用于内燃机的压阻式压力测量塞的制作方法

专利名称：用于内燃机的压阻式压力测量塞的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于内燃机的压力测量塞，该压力测量塞具有用于插 入到内燃机的气缸中的塞体、布置在塞体中的塞杆以及感测结构，该
感测结构按照如下方式布置在塞杆和塞体之间，即该感测结构受到 在气缸的燃烧室中的压力的作用，其中，塞杆将气缸的燃烧室中的压 力传递给感测结构，并且其中塞杆布置在塞体中以便相对于塞体能够 按照滑动方式沿着轴向方向移动，从而在燃烧室中的压力导致加热杆 相对于塞体轴向运动，由于该运动，使得感测结构受到力的作用。
背景技术：
从US7228730和US2005/0061063中可以知道上述类型的压力测 量塞。
在这些已知的压力测量塞中，加热杆可以在塞体的整个长度上按 照滑动的方式沿着轴向方向移动。通过上述类型的测压电热塞，燃烧 压力可以通过加热杆直接传递给压力传感器。
已知的压力测量塞根据电热塞杆的长度一般具有大约8-9kHz的 谐振频率。这将压力传感器的输出带宽限制为3-4kHz。
未来的汽油机和柴油机的高级燃烧策略依赖于在整个内燃机循环 (压缩-燃烧-排气循环)期间来自每个燃烧气缸的精确压力反馈。这些 策略可选地可以包括均质充量压燃(HCCI)燃烧，并且会导致高的压 力释放速率，这需要快速精确的压力响应。在本文中，"快速压力传 感器"是指具有高带宽响应和低响应时间的传感器。需要连续地、实 时地测量在燃烧气缸中的压力。
在汽油机中，在燃烧室中加压期间，在大约7kHz的频率附近可 以看到汽油机的"爆震"即自点火。在该频段中，也能够发现"爆震"频率的谐振频率例如14kHz。有鉴于此，需要具有比已知压力测量塞更
高的带宽的压力测量塞。
另外，在已知的压力测量塞中，用来测量和调整从压阻元件获得 的信号的压力传感器和对应的电子元件位于安装在塞体的开口端顶部 上的壳体中。在将压力测量塞插入在内燃机中之后，该壳体位于内燃 机外面。因此，电子元件的温度对应于内燃机外的温度。在一些应用 中，压力测量塞位于内燃机的涡轮增压器或其它热源附近。涡轮增压 器将使得环境温度升高至大约200°C。通常的温度变化为从外部温度 (通常在0-30。C的范围内)到驾驶期间的20(TC的温度，这将影响那些 电子元件并且增大故障率。
另外，所要测量的最大压力将增大。因此，在壳体上的安装力将 增大。在设有塞杆的已知压力测量塞中，壳体上的安装力将导致传感 器信号出现偏差，从而在将压力测量塞安装在内燃机中之后电子元件 必须对此进行补偿。EP0793082A1披露了一种压力测量塞，其圆柱形 测量体插入到壳体中并且通过焊接固定在壳体的开口处。

发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的压力测量塞。 根据本发明，传感器装置包括 用于插入到内燃机的气缸中的塞体； 布置在塞体中的塞杆；以及
感测结构，它布置在塞杆和塞体之间，且布置方式使得感测结构 在使用时受到在气缸的燃烧室中的压力的作用，其中，由于燃烧室中 的压力导致塞杆相对于塞体轴向运动，从而向感测结构施加力，这样 塞杆将气缸的燃烧室中的压力传递给感测结构，
其中所述感测结构与所述塞体是一体的并且定位于其中，并且安 装在所述感测结构上的压阻元件在所述塞杆沿着轴向方向运动时提供 电阻变化。
根据本发明的压力测量塞消除了其中感测结构设置在塞体外面的已知压阻式圆柱形压力传感器的缺点，即其长度由内燃机主体的厚度 限定。塞体的长度限定了电热塞杆或力传递塞杆的长度。该长度限制 了压力传感器的带宽。
该新型的小型化的感测结构使得我们能够将感测结构朝着燃烧气 缸运动，并且因此减小塞杆的长度。通过使用更短的塞杆，塞杆的质
量得以降低；相对于要传递给感测结构的燃烧室中的压力，这降低了 塞杆的惯性。
另一个优点在于，塞杆末端相对于感测结构的轴向运动将减小。
作用在塞杆上的压力沿轴向压缩该塞杆。这导致塞杆长度变化。因此，
塞杆末端的轴向运动将大于塞杆与感测结构连接的部位的轴向运动。
另外，塞杆的长度将随着温度变化而变化。压力测量塞针对燃烧压力
在塞杆和塞体之间包括绝对紧密的密封元件，并且保证加热杆能够在 塞体中沿着轴向方向无摩擦运动。密封元件应该适用于所有轴向运动，
即热膨胀、在压力作用下的轴向压缩。通过使感测结构移向塞杆的末
