JP2008070212A - 筒内圧センサ取り付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内圧センサの小型化を可能にすると共に、放熱性を良好にして所望の出力精度の確保を可能にすることができる筒内圧センサ取り付け構造を提供する。
【解決手段】一端が燃焼室に開口する筒内圧センサ装着穴３５が形成されたシリンダヘッド３３において、通気孔７０Ｃを有する火炎応答低減カバー７０が、筒内圧センサ６の取り付け状態における該筒内圧センサ６の受圧部６Ａの位置よりも筒内圧センサ装着穴の燃焼室開口側に前置されて、シリンダヘッド３３に設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダ内の圧力を検出する筒内圧センサを備えるエンジンの筒内圧センサ取り付け構造に関する。

近年においては、シリンダ内における圧力、温度等の筒内情報を直接検出して、この筒内情報に基づいて点火時期及び燃料噴射量等を最適値に制御するエンジンの制御装置が開発されるに至っている。筒内情報を検出するセンサとして、シリンダ内の圧力（筒内圧）を検出する筒内圧センサが用いられている。

このような筒内圧センサとしては、燃焼室壁に固定され先端が燃焼室内に臨まされた金属ハウジングを有し、該先端に開口する圧力導入路の内端に位置されたダイアフラム等からなる受圧部と、この受圧部に加えられた圧力に応じて出力を発生する例えば歪みゲージや半導体からなる素子部とから主に構成されている半導体式筒内圧センサ（例えば、特許文献１）や、圧力に応動するセンサダイアフラムから反射される光の強度に基づき圧力を検出する光学式筒内圧センサ（例えば、特許文献２）が知られている。

ところで、このような筒内圧センサにおいては、高温の燃焼ガス火炎による熱衝撃の影響により、所望の出力精度の確保が困難になることが知られている。すなわち、半導体式筒内圧センサにおいては、半導体の出力特性が温度の影響で異なることとなったり、光学式筒内圧センサでは、熱衝撃によるセンサダイアフラムの材料変形ないしは応力が圧力として誤って検出されたりしてしまうのである。

そこで、この火炎による熱衝撃の影響を緩和するために、特許文献１には、金属ハウジングに形成された圧力導入路の途中に、多数の通気孔を有し良伝熱性材料で製作された消炎体を設け、圧力導入路内に侵入する火炎を阻止するようにした圧力検出器が開示されている。また、特許文献２には、ケーシングに収容された圧力センサであって、熱伝導性材料から製作され且つ開口が設けられた断熱材がセンサダイアフラムに前置され、該断熱材を介して熱がケーシングへ導出されるようになされた圧力センサが開示されている。

特開昭６３−３２３３号公報 特開２００４−２８６７５３号公報

ところで、近年におけるエンジンの高機能化への要求に対応した多弁機構や筒内噴射弁等の採用のために、筒内圧センサにおいてはそのシリンダヘッドへの取り付けスペースが制限されており、その小型化、特に、細径化が強く求められている。

しかしながら、特許文献１および２に開示された筒内圧センサにおいてはいずれも、筒内圧センサの一部を構成する金属ハウジングやケーシングに保持される形態で、センサ本体と一体的に消炎体や断熱材を受圧体であるダイアフラムやセンサダイアフラムの前方に設けるようにしているので、センサ全体として体格肥大となることが避けられないという問題を有している。さらに、消炎体や断熱材に蓄積された熱は、金属ハウジングやケーシングを介して導出されるので、その放熱が十分とは云えず、筒内圧センサの温度が高くなり所望の出力精度の確保が困難であるという問題も有している。

そこで、本発明の目的は、かかる従来の問題を解消し、筒内圧センサの小型化を可能にすると共に、放熱性を良好にして所望の出力精度の確保を可能にすることができる筒内圧センサ取り付け構造を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一形態に係る筒内圧センサ取り付け構造は、一端が燃焼室に開口する筒内圧センサ装着穴が形成されたシリンダヘッドにおいて、
通気孔を有する火炎応答低減部材が、筒内圧センサの取り付け状態における該筒内圧センサの受圧部位置よりも前記筒内圧センサ装着穴の前記燃焼室開口側に前置されて、前記シリンダヘッドに設けられていることを特徴とする。

