечой с возможностью измерения давления.
Согласно документу DE 102004044727 между корпусом запальной свечи и нагревательным стержнем установлена металлическая уплотнительная мембрана в виде сильфона, предотвращающая выход газообразных продуктов сгорания, присутствующих в камере сгорания, через корпус свечи наружу. Эта металлическая уплотнительная мембрана хорошо выдерживает температуру газообразных продуктов сгорания, присутствующих в камере сгорания, и при этом обеспечивает возможность смещения нагревательного стержня в осевом направлении, благодаря чему давление, действующее в камере сгорания, может передаваться через указанный нагревательный стержень в устройство измерения давления.
Задача данного изобретения заключается в повышении точности измерения давления, существующего в камере сгорания, при использовании запальной свечи.
Эта задача решена путем создания запальной свечи, характеризующейся признаками независимого пункта 1. Предпочтительные варианты изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы.
В рамках работы по созданию изобретения было установлено, что точность, с которой можно измерить давление в камере сгорания при помощи устройства измерения давления, ограничивается собственными колебаниями запальной свечи. Установив между корпусом запальной свечи и нагревательным стержнем кольцевой или трубчатый демпфер, можно погасить собственные колебания свечи, действующие в радиальном направлении, и тем самым повысить точность измерений. В предпочтительном случае при помощи демпфера можно не только гасить собственные колебания, но и сдвигать их в сторону более высоких частот, которые возбуждаются не так легко и поэтому имеют меньшую амплитуду колебаний.
Демпфер, выполненный из перфторэластомера, обладает хорошей термостойкостью и имеет низкий коэффициент трения, вследствие чего он практически не снижает подвижность нагревательного стержня в корпусе свечи в осевом направлении. Особенно хорошо для целей изобретения подходит перфторкаучук. Перфторкаучук, обладающий весьма хорошими характеристиками, представлен на рынке под названием Kalrez.
Применяя предлагаемую запальную свечу, в особенно важном диапазоне частот от 1 до 20 кГц, в частности от 3 до 5 кГц, собственные колебания с радиальной амплитудой можно погасить и сдвинуть их в сторону более высоких частот.
В предпочтительном случае демпфер представляет собой кольцо круглого сечения. Как ни удивительно, такая простая мера позволяет очень эффективно гасить собственные колебания нагревательного стрежня. Демпфер предпочтительно расположен за уплотнительной мембраной, если смотреть со стороны камеры сгорания, поэтому он защищен ею от прямого действия горячих газообразных продуктов сгорания. Уплотнительная мембрана предпочтительно выполнена из металла и может быть выполнена в виде уплотнительного элемента в форме сильфона или гофрированной трубки.
Собственные колебания особо эффективно подавляются в том случае, если демпфер установлен в зоне пучности собственного колебания. Предпочтительно демпфер установлен в зоне пучности той гармоники, действие которой в радиальном направлении наиболее сильно. Неожиданно оказалось, что, как правило, этой гармоникой является третья или четвертая гармоника собственного колебания, поэтому особенно эффективно радиальные колебания нагревательного стержня гасятся, если демпфер действует в зоне пучности третьей или четвертой гармоники собственного колебания.
Предпочтительно демпфер проходит вокруг сужения, предусмотренного на нагревательном стержне. Следовательно, нагревательный стержень с обеих сторон сужения имеет большую толщину, чем в пределах этого сужения. Таким образом, становится очень просто задавать положение демпфера. В предпочтительном случае указанное сужение с одной стороны ограничено кольцевой поверхностью, расположенной под углом к продольному направлению нагревательного стержня. Таким образом, можно облегчить смещение демпфера в нужное положение. С другой своей стороны сужение предпочтительно ограничено кольцевой поверхностью, ориентированной перпендикулярно продольному направлению нагревательного стержня. Эта перпендикулярная кольцевая поверхность образует упор для демпфера. При этом в предпочтительном случае наклонная поверхность находится с той стороны сужения, которая располагается ближе к концу нагревательного стержня.
Нагревательный стержень предпочтительно окружен по меньшей мере двумя демпферами. Преимущество этой меры состоит в том, что таким образом усиливается гасящее действие. Различные собственные колебания можно эффективно гасить, в частности, применяя несколько демпферов. В предпочтительном случае демпферы установлены в зонах двух самых сильных пучностей гармоник, действующих в радиальном направлении.
В рамках данного изобретения под нагревательным стержнем следует понимать не только его нагреваемую часть, расположенную на том его конце, который обращен к камере сгорания, но и весь стержень, проходящий во внешней трубке до устройства измерения давления, т.е. в том числе ту часть внутреннего электрода, которая не окружена внешней трубкой и через которую можно питать током нагревательный элемент на нагреваемом участке нагревательного стержня.
Дополнительные особенности и преимущества изобретения пояснены на примере предпочтительных вариантов его выполнения, раскрытых со ссылкой на сопровождающие чертежи, причем идентичные или соответствующие друг другу элементы обозначены в заявке одинаковыми номерами позиций. На чертежах изображено следующее:
фиг.1 изображает предложенную запальную свечу с частичным разрезом;
фиг.2 изображает фрагмент показанной на фиг.1 свечи;
фиг.3 изображает другой фрагмент показанной на фиг.1 свечи;
фиг.4 изображает фрагмент запальной свечи, соответствующей другому варианту изобретения;
фиг.5 изображает запальную свечу, соответствующую еще одному варианту изобретения.
