用于壓力測量裝置的膜片的制作方法
【專利摘要】建議一種用于壓力測量裝置的彈性膜片(1)，用于測定內(nèi)燃機(jī)尤其是自燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)的壓力，所述膜片被容納在壓力測量裝置的殼體(2)之中，以便將壓力腔(3)與空腔(4)隔開并且將殼體相對于待測壓力密封。所述膜片具有壓力作用區(qū)。此外還將膜片設(shè)計(jì)成環(huán)形，并且橫斷面具有朝向空腔敞開的U型形狀，通過兩個相互連接的四分圓形成膜片的壓力作用區(qū)，使得壓力作用區(qū)具有能對抗壓力負(fù)荷的自支撐結(jié)構(gòu)。
【專利說明】用于壓力測量裝置的膜片現(xiàn)有技術(shù)
[0001]本發(fā)明基于獨(dú)立權(quán)利要求1的前序部分所述類型的彈性膜片。本發(fā)明的主題是一種用于壓力測量裝置的膜片，其用于測定內(nèi)燃機(jī)尤其是自燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室內(nèi)的壓力。眾所周知，此類壓力測量裝置要么與預(yù)熱塞隔開地設(shè)置在燃燒室中，但也可以將其整合在預(yù)熱塞之中。預(yù)熱棒位于布置在被測燃燒室中的預(yù)熱塞之內(nèi)，該預(yù)熱棒起到壓力傳遞元件的作用，可用來將燃燒室內(nèi)的壓力傳遞給與預(yù)熱棒形成作用連接的壓力傳感器模塊，該壓力傳感器模塊同樣也在預(yù)熱塞之內(nèi)或者與其相連。也可代之以采用引導(dǎo)預(yù)熱棒的支承管(也稱作熱管)作為壓力傳遞元件。壓力傳感器模塊位于預(yù)熱塞之內(nèi)的相應(yīng)預(yù)熱塞通常由(可能在熱管中引導(dǎo)的)預(yù)熱棒構(gòu)成，該預(yù)熱棒支承在傳感器殼體中可以通過連接套管在軸向移動，所述傳感器殼體又處在作為預(yù)熱塞外套管的密封錐殼體之中。附圖1所示為原理類似的構(gòu)造。從預(yù)熱棒的尖端開始(也稱作熾熱尖)，預(yù)熱塞中的傳感器模塊位于軸向活動支承的預(yù)熱棒后面或者在其上方，并且與其形成作用連接，從而可將燃燒產(chǎn)生的作用于熾熱尖的壓力經(jīng)由起到壓力傳遞元件作用的預(yù)熱棒(或者熱管)傳遞給傳感器模塊。主要問題在于，存在于燃燒室中并且侵入預(yù)熱塞尖端的介質(zhì)由于其燃燒過程中的溫度及其化學(xué)特性可能會破壞傳感器模塊和與其相連的電子裝置。為了防止這個問題，過去已經(jīng)開發(fā)出與以下所述一樣的彈性膜片。
[0002]DE 10 2006 057 627 Al描述了一種布置于自燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的壓力測量裝置。所述壓力測量裝置以預(yù)熱塞形式存在，并且包括殼體、在殼體的燃燒室側(cè)開口上從殼體向外伸出的棒狀加熱元件形式的傳力元件、以及壓力傳感器。該壓力傳感器布置在壓力測量裝置的殼體內(nèi)腔之中，并且與傳力元件形成作用連接。此外還采用了將其中布置了壓力傳感器的殼體內(nèi)腔相對于燃燒室側(cè)開口密封的圓柱形膜片?？梢栽O(shè)計(jì)成金屬膜片形式的膜片具有一個傳力段，將其定位在傳力元件的軸向。這種壓力測量裝置的實(shí)施方式中的壓力傳感器通過膜片的傳力段與傳力元件形成作用連接。這樣至少可以部分補(bǔ)償受熱引起的膜片長度變化，例如高溫燃料氣體引起的并且可能會引起間隙性妨礙壓力測量的長度變化。
[0003]此外由DE 10 2007 049 971 Al公開了一種布置在自燃式內(nèi)燃機(jī)燃燒室中的預(yù)熱塞。該預(yù)熱塞具有殼體、部分從殼體伸出的棒狀加熱元件形式的傳力元件、以及布置在預(yù)熱塞殼體內(nèi)腔中的壓力傳感器。壓力傳感器一端與棒狀加熱元件形成作用連接，以便檢測燃燒室中的壓力引起的對加熱元件的作用，從而確定燃燒室中的壓力；壓力傳感器另一端支撐在與殼體相連的固定元件上。膜片，這里尤其是彈性膜片，將殼體內(nèi)腔相對于內(nèi)燃機(jī)燃燒室密封，所述彈性膜片被設(shè)計(jì)成斷面呈S形的彈性膜片。采用這種實(shí)施方式尤其能夠?qū)崿F(xiàn)壓力平衡的設(shè)計(jì)，從而能夠改善通過壓力傳感器進(jìn)行壓力測量的精度。
