專利名稱：具有壓力感應罐的電熱塞的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電熱塞，特別是涉及具有集成壓力感應裝置的內燃機用電熱塞。
背景技術：
電熱塞通常運用于需要強熱源直接引燃或輔助引燃的情況下。因此，電熱塞常應用于空間加熱器、工業(yè)爐和柴油機等設備中。在壓燃式發(fā)動機領域中，高輸出和高效率以及使用混合燃料是其發(fā)展趨勢，這就同時增加了對各種燃燒傳感器的需求和使用，以增強對發(fā)動機和燃燒過程的控制。燃燒傳感器，特別是燃燒壓力傳感器在過去一直是分立的傳感器，該傳感器通過量身打造的收容這些傳感器的特定螺紋孔插入燃燒室。由于本身的成本很高且對于汽缸蓋周圍安裝空間有特殊要求，這些傳感器通常僅用于發(fā)動機和發(fā)動機控制領域，無法進行批量生產。在現有技術中就可以發(fā)現一些具有集成壓力傳感器的電熱塞的例子。但即使不是全部，也仍有許多的壓力感應的電熱塞的設計都存在一個特定的問題或者關鍵點，那就是為了充分預載壓力傳感器而在電熱塞元件中，以及特別是在電極本身處所產生的不良應力?，F有設計將壓力感應裝置結合于電熱塞外殼中，這就對電極與熱探頭元件之間的接合強度提出了很高的要求。在2007年5月3日公開的，美國公開號為2007/0095811的申請中，提供了現有技術的一個實例。根據該設計，壓力感應單元預先安裝于熱探頭上，并通過隨后結合至電熱塞外殼上端的外部支撐管進行預張緊。這種設計的一個明顯缺點在于其位于電熱塞外殼和熱探頭之間的撓性膜元件(用于緩沖壓力波動)是延其長度方向被壓縮的。其設計的另一個缺點在于其傳感器元件的位置，該傳感器元件會凸伸入相對遠離汽缸蓋座的燃燒氣體中而受到急劇的熱沖擊。這些特征導致工作壽命的減少并影響最佳性能的發(fā)揮。整體而言，現有具有集成壓力傳感器的電熱塞趨向于把其中心電極或其他力傳輸元件拉緊放置，外殼元件壓縮放置。圖2提供了一種這樣的現有電熱塞設計的示意圖。其中心電極和熱探頭之間的接頭需要正常電熱塞運作過程中所不需要且很難達到的抗張強度。此外，傳感器上的預載和預張緊必須足夠大以保證無論什么狀況下負載都保持在傳感器上，即使感應到的壓力變化使得預載減輕。無疑，中心電極未張緊的例子隨處可見，比如上文提到的US2007/0095811中。然而，這些例子極易扭曲(distortions)或存在其他設計缺陷。現有設計還對所有必要的元器件具有一定的最小長度要求，且依賴于通過細長的中心電極傳遞的力，這會影響熱性能并降低靈敏度。此外，有關傳感器堆的組件的加工問題， 也就是共同起到傳感器組件作用的該堆元件的加工問題，會使所需電氣連接復雜化。因此，需要一種具有集成壓力傳感器的電熱塞，能夠避免對中心電極元件施加不必要的壓力，支持更低的啟動負載，具有更好的熱性能和更高的靈敏度，且不需要中心電極和熱探頭之間存在牢固的連接。此外，在批量生產方面，需要一種更易于組裝的電熱塞和壓力傳感器組件。

發(fā)明內容
本發(fā)明為解決現有設計存在的上述問題，提供一種內燃機用電熱塞組件，其中，該組件具有集成內部壓力傳感器。該組件包括具有軸向延伸孔的外殼和細長的熱探頭。該熱探頭設有位于所述孔中并與所述外殼電接觸的底端。一電極與所述熱探頭的所述底端電接觸而與所述外殼電絕緣。壓力傳感器設于所述外殼中。該壓力傳感器相對所述熱探頭的所述底端被支撐，并適于在所述電熱塞組件被安裝于發(fā)動機中時測量壓力波動。一罐設于所述外殼中并圍繞所述壓力傳感器。