技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种缸内混合气采样装置,特别涉及一种集成于火花塞绝缘陶瓷体内的缸内混合气采样装置。
背景技术
[0002] 优化
发动机燃烧过程以实现高效、清洁燃烧一直是
内燃机发展的重要方向。目前的研究主要通过光学手段或者缸内气体直接采样手段来观察和分析可燃混合气在
燃烧室内的燃烧过程。对燃烧组份的分析,可以实现对火焰扩散或传播的机理研究,对于燃烧模型的建立以及发动机燃烧过程的优化具有重要作用。基于
曲轴转
角精度的快速缸内直接采样技术可以提取不同
曲轴转角下的缸内气体,进而可以在不影响发动机总体燃烧过程的前提下分析发动机的燃烧过程。
[0003] 缸内快速采样装置一般作为一个独立的系统被应用于科研发动机上,燃烧室需要进行特殊的改造以安装缸内快速采样装置。由于采样
阀开启时间持续期短,口径小,每次仅能采集
阀体附近的气体。故快速采样阀所测量的缸内燃烧情况一般仅能代表其附近的区域,测量结果与采样阀的安装
位置也密切相关。
[0004]
汽油缸内直喷(GDI)技术是实现下一代高效汽油机的关键技术之一,是实现发动机分层稀薄燃烧的重要手段。然而,分层稀薄燃烧所带来的混合气的非均匀分
配对于
点火系统的正常工作提出了挑战。理论上,需要混合气在火花塞附近形成局部浓混合气来帮助初始
火核的形成,而这种分层混合气的形成需要
喷油器以及缸内流场的配合才能实现。发动机工作过程中,缸内流场的循环
波动将显著影响混合气在缸内的分配,进而影响火花塞间隙附近的瞬态
空燃比。因此,如何准确的判断
火花间隙附近的瞬态空燃比以及点火后火核形成的过程对于分层稀薄燃烧技术有重要的研究意义。
[0005] 本实用新型通过多孔道火花塞绝缘陶瓷体结构将缸内快速气体采样系统与火花塞结合,实现火花间隙附近混合气的实时采样。在燃烧过程开始之前可以用来检测火花间隙附近混合气的浓度,燃烧开始后可以检测燃烧初始阶段所产生的中间产物,研究燃烧过程中的化学反应过程。此实用新型对于分层稀薄燃烧发动机的研发过程具有重要意义。实用新型内容
[0006] 本实用新型所要解决的技术问题是要提供一种集成于火花塞内的缸内混合气采样装置,实现火花间隙附近混合气的缸内快速实时采集。
[0007] 为了解决以上的技术问题,本实用新型提供了一种集成于火花塞内的缸内混合气采样装置,包括多孔道的电绝缘陶瓷
内核装于金属壳体内,所述多孔道为直径一大一小的两个孔道,其中一小孔道安装与高压燃烧室连通的火花塞组件,另一大孔道安装混合气采样组件,所述混合气采样组件包括金属安装筒、采集阀
门、与采集阀门连接的阀门
连杆及其电磁驱动组件,所述金属安装筒为中空的金属管,其内部空间为混合气体采集室,金属安装筒顶端设有外部氮气的输送通道及混合气体的稀释采样通道,采集阀门设有将缸内混合气导入混合气体采集室的气体流通通道,电磁驱动组件通电后驱动阀门连杆上移,打开采集阀门,高压混合气体进入混合气体采集室,外部输入的氮气将缸内的混合气体稀释和冷却,并随氮气流通至采样通道出口,实现发动机缸内火花塞间隙附近局部气体地快速采集,采集的混合气引导至外部的气体检测设备。
[0008] 所述电绝缘陶瓷内核中一大一小的两个孔道之间由陶瓷壁面隔开,彼此气体密封和电绝缘。
[0009] 所述电绝缘陶瓷内核中的大孔道为一阶梯孔道,下部直径小于上部直径,在过渡段设有密封面。
[0010] 所述电绝缘陶瓷内核下端设有金属
密封垫片,使电绝缘陶瓷内核与金属安装筒之间的密封;所述金属密封垫片中央部设有带有密封斜面的通孔,与采集阀门密封斜面之间形成密封。
[0011] 所述火花塞组件分为三段,为上部
电极、中部电原件和下部为高压电极,三段通过高温粘结剂,或使用绝缘填充料高温
烧结在电绝缘陶瓷内核的小孔道内。
[0012] 所述金属安装筒将混合气采样组件在大孔道中整体固定、密封和
定位,防止阀门快速
开关动作对电绝缘陶瓷体造成损坏;金属安装筒的底端与金属密封垫片紧密
接触形成密封。