Показанная на фиг.1-3 запальная свеча содержит корпус 1, имеющий внешнюю резьбу 2, обеспечивающую возможность ввинчивания свечи в резьбовое отверстие дизельного двигателя, и нагревательный стержень 3, установленный в корпусе 1 с возможностью смещения в осевом направлении. Стержень 3 имеет нагреваемую часть 3а уменьшенного диаметра, выступает из корпуса 1 наружу и согласно представленному варианту изобретения проходит к кожуху 4 электронной схемы на том конце корпуса 1 свечи, который при использовании обращен в противоположную от камеры сгорания сторону.
Нагревательный стержень 3, который может со скольжением перемещаться в осевом направлении относительно корпуса 1 свечи, передает давление, существующее в камере сгорания дизельного двигателя, к устройству измерения давления (не показано). Чем больше давление в камере сгорания, тем сильнее нагревательный стержень 3 вжимается в корпус запальной свечи, преодолевая воздействие возвращающей силы. Смещение нагревательного стержня 3 относительно корпуса 1 запальной свечи, обусловленное указанным давлением, в предпочтительном случае составляет от 0,05 до 0,25 мкм/бар.
Согласно представленному варианту изобретения устройство измерения давления, используемое для измерения давления в камере сгорания, действующего на нагревательный стержень, расположено в кожухе 4. Оно может содержать, например, пьезо- или тензометрический датчик измерения давления. Как вариант, устройство измерения давления может быть размещено в цилиндрической части корпуса 1 запальной свечи, расположенной перед кожухом 4, если смотреть со стороны камеры сгорания.
Между корпусом 1 запальной свечи и нагревательным стержнем 3 установлена металлическая уплотнительная мембрана 5, выполненная в виде сильфонного уплотнительного элемента (более детально показана на фиг.2). Эта мембрана 5 защищает устройство измерения давления от прямого действия газообразных продуктов сгорания, присутствующих в камере сгорания, однако при этом она не препятствует смещению нагревательного стержня 3 в осевом направлении относительно корпуса 1 свечи.
Между корпусом 1 свечи и стержнем 3 расположен кольцевой или трубчатый демпфер 6, используемый для гашения радиальных колебаний нагревательного стержня 3. Этот демпфер 6 находится в состоянии прижатия как к стержню 3, так и к корпусу 1. Когда нагревательный стержень совершает колебания в радиальном направлении, демпфер сжимается и, таким образом, гасит колебания. Чтобы повысить эффективность демпфирования максимальным образом, демпфер 6 следует размещать в зоне пучности той гармоники, действие которой в радиальном направлении наиболее сильно. Это гармоникой, как правило, является третья или четвертая гармоника собственного колебания нагревательного стержня 3.
Демпфер 6 выполнен из перфторэластомера, в частности из перфторкаучука, и его термостойкость превышает 300°С, предпочтительно превышает 320°С. Подходящим материалом для демпфера является материал Kalrez, доступный на рынке. В простейшем случае демпфер 6 представлен кольцом круглого сечения.
Один из вариантов демпфера 6 детально показан на фиг.3. Нагревательный стержень 3 предпочтительно имеет сужение, в пределах которого расположен демпфер 6. При сборке свечи это сужение облегчает позиционирование демпфера 6.
Для улучшения гашения колебаний нагревательный стержень 3 может быть также окружен по меньшей мере одним дополнительными демпфером 6. В этом случае демпферы следует устанавливать в зоне самых сильных пучностей гармоник, действующих в радиальном направлении.
Кроме того, демпфер 6 может быть установлен на сильфонной уплотнительной мембране 6, например, как показано на фиг.4.
В соответствии с проиллюстрированным вариантом изобретения, уплотнительная мембрана 5, выполненная в виде сильфона, установлена перед внешней резьбой 2 запальной свечи, если смотреть со стороны камеры сгорания. Таким образом, можно почти полностью устранить эффект ввинчивания и температурные влияния материала корпуса 3 запальной свечи.
На фиг.5 показан другой вариант запальной свечи, согласно которому сильфонная уплотнительная мембрана 5 установлена на конце корпуса 1 свечи, обращенном к камере сгорания. Поэтому в данном варианте изобретения демпфер 6 находится за уплотнительной мембраной 5, если смотреть со стороны камеры сгорания. Еще одно отличие данной свечи от изображенной на фиг.1-4 состоит в том, что внешняя трубка ее нагревательного стержня 3 не доходит до устройства измерения давления 7. В силу этой причины на фиг.5 можно видеть внутренний электрод 3b нагревательного стержня 3. Между внутренним электродом 3b нагревательного стрежня 3 и корпусом 1 свечи установлен первый демпфер 6, выполненный в виде кольца круглого сечения. Второй демпфер проходит вокруг сильфонной уплотнительной мембраны 5.
Внутренний электрод 3b представляет собой электрический проводник, подводящий ток к нагревательной спирали, предусмотренной в нагреваемой части 3а стержня 3. Внутренний электрод 3b может быть окружен керамическим изолятором, например, из оксида алюминия или магния, обеспечивающим электрическое изолирование электрода. Соединение нагревательной спирали с землей можно осуществить через корпус 1 свечи и наружную поверхность выступающей из него части стержня 3.
Сигналы, генерируемые устройством 7 измерения давления, поступают по соединительным проводам к электронной схеме, расположенной в кожухе 4. Обработка полученных сигналов при помощи электронной схемы может происходить непосредственно в кожухе 4. Однако указанные сигналы не обязательно должны обрабатываться в пределах запальной свечи, вместо этого они могут передаваться прямо в блок управления двигателем.
Перечень ссылочных обозначений
1
корпус запальной свечи
2
внешняя резьба
3
нагревательный стержень
3а
нагреваемая часть нагревательного стержня
3b
внутренний электрод нагревательного стержня
4
кожух
5
уплотнительная мембрана
6
демпфер
7
устройство измерения давления