該罐在其第一端和第二端之間延伸，且該第一端操作性地固定于所述外殼，該第二端與所述壓力傳感器壓接。該罐建立作用于所述壓力傳感器上的壓縮預載力，而不將可能在所述外殼中產生的瞬態(tài)畸變傳遞至所述壓力傳感器。根據本發(fā)明的另一方面，提供一種電熱塞組件的制造方法。該方法包括下列步驟 形成具有軸向延伸孔的外殼；形成細長的熱探頭，該熱探頭具有底端和與該底端相對的加熱端；將所述熱探頭的底端支撐于所述外殼的所述孔中以建立該外殼與該熱探頭之間的電傳導；將一電極電連接至所述熱探頭的所述底端而保持該電極與所述外殼之間的電絕緣； 提供具有第一和第二端的罐；將所述罐的所述第一端連接至所述外殼；提供壓力傳感器； 將所述壓力傳感器設于所述罐內，使得該壓力傳感器靠在所述熱探頭的所述底端上；以及壓縮所述壓力傳感器與所述罐的所述第二端以建立該壓力傳感器上的預載力。本發(fā)明，克服現有技術的缺點之處在于，其不依賴電極將力傳遞至壓力傳感器或傳遞來自壓力傳感器的力。相反，該電極基本不受影響地穿過壓力傳感器。這與類似圖2中所示的現有系統形成區(qū)別。根據本發(fā)明，通過使用圍繞壓力傳感器以形成密封艙 (containment capsule)的罐，壓力傳感器直接有效地設于熱探頭的底端并壓在其上。罐剛性連接至外殼，優(yōu)選非?？拷渥?。由于熱探頭響應壓力波動產生移動，而外殼不動，因此熱探頭的移動直接導致作用于壓力傳感器上的力產生變化。當力隨著氣壓增大時，初始預載力會相對減小。由此，該力承載元件可具有小的長度和大的截面積，高硬度和高傳感器靈敏度?？蓪⒐拊O計為具有小的長度，基于其本身封閉的本性，可以降低熱膨脹差異，因此會帶來額外的好處，即良好的熱性能，進一步地，可降低初始預載。根據需要，可采用簡單易于實現的同軸結構實現電連接。位于罐內的組件內固有的排布狀況有助于加工制造。優(yōu)選將電熱塞的罐至外殼的連接設為非?？拷鈿さ亩瞬?，也就是，靠近所述座，從而減小化由于電熱塞的所述外部外殼內的力發(fā)生變化引起的信號失真。


為了更清楚地理解本發(fā)明的上述以及其他特征和優(yōu)點，以下結合具體實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細描述，其中圖1是現有電熱塞組件的側視圖；圖2是具有集成壓力感應裝置的現有電熱塞組件的部分剖視圖，其中，當該傳感器組件預加載時，中心電極處于拉緊狀態(tài)；圖3是根據本發(fā)明的四分之一剖(in quarter-section)的電熱塞組件的部分立體圖；圖4是圖3中的電熱塞組件的部分剖視圖；圖5A-D顯示本發(fā)明電熱塞被組裝的組裝過程；
50017]圖6是根據本發(fā)明第一可選實施例的電熱塞組件；圖7是第二可選實施例的剖視圖；圖8是第三可選實施例的剖視圖；以及圖9是根據圖8所示第三可選實施例的電極的部分立體圖。
具體實施例參考附圖，其中各附圖中的相似的數字指代相似或相應的元部件，根據現有技術的電熱塞10如圖1和圖2所示。電熱塞10包括具有孔14的環(huán)形金屬外殼12，該孔14沿虛縱軸A延伸。外殼12可由任何適合的金屬制成，例如各種等級的鋼。外殼12還可結合一電鍍或涂覆層，例如覆蓋其部分或全部表面(包括外表面16以及孔14內表面)的鎳或鎳合金涂層，從而提高其抗高溫氧化和腐蝕的能力。外殼12包括外部扳手面18或者其他合適構造的工具容置部分，以便幫助將螺紋20旋入發(fā)動機氣缸蓋、預燃室、進氣歧管等上的一適當螺紋孔中。