测压式电热塞

摘要

本发明涉及一种笔型电热塞，特别用于自燃式内燃机，包括至少一个插头基体和至少一个测量元件(7)，该插头基体具有至少一个基本上呈棒状的一端从插座突出的加热元件(3)，加热元件(3)和测量元件(7)被整体结合和/或力锁定和/或形状锁定。

权利要求

1.一种用于压燃式内燃机的笔型电热塞，，包括至少一个塞体和至少一个测量元件(7)，所述塞体具有至少一个基本上为棒状的、一端伸出所述塞体的加热元件(3)，其中所述加热元件(3)和所述测量元件(7)被整体结合，其特征在于所述测量元件在与燃烧室正相对的所述加热元件侧被结合至所述加热元件的端面。

2.如权利要求1所述的笔型电热塞，其特征在于所述塞体在设计上基本上为管状。

3.如权利要求1或2所述的笔型电热塞，其特征在于所述塞体由至少两段组成，并包括至少一个上塞体部分(1)和至少一个下塞体部分(4)。

4.根据权利要求1所述的笔型电热塞，其特征在于所述塞体包括至少一个中央塞部分(2)。

5.根据权利要求3所述的笔型电热塞，其特征在于所述的下塞体部分(4)包括密封锥(5)。

6.根据权利要求1所述的笔型电热塞，其特征在于所述加热元件(3)基本上由防护管(13)封装。

7.根据权利要求6所述的笔型电热塞，其特征在于包括至少一个密封元件(10)。

8.根据权利要求7所述的笔型电热塞，其特征在于所述加热元件(3)和/或所述防护管(13)和/或所述密封元件(10)整体结合和/或形状锁定。

9.根据权利要求8所述的笔型电热塞，其特征在于所述密封元件(10)和所述防护管(13)在设计上是单件的。

10.根据权利要求1所述的笔型电热塞，其特征在于所述测量元件(7)包括至少一个用于确定压力的传感器(8)，和/或至少一个用于确定温度的传感器(9)。

11.根据权利要求1所述的笔型电热塞，其特征在于所述测量元件(7)由具有基本上与其工作温度范围中的温度无关的压电效应的石英或GaPO4组成。

说明书

测压式电热塞

[0001] 本发明涉及一种笔型电热塞，特别是一种用于压燃式内燃机的电热塞。

[0002] 这样的电热塞是已知的，例如DE 10 346 295 A1。

[0003] 在这种设计中，测量元件位于汽缸盖外部，以防止其被燃烧室的高温所损坏。这种类型的设计导致了长的力传输途径，从而导致了低的固有频率，并引起噪声和位相转移出现在测量结果中。

[0004] 如果壳体和力传输部件是由不同的材料所组成，则长的力传输途径会导致热膨胀出现更大的差别，其导致错误的结果。

[0005] 本发明所提出的技术问题是制造一个记录压力值的笔形电热塞，其压力值基本上不受温度、热膨胀作用和其它误差源的影响。

[0006] 根据本发明，问题已被解决，电热塞包括至少一个塞体(plug body)和至少一个测量元件，塞体具有至少一个基本上呈棒状的加热元件，加热元件的一端伸出所述插头体，其中加热元件和测量元件被整体地结合(bonded)。使用这种方法可以有效地把导热路径保持限制在一个最小的范围内。根据一个有益的实施方式，所述插头体基本上呈管状的设计。这有利于产品的简单化和费用的降低。

[0007] 根据另一个有益的实施方式，塞体由至少两段组成，并且包括至少一个上塞体部分和至少一个下塞体部分。这样的产品更有益，这是一个优点。

[0008] 根据一个更有益的实施方式，塞体包括至少一个中央塞部分。设置中央塞部分的优点是加热棒在其与燃烧室正相反的一侧，以整体结合的方式在其一个端面结合测量元件，其中，测量元件在其另一个端面通过焊接环和其护套表面结合上塞体部分和中间壳体部分。陶瓷加热棒通过这种刚性结合直接把压力传送到测量元件，不需要施加一个初载来把力传输元件固定在一起。

[0009] 根据一个有益的设计，下塞体部分包括一个密封锥。这同样有益于加热元件实质上被密封在防护管中。所述防护管防止了加热元件的潜在损害。

[0010] 根据一个有益设计，笔形电热塞包括至少一个密封元件。所述密封元件有益的地方在于，灵敏的测量元件可以免受燃烧室气体的腐蚀。

[0011] 根据一个更有益的实施方式，密封元件在轴向具有低的刚性，在径向具有较大的刚性。密封元件具有的益处为外来的误差源，例如汽缸盖的热膨胀和变形，基本上被轴向是软的密封元件所隔离，而且力传输元件基本上被径向刚性的密封元件所保护，因此驱动频率在径向上增加。