[0004]在燃燒室壓力傳感器之內(nèi)通常需要膜片將預(yù)熱塞或者壓力測量裝置的內(nèi)腔相對于燃燒室密封，以防止侵入的介質(zhì)由于其溫度和腐蝕性化學(xué)特性而在極短時間內(nèi)破壞傳感器模塊和電子裝置的器件。同時膜片也要能夠在盡可能長的使用壽命范圍內(nèi)承受傳感器工作過程中的負(fù)荷，主要包括周期性壓力交變負(fù)荷(使用壽命內(nèi)數(shù)億次的負(fù)荷變化)以及很高的平均溫度水平。除此之外，還要防止壓力測量裝置的靈敏度變化和因此而產(chǎn)生的測量誤差(所謂的“校準(zhǔn)系數(shù)”效應(yīng))，例如由于不同的發(fā)動機(jī)負(fù)荷狀態(tài)在膜片上引起的平均溫度變化而產(chǎn)生的測量誤差。同樣還必須防止一次負(fù)荷循環(huán)之內(nèi)引起測量誤差的短期效應(yīng)，例如所謂的“熱沖擊”效應(yīng)，這時膜片上快速驟然的溫度變化會在膜片材料的外側(cè)和內(nèi)側(cè)部分之間引起機(jī)械應(yīng)力，因?yàn)楸砻鎮(zhèn)鲗?dǎo)或排出熱量的速度快于內(nèi)部。
[0005]為了滿足這些要求，已開發(fā)出具有支承裝置的膜片，可以通過特殊設(shè)計(jì)的支承元件防止膜片強(qiáng)烈變形。試驗(yàn)證明，具有支承裝置的此類膜片組件的主要缺點(diǎn)在于，壓力測量信號會隨著支承元件的支承面上的膜片的支承點(diǎn)變化。該支承點(diǎn)可能會隨著燃燒室壓力傳感器工作期間出現(xiàn)的壓力和溫度負(fù)荷而移動，從而使得壓力測量信號的測量靈敏度非希望地發(fā)生變化。
[0006]本發(fā)明的公開說明
[0007]具有本發(fā)明獨(dú)立權(quán)利要求1所述特征的彈性膜片的優(yōu)點(diǎn)在于能夠充分密封傳感器內(nèi)腔，其中放棄采用支承面，因?yàn)閮?yōu)化了膜片的幾何結(jié)構(gòu)，可避免膜片中出現(xiàn)很高的拉應(yīng)力。更準(zhǔn)確地說，可通過在內(nèi)燃機(jī)尤其是自燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中用于測定壓力的壓力測量裝置的彈性膜片實(shí)現(xiàn)這一優(yōu)點(diǎn)，所述膜片被容納于壓力測量裝置的殼體之中，更準(zhǔn)確地說被容納在布置于燃燒室中的預(yù)熱塞的密封錐殼體之內(nèi)，以使得一個所謂的壓力腔與一個所謂的空腔在預(yù)熱塞之內(nèi)分開，并且將殼體相對于燃燒室內(nèi)的待測壓力密封。所述膜片包括一個壓力作用區(qū)域(壓力加載區(qū))，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行過程中燃燒室內(nèi)的壓力主要作用于該區(qū)域。所述膜片設(shè)計(jì)成環(huán)形，并且橫斷面具有朝向空腔敞開的U型形狀，其中，在幾何形狀上通過兩個相互連接的四分圓形成膜片的壓力作用區(qū)，使得壓力作用區(qū)具有能對抗燃燒壓力負(fù)荷的自支撐結(jié)構(gòu)。利用所述的U形膜片橫斷面形狀可按照水壩原理實(shí)現(xiàn)對外部作用壓力的幾何穩(wěn)定性，并且膜片無論是在材料技術(shù)上還是尺寸方面均可以比較柔軟地構(gòu)造。按照彈性膜片的一種優(yōu)選實(shí)施方式，膜片的U形形狀的徑向外側(cè)邊(外支臂)短于U形形狀的徑向內(nèi)側(cè)邊(內(nèi)支臂)，從而比較有利于通過膜片引導(dǎo)預(yù)熱棒，并且更容易接近預(yù)熱塞和膜片之間的固定區(qū)或者待焊接區(qū)域。
[0008]決定性地確定膜片的橫斷面形狀的兩個四分圓最好通過壓力作用區(qū)域的平直，SP不彎曲的端面相互連接，從而在膜片下端產(chǎn)生扁平的U形形狀。其優(yōu)點(diǎn)在于容易生產(chǎn)膜片，例如通過拉深工藝或類似工藝。按照本發(fā)明所述彈性膜片的一種優(yōu)選實(shí)施方式，壓力作用區(qū)的兩個四分圓具有不同的半徑，從而可以使得膜片的負(fù)荷或者整個壓力系統(tǒng)的靈敏性適應(yīng)于密封錐殼體的可變半徑，并且能夠優(yōu)化測量功能。四分圓在這里適宜具有基本上相同的半徑。
