JP2008514940A - 圧力伝達ピンを備えた圧電式の燃焼室用圧力センサ - Google Patents

Abstract

圧力伝達ピンとして、燃焼室に突入する、摺動可能に支承されたグロープラグ（４）が設けられており、該グロープラグ（４）にセンサ（ＳＥ）が摩擦接続的に結合されていることを特徴とする、圧力伝達ピンを備えた、内燃機関の燃焼室内の圧力（６）を測定するための、単結晶の圧電材料（１）から成るセンサ（ＳＥ）を提案する。このセンサ（ＳＥ）は、有利にはグロープラグ（４）と剛性の対応受け（５）との間に配置されている。この場合有利には、センサ（ＳＥ）の単結晶の圧電材料（１）はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）である。Ｚカット又はＹカットの圧電材料（１）を使用することにより、センサ（ＳＥ）の特に高い感度が得られる。

Description

背景技術
本発明は、圧力伝達ピンを備えた、内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するための圧電センサに関する。

燃焼室内を支配する圧力を適当なセンサにより検出することは、様々な用途のために望ましい。内燃機関の燃焼室内の圧力を規定するための圧電材料から成るセンサは、例えばドイツ連邦共和国特許第６９２０９１３２号明細書から公知である。一般によく知られているように、機械的な圧力が加えられる圧電材料においては電荷が発生する。これらの電荷に基づいて、圧電材料内に電圧が生じ、この電圧は検出及び測定可能である。圧電材料を燃焼室内に直接に晒すと、センサはとりわけ熱的な理由から損傷されるので、燃焼室内の圧力は、まず最初に燃焼室に直接に晒された受圧構成素子に加えられる。次いで、この受圧構成素子は圧力を最終的にはセンサの圧電材料に伝達する。前記明細書の理論に基づき、圧力はまず内燃機関のシリンダヘッドのダイヤフラムに加えられ、次いで当該圧力は、ダイヤフラムと結合された圧力伝達ピンを介して圧電材料に伝達される。

但し、背景技術で説明した前記装置は、実地においてある程度の欠点を有している。まず、燃焼室内の受圧体としてのダイヤフラムは基本的に問題である。それというのも、このような構成素子の耐用年数は、例えば汚れ、特にすす粒子によって制限されるからである。ダイヤフラムの機械的な安定性も、別の構成素子と比べると危機的であると評価せねばならない。更に、当該装置では圧力センサが個別構成部材として内燃機関のシリンダヘッドに設けられる。但し、シリンダヘッドに存在する組付けスペースは極めて限られている。それというのも、今日の内燃機関は典型的に燃焼室毎に複数の吸気弁及び排気弁を有しており、更に、直接噴射技術において、火花点火式の内燃機関の場合は内燃機関の燃焼室に燃料を直接に噴射するための燃料噴射弁の他に、燃料点火用の点火プラグが必要とされているからである。自己着火式の場合にはグロープラグが必要である。従って、圧力伝達ピンを備えたダイヤフラムを燃焼室に直接に配置することは困難である。

発明の利点
前記特徴を有する圧力伝達ピンを備えた、本発明による圧電センサＳＥは、従来技術と比較して、内燃機関の既存の構成部材へのセンサの組込みが可能になり延いては省スペース型の構成が供与されるという利点を有している。特にこの場合、従来技術から公知の受圧構成素子としてのダイヤフラムも省かれるので、汚れによる問題が低減される。更に、センサの圧電材料が、有利にはシリンダヘッドにおける機械的な締付けトルク及び熱的に誘導された機械的な応力から分離されており、これにより、誤った圧力測定を最小限にする。

本発明によるセンサの有利な改良は従属請求項に記載されている。

実施例の説明
以下に、本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１には、グロープラグに組み込まれた、単結晶の圧電材料１から成る本発明によるセンサＳＥの１実施例が示されている。このセンサＳＥは、内燃機関の燃焼室に通じる通路２に配置されている。但し、センサＳＥは燃焼室の圧力６に直接に晒されているのではなく、グロープラグ４に摩擦接続的に結合されている。ブロープラグ４は部分的に通路２に配置されているが、一方の端部で以て燃焼室に突入しており且つ摺動可能に、特に軸方向で摺動可能に支承されている。典型的にグロープラグ４は、シール３、特にＯリング、グラファイトリング又はメタルエンボスに支承されている。センサＳＥ自体は、グロープラグ４の燃焼室とは反対の側に配置されている。更に、剛性の対応受け５が燃焼室とは反対方向でセンサの後方に支承されている。