この本発明の一形態によれば、通気孔を有する火炎応答低減部材が、筒内圧センサの取り付け状態における該筒内圧センサの受圧部位置よりも筒内圧センサ装着穴の燃焼室開口側に前置されてシリンダヘッドに設けられている。従って、燃焼室で発生した火炎はこの燃焼室開口側に前置された火炎応答低減部材により遮断され、筒内圧センサの受圧部に及ばず、筒内圧センサへの火炎による熱衝撃の影響が緩和される。一方、圧力は火炎応答低減部材の通気孔を介して筒内圧センサの受圧部に及ぶので、筒内圧センサそのものにおいては、そのセンサ機能を得るに足る構造のみを有すればよく、その小型化、特に、細径化が可能であり、センサの搭載性を向上させることができる。さらに、火炎応答低減部材に加えられた熱はシリンダヘッドに放熱されるので、筒内圧センサへの熱影響が少なく、筒内圧センサの所望の出力精度が確保される。

ここで、前記火炎応答低減部材の通気孔は螺旋形状を有していてもよい。

この形態によれば、筒内圧センサの受圧部への火炎の直撃が防止されると共に、その周りの空間へのデポジットの侵入が防止され、堆積を効果的に防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づき詳述する。

図１は、本実施形態に係る筒内圧センサ取り付け構造を有するエンジン１のシステム構成図である。

図示のエンジン（内燃機関）１は、いわゆる直噴式の車両用火花点火式エンジンであり、好ましくは多気筒エンジンである（１気筒のみ図示）。気筒毎に、シリンダ３１内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁としてのインジェクタ１１が設けられている。このエンジン１に使用される燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、アルコール又はこれとガソリンとの混合燃料、ＣＮＧ等の気体燃料、その他の代替燃料であってもよい。

エアクリーナ（図示せず）から吸入された空気は、吸気通路５を介して各気筒のシリンダ内燃焼室に分配供給される。吸気通路５は、上流側から順に配置された吸気管５１、吸気マニホールド５２及び吸気ポート４１により区画形成される。吸気マニホールド５２は、上流側に位置された集合部としてのサージタンク４と、サージタンク４に一端が接続され他端が各気筒の吸気ポート４１にそれぞれ接続された気筒毎の枝管５３とからなる。吸気管５１にはエアフローメータ２と電子制御式スロットル弁３とが設けられている。

インジェクタ１１は、吸気行程及び圧縮行程のいずれか一方又は両方で燃料噴射を行うよう、制御手段としての電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）１００により制御される。圧縮行程噴射の場合、上昇してくるピストン４３の頂部の凹部４４に向けて燃料を噴射し、凹部４４内面に沿って巻き上がるタンブル状の流れを生成する過程で燃料と空気とを混合させ、点火プラグ７付近に比較的リッチな混合気層を、その周りに比較的リーンな混合気層を形成する。インジェクタ１１は、ＥＣＵ１００から出力されるオン信号により開弁し、燃料を噴射し、ＥＣＵ１００から出力されるオフ信号により閉弁し、燃料噴射を停止する。

エンジン１からの排気は排気通路８を通じて排出される。排気通路８は、エンジン１のシリンダヘッドに気筒毎に形成された排気ポート４５と、これら排気ポート４５に接続される排気マニホールド５４と、排気マニホールド５４の下流側に接続された排気浄化用の触媒９と、触媒９の下流側に接続された排気管５５とにより構成される。排気マニホールド５４は、各気筒の排気ポート４５にそれぞれ接続された気筒毎の枝管と、枝管の下流側に位置された集合部とからなる。

吸気ポート４１及び排気ポート４５がそれぞれ吸気弁４２及び排気弁４６により開閉される。吸気弁４２及び排気弁４６は、それぞれ吸気弁用カムシャフト１２及び排気弁用カムシャフト１３によって開閉駆動される。なおこれら吸気弁４２及び排気弁４６の開閉時期を可変にするための可変バルブタイミング機構が設けられてもよい。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、各種センサ類からの出力信号に基づいて所定の演算処理を行い、インジェクタ１１、点火プラグ７及びスロットル弁３の駆動モータ１９等を制御し、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期及び吸入空気量等を制御する。

前記センサ類には前述のエアフローメータ２が含まれる。エアフローメータ２は、これを通過する吸入空気の流量に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。ＥＣＵ１００は、エアフローメータ２の出力値に基づきエンジンの負荷率を算出する。また、前記センサ類にはクランク軸２３の角度を検出するクランクセンサ２４が含まれる。クランクセンサ２４は、所定のクランク角度間隔でパルス信号を出力する。このパルス信号に基づいてＥＣＵ１００はエンジン１の実際のクランク角度を検出すると共に、回転速度を算出する。

また、アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ２７、スロットル弁３の開度を検出するスロットルポジションセンサ２８、エンジン１の冷却水温度（以下単に水温という）を検出する水温センサ２９、排気ガスの酸素濃度を検出する空燃比センサ３０が前記センサ類に含まれる。