錐形座22以配合的方式抵接于形狀互補的開口上，以在操作過程中形成壓力緊密封。電熱塞組件10包括熱探頭M。熱探頭M可為金屬或陶瓷型。金屬型熱探頭M 通常包括抗熱元件、粉末填料和密封件。若熱探頭采用陶瓷構造，則可根據已知陶瓷設計來構造熱探頭對。無論是金屬構造還是陶瓷構造，熱探頭M均會設有支撐于外殼12中的底端沈(圖2、和與該底端沈相對的加熱端觀。電極30與熱探頭M的底端沈電接觸而與外殼12保持電絕緣。在圖2所示的實例中，電極30設有錐式尖端，該尖端座入形成于熱探頭對底端沈的配合插座中。該技術領域中已知的其他接頭設計經適當的配置，也可以有效應用于本發(fā)明中。壓力傳感器32設于外殼12中，從而形成完全集成的壓力感應電熱塞 10。繼續(xù)參照圖2，組裝過程中，電極30處于張緊狀態(tài)，從而將壓力傳感器32壓縮。增加作用于熱探頭M上的壓力會導致允許中心電極30移動的撓性膜34產生位移。從而推動上固定件36向上移動，從而降低壓力傳感器32上的預載壓縮力。因此，電極30中的初始負載，也就是，預載，必須足夠的大，以適應負載上的這種降低以及由壓力傳感器組件32 的熱效應所引起的任何變化?？紤]到該組件的長度及其開放本性，這將導致更大的熱差，熱效應將是真實存在的。因此，實際上需要較大的初始負載。這就會產生不良影響導致熱探頭M的底端26和電極30之間的接頭產生分裂?，F在參照圖3、圖4和圖5A-D，根據本發(fā)明的電熱塞110如圖所示。在圖3_5D中， 舉例描繪了本發(fā)明的一個實施例，為方便起見，其中的附圖標記相對于圖1和圖2中的附圖標記相差100。如這些附圖所示，罐138設于外殼112中，并圍繞壓力傳感器132。罐138 在其第一端140和第二端142之間延伸，使得第一端140操作性地固定于外殼112，而第二端142(通過帽件146作用)與壓力傳感器132壓接。罐138有效建立起作用于壓力傳感器132上的壓縮預載力，而不會將外殼112中產生的瞬態(tài)畸變傳遞至壓力傳感器132。此外，罐138將中心電極130與任何預載力隔離，使得其至熱探頭124的連接不受壓力傳感器 132的預載操作的影響。外殼112具有與其扳手面(未示于圖3-5D中)相鄰的上端和與座122相鄰的下端。撓性壓力敏感膜134適于在安裝于發(fā)動機中時暴露于壓力波動之下，且優(yōu)選設于外殼112的下端處。罐138的第一端140在壓力敏感膜134附近直接連接于外殼112?？赡茏詈萌鐖D3和圖4所示，罐138包括大致圓柱狀的側壁144和從側壁144向內延伸的帽件146。 側壁144直接連接至外殼112，而帽件146抵靠壓力傳感器132頂部與其擠壓配合。帽件 146可被銅焊或焊接至側壁144，如圖3中的焊接線所示。熱探頭IM和電極130之間的這種特定接頭設計可與接下來的設計不同。然而， 在所述實施例中，所示熱探頭1 包括基本位于其底端1 上的探頭接觸墊148，用于將壓縮預載力從壓力傳感器132傳遞至熱探頭124。由此，可以看出，中心電極130建立起至接觸墊148的電接觸與連接，依次將電力傳遞至熱探頭124中所設的適當電阻元件。壓力敏感膜134可采用多種形式，但在該優(yōu)選實施例中，該壓力敏感膜134與外殼112的下部一體成型使其包含環(huán)形座122。壓力敏感膜134還可包括邊緣部150，該邊緣部150從座122向上短距離延伸。邊緣部150設有直接連接至罐138第一端140的配合界面。在本實施例中，該配合界面采用埋頭孔的形式，通過緊配合例如干涉配合的方式，收容罐138的第一端140。