今、圧力６がグロープラグ４に加えられると、軸方向で摺動可能に支承されたグロープラグ４が圧力６を圧電材料１に伝達し、この圧電材料１は、その後ろに支承された剛性の対応受け５に基づいて機械的に変形される。圧電材料１における電圧測定によって、燃焼室内の圧力６の値を導出することができる。電圧を検出するためには、図２ａ〜図２ｃに示したように、圧電材料１から成るセンサＳＥの２つの側面が、それぞれ電極７を形成するために、有利にはクロム‐金（ＣｒＡｕ）層、特に合金を以て金属化されている。図１において認識できるように、電極７は、これらの電極７が圧力作用に対して垂直方向に位置しており且つ電気的な導線８と、直接又は択一的には間接的に、メタルディスク（図示せず）を介して接触接続されているように配置されている。センサＳＥの可能な外側の形状は、直方体（図２ｂ）又は中実ディスク（図２ｃ）だけでなく、有利にはリング（図２ａ）である。それというのも、この場合はリングの開いた中心を介して電気的な導線８を案内することができるからである。当該リングの開いた中心を介して、グロープラグのグロー電流用の電気的な導線を敷設することも可能である。

説明したセンサＳＥの配置形式に基づいて、このセンサＳＥはグロープラグ若しくは燃焼室に通じる既存の通路２に組み込まれている。当該センサＳＥ用には、専用の通路も専用の圧力伝達ピンも不要である。むしろ、これらの通路及び圧力伝達ピンは両方共、有利には２つの異なる目的のために使用される。圧力を感知する構成素子としてのダイヤフラムも完全に省かれる。例えばシリンダヘッドにねじ込む際の締付けトルクに基づきグロープラグケーシングに作用する力等が、センサＳＥに対して影響を及ぼすことはほとんどないということにより、付加的な利点が得られる。

センサＳＥは、適当な材料選択と規定された結晶切断とにより、その性能全体が更に改良され得る。圧電センサＳＥの場合は、圧電材料１として主に水晶又は圧電セラミックが使用される。但し、これらの両可能性は、相互比較においてそれぞれある程度の利点及び欠点を有している。つまり、水晶は一方では二酸化ケイ素ＳｉＯ_２の単結晶の変化態様として老朽化せず且つ５７３℃の比較的高温まで温度安定性である。更に高い温度において、水晶はいわゆるα相からβ相へ転移する。この場合に初めて、水晶はその圧電特性を失う。他方では、水晶は２．３ｐＣ／Ｎの低い感度しか有していないので、一般に２つの圧電素子が電荷的に並列に接続される。このことは、構成及び接続技術における大きな手間延いては高いコストを必要とする。これに対して、圧電セラミックは高い感度を有しているので、複数の圧電素子を用いた手間のかかる構成技術は省くことができる。但し、圧電セラミックの感度は耐用年数と共に変化するという欠点がある。この変化は、圧電セラミックにおける減極によって生ぜしめられ且つ材料の用途を著しく制限する。減極は、比較的大きな力作用において促進されるので、当該材料は小さな力の場合にしか働かない。更に、大きな力作用は非線形のヒステリシス的な電荷‐力特性線を生ぜしめる。この問題は、キュリー温度の５０％よりも高い温度において更に深刻化する。

前記両材料の欠点を回避するために、本発明によるセンサＳＥは、有利には単結晶の圧電材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）から成っている。この材料のキュリー温度は１２００℃以上である。水晶からの選択された切断に基づき、高い感度と小さな温度変化（Temperaturgang)とが同時に得られる。

水晶からの種々様々な切断を規定できるようにするために、まず図３に結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚを備えた水晶が斜視図で示されている。横断面六角形の天然の水晶の形状及び結晶軸における互いに垂直な軸Ｘ，Ｙ，Ｚの一般的な規定から出発して、結晶の先端を貫通する仮想の軸をＺ軸線として規定する。このＺ軸線に対して垂直に位置しており且つ六角形のプリズムの１角隅を貫通する軸線をＸ軸線として規定する。Ｙ軸線もやはり、他の２本の軸線に対して垂直に位置しており、従って結晶の１つの面を貫通している。図４には六角形の結晶の横断面、つまりＸ‐Ｙ平面の平面図が示されている。既に述べたように、圧電構成素子は結晶から、例えば最小限の温度変化等の特定の特性を得るために、最適な軸線切断及び／又は交角θに基づいて切り出される。この場合、切断は、通常構成素子の主表面に面した結晶軸に基づいて符号を付される。主表面とは、後に圧力若しくは力が構成素子に入力結合される構成素子表面である。即ち、図５には例えばＸカット圧電構成素子が示されている。それというのも、この構成素子は、結晶のＸ軸線が通常構成素子の主表面に面しているように結晶から切り出されたからである。この構成素子は、同時にＹ軸線と相俟って交角θを成している。上で説明した結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚの符号は、同様にLiNbO₃結晶についても当てはまり、この場合、LiNbO₃結晶の横断面は二重三角プリズムの基底面を有しているということが考慮される。軸線符号を有する正確なジオメトリック形状は専門書に記載されている。

有利には、Ｚカット又はＹカットを有するLiNbO₃構成素子が使用される。つまり、結晶のＺ軸線若しくはＹ軸線が、構成素子の主表面、又は換言すると力入力結合平面に対して垂直に位置している。