スロットル弁３の開度はＥＣＵ１００によって制御される。即ち、ＥＣＵ１００は、通常、スロットルポジションセンサ２８の出力値がアクセル開度センサ２７の出力値に応じた値となるように駆動モータ１９を制御する。

また、筒内情報、特にシリンダ３１内における燃焼室の圧力（筒内圧）を検出するための筒内圧センサ６が設けられている。筒内圧センサ６は、筒内圧に応じた電圧信号をＥＣＵ１００に出力する。ＥＣＵ１００は、筒内圧センサ６から得られた信号に基づいて筒内圧を算出する。筒内圧センサ６は、その先端部に設けられた受圧部をシリンダ３１内に臨ませてシリンダヘッド３３に配置されている。

本実施形態における筒内圧センサ６は、例えば図２に示す如く構成されている。筒内圧センサ６は、シリンダ内に臨む受圧部６Ａを先端に有する小径部６Ｂと、基端側に位置する大径部６Ｃと、これら小径部６Ｂと大径部６Ｃとの間に位置する段部ないしはショルダ部６Ｄとを備える。本実施形態におけるショルダ部６Ｄは、先細りの環状をなす円錐面にて形成されている。なお、筒内圧センサ６は、自身に加えられた力に応じた信号を出力する素子部６１と、受圧部６Ａに加えられた圧力を素子部に伝達する伝達部材６２とを備えて構成されている。受圧部６Ａは、金属製のダイアフラムからなり、加えられる圧力に応じてセンサ軸方向に変形可能である。素子部６１は、例えばシリコンベースの半導体素子を備え、自身に加えられた力に応じて電気抵抗値を変化させる。素子部６１にはＥＣＵ１００からの電流が流されている。伝達部材６２は受圧部６Ａと素子部６１との間に介設され、受圧部６Ａに加えられた力を素子部６１に伝達すると共に、受圧部６Ａの熱を素子部６１に伝達させぬよう断熱機能も有する。

この筒内圧センサ６では、シリンダ内の圧力が受圧部６Ａに加えられると、受圧部６Ａがたわむことで伝達部材６２が圧縮力を受け、この圧縮力が素子部６１に伝達される。これにより素子部６１も圧縮され、その電気抵抗値が変化し、結局素子部６１からは筒内圧に応じて変化する電圧信号がＥＣＵ１００に出力される。ＥＣＵ１００はこの出力信号に基づいて筒内圧を検知することになる。

なお、筒内圧センサについてはここで述べたもの以外にも様々な構成のものが使用可能であり、例えば光ファイバ等を含む上述の光学式筒内圧センサも使用可能である。

一方、シリンダヘッド３３に形成される筒内圧センサ装着穴３５は、一端が燃焼室に開口し、筒内圧センサ６の小径部６Ｂに対して非接触状態でこれを取り囲む小径孔部３５Ａと、筒内圧センサ６の大径部６Ｃを収容する大径孔部３５Ｂと、これら小径孔部３５Ａと大径孔部３５Ｂとの間に位置し、筒内圧センサ６のショルダ部６Ｄが当接する段部３５Ｃとを有している。本実施形態による段部３５Ｃは、筒内圧センサ６のショルダ部６Ｄと対応した先細りの環状をなす円錐面にて形成されている。そして、本実施形態による筒内圧センサ装着穴３５においては、その開口端部内面に、後述する火炎応答低減部材を装着するための雌ねじ３５Ｄが形成されている。

なお、筒内圧センサ装着穴３５は段部３５Ｃを有する段付穴であり、筒内圧センサ６のショルダ部６Ｄが該段部３５Ｃに当接されてシールされる、いわゆる、ショルダシール方式とされている。

ここで、上記火炎応答低減部材について説明するに、その第１の実施形態では、火炎応答低減カバー７０として形成されている。この火炎応答低減カバー７０は、図３（Ａ）および（Ｂ）に詳細に示すように、円板状部７０Ａと、該円板状部７０Ａの裏面に立設された筒状部７０Ｂとから主に構成されている。そして、該円板状部７０Ａには、表面と裏面の筒状部７０Ｂ内とを連通する形態で複数個の通気孔７０Ｃ（本実施形態では、十文字状に４個の長孔）が形成されると共に、筒状部７０Ｂの外周には、上述の雌ねじ３５Ｄと螺合する雄ねじ７０Ｄが形成されている。なお、火炎応答低減カバー７０は、ＳＵＳ４３０やアルミニウム等の良熱伝導性材料から製作され、熱膨張率を揃えるべくシリンダヘッド３３と同一素材であることが好ましい。なお、通気孔７０Ｃの大きさは、圧力の伝播を妨げることなく火炎の通過を阻止し得る寸法に設定すればよく、その形状等は任意である。