壓力敏感膜134還包括薄撓性膜部，其從邊緣部150徑向向內延伸至套管部152。套管部152與熱探頭IM的外表面直接配合，以將熱探頭124的壓力感應動作傳遞至該撓性膜部。現在介紹壓力傳感器132，幾個元件堆疊或組裝在一起構成該整個壓力感應裝置。 這些元件包括設于探頭接觸墊148與壓力傳感器132之間的下絕緣墊154。同樣地，上絕緣墊156設于帽件146和壓力傳感器132之間。上傳感器接觸部158和下傳感器接觸部 160分別在該壓力傳感器132的相對側直接抵接上絕緣墊156和下絕緣墊154。這些接觸部158、160將電信號傳輸至壓力傳感器132或者傳輸來自該壓力傳感器132的電信號，以便用于發(fā)動機控制系統，而不接觸帶電電極130或接地外殼112。由于預載操作過程中罐138免于施加任何應力至電極130上，因此無需電極130 具有足夠的剛性以承載壓縮負載。因此，雖然在本發(fā)明的設計選擇范圍內同樣可以設置剛性電極130，但電極130可根據需要由撓性電纜(flexible cable)構成。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是通過罐138提供的封閉形式來實現的，從而大大降低了所需的初始預載，且使其溫度特性更為穩(wěn)定。由于罐138具有足夠大的橫截面且長度較中心電極130小，因此能夠獲得比依賴電極所承載的負載的現有設計更高的測量靈敏度。進一步地，當罐138通過直接連接至接地外殼112而起接地屏蔽作用時，會降低系統中電子噪聲。而且，罐138在其下端，膜134附近連接至外殼112，意味著作用于外殼112上的力的變化通過座區(qū)域122可設置為使得傳遞至壓力傳感器132的負載產生最小的變化。圖5A-D舉例說明了電熱塞組件110可能的組裝過程。在該實例中，圖5A顯示先將罐138的側壁144部分連接至壓力敏感膜134的邊緣部150，構成外殼112的一部分。該連接可通過干涉配合、焊接、銅焊或其他方法實現。而且，在該步驟，將中心電極130，以撓性電纜的形式，直接連接至熱探頭124的接觸墊148。當然，如果優(yōu)選剛性形式的電極130，則其可用來代替該撓性電纜。圖5B顯示將傳感器元件154、160、132、156、158組裝于側壁144 內側，位于探頭接觸墊148的頂部。在圖5C中，帽件146位于傳感器堆的頂部，并且施加力以為傳感器132提供恰當的預載。通過諸如焊接、銅焊或其他方法，在帽件146和罐138的側壁144之間形成剛性接頭。在圖5D中，進行剩余的電連接，并通過適當的方法，例如焊接或銅焊，將外殼112的上部連接至邊緣部150。
圖6顯示了本發(fā)明電熱塞組件210的第一可選實施例，其中，與前述介紹的元部件相似或相應的元部件通過前綴2來區(qū)分。在該實例中，呈現出電連接的變化，其中僅下傳感器接觸部260和下絕緣墊2M —同被應用。在該設計中，上絕緣墊和上傳感器接觸部均被省去，電連接直接經帽件246建立。進一步地，在該第一可選實施例中，外殼212的構造被改變，一凸緣262從罐238的側壁M4向外延伸出并插于邊緣部250和外殼212的上部之間。電熱塞組件310的第二可選實施例如圖7所示。相似或相應的元部件在此通過以 3開頭的相同的附圖標記來標識。該第二可選實施例與圖6所示的第一可選實施例在很多方面是相似的，不同之處在于其下接觸墊和下傳感器接觸部被省去。上絕緣墊356和上傳感器接觸部358被采用。罐338和壓力敏感膜334結合在一起成為一個整體，使得側壁344 與邊緣部350 —體成型。