[0012] 根据一个更有益的实施方式，加热元件和/或防护管和/或密封元件被整体地结合和/或形状锁定。其优点在于洋红色的加热元件和灵敏的测量装置可以被保护以不受燃烧室气体影响。根据一个有益的实施方式，密封元件和防护管在设计上是单件的(single-pieced)。减少防护管和密封元件成一个单一的部分具有制造和费用方面的优点。其理由是不提供焊点就不会变成可渗透的，而且不可渗透的保护管可以起到密封元件的作用，从而保护灵敏部件不受燃烧室气体的腐蚀。

[0013] 根据另一个有益的实施方式，测量元件包括至少一个用于测定压力的传感器，和/或至少一个用于测定温度的传感器。其优点在于由温度波动所引起的任何测量误差都可以被补偿。

[0014] 例如，如果用来测定温度的如测量条的传感器被设置于测量元件上的一个保持基本上不受应力和应力改变影响的区域，此温度传感器就能被用做参考值发射器并可用于帮助校准总体测量结果。

[0015] 根据另一个有益的实施方式，测量元件由具有压电效应的，在其工作温度范围内基本上不受温度的影响的材料组成，例如石英或GaPO4。

[0016] 本发明特别优选的实施方式将在下文中通过参考相关附图更详细地描述。

[0017] 图1笔型电热塞

[0018] 图2图1所示的电热塞的截面

[0019] 图3图2所示的测量元件的俯视图

[0020] 图1所示的笔型电热塞包括上塞体部分1，中间壳体部分2，陶瓷加热棒3和下塞体部分4。密封锥5被设置在下塞体部分4上。内极11被设置在加热棒3的远离燃烧室12的端面上；测量元件7和焊接环6围绕内极11设置。

[0021] 图2表示了图1所示的电热塞的截面。电热塞包括上塞体部分1，其被设置在中间壳体部分2的上方。陶瓷加热棒3以这样的方式被特别地设置在中间壳体部分2和下塞体部分4的区域，即在远离燃烧室12的一侧插入测量元件7，并且与内极11本质上结合和/或力锁定或形状锁定。密封锥体5被设置在下塞体部分4上。内极11以这样的方式被设置在加热棒3远离燃烧室12的端面上，即测量元件7和焊接环6被基本上同心地环绕设置在内极11的周围。测量元件7和焊接环6被力锁定和/或形状锁定和/或整体结合。焊接环6被力锁定和/或形状锁定和/或整体地结合至上塞体部分1和/或中间壳体部分
2。一个变换成防护管13的且被单件(single-pieced)设计的隔膜被设置在中间壳体部分
2和下塞体部分4之间。在一个可选择的实施方式中，隔膜10与防护管13被焊接在一起。
防护管13基本上包围延伸进入燃烧室12的加热棒3的部分，保护其和壳体部分1、2、4的内部区域不受燃烧室气体的影响。

[0022] 环形并且可变形的管状测量元件7由200摄氏度弹性高达200巴且具有恒定的弹性模量的材料组成。测量元件7由例如陶瓷组成。本发明的一个实施方式中，测量元件基本上由ZrO2组成。弹性感应元件8被设置在测量元件7的外壳表面上。在一个特殊的实施方式中，弹性感应元件8包括用于确定测量元件7的变形的应变仪，在此基础上，燃烧室12中的状态就可以被推断出来。

[0023] 图3对弹性元件7进行了描述。应变仪8、9(DMS)的电阻会根据微小的变形而改变。它们被用作应变传感器，利用一种特殊的粘合剂把它们粘合到在负荷下变形最小程度的部分。应变仪8的总的变形和膨胀引起它的电阻的变化。使用应变仪进行的测量值被转换，例如使用桥式电路，特别是四分之一桥，半桥，和全桥。实施方式中使用的应变仪为丝式应变仪、薄膜应变仪、半导体应变仪或环形应变仪。弹性元件7被设置在焊接环6和陶瓷加热棒3之间，其中，为了抵偿温度，应变仪9被设置在被设计成基本上无负载的弹性元件7的区域。应变仪可以被用于检测元件表面的膨胀或压缩形状的改变。应变仪使通过试验确定负载变成可能，也使用公式表述关于在它的应用实际范围中施加在材料上的负载的要求变成可能。应变仪8由例如薄膜应变仪组成，其中测量网格薄膜是由大约3-8μm厚的电阻丝组成。所述测量网格薄膜是层状的且在一个薄的塑性载体上被蚀刻，并且装配有电接点。在一个特殊的实施方式中，应变仪8在其顶部包括第二薄塑性膜。第二塑性膜被安全地结合至载体，以便机械地保护测量网格。在另外的一个实施方式中，多个应变仪以一个规定的几何结构被设置在一个载体上。