端，在密封元件和感测结构之间的塞杆长度减小，并且因此密封件必
须涵盖的整个轴向运动减小。这允许使用更简单、成本更低的密封元件。
在本发明的实施方式中，在使用中，感测结构被施加在感测结构 上的力沿着轴向方向压缩，并且安装在感测结构上的压阻元件提供了 与由于压缩而导致的沿着轴向方向的表面应变对应的电阻变化。
在本发明的另一个实施方式中，所述感测结构为膜片结构，它将 塞杆的轴向运动转变为沿着径向方向的表面应变，并且安装在所述感 测结构上的所述压阻元件提供代表所述塞杆沿着轴向方向运动时所述 沿着径向方向的表面应变的电阻变化。在另一个实施方式中，塞体中
部包括用于将环形PWB (印制线路板)设置在塞体中的环形凸缘。该 环形凸缘使得我们能够将环形PWB设置在压阻元件附近，并且通过 最少的机械连接将压阻元件与PWB连接在一起。
在本发明的再一个实施方式中，传感器装置包括用于插入到内燃 机的气缸中的塞体，其特征在于，所述塞体包括塞体下部和塞体中部，其中所述塞体下部包括用于在插入内燃机中时在塞体下部和内燃机之 间提供密封的密封表面部分。所述塞体下部在与所述密封表面部分连 接的端部处还包括细长中空体部分，其中所述细长中空体部分在所述 塞体中部中无摩擦地延伸。所述感测结构连接在塞体下部的与连接在
密封表面部分上的端部相对的端部上。
根据本发明的压力测量塞对于安装力的影响更为不敏感。在设有 加热杆的已知气缸压力传感器中，前部密封件在位于塞体外面的感测 结构上提供了初始张力。在将该压力测量塞安装在内燃机中时，塞体 沿着纵向轴线受到压缩和/或变形，这造成安装力施加在感测元件上。 通过细长中空体，感测结构以机械方式设置在距离各个塞体部分一定 距离的位置处，这些塞体部分在将压力测量塞安装在内燃机中时会变 形。因此，塞体的任何变形对感测结构的影响将更小。
在本发明的实施方式中，压阻式压力测量塞还包括前部膜片，其 用于在塞体下部和压力接口部分之间形成密封。这样，流体与压力测 量塞的接触面积减小至塞体的密封部分、前部膜片和塞杆。另外，高 压力只是直接作用在前部膜片和塞杆上，这导致降低了对于作用在细 长中空体上的压力的高要求。
在本发明的实施方式中，压力接口部分为细长接口体，它包括用 于容纳塞杆的通孔。在另一个实施方式中，在通孔的一端处，细长接 口体与感测结构连接，并且在该通孔的另一个端部处，该细长接口体 与前部膜片连接。这些特征使得能够制造出经校准的压力测量塞子组 件，这能够由另一个制造商通过将加热杆或温度塞杆插入穿过通孔并 且将该塞杆焊接在压力接口部分的自由端上来完成。由于增加塞杆并 且将它安装到内燃机中不会使得经校准的感测结构变形进而导致传感 器信号出现偏差，所以在完成传感器预热塞之后不必对压力传感器进 行校准。
在本发明的实施方式中，感测结构(104)与塞体一体并且定位于 其中。该新型的小型感测结构能够将感测结构移向燃烧气缸并且因此 减小了塞杆的长度。通过使用更短的塞杆，可以降低塞杆的质量；相对于要传递给感测结构的燃烧室中的压力，这降低了塞杆的惯性，并 且因此增大了传感器带宽。


下面将参照附图通过示例性实施方式对本发明进行更详细说明，
其中
图1显示出根据本发明的传感器装置的第一实施方式的剖视图2显示出塞杆、感测结构和PWB的透视图3显示出感测结构的第一实施方式的透视图4显示出压力测量塞的第一实施方式的顶部区域的放大剖视
图5显示出感测结构的第二实施方式的透视图； 图6示出了力作用在压力测量塞上的原理； 图7显示出传感器装置的第三实施方式的透视图； 图8显示出第三实施方式的放大透视图；并且 图9显示出传感器装置的第四实施方式的剖视图。
具体实施例方式
在图1中显示出根据本发明的压力测量塞100的第一实施方式。 压力测量塞100包括塞杆102、塞体110、 108、 106、感测结构104、 设有传感器电子元件的PWB114和传感器电连接件116。传感器电连 接件116布置在壳体118中，该壳体布置成将塞体106、 108、 110中 的其中设有感测结构104和传感器电子元件114的空腔与外部环境密 封隔绝。