采用與前述方式類似的方式將帽件346連接至側壁344。當然，本領域普通技術人員可在本發(fā)明的精神之內設想罐及其相關元件的其他構造。圖8和圖9舉例說明了本發(fā)明另一第三可選實施例410，其相似或相應的元部件通過以4開頭的相似附圖標記來標識。在該第三可選實施例中，與壓力傳感器32的電接觸并不通過罐438來實現，而是通過電極430的特殊配置以傳導所需的點連接。更具體地，電極 430設有絕緣蓋464。雖然也可以采用撓性電纜設計，但本實例中的電極430是剛性的。在此，上傳感器接觸部458具有線形結構，如圖9所示，且設于絕緣蓋464外表面上所設的一個槽中。同樣地，下傳感器接觸部460設于絕緣蓋464上所設的一個槽中。這些傳感器接觸部458、460，在其與各位于壓力傳感器432相對側的上盤狀端子466和下盤狀端子468接觸的適當位置處，具有彎折的圓形結構。該設計中，罐438也具有獨特的形狀。側壁444和帽件446構成完整整體，無需后續(xù)連接操作。當罐438座入壓力敏感膜434邊緣部450中并通過諸如干涉配合、焊接、銅焊或其他固定技術與之連接時，實現預載。以上根據相關法律規(guī)范對本發(fā)明進行了說明，因此，該說明僅用于示范而非實質限制。很明顯，本領域普通技術人員可根據上述實施例對本發(fā)明做各種改變和修改，均在本發(fā)明由所附權利要求限定的范圍內。
權利要求
1.一種具有集成的內部壓力傳感器的內燃機用電熱塞組件，該組件包括具有軸向延伸孔的外殼；具有設于所述孔中并與所述外殼電接觸的底端的細長的熱探頭；與所述熱探頭的所述底端電接觸而與所述外殼電絕緣的電極；設于所述外殼中的壓力傳感器，該壓力傳感器支撐在與所述熱探頭的所述底端相對的一側上，并適于在所述電熱塞組件被安裝于發(fā)動機中時測量壓力波動；以及設于所述外殼中并圍繞所述壓力傳感器的罐，該罐在其第一端和第二端之間延伸，且該第一端操作性地固定于所述外殼，該第二端與所述壓力傳感器壓接，以建立作用于所述壓力傳感器上的壓縮預載力，而避免所述外殼中產生的瞬態(tài)畸變傳遞至所述壓力傳感器。
2.根據權利要求1所述的組件，其特征在于，所述外殼包括上端和下端，該外殼還包括位于所述下端的壓力敏感膜，該壓力敏感膜適于在安裝于發(fā)動機中時暴露于壓力波動之下，所述罐的所述第一端在所述壓力敏感膜附近直接連接于所述外殼。
3.根據權利要求2所述的組件，其特征在于，所述罐包括大致圓柱狀的側壁和從該側壁向內延伸的帽件，所述側壁直接連接至所述外殼。
4.根據權利要求3所述的組件，其特征在于，所述帽件被銅焊或焊接至所述側壁。
5.根據權利要求3所述的組件，其特征在于，所示熱探頭包括基本位于其底端上的探頭接觸墊，用于將壓縮預載力從所述壓力傳感器傳遞至所述熱探頭。
6.根據權利要求3所述的組件，其特征在于，所述壓力敏感膜包括用于在安裝于發(fā)動機中時建立圍繞所述外殼的流體密封的環(huán)形座。
7.根據權利要求6所述的組件，其特征在于，所述壓力敏感膜包括從所述環(huán)形座向上延伸的邊緣部，該邊緣部包括直接連接至所述罐的所述第一端的配合界面。
8.根據權利要求7所述的組件，其特征在于，所述壓力敏感膜包括從所述邊緣部徑向向內延伸的薄膜部。
9.根據權利要求8所述的組件，其特征在于，所述壓力敏感膜包括套管部，該套管部從所述薄膜部的徑向向內邊延伸并與所述熱探頭直接配合，以將該熱探頭的壓力感應動作傳遞至所述薄膜部。