まず最初に、Ｚカットを有するLiNbO₃構成素子の感度は、有利には水晶構成素子の感度の約３倍だけ大である。温度変化は約４８０ｐｐｍ／Ｋであり、従って水晶と比較するとやや多いが、感度Ｓ（＝Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）は図６から判るように温度Ｔに基づきリニアに変化するので、特に簡単に補償可能である。更に、Ｚカットは斜角的な力入力結合に対する小さな横方向感度の利点を提供する。より良好に図示するために、図７ａにおいてＺカットを有する圧電構成素子の斜視図を、結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚと一緒に示す。上で説明した規定に対応して、この場合Ｚ軸線は、Ｚカットを有する構成素子において力入力結合平面に対して垂直に延びている。今、この平面に力Ｆが該平面に対して垂直方向ではなく、Ｚ軸線に対してゼロとは異なる角度αで作用すると、総合（トータル）力Ｆtotは、構成素子の主表面又はＸ‐Ｙ平面に対して平行に延びる接線方向成分Ｔparと、Ｚ軸線に対して平行に延びるＺ方向成分Ｆｚとにベクトル分解され得る。部分成分Ｔｐａｒ及びＦｚへの総合力Ｆｔｏｔのベクトル分解は図７ｂに示されている。この場合、ベクトルＦｔｏｔとＦｚとは角度αを成している。接線方向成分Ｔｐａｒもやはり、それぞれＸ軸線若しくはＹ軸線に対して平行に延びる別の成分Ｔｘ及びＴｙに分解可能である。この場合、図７ｃから判るように、前記成分ＴｐａｒとＴｘとは角度βを成している。更に、図８a及び図８ｂには、Ｚカットの圧電構成素子の感度Ｓの、角度α若しくはβに関連したパーセンテージ変化が示されている。感度Ｓは僅かにしか低下しない。

Ｙカットは、２０ｐＣ／Ｎの感度Ｓを以て、今までに述べた値と比較して著しく高い値を提供すると同時に、２４０ｐｐｍ／Ｋの小さな温度変化を有している。但し、感度は入力結合の角度α若しくはβに著しく関連している（図９ａ及び図９ｂ）。力入力結合時の表面が傾斜していたり、若しくは圧電構成素子の表面が平行でないと、角度α及びβは大きくなり、延いては感度に影響を及ぼす。それにもかかわらず、構成素子が慎重に且つ正しく配向されて通路２に組み込まれる場合は、それ自体は高い感度Ｓは利用可能である。つまり、ある程度の感度のバリエーションは調整可能延いては許容可能である。

グロープラグに組み込まれた圧電センサを対応受けと一緒に示した図である。 図２ａ〜図２ｃは、それぞれセンサ構成の断面図及び平面図を示すものである。 結晶軸Ｘ，Ｙ，Ｚを備えた水晶の斜視図である。 六角形の水晶の横断面図である。 交角θを有するＸカットの圧電構成素子を示した図である。 Ｚカットの感度のリニアな温度依存性を示した図である。 図７ａは、斜角の力作用における、Ｚカットの圧電材料１の斜視図であり、図７ｂ及び図７ｃは、角度α；βを明瞭にするためのベクトルを示した図である。 図８ａ及び図８ｂは、Ｚカットの圧電材料の感度を、角度α；βに関連して示した図である。 図９ａ及び図９ｂは、Ｙカットの圧電材料の感度を、角度α；βに関連して示した図である。

Claims (9)

1. 圧力伝達ピンとして、燃焼室に突入する、摺動可能に支承されたグロープラグ（４）が設けられており、該グロープラグ（４）にセンサ（ＳＥ）が摩擦接続的に結合されていることを特徴とする、圧力伝達ピンを備えた、内燃機関の燃焼室内の圧力（６）を測定するための、単結晶の圧電材料（１）から成るセンサ（ＳＥ）。
2. センサ（ＳＥ）が、グロープラグ（４）の燃焼室とは反対の側に配置されている、請求項１記載の圧力伝達ピンを備えたセンサ（ＳＥ）。
3. 剛性の対応受け（５）が、燃焼室とは反対方向でセンサ（ＳＥ）の後方に支承されている、請求項１又は２記載の圧力伝達ピンを備えたセンサ（ＳＥ）。
4. グロープラグ（４）が、シール（３）、特にＯリング、グラファイトリング又はメタルエンボスに摺動可能に支承されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力伝達ピンを備えたセンサ（ＳＥ）。
5. センサ（ＳＥ）の単結晶の圧電材料（１）がニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）である、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧力伝達ピンを備えたセンサ（ＳＥ）。
6. センサ（ＳＥ）の単結晶の圧電材料（１）がＺカット又はＹカットを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力伝達ピンを備えたセンサ（ＳＥ）。
7. 単結晶の圧電材料（１）の２つの側面が、電極（７）を形成するために、殊にクロム‐金（ＣｒＡｕ）層により金属化されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧力伝達ピンを備えたセンサ（ＳＥ）。
8. センサ（ＳＥ）が、リング、直方体又は中実ディスクの外側形状を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧力伝達ピンを備えたセンサ（ＳＥ）。
9. センサ（ＳＥ）及び／又はグロープラグ（４）のための電気的な導線（８）が、リングの開いた中心を通って案内される、請求項８記載の圧力伝達ピンを備えたセンサ（ＳＥ）。

Images