[0009]按照本發(fā)明所述彈性膜片的一種可選實(shí)施方式，兩個四分圓共同形成一個半圓，其間沒有布置端面。利用如此實(shí)現(xiàn)的部分半圓形的U形膜片，就能以幾何方式實(shí)現(xiàn)膜片的最大靜態(tài)穩(wěn)定性，從而提高膜片的使用壽命。
[0010]還適宜將U形膜片的徑向外側(cè)邊與壓力測量裝置的殼體相連，并且將U形膜片的徑向內(nèi)側(cè)邊與壓力測量裝置的傳力元件相連，例如預(yù)熱塞的預(yù)熱棒可作為所述的傳力元件。所述傳力元件也可以是預(yù)熱塞的預(yù)熱棒的支承管，或者，在純粹的，即在與預(yù)熱塞分開設(shè)置的壓力測量裝置中則是沒有加熱功能的金屬棒。通過這種在傳力元件和壓力測量裝置殼體之間的膜片的固定連接方式，可保證壓力測量裝置內(nèi)部的空腔相對于壓力腔是流體密封地密封的。膜片與殼體或者傳力元件之間的連接可以是焊接連接。在按照本發(fā)明所述彈性膜片的另一種優(yōu)先實(shí)施方式中，膜片是拉深部件和/或者金屬膜片，優(yōu)點(diǎn)是容易生產(chǎn)膜片，并且抗負(fù)載變化能力很高。
[0011]附圖簡要說明
[0012]本發(fā)明的實(shí)施方式在附圖中示意示出并且在以下對優(yōu)選的實(shí)施方式的說明部分中詳細(xì)解釋。
[0013]附圖如下:
[0014]附圖1具有本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施方式所述彈性膜片的預(yù)熱塞局部剖面圖；
[0015]附圖2附圖1中所示彈性膜片的剖面詳圖；以及
[0016]附圖3本發(fā)明第二實(shí)施方式所述彈性膜片的剖面詳圖。
[0017]本發(fā)明的實(shí)施方式
[0018]附圖1所示為預(yù)熱塞中本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施方式所述彈性膜片I的剖面詳細(xì)視圖。所述膜片I布置在預(yù)熱塞殼體或者預(yù)熱塞密封錐殼體2與預(yù)熱棒的支承管5或熱管5之間，其中預(yù)熱塞本身布置在自燃式內(nèi)燃機(jī)的氣缸蓋(圖中沒有繪出)之內(nèi)。除了第一優(yōu)選實(shí)施方式中作為壓力測量裝置的傳力元件5的熱管5之外，可想而知也可代之以將預(yù)熱棒8直接作為傳力元件并且與膜片I相連?？上攵部梢允侨魏瘟硪环N圓柱形的傳力元件，例如簡單的圓柱形金屬棒或者類似元件，這種情況下所涉及的不再是預(yù)熱塞，而是可選擇地涉及純粹的壓力測量裝置。
[0019]彈簧彈性膜片I呈環(huán)形，在其徑向內(nèi)側(cè)上與熱管5接觸，并且在其徑向外側(cè)上與傳感器殼體7接觸。如附圖1和附圖2中所示，膜片I在徑向內(nèi)側(cè)通過連接套管6的端部61借助焊縫50與熱管5固定相連。在徑向外側(cè)利用焊縫10將膜片I與傳感器殼體7的端部71相連，傳感器殼體7本身借助焊縫20固定在殼體2上。傳感器殼體7的端部71以及連接套管6的端部61的橫斷面均具有逐級變細(xì)的形狀，從而產(chǎn)生可以將膜片I插入其中的挖空部分?？赏ㄟ^這種連接結(jié)構(gòu)保證布置在預(yù)熱塞內(nèi)部的空腔4被同樣也布置在預(yù)熱塞內(nèi)部的壓力腔3流體密封地封閉，使得可燃?xì)怏w不會從與內(nèi)燃機(jī)氣缸燃燒室(圖中沒有繪出)流體連通的壓力腔3侵入空腔4之中。從焊縫50開始直至與傳感器殼體7接觸的彈性膜片I受到來自壓力腔3的壓力的作用，其斷面通常具有U形形狀，膜片I的U形形狀包括底部段11，該底部段就是膜片I的所謂的壓力作用區(qū)11。壓力作用區(qū)11具有外側(cè)或下側(cè)111，其在預(yù)熱塞工作狀態(tài)下朝向壓力腔3暴露，因此氣缸之內(nèi)每次燃燒循環(huán)的燃燒壓力均會作用于膜片I的外側(cè)或下側(cè)111。壓力作用區(qū)11還具有朝向膜片I的U形形狀的內(nèi)側(cè)、也就是朝向空腔4布置的內(nèi)側(cè)或上側(cè)112。膜片I的U形形狀還具有布置在徑向內(nèi)側(cè)的長側(cè)邊12和布置在徑向外側(cè)的短側(cè)邊13，所述長側(cè)邊12與連接套管6的端部61相連，并且短側(cè)邊13與傳感器殼體7的端部71相連，從而不僅將連接套管6而且也將傳感器殼體7布置在膜片I的U形橫斷面之內(nèi)。