在图1中所示的实施方式的示例中，塞体IIO、 108、 106包括塞 体下部110、塞体中部108和塞体上部106，它们以4几械方式连4I:在一 起。塞体下部IIO设在燃烧室侧，且具有密封锥面，借助该密封锥面， 压力测量塞与缸盖处的燃烧压力密封隔开。塞体中部108包围着感测 结构104。感测结构104的传感器电连接件侧以机械方式刚性连接在塞体中部108上。塞体上部106作为布置用来将压力测量塞100固定 到燃烧室中的带螺紋的塞体部分被布置成包围着PWB 114上的传感 器电子元件，这些电子元件布置用来测量安装在感测结构104上的压 阻元件的电阻变化并且由此产生出经调整的测量信号。这些传感器电 子元件可以安装在与塞体106、108、110的主体轴线平行地定位的PWB 114上。传感器电子元件可以包括布置成进行以下操作中的至少一个 的专用集成电路(ASIC):从压力传感器即压阻元件获得的信号的温 度补偿；从压力传感器获得的信号的校准；内部故障检测；将来自压 力传感器的信号转变成经调整的测量信号。
塞杆102以能够相对于塞体110、 108、 106沿着轴向方向滑动位 移的方式布置在压力测量塞中，其布置方式使得燃烧室中的压力变化 将导致塞杆102相对于塞体110、 108、 106进4亍轴向运动。该轴向运 动的结果是，力作用在感测结构104上。塞杆102可以为加热杆、力 传递杆(假塞杆)或温度测量杆。在最后一种情况中，塞杆包括对温 度敏感的电学元件120，它可以是任意适当的电阻温度检测器(RTD)、 热电偶或热敏电阻例如NTC电阻器。
塞杆102以机械的方式与感测结构104以及塞杆102和塞体110、 108、 106之间的密封元件112刚性连接。密封元件112保证塞杆102 能够在塞体IIO、 108、 106中沿着轴向方向无摩擦地运动。
在该图中所示的测压电热塞按照以下在图6中所示的方式工作。
由于活塞的燃烧压力或压缩压力52，可能是加热杆、力传递杆或 测温杆的塞杆102沿着轴向方向54朝着感测结构104移动，该感测结 构位于塞杆102在塞体110、 108、 106中的连接侧的端部处并且在其 上安装有压阻传感器、金属丝应变计或类似的测量元件206。由于这 种移动，塞杆102以一定的力压到感测结构104上，因此感测结构相 对于塞体IIO、 108、 106沿着轴向方向5(H皮压缩并且引起测量元件中 的力或张力的变化，该变化由合适的评估用电子元件处理成测量信号。 所述压缩将导致由56表示的感测结构104的长度变化。
通过将感测结构设置在塞体中，相对于布置在塞体端部处并且其中塞杆沿着整个塞体延伸的感测结构，沿着轴向方向运动的部分的总 质量和长度明显减小。质量和长度的减小导致该用于压力测量的结构 具有比现有技术结构更高的带宽。
另外，塞体中的位于感测结构104和传感器电连接件116之间的 的空腔可以用来定位承载着传感器电子元件的PWB114。这能够减小 壳体118的尺寸，从而导致能够更小的产品以便安装在有限的空间内。
另外，通过将PWB114上的传感器电子元件定位在带螺紋的塞体 部分106中，空腔中的温度将主要由内燃机的温度来确定。该产品的 带螺紋部分由内燃机冷却系统冷却，因此位于所述带螺紋部分的空腔 中的传感器电子元件将不会经受过高的温度。在将压力测量塞安装在 涡轮增压器、排气歧管等附近时，在连接器侧可能会有高温，即超过 150。C。更低的最大温度和更小的温度变化范围将改善压力测量塞的产 品使用寿命。
图2显示出塞杆102、感测结构104和印制线路板(PWB) 114 的透视图。PWB 114承载着传感器电子元件。PWB安装在感测结构 104的平坦表面区域上。另外，在该平坦表面区域上，安装有具有压 阻特性的应变计。在PWB114上的4妄触区^戈212用来将应变计206与 在PWB114上的传感器电子元件连接。另外，接触区域212可以用来 连接加热杆的加热元件或设在塞杆中的测温元件。另外，在图2中显 示出塞体中部208。感测结构104在连接件侧刚性连接在塞体中部208 上，并且在燃烧室侧无摩擦地定位在塞体中部208中。塞体中部208 包括其上能够以机械方式连接密封元件(在图2中未示出)的外侧轴 214,所述密封元件用来将包括感测结构104和PWB114的塞体空腔 与燃烧室压力隔开。
图3显示出其上安装有具有压阻性能的应变计结构206的感测结 构104的实施方式的透视图。感测结构104为具有可选的带切口的部 分或者局部壁变薄的管状件。应变计结构206安装在感测结构104的 平坦外表面302上。在实施方式中，感测结构104在感测结构104的 两个相对侧面包括两个平坦表面以提供对称结构。平坦表面302设置在感测结构104的轴向中央部的外部。