[0024] 康铜或NiCr化合物被用于薄膜应变仪。测量网格的形状取决于它的使用，并且以具体的应用为目标。测量网格的长度大约为0.2-150mm。应变仪8、9的承载膜由丙烯酸树脂、环氧树脂、酚醛树脂或聚酰胺制成。在特别的实施方式中，使用具有压电性、光弹性(stress-optical)或电容性功能的应变器。在实践中，它们都被用于特殊应用中。电容作用的应变仪用于高于1000℃的高温范围。应变仪8、9由金属导体或半导体组成，当它们膨胀时，它们的电阻变化。当应变仪8、9膨胀时，其电阻增加。当应变仪压缩时，其电阻减小。半导体的电阻变化幅度更大，大约比金属导体多50-80倍。

[0025] 当应变仪8、9被机械负载时，观察到的电阻的变化是由测量网格的几何变形以及组成测量网格的材料的特定电阻的变化所引起的。不同的应变仪材料产生应变仪的不同灵敏度值，也就所谓的增值系数(k-factor)。

[0026] 选择康铜用于标准的应变仪的应用是因为它的低温依赖性，尽管它有低的增值系数(k-factor)。如果需要一个更大的温度范围，或者如果需要测量低于-150℃的温度，则NiCr被用作测量网格的材料。应变仪8、9的最大应变性(strainability)主要取决于测量网格材料的应变性。还取决于粘合剂，它的应变性和粘结强度，以及组成载体的材料。在室温下，最大的应变性值大约在以下范围内，即半导体应变仪的下值1000μm/m，以及薄膜应变仪的上值50000μm/m。

[0027] 应变仪的标称电阻是应变仪空载终端之间的测量电阻，例如120、350、700或1000欧姆。应变仪可以工作的最大电压取决于它的尺寸以及它所结合的材料。发生在应变仪电阻器上的功率损失必须在通过应变仪的表面时耗散。当使用具有好的传导性的材料时，典型的值为大约5-10伏特；当小应变仪和具有差的传导性的材料被使用时，例如，施加0.5伏特的电压。

[0028] 半导体应变仪具有高的随温度变化性，因此可以被用于特定的应用。温度误差由惠斯通电桥电路抵偿。此外，由于所有的四个桥接旁路都形成在相同的薄片(chip)上，单独的桥接旁路的作用将比四个不同的半导体应变仪粘结和互联时更实际。当使用康铜和NiCr应变仪时，温度影响是最小的，超过100℃时，康铜的信号变化小于1％。每种被测量的材料都会在温度增加时膨胀。如果没有限制，这种膨胀不与负载相对应。人们不想去测量这种膨胀。通过使用“合适的”应变仪在某些方法中可以基本上被实现，例如厂家给予应变仪8一个附加的温度效应，产生一个相反于扩张效应的信号，扩张效应是由材料被放置地的温度变化引起的。这类补偿功能仅仅可以在某一温度范围中起作用，而且并不是所有的材料都具有特定的热膨胀，热膨胀还取决于对材料的预处理，例如已经进行的轧制或退火。完全补偿可以通过使用有效的测量来实现，例如在卸载元件上通过使用应变仪9测量温度效应，和从利用惠斯通电桥电路(半桥)或处理器的负载元件上的信号中减去它。当温差大于150℃或更高时，适于使用NiCr应变仪。电阻的变化通过集成到一个电路，惠斯通电桥电路，中被典型地检测，并作为一个电压信号被供给至一个没有被描述的放大器。

[0029] 可以得到应变仪的三个测量程序。

[0030] 1.使用了200Hz-50kHz作为载频的载频方法

[0031] 2.直流电压方法

[0032] 3.恒定电流方法

[0033] 使用恒定电流方法，使使用长距离线路来作为单独的桥式电路而没有信号错误成为可能。电缆损失通过载频方法和直流电压方法的电子电路补偿。载频和直流电压不同之处主要在于由市售的放大器可得到的信号带宽：对于直流电压来说，通常可以达到大约100kHz，而对于载频来说，一般通常从100Hz到大约3kHz。另外的差别还与它们对干扰的敏感性有关，然而干扰也取决于特殊的环境和用途。载频方法对温差电势、共态干扰(电器干扰)和(如果干扰频率在载频加/减带宽之外，)反配对触点干扰(磁场干扰)不敏感。
然而，多个载频放大器必须互相同步以防止互相干扰。直流电压放大器可以被用于实验室或最优条件下。载频测量用放大器更适用于工业条件，其中测量必须经常在强干扰的环境下进行。这取决于漫辐射的频率和所包括的放大器。

[0034] 参考符号的列表

[0035] 1.壳体部分

[0036] 2.中间壳体部分

[0037] 3.陶瓷加热棒

[0038] 4.下塞体部分

[0039] 5.密封锥体

[0040] 6.焊接环

[0041] 7.弹性元件/测量元件

[0042] 8.弹性感应元件

[0043] 9.温度补偿

[0044] 10.隔膜(带有防护管)

[0045] 11.内极

[0046] 12.燃烧室

[0047] 13.防护管