10.根據權利要求3所述的組件，其特征在于，還包括設于所述帽件和所述壓力傳感器之間的上絕緣墊。
11.根據權利要求3所述的組件，其特征在于，還包括設于所述探頭接觸墊和所述壓力傳感器之間的下絕緣墊。
12.根據權利要求10所述的組件，其特征在于，所述壓力傳感器包括直接抵接所述上絕緣墊的上傳感器接觸部。
13.根據權利要求1所述的組件，其特征在于，所述電極由撓性電纜構成。
14.根據權利要求1所述的組件，其特征在于，所述熱探頭包括與所述外殼電接觸的導電導熱管狀套和設于該管狀套中的抗熱元件，該抗熱元件具有電連接至所述電極的近端和電連接至所述管狀套的封閉加熱端的遠端。
15.一種具有集成內部壓力傳感器型電熱塞組件的制造方法，該方法包括下列步驟形成具有軸向延伸孔的外殼；形成細長的熱探頭，該熱探頭具有底端和與該底端相對的加熱端；將所述熱探頭的底端支撐于所述外殼的所述孔中以建立該外殼與該熱探頭之間的電傳導；將一電極電連接至所述熱探頭的所述底端而保持該電極與所述外殼之間的電絕緣；提供具有第一和第二端的罐；將所述罐的所述第一端連接至所述外殼；提供壓力傳感器；將所述壓力傳感器設于所述罐內，使得該壓力傳感器靠在所述熱探頭的所述底端上；以及壓縮所述壓力傳感器與所述罐的所述第二端以建立該壓力傳感器上的預載力。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述罐包括側壁和帽件，所述壓縮所述壓力傳感器的步驟包括相對所述側壁移動所述帽件。
17.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述相對所述側壁移動所述帽件的步驟包括將所述帽件銅焊或焊接至所述側壁。
18.根據權利要求16所述的方法，其特征在于，所述將所述壓力傳感器設于所述罐內的步驟包括將一上絕緣墊插于所述帽件與所述壓力傳感器之間。
19.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述形成拉伸的熱探頭的步驟包括將一探頭接觸墊固定于所述底端，所述將所述壓力傳感器設于所述罐內的步驟包括將一下絕緣墊插于所述探頭接觸墊與所述壓力傳感器之間。
20.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述形成外殼的步驟包括預成型具有環(huán)形邊緣部的壓力敏感膜，所述將所述罐的所述第一端連接至所述外殼的步驟包括將所述罐的所述第一端直接連接至所述預成型的壓力敏感膜的所述邊緣部。
21.根據權利要求20所述的方法，其特征在于，所述外殼包括區(qū)別于所述預成型的壓力敏感膜的本體部，在所述壓縮所述壓力傳感器的步驟之后還包括將所述本體部連接至所述預成型的壓力敏感膜。
22.根據權利要求11所述的方法，其特征在于，所述壓力傳感器包括直接抵接所述下絕緣墊的下傳感器接觸部。
全文摘要
一種電熱塞組件包括集成內部壓力傳感器。為降低中心電極上的負載，提高傳感器響應性能，提供更佳的熱性能，該壓力傳感器組件被收容于一罐中，該罐形成密封艙并在其座區(qū)域剛性連接該電熱塞殼體的內側。該壓力傳感器與熱探頭的底端直接接觸，因此氣壓變動引起的熱探頭移動將直接導致傳感器堆上力的改變。
文檔編號F23Q7/00GK102282422SQ200980149386
公開日2011年12月14日 申請日期2009年10月21日 優(yōu)先權日2008年12月15日
發(fā)明者桑德羅·戈雷蒂, 約翰·A·伯羅斯 申請人:費德羅-莫格爾意大利科學研究院