另外，感测结构104在应变计206所处的地方处变薄。这导致在 所述位置处的轴向压缩更大，并且因此导致在位于应变计结构206下 方的表面区域中的应变更大。在感测结构104的壁中靠近应变计结构 206的位置处可以设置孔310，以用来在将相同的轴向压力施加在感测 结构104上时力o大轴向压缩。
在图3中所示的感测结构104包括设计用来接收塞杆102的圆柱 形端部的外侧轴306。另外，感测结构104包括轴向空腔304，以使得 加热杆的中央电流销或导体406穿过感测结构104或者至少穿过外侧 轴306而伸出。在实施方式中，轴向空腔304形成贯穿感测结构104 的通道，从而使得导线424能够将中央电流销406与承载着传感器电 子元件的PWB上的电路连接。在该情况中，在PWB上的线路应该适 用于传导用来加热所述加热杆所需的电流。在塞杆包括温度传感器的 情况中，空腔304用来使得温度传感器和位于PWB上的温度传感器 电子元件之间的电连接件或者传感器电连接件116通过。
应变计结构206采用玻璃粘接(glass bonding)安装在平坦外表 面302上。应变计结构206由压阻材料制成，并且包括分别用在 Wheatstone半桥或全桥中的两个或四个应变计。
图5显示出感测结构104，的另一个实施方式的透一见图，平坦部分 302设置在位于塞体106、 108、 110的中央主体轴线附近的中性弯曲 线(neutral bending line)上。应变计粘接在平坦部分的与中性弯曲 线重合的位置上。通过让应变计位于中性弯曲线上，导致感测结构104， 弯曲的塞杆在塞体中的摇摆将使应变计结构206的电阻值变化最小。 在该实施方式中，沿着感测结构的中央主体轴线没有任何轴向通道。 与在图3中的感测结构类似，感测结构104，包括外侧轴306,塞杆102
可以包括一部分通道，以允许通过导线在加热杆的加热元件或在塞杆 中的温度传感器和承载着传感器电子元件的PWB114之间进行电连 接。图4示意性地显示出压力测量塞的第一实施方式的顶部区域的放 大剖浮见图。该塞杆为加热杆400的外部体，它包括外部主体102、加 热元件404、布置用来提供电流以加热所述加热元件404的导体406 以及布置用来防止在导体406和外部主体102之间形成电连接的支撑 构件408。在图4中，感测结构104包括沿着轴向方向的通道以让导 体406通过。
加热杆400的外部主体102与感测结构104和位于外部主体102 和塞体IIO、 108之间的密封元件112刚性连接。密封元件112保证加 热杆400能够沿着轴向方向在塞体110、 108中无摩擦运动，并且防止 感测元件受到由于燃烧过程而导致的极端温度的影响。作用在密封元 件112上的压力一部分转变成沿着轴向方向作用在测压结构104上的 力。
优选由金属材料制成的密封元件112例如通过从密封元件112的 圆柱形部分420到外部主体102在一端面处形成径向圆周角焊(radial circumferential fillet weld )或者在密封元件112的圆柱形部分420中 形成径向圆周透熔焊(radial circumferential through weld)而机械连 接在外部主体102上。也可以通过激光焊接、巻边、模锻、钎焊、压 配等方法在该区域中实现与加热杆的连接。密封元件112可以采用图 4所示的膜片形式或波紋管状密封件(未示出)形式。
图4显示出机械连接在一起的塞体下部110和塞体中部108。塞 体下部110在燃烧室侧设有密封锥面，压力测量塞通过该密封锥面与 缸盖处的燃烧压力密封隔开。
在密封元件112的另一侧处，密封元件112与塞体中部108机械 连接。在这方面，密封元件112可以设计有圆柱形部分，该圆柱形部 分被推压到塞体中部108的外侧轴214上并且与之机械连接。另外， 连接方式可以与密封构件112与加热杆400的连接方式相同。
同样，被推压到感测结构104的外侧轴306上的、可以设计有圆 柱形端部414的外部主体102与感测结构104刚性机械连接。连接方 式可以与密封构件112与加热杆400的连接方式相同。图7显示出本发明第三实施方式的透视图，并且图8显示出感测 结构104a、 PWB114a和塞杆102的方文大透浮见图。塞体上部106为细 长体，它包括沿着其一部分外表面的用于将传感器装置安装在内燃机 中的螺紋部分。感测结构104a设在塞体中部108中。