[0020]按照附圖2所示，壓力作用區(qū)11的橫斷面由第一四分圓113和第二四分圓114形成，在這之間是平直的端面110。每個四分圓113和114均在該實(shí)施方式中具有基本上相同的半徑。
[0021]附圖3所示為本發(fā)明所述彈性膜片I的第二優(yōu)選實(shí)施方式。該實(shí)施方式中的膜片I的通常布置類似于第一優(yōu)選實(shí)施方式中的布置，因此不再予以贅述。膜片I的第二優(yōu)選實(shí)施方式的壓力作用區(qū)11在此處在斷面中在幾何形狀上由兩個直接連接的四分圓113和114構(gòu)成，其間沒有布置端面，因此從兩個四分圓113和114產(chǎn)生一個半圓115，其形狀構(gòu)成整個壓力作用區(qū)11。如果使用本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施方式所述的膜片1，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)燃燒室中(從下方)作用的燃燒壓力施加作用時，膜片I的區(qū)域116所承受的應(yīng)力負(fù)荷要小得多。這樣就顯著改善了彈性膜片I的使用壽命，因?yàn)榭梢詫⒛て琁中的拉應(yīng)力最小化。除此之夕卜，還明顯改善了在壓力和溫度負(fù)荷上的靈敏度的穩(wěn)定性。
【權(quán)利要求】
1.用于壓力測量裝置的彈性膜片(1)，用于測定內(nèi)燃機(jī)尤其是自燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒室中的壓力，其中，所述膜片(I)被容納于壓力測量裝置的殼體(2)中，以便將壓力腔(3)與空腔(4)分開并且將殼體(2)相對于待測的壓力密封，和其中，所述膜片(I)包括壓力作用區(qū)(11)，其特征在于，膜片(I)是環(huán)形的，并且在橫斷面中具有朝向空腔(4)敞開的U形形狀，其中，通過兩個相互連接的四分圓(113，114)在幾何形狀上形成膜片(I)的壓力作用區(qū)(11)，使得壓力作用區(qū)(11)具有對抗出現(xiàn)的壓力負(fù)荷的自支撐的結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈性膜片(I)，其中，U形形狀的徑向外側(cè)邊(13)短于U形形狀的徑向內(nèi)側(cè)邊(12)。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的彈性膜片(I)，其中，兩個四分圓(113，114)通過壓力作用區(qū)(11)的一平直端面(110)相互連接。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的彈性膜片(I)，其中，兩個四分圓(113，114)具有不同的半徑。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的彈性膜片(I)，其中，四分圓(113，114)具有基本上相同的半徑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的彈性膜片(I)，其中，兩個四分圓(113，114)產(chǎn)生一個半圓(115)。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的彈性膜片(I)，其中，U形膜片(I)的徑向外側(cè)邊(13)與壓力測量裝置的傳感器殼體(2)相連，并且其中，U形膜片⑴的徑向內(nèi)側(cè)邊(12)與壓力測量裝置的一傳力元件(5)相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的彈性膜片(I)，其中，所述連接是焊接連接。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的彈性膜片(I)，其中，所述膜片(I)是深拉部件和/或者所述膜片(I)是金屬膜片。
【文檔編號】F23Q7/00GK104380071SQ201380024959
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月11日
【發(fā)明者】T·豪貝爾, J·沃爾夫, D·古格爾, S·萊奧波爾德, W·克茨勒 申請人:羅伯特·博世有限公司