[0013] 所述采集阀门为一圆柱体,上有通气孔,采集阀门开启时,缸内高压混合气经通气孔流入混合气体采集室,采集阀门的底端中心布设一直径小的圆柱体,其底端的锥形密封面与金属密封垫片中央通孔上的密封斜面紧密接触实现缸内高压气体的密封。
[0014] 所述金属壳体将缸内混合气采样装置安装在发动机上并实现密封,以及对内部非金属部件的
支撑与密封,并提供火花点火线路与地极的连接。
[0015] 所述电磁驱动组件包括外部的电磁线圈、由电磁
力驱动的使动
铁芯,使动铁芯与阀门连杆及采集阀门为一体化阀体组件。使动铁芯与金属安装筒中孔为间隙配合,沿通孔轴向自由移动。阀门连杆及采集阀门通过
弹簧弹力被固定,金属安装筒下端为开放结构,阀门连杆及采集阀门安装在其中。电磁线圈通电,电磁力施加于使动铁芯,使动铁芯克服弹簧力拉动阀门连杆打开采集阀门,电磁线圈失电关闭
磁场,弹簧力推动阀门连杆关闭采集阀门。
[0016] 所述采集阀门常态为关闭状态。外部电控装置提供电
信号,为电磁线圈通电,电磁力施加于使动铁芯,使动铁芯克服弹簧力拉动阀门连杆将采集阀门打开,高压气体进入混合气体采集室,随氮气流通至采样出口,关闭磁场,弹簧推动将采集阀门关闭。为实现快速地推动,电磁线圈的控制需要较大的电磁线圈体积以提供足够的驱动力,所以电磁线圈安装在火花塞陶瓷体的外部;必要的机械部件,用于对使动铁芯、采集阀门及阀门连杆提供机械结构上的支撑,实现气体采集阀门地快速开关。
[0017] 本实用新型在氮气输送通道的入口通入一定流量的氮气,将缸内直接采样气体稀释、冷却并带离阀体引导至外部的气体检测设备。由于阀体地快速开关,每次从缸内直接采集的气体总量很低,且
温度较高,不利于冻结混合气的化学反应。氮气的作用一方面用于将混合气体进行稀释,使重要气体成分如CO2、NOx等含量在排放仪检测的量程范围之内;另一方面用于混合气和混合气采集组件的冷却。
[0018] 本实用新型的优越功效在于:
[0019] 1)本实用新型基于传统火花塞的整体结构和选材,传统火花塞的陶瓷整体结构设计及加工技术已非常成熟,实现耐高压耐高温,同时保证电绝缘;
[0020] 2)本实用新型多孔道电绝缘陶瓷内核的应用,使得在不改变传统火花塞外部尺寸和功能的前提下,提供一个或一个以上的连通发动机燃烧室高压环境和外部大气的孔道,孔道中安装气体采集阀门,实现发动机缸内火花间隙附近局部气体快速实时采集;
[0021] 3)在火花塞相对紧凑的空间内实现燃烧室内局部气体的采集,尤其是近火花间隙的缸内气体快速采集,同时又不影响火花塞的功能;
[0022] 4)气体采集通道距离火花塞点火电极非常小,对于直喷式
汽油发动机的局部气体采样、局部空燃比检测具有一定的优越性。
附图说明
[0023] 构成本
申请的一部分的
说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解,本实用新型的示意性
实施例及其说明用于解释本实用新型,并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中:
[0024] 图1为本实用新型实施的结构示意图;
[0025] 图2为图1的A-A向视图;
[0026] 图3为图1的B-B向视图;
[0027] 图中标号说明:
[0028] 1—电磁线圈; 2—使动铁芯;
[0029] 3—火花塞组件;
[0030] 301—上部电极; 302—中部电原件;
[0031] 303—高压电极;
[0032] 4—电绝缘陶瓷内核; 5—弹簧;
[0033] 6—阀门连杆; 7—地极;
[0034] 8—绝缘填充物; 9—金属壳体;
[0035] 10—采集阀门; 11—导向和弹簧;
[0036] 12—金属安装筒; 13—高压
连接线;
[0037] 14—金属密封垫片; 15—通气孔。
具体实施方式
[0038] 以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。
[0039] 图1示出了本实用新型实施的结构示意图,图2示出了本实用新型实施例中金属安装筒上端的俯视截面图,图3示出了本实用新型实施例中混合气体采集阀门的俯视图。如图1-图3所示,本实用新型提供了一种集成于火花塞内的缸内混合气采样装置,其包括:
[0040] 金属壳体9,所述金属壳体9负责火花塞在发动机上的安装与密封,以及对内部非金属部件的支撑与密封,并提供火花点火线路与勾状地极7的连接。金属壳体9具有标准火花塞的安装
螺纹,并带有勾状地极7与发动机
机体之间的电导通;
[0041] 多孔道的电绝缘陶瓷内核4安装于金属壳体9内,具有直径一大一小的两个孔道,其中一个小孔道安装火花塞组件3,另一大孔道安装混合气体采样组件。所述两个孔道之间由一定厚度的陶瓷壁面隔开,实现彼此气体密封和电绝缘;多孔道的电绝缘陶瓷内核4的外部设有台阶和密封斜面,用于安装在金属壳体9中实现固定和密封。所述电绝缘陶瓷内核4中的大孔道为一阶梯孔道,且下部直径小于上部直径,在过渡段设有密封面。所述电绝缘陶瓷内核4下端设有金属密封垫片14,使电绝缘陶瓷内核4与金属安装筒12之间的密封;所述金属密封垫片14中央部设有带有密封斜面的通孔,与采集阀门10密封斜面之间形成密封。所述电绝缘内核4的制造材料是陶瓷,具有一定的机械强度,在发动机运转过程中保持不被损坏;
[0042] 所述火花塞组件3,烧结在电绝缘内核4的一个小孔道内,该小孔道与高压燃烧室连通;所述火花塞组件3用于把燃烧室外部高压
电信号传递到燃烧室内部,在合适的条件下,与所述金属壳体9形成回路,产生电火花,点燃周围可燃气体混合物。所述火花塞组件3分为三段,为上部电极301,中部电原件302,下部为高压电极303,通过高温粘结剂,或使用绝缘填充料高温烧结在电绝缘内核4的小孔道中,实现安装和密封;
[0043] 所述混合气采样组件包括金属安装筒、采集阀门、与采集阀门连接的阀门连杆及其电磁驱动的使动铁芯,用于为电磁线圈通电和断电的必要
电子原件,用于对使动铁芯、阀门及阀门连杆提供支撑的必要机械部件,传递燃烧室内高压混合气到采集出口的气体采样通道。
[0044] 如图1所示,所述混合气采样组件的实现形式包括电磁线圈1、使动铁芯2、混合气采集阀门10、阀门连杆6以及辅助阀门关闭的弹簧5、金属安装筒12和金属密封垫片14,所述金属安装筒12固定在所述电绝缘内核4的一大孔道内壁,下端与金属密封垫片14压紧实现密封。所述金属密封垫片14中部设有带有锥形密封面的通孔,与采集阀门10下端的锥形密封面实现与缸内高压气体的密封。金属安装筒12顶端设有两个气体流通通道,用来输入氮气以及收集稀释后的缸内混合气。采集阀门10上也设有气体流通通道,用于在采集阀门10开启时将缸内混合气导入混合气体采集室。
[0045] 所述金属安装筒12为中空的金属管,内部空间为混合气体采集室,内部气体流通通道通入氮气,氮气将高压的混合气输送至采集出口。
[0046] 使动铁芯2与阀门连杆6及采集阀门10为一体化阀体组件,通过
焊接组装为一体式结构。使动铁芯2与金属安装筒12中孔为间隙配合,沿通孔轴向自由移动。阀门连杆6及采集阀门10通过弹簧5弹力被压紧,定位的同时保证密封。金属安装筒12下端为开放结构,阀门连杆6及采集阀门10安装在其中。一体化阀体组件在弹簧力的作用下为常闭状态,当电磁线圈1通电产生
电磁场,使动铁芯2被拉起,从而带动阀体组件向上运动,使得缸内混合气进入混合气体采集室内。采集阀门10外壁和混合气体采集室内壁采用间隙配合,为阀体组件的移动提供导向作用。采集阀门10打开时,气体从电绝缘陶瓷内核4的陶瓷体孔进入金属腔内,并通过设置在采集阀门10上的通报导孔流入混合气体采集室。流入混合气体采集室的氮气N2将缸内混合气冷却和稀释,并通过右侧的小孔送出采集室。所采集的气体用采集袋收集并导入气体分析仪测量其成分。采集阀门10关闭时,下端面的密封斜面与混合气体采集室下方通孔处的密封斜面相接处,并利用弹簧提供的预紧力进行密封。
[0047] 以上所述仅为本实用新型的优先实施例,并不用于限制本实用新型,对于本领域的技术人员来说,本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何
修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。