在该实施方式中，感测结构104a为膜片结构，其将塞杆102的轴 向运动转变为沿着径向方向的表面应变。安装在感测结构104a上的压 阻元件206在塞杆102沿着轴向方向运动时提供表示沿着径向方向的 表面应变的电阻变化。EP1790964AU皮露了这种膜片结构的工作原理。 在该实施方式中，感测结构104a与塞体下部IIO机械连接。感测结构 104a包括毂部132，塞杆102的圆柱形端部可以推压在其上并且焊接 以形成刚性连接。感测结构104a包括孔138，用来让加热杆的加热元 件或在塞杆中的温度传感器与可能设置在环形PWB114a上的传感器 电子元件之间借助导线形成的电连接通过。
密封元件112设置用来使得塞杆102与塞体下部IIO机械连接。 密封元件112保证塞杆102能够沿着轴向方向在塞体下部110中无摩 擦运动并且保护感测元件206和PWB114a不受由于燃烧过程而导致 的极端温度的影响。密封元件112将热量直接传导给塞体下部110， 该塞体下部又通过密封表面134将热量传递给内燃机。优选由金属材 料制成的密封元件例如通过在从密封元件112的圆柱形部分420到塞 杆102的外部主体的端面处形成径向环形角焊或者在密封元件112的 圆柱形部分420中形成径向环形透熔焊而与塞杆102的外部主体才几械 连接。也可以通过激光焊接、巻边、模锻、钎焊、压配等方法在该区 域中实现与加热杆的连接。密封元件112可以采用图4所示的膜片形 式或波紋管状密封件(未示出)形式。同样，密封元件112的另一侧 面418与塞体下部110刚性连接。
在第三实施方式中，塞体中部108设有形成PWB支撑部分的环 形凸缘130。环形凸缘130确保环形PWB114a能够设置在与安装于感 测结构104a上的感测元件206相距较近的位置处，从而^f吏得能够通过 键合线将感测元件206结合在PWB114a上。凸缘130和环形PWB114a两者都包括用于让键合线从中穿过的对准的孔136。另外，感测结构 104a、凸缘130和环形PWB114a包括用于让塞杆102通过或让连接 加热元件或测温元件的导线通过的中央孔138。在另一个实施方式中， 塞杆102通过中央孔138。
塞体下部110包括密封表面部分134和细长中空体部分。细长中 空体部分形成密封表面部分134和感测结构104a之间的机械连接，并 且在塞体中部108中无摩擦延伸，即在细长塞体部分和塞体中部108 之间具有自由空间。下面将参照图9对该结构的优点进行说明。
图9显示出在许多方面与在图7和8中所示的第三实施方式相同 的本发明第四实施方式。在该实施方式中，塞杆102由包括用于定位 塞杆的纵向通孔150的细长接口体140代替。
图9显示出塞体下部110包括密封表面部分134和细长中空塞体 部分142。细长中空塞体部分142在其一个端部处连接在密封表面部 分134上。在另一个端部处，感测结构104a例如通过焊接部分158连 接在细长中空塞体部分142上。细长中空塞体部分142从密封表面部 分134延伸并且在塞体中部108中无摩擦地延伸。在塞体中部108和 细长塞体部分142之间的间隙152确保了在那些部分之间没有任何摩 擦。因此，感测结构104a对塞体中部108或塞体上部的任何变形(由 于在将压力测量塞插入在内燃机中时的安装力而产生)比较不敏感。 通过细长中空塞体部分142，感测结构104a通过机械的方式不再受密 封表面部分134、塞体中部108和塞体上部106中的变形的影响(以 机械方式解耦)。应该指出的是，细长中空塞体部分142可以为管状 部分，它在一个端部处焊接在密封表面部分134上，并且在另一个端 部处焊接在感测结构104a上。
在图9中显示的该实施方式包括细长接口体140。该细长接口体 140包括纵向通孔150，用于定位塞杆例如加热杆、测温杆或假塞杆。 在一个纵向端部处，细长接口体148例如通过焊接部分156焊接在感 测结构104a上。在另一个端部处，细长接口体具有延伸到塞体下部 IIO之外的自由端148。优选的是，在图9中，设置有呈前部膜片112形式的密封元件112，以用来保护感测结构104a以免受来自燃烧的热 气体的影响。另外，前部膜片112用作温度屏障，用来防止热的燃烧 气体进入该结构，并且通过在径向方向上与感测结构140a间隔最大距 离的方式来定位细长接口体140和塞杆的组合而增大了传感器带宽。 密封元件112也可以釆用波紋管状膜片的形式。密封元件112分别通 过圆形焊接部分146和144与塞体下部110和细长接口体140连接。 密封元件112的位置可以位于密封表面部分134的外侧处或者相对于 该密封表面稍微凹入以防止操作中的破坏。