このように形成された火炎応答低減カバー７０は、図２に示されるように、円板状部７０Ａの裏面とシリンダヘッド３３との間にワッシャ７２が介在された状態で、筒状部７０Ｂの雄ねじ７０Ｄが筒内圧センサ装着穴３５の開口端部内面の雌ねじ３５Ｄに螺合されて、シリンダヘッド３３に装着される。この結果、火炎応答低減カバー７０は、筒内圧センサ６の取り付けまたは装着状態における筒内圧センサ６の受圧部６Ａの位置よりも筒内圧センサ装着穴３５の燃焼室開口側に前置されて、換言すると、火炎応答低減カバー７０の円板状部７０Ａの裏面と筒内圧センサ６の受圧部６Ａとの間に所定の空間７４が介在されて、シリンダヘッド３３に設けられることになる。

かくて、この第１の実施形態によれば、燃焼室で発生した火炎はこの燃焼室開口側に前置された火炎応答低減カバー７０により遮断され、筒内圧センサ６の受圧部６Ａに及ばず、筒内圧センサ６への火炎による熱衝撃の影響が緩和される。一方、圧力は火炎応答低減カバー７０の通気孔７０Ｃを介して筒内圧センサ６の受圧部６Ａに及ぶので、筒内圧センサ６そのものにおいては、精度良く圧力を検出することができる。さらに、火炎応答低減カバー７０と筒内圧センサ６の受圧部６Ａとの間には所定の空間７４が確保されると共に、火炎応答低減カバー７０に加えられた熱はシリンダヘッド３３に直接に放熱されるので、筒内圧センサ６への熱影響が少なく、筒内圧センサ６の所望の出力精度が確保される。

次に、上記火炎応答低減部材の第２の実施形態について図４を参照して説明する。前第１の実施形態においては、火炎応答低減部材としての火炎応答低減カバー７０が筒内圧センサ装着穴３５の燃焼室開口部に設けられ、その通気孔７０Ｃが筒内圧センサ６ないしは筒内圧センサ装着穴３５の軸方向に向けて形成されているのに対し、本第２の実施形態における火炎応答低減部材は螺旋板８０とされ、通気孔が螺旋形状とされている点のみが異なる。従って、第１の実施形態と同一機能部位には同一符号を用い、重複説明を避ける。

図４に示すように、螺旋板８０は筒内圧センサ６の受圧部６Ａの位置よりも筒内圧センサ装着穴３５の燃焼室開口側に前置され、その螺旋翼８０Ａの外周部が筒内圧センサ装着穴３５に形成された環状溝３５Ｅに固設されて、シリンダヘッド３３装着されている。そして、螺旋翼８０Ａが互いに重なる領域に螺旋形状の通気孔８０Ｂが形成されている。この通気孔８０Ｂは筒内圧センサ装着穴３５の軸方向に対し螺旋方向に開口している。

この第２の実施形態によれば、燃焼室で発生した火炎はこの螺旋板８０により遮断され、螺旋方向に開口している通気孔８０Ｂにより火炎が筒内圧センサ６の受圧部６Ａに直接に及ぶことがないので、筒内圧センサ６への火炎による熱衝撃の影響が緩和される。一方、圧力は螺旋板８０の通気孔８０Ｂを介して筒内圧センサ６の受圧部６Ａに及ぶので、筒内圧センサ６そのものにおいては、精度良く圧力を検出することができる。また、前実施形態と同様に、螺旋板８０と筒内圧センサ６の受圧部６Ａとの間には所定の空間７４が確保されると共に、螺旋板８０に加えられた熱はシリンダヘッド３３に直接に放熱されるので、筒内圧センサ６への熱影響が少なく、筒内圧センサ６の所望の出力精度が確保される。

さらに、上記火炎応答低減部材の第３の実施形態について図５を参照して説明する。前第１または第２の実施形態においては、火炎応答低減部材としての火炎応答低減カバー７０または螺旋板８０が筒内圧センサ装着穴３５の燃焼室開口側に設けられているのに対し、本第３の実施形態における火炎応答低減部材は渦巻コイル９０とされ、通気孔が螺旋形状とされている点のみが異なる。従って、第１または第２の実施形態と同一機能部位には同一符号を用い、重複説明を避ける。