塞体下部110、细长中空主体142、感测结构104a和密封元件112 形成测压单元，该测压单元可以在将塞杆连接到细长接口体140上之 前校准。在该单元中，塞体下部110具有密封表面134，它在将压力 测量塞设置在内燃机中时形成密封，并且塞体下部110还支撑着塞体 中部108和膜片104a。另外，由于细长中空体142和感测结构104a 无摩擦地设置在塞体中，所以感测结构将不会受到由于将塞体安装在 内燃机中而导致的塞体压缩的影响。这防止了在压阻元件中可能出现 的偏移变化，并且消除了在密封元件112上的预负载。因此，使用在 塞体下部lio和感测结构104a之间提供刚性机械连接的细长中空体 142允许在最终组装成测压加热塞杆之前对测压结构进行校准，同时 减少了在将压力测量塞安装在内燃机中之后对温度引起的偏差进行补 偿的需要。
细长接口体140能够在压力测量塞完成之前即在将加热杆、测温 杆或假塞杆焊接在测压单元上之前校准压力测量塞。这允许制造出经 校准的压力测量塞子组件，并且另一个制造商能够通过将所需的塞杆 安装在该子组件上而完成该压力测量塞，即获得組合好的测压/电热 塞、组合的压力温度测量塞或具有假塞杆的压力测量塞。由于在将塞 杆安装在细长接口体上不会在感测结构中引起偏差或灵敏度偏移，所 以不需要任何附加的校准。另外，压力测量塞的有效压力面积由在塞 体下部110中的开口限定，因为膜片和压力测量塞两者都可以相对于 开口运动。因此，通过使用暂时的密封元件来封闭细长接口体的开口150,可以在将最终塞杆焊接在传感器上之前进行压力校准。设有可拆 卸密封构件的压力测量塞可以是经过压力校准的。通过将密封构件拆 除，可以获得经校准的压力测量塞子组件，这可以由第三方通过将最 终塞杆焊接在细长接口体140的自由端上来完成，因此为通孔150提 供了必要的封闭。最终塞杆的安装以及将最终压力测量塞安装在内燃 机中将不会影响压力测量塞的测压部分的特性，从而在使用由该压力 测量塞产生出的压力信号来控制内燃机之前不再需要进行随后的校 准。
根据本发明，燃烧压力作用在塞杆的外表面上。作用在塞杆和前 部膜片上的压力传递给细长接口体，并且这样转变成作用在感测结构 104a上的力。细长接口体由于压力变化沿着其纵向轴线在塞体内上下 运动。细长接口体由感测元件和前部膜片两者保持在预定位置。细长 接口体的纵向移动与作用在压力测量塞上的流体压力基本上成正比。
在所给出的实施方式中，通过密封构件112，加热杆400与塞体 110、 108热学解耦，并且加热杆通过密封构件112弹性支撑在塞体110、 108中。另外，由于塞体110和外部主体102之间借助密封构件112 的连接，张力可以施加在感测结构104上。该张力会随着温度变化而 变化。在PWB114上的传感器电子元件布置成过滤获得压电元件106 的阻抗值中的对应变化。
塞杆102、塞体110、 108、 106和感测结构104优选由高电阻不 锈钢(例如具有高强度和硬度、优异耐腐蚀性且便于热处理的沉淀硬 化不锈钢)制成。
该塞杆优选由可焊接的材料制成。感测结构可以通过金属注射成 型(MIM)方法制造。应变计可以是通过微:^L电系统(MEMS)方法 制成的孩吏熔硅应变计(Microfused Silicon Strain Gauge)，并且可以 玻璃粘接在感测结构104上。密封元件112优选由适用于在极端环境 中工作的耐氧化腐蚀材料制成。Inconel合金就是这种材料的例子。
在图9中所示的实施方式使得人们能够制造出经校准的压阻式压 力测量塞子组件。该方法包括以下步骤提供具有细长接口体的这种压阻式压力传感器塞；将用作密封构件的临时塞杆定位在细长接口体 的通孔中以密封该通孔；通过在塞杆上施加一系列预定压力来校准传 感器电子元件；以及从通孔中取出所述塞杆。
可选的是，该方法在校准步骤之前可以包括以下步骤提供前部 膜片；将前部膜片定位成与塞体下部和压力接口部分接触；将前部膜 片焊接在塞体下部上；并且在沿着纵向方向在塞杆上施加预定力的同 时将前部膜片焊接在压力接口部分上。
通过上述方法获得的经校准的压阻式压力测量塞子组件可以通过 以下制造经校准的压阻式压力测量塞组件的方法处理。该方法包括以 下步骤提供通过上述方法获得的经校准的压阻式压力测量塞子组件； 提供塞杆；将塞杆设置在细长接口体的通孔中；并且将该塞杆焊接在 细长接口体上。上面已经通过示例性实施方式对本发明的几个实施方