図５に示すように、渦巻コイル９０は筒内圧センサ６の受圧部６Ａの位置よりも筒内圧センサ装着穴３５の燃焼室開口側にその渦中心が燃焼室側に突出されて前置され、その最大径の線条の外周部が筒内圧センサ装着穴３５に形成された環状溝３５Ｅに固設されて、シリンダヘッド３３装着されている。そして、渦巻コイル９０を形成する各線条９０Ａが互いに隣接する領域に螺旋形状の通気孔９０Ｂが形成されている。この通気孔９０Ｂは筒内圧センサ装着穴３５の軸方向に対し螺旋方向に開口している。

この第３の実施形態によれば、燃焼室で発生した火炎はこの渦巻コイル９０により遮断され、螺旋方向に開口している通気孔９０Ｂにより火炎が筒内圧センサ６の受圧部６Ａに直接に及ぶことがないので、筒内圧センサ６への火炎による熱衝撃の影響が緩和される。一方、圧力は渦巻コイル９０の通気孔９０Ｂを介して筒内圧センサ６の受圧部６Ａに及ぶので、筒内圧センサ６そのものにおいては、精度良く圧力を検出することができる。また、前実施形態と同様に、渦巻コイル９０と筒内圧センサ６の受圧部６Ａとの間には所定の空間７４が確保されると共に、渦巻コイル９０に加えられた熱はシリンダヘッド３３に直接に放熱されるので、筒内圧センサ６への熱影響が少なく、筒内圧センサ６の所望の出力精度が確保される。

上述の第１ないし第３の実施形態に係る筒内圧センサ取り付け構造によれば、いずれも火炎応答低減部材により筒内圧センサ６の受圧部６Ａへの火炎の直撃が防止されると共に、その周りの空間へのデポジットの侵入が防止されるので、デポジットの堆積が効果的に防止される。従って、この筒内圧センサ取り付け構造が前述のショルダシール方式の筒内圧センサ６との組合せで用いられるのが好ましい。すなわち、ショルダシール方式の筒内圧センサ６の場合には、筒内圧センサ６の小径部６Ｂと非接触状態でこれを取り囲む筒内圧センサ装着穴３５の小径孔部３５Ａとの間にデポジットが侵入し、堆積する結果、ショルダ部６Ｄよりも先端側の放熱性が変化し、温度特性による検出精度の低下が問題であるが、このようなデポジットの侵入や堆積が未然に防止されるからである。

なお、本発明は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。例えば、上述の火炎応答低減部材は、後付けの形態のものにつき説明したが、これはシリンダヘッドに鋳込みにより設けられてもよいことはいうまでもない。

本発明の一本実施形態に係る筒内圧センサ取り付け構造を有するエンジンのシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係る筒内圧センサ取り付け構造を筒内圧センサと共に示す断面図である。 本発明に係る火炎応答低減部材の第１の実施形態を示す（Ａ）半断面側面図、および（Ｂ）平面図である。 本発明の他の実施形態に係る筒内圧センサ取り付け構造を筒内圧センサと共に示す断面図である。 本発明のさらに他の実施形態に係る筒内圧センサ取り付け構造を筒内圧センサと共に示す断面図である。

符号の説明

１ エンジン
６ 筒内圧センサ
６Ａ 受圧部
６Ｂ 小径部
６Ｃ 大径部
６Ｄ ショルダ部（段部）
３３ シリンダヘッド
３５ 筒内圧センサ装着穴
３５Ａ 小径孔部
３５Ｂ 大径孔部
３５Ｃ 段部
３５Ｄ 雌ねじ
３５Ｅ 環状溝
７０ 火炎応答低減カバー（火炎応答低減部材）
７０Ａ 円板状部
７０Ｂ 筒状部
７０Ｃ 通気孔
７０Ｄ 雄ねじ
８０ 螺旋板（火炎応答低減部材）
８０Ａ 螺旋翼
８０Ｂ 通気孔
９０ 渦巻コイル（火炎応答低減部材）
９０Ａ 線条
９０Ｂ 通気孔

Claims (2)

1. 一端が燃焼室に開口する筒内圧センサ装着穴が形成されたシリンダヘッドにおいて、
   通気孔を有する火炎応答低減部材が、筒内圧センサの取り付け状態における該筒内圧センサの受圧部位置よりも前記筒内圧センサ装着穴の前記燃焼室開口側に前置されて、前記シリンダヘッドに設けられていることを特徴とする筒内圧センサ取り付け構造。
2. 前記火炎応答低減部材の通気孔は螺旋形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の筒内圧センサ取り付け構造。

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