式进行了说明。本领域普通技术人员在不脱离由所附权利要求限定的 本发明范围的掩現t百"s +泉昭嫂此忠始,*《始;末"那此
种变型和变化，
权利要求
1.一种用于内燃机的压阻式压力测量塞(100)，包括用于插入到内燃机的气缸中的塞体(106，108，110)；布置在塞体中的塞杆(102)；以及感测结构(104，104a)，它布置在塞杆(102)和塞体(106，108，100)之间，且布置方式使得感测结构(104，104a)在使用时受到在气缸的燃烧室中的压力的作用，其中，由于燃烧室中的压力导致塞杆(102)相对于塞体(106，108，110)轴向运动，从而向感测结构(104，104a)施加力，这样塞杆(102)将气缸的燃烧室中的压力传递给感测结构(104，104a)，其中所述感测结构(104，104a)与所述塞体(106，108，110)是一体的并且定位于其中，并且安装在所述感测结构(104，104a)上的压阻元件(206)在所述塞杆(102)沿着轴向方向运动时提供电阻变化。
2. 如权利要求1所述的压阻式压力测量塞，其中所述压力测量塞 还包括承载着用于测量和调整电阻变化的传感器元件的印制线路板 (114)，其中所述印制线路板(114)布置在塞体(106， 108, 110) 中。
3. 如权利要求2所述的压阻式压力测量塞，其中所述塞体(106, 108， 110)包括带螺紋的塞体部分(106)，并且其中所述印制线路板 (114)布置在所述带螺紋的塞体部分(106)中。
4. 如权利要求1所述的压阻式压力测量塞，其中所述感测结构 (104)包括其上安装着所述压阻元件(206)的平坦部分(302 )。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的压阻式压力测量塞，其中在 使用时所述感测结构(104 )沿着轴向方向被施加在所述感测结构(104 ) 上的力压缩，并且安装在所述感测结构(104)上的压阻元件(206 ) 提供与沿着轴向方向的表面应变相对应的电阻变化。
6. 如权利要求1所述的压阻式压力测量塞，其中所述感测结构(104)在所述压阻元件(206 )结合于所述感测结构(104)上的位置 处变薄。
7. 如权利要求5所述的压阻式压力测量塞，其中所述印制线路板 (114)安装在所述平坦部分(302 )上。
8. 如权利要求1所述的压阻式压力测量塞，其中所述感测结构 (104)为膜片结构，它将塞杆(102)的轴向运动转变为沿着径向方向 的表面应变，并且安装在所述感测结构(104)上的所述压阻元件(206) 提供代表所述塞杆(102)沿着轴向方向运动时所述沿着径向方向的表 面应变的电阻变^f匕。
9. 如权利要求8所述的压阻式压力测量塞，其中所述感测结构 (104a)设置在塞体上部(106)和塞体下部(110)之间。
10. 如权利要求8所述的压阻式压力测量塞，其中塞体中部(130) 设有用于将环形印制线路板(114a)定位在所述塞体(106， 108， 110) 中的环形凸缘。
11. 如权利要求1所述的压阻式压力测量塞，其中所述塞杆为加 热杆(400)。
12. 如权利要求1所述的压阻式压力测量塞，其中所述塞杆包括 温度传感器(120)。
13. 如权利要求12所述的压阻式压力测量塞，其中所述感测结构 包括允许至少一根电线(424)从中穿过的通道。
14. 如权利要求13所述的压阻式压力测量塞，其中所述通道沿着 轴向方向从所述感测结构的中央穿过。
15. —种用于内燃机的压阻式压力测量塞(100),包括 用于插入到内燃才几的气缸中的塞体(106, 108， 110); 布置在塞体(106， 108， 110)中的塞杆(102); 包括压阻元件(206)的感测结构(104)，它布置在塞杆(102)和塞体(106， 108， 100)之间，且布置方式使得感测结构在使用时受 到在气缸的燃烧室中的压力的作用，其中，由于燃烧室中的压力导致 塞杆(102)相对于塞体(106， 108, 110)轴向运动，从而向感测结构(104， 104a)施加力，这样塞杆(102)将气缸的燃烧室中的压力 传递给感测结构；印制线路板(114)，它承载着用于测量和调整电阻变化的传感器 电子元件，其中所述感测结构(104)和印制线路板(114)布置在所述塞体 (106，亂110)中。
16. —种用于内燃机的压阻式压力测量塞(100)，包括 用于插入到内燃机的气缸中的塞体(106， 108， 110); 布置在塞体中的感测结构(104)，它布置在压力接口部分(102，140)和塞体(106， 108， IOO)之间，且布置方式使得感测结构(104) 在使用时受到在气缸的燃烧室中的压力的作用，其中，由于燃烧室中 的压力导致压力接口部分(102， 140)相对于塞体(106， 108， 110) 轴向运动，从而向感测结构(104)施加力，这样压力接口部分(102， 140)将气缸的燃烧室中的压力传递给感测结构(104)，其中安装在感测结构(104)上的压阻元件(206)在所述压力接 口部分(102)沿着轴向方向运动时提供电阻变化，其特征在于，所述塞体(106, 108， 110)包括塞体下部(110) 和塞体中部(108)，其中所述塞体下部为用于在插入内燃机(100) 中时在塞体下部(110)和内燃机(100)之间提供密封的密封表面部 分(134)，所述压力测量塞在与所述密封表面部分(134)连接的端 部处还包括细长中空体部分(142),其中所述细长中空体部分(142) 在所述塞体中部(108)中无摩擦地延伸，并且所述感测结构(104) 连接在塞体下部(HO)的与连接在密封表面部分(134)上的端部相 对的端部上。
17. 如权利要求16所述的压阻式压力测量塞，还包括前部膜片 (112),用来在塞体下部(110)和压力接口部分(102， 140)之间提供密封。
18. 如权利要求16所述的压阻式压力测量塞，其中所述压力接口 部分(102, 140 )为包括用于容纳塞杆(102)的通孔(150)的细长接口体(140)。
19. 如权利要求18在引用权利要求2时所述的压阻式压力测量塞， 其中在所述通孔(150)的一端处，所述细长接口体(140)连接在感 测结构(104)上，并且在所述通孔(150)的相对端部处，所述细长 接口体(140)连接在所述前部膜片(112)上。
20. 如权利要求16至19中任一项所述的压阻式压力测量塞，其 中所述感测结构(104)与所述塞体(106， 108)是一体的，并且设置 于其中。
21. —种用于制造经校准的压阻式压力测量塞子组件的方法，该 方法包括提供如权利要求18引用权利要求16时所述的压阻式压力传感器塞；提供前部膜片；在所述通孔中定位临时密封构件；将所述前部膜片定位成接触所述塞体下部和所述压力接口部分； 将所述前部膜片焊接在所述塞体下部上； 将所述前部膜片焊接在所述压力接口部分上； 通过在上述組件上施加一系列预定压力来校准传感器电子元件；并且从通孔中取出所述临时密封构件。
22. —种用于制造经校准的压阻式压力测量塞组件的方法，该方 法包括提供通过权利要求21的方法获得的经校准的压阻式压力测量塞 子组件；提供塞杆；将所述塞杆定位在所述细长接口体的通孔中； 将所迷塞杆焊接在所述细长接口体上。
23. 如权利要求22所述的制造经校准的压阻式压力测量塞组件的 方法，其中所述塞杆为加热杆(400 )。
24.如权利要求22所述的制造经校准的压阻式压力测量塞组件的 方法，其中所述塞杆包括温度传感器(120)。
全文摘要
一种用于测量内燃机压力的压阻式压力测量塞，包括用于插入到内燃机的气缸中的塞体；布置在塞体中的塞杆；包括压阻元件的感测结构，布置在塞杆和塞体之间，且布置方式使得感测结构在使用时受到在气缸燃烧室中压力的作用，其中，由于燃烧室中的压力导致塞杆相对于塞体轴向运动，从而向感测结构施加力，这样塞杆将气缸的燃烧室中的压力传递给感测结构；印制线路板，承载着用于测量和调整电阻变化的传感器电子元件。感测结构布置在塞体中，并且在使用时沿着轴向方向受到施加在感测结构上的力的压缩，并且感测结构上安装有压阻元件，用于在感测结构沿着轴向方向受到压缩时提供电阻变化。这样，获得了带宽更宽并且安装高度更小的压力测量塞。
文档编号G01L23/18GK101614609SQ20091015091
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月25日 优先权日2008年6月25日
发明者A·F·兹维耶泽, C·R·兹沃洛, H·G·托内曼, M·G·J·博格斯, P·T·J·杰尼森, S·格朗海耶曾, T·迪克 申请人:森萨塔科技公司