JP3541599B2

JP3541599B2 - エンジンの筒内圧センサ

Info

Publication number: JP3541599B2
Application number: JP02022597A
Authority: JP
Inventors: 茂雄相川; 静久渡辺; 龍範坂口; 高之文野; 隆生笹山; 正美桝田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1997-02-03
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2017-02-03
Also published as: JPH10221195A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃費向上と排気ガス浄化を目的として、燃焼室内の圧力いわゆる筒内圧を検出する筒内圧センサと、筒内圧センサを用いた筒内圧の検出方法、およびエンジンの燃焼状態を制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内圧センサは、一般的に、点火プラグの周辺に取り付けて燃焼圧を直接計測する方法が採られており、この筒内圧センサからの検出信号により、エンジン本体の失火やノッキング発生状態を検出する方式が開発されている。
【０００３】
しかし、エンジンを多弁化したり、シリンダ上部に複数の動弁機構（カムシャフト）を設けるなど、エンジンを高出力化する目的で、より複雑構造となっているシリンダヘッドに、このような筒内圧センサを配置することが極めて難しくなっている。
【０００４】
この欠点を補うために、燃焼圧を間接的に計測する方法として、特開平２−１５７６３１号公報（平成２年６月１８日出願）にみられるように、シリンダガスケット内に筒内圧センサ本体の装着部を設け、この装着部に着脱可能な圧電素子を組み込んだ筒内圧センサが開発されている。しかしこの従来方法では、柔らかいガスケット材からなる広い面積のシリンダガスケットと、高剛性の狭い受圧面積をもつ圧電素子が並列に並んだ構成となっている。このため、シリンダヘッドとシリンダブロックとの間に、この筒内圧センサを組み込んだシリンダガスケットを挾んで締結するとき、圧縮代は大部の面積を占めるガスケット材によって決定されるので、圧電素子を最適な圧縮代で締結することが極めて困難であった。そのため、圧縮代が不足の場合には、圧電素子が両者間で振動するなどして精度の良い検出信号、とくに高周波帯域での検出信号が得られない一方、締め代が過大な場合には、圧電素子が破損してしまうといった欠点があった。
【０００５】
さらにこの従来方式の筒内圧センサでは、
▲１▼シリンダガスケットや圧電素子の厚さ寸法のばらつきをある程度許容しなければならない、
▲２▼とくに複数個の圧電素子を用いる多気筒エンジンの筒内圧センサにあっては、圧電素子相互間の厚さばらつきも許容しなければならない、
▲３▼筒内圧センサを装着したシリンダガスケットをシリンダブロックとシリンダヘッド間に組み立てるに際して、結合ボルトの締め付けトルクを高精度に管理しなければならない、
▲４▼エンジンの温度上昇に伴う締め付け力の変化を吸収することができず、検出信号の変動をきたしていた、
など、生産し実用化する上で大きな障害となっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
「従来の技術」の項で述べたように、従来技術による筒内圧センサでは、検出性能を高めようとすると、生産上の障害をきたすという、性能面と生産面が相入れないという問題を有していた。
【０００７】
すなわち、筒内圧センサ本体を、１mmないし１．５mmといった薄さのシリンダガスケットに内蔵する場合に、筒内圧センサ本体およびガスケット材のわずかな厚さのばらつきが、シリンダブロックとシリンダヘッドの間にシリンダガスケットを締め付けるに際し、予期しない締め付け力の大きな変動となって表れ、上述したような好ましからざる事態を引き起こしていた。
【０００８】
問題点を解決するために、本発明では、これら厚さばらつきがあってもこれらを許容し、量産に適した筒内圧センサの構造と検出システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
まず最初に、図２を用いて本発明の原理図を説明する。上部にシリンダヘッド、下部にシリンダブロック、この間にシリンダガスケットが介在した状態で、ボルトが締結されている。一方このシリンダガスケットの一部に光ファイバが図２のように両端でシリンダブロックに、また、中央でシリンダヘッドにばねを介して押し当てられている。
【００１０】
シリンダヘッドとシリンダブロック間、すなわち、シリンダガスケットは、筒内圧の変動に伴い参考文献（石垣匠，北川淳一，田中敦，谷内忠司；「メタルヘッドガスケットの耐久性単体評価法」、自動車技術４９巻３号、１９９５，Ｐ１９−２４。）に記載されているように、８〜１２μｍといった弾性変形を繰り返す。このため、この光ファイバは、微小量だけ光ファイバの曲げの曲率が変動し、図３に示す光の減衰特性曲線に従って入力光に対し出力光が変動する。
【００１１】
このように、光ファイバの透過光量の変動から、筒内圧の測定が可能となる。
【００１２】
図３に、筒内圧センサを使用したエンジンとその制御システムの構成を示し、図４に筒内圧センサを使用したときの効果を示す。燃焼室１３内の燃焼圧の変動を、シリンダガスケット内に装着している光ファイバと、ファイバ支持体により、光ファイバの曲げ曲率の変動による入力光と出力光の変化を電気信号として検出する。この得られる電気信号は、比較的高電圧であるが電流値が小さいため、その信号を端子と導線を介して入力インピーダンスの高いチャージアンプに伝え、インピーダンス変換を行ってエンジン制御用コンピュータ（ＥＣＵ）に取り込む。
【００１３】
例えば、シリンダ内でノッキング発生などの異常な圧力変動がある場合に、エンジン制御用コンピュータから適切な指令を出し、燃料噴射のタイミング、独立ヘリカル吸気ポートの開閉、電子制御ＥＧＲバルブなどを制御し、エンジンの燃焼を正常な状態に維持してトルク変動を防止し、最適な空燃比を確保して、燃料消費量を最少にして、排ガスをクリーンにする。
【００１４】
ところで、本発明の筒内圧センサでは、燃焼室内の圧力変動を、上述したようにエンジンのミクロな弾性変形を利用して、ファイバ支持体を介し、微小量だけ光ファイバの曲げの曲率が変動し、光ファイバの透過光量の変動から、筒内圧の測定が可能となる。
【００１５】
目的を達成するため、本発明の筒内圧センサは、
（１）光ファイバの支持において、光ファイバと、シリンダヘッドあるいはシリンダブロックとの間が離れないこと。特に、ノッキングなどの高周波数において、離脱しないこと。
【００１６】
（２）光ファイバが押し当て力によって、圧縮破壊を起こさないこと。
【００１７】
（３）ファイバ支持体が、ガスケットの圧縮代のばらつきに対して、そのばらつき誤差を十分吸収できること。
【００１８】
（４）光ファイバ及びファイバ支持体が温度上昇に対して、熱膨張誤差を十分補正できること。
【００１９】
が必要となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の筒内圧センサの一実施例を図１に、図１のＡ−Ａ断面を図６に、図５に筒内圧センサのファイバ支持体１を示す。
【００２１】
（実施例１）
シリンダガスケット５には、図１に示すようにシリンダ７に対応する部分にシリンダ７の内径寸法と略同径の筒穴（シリンダ用開口部）が形成されているとともに、シリンダヘッド３に図示しない結合ボルト１１の挿入穴および冷却水や潤滑油の流通穴がそれぞれ形成されている。また、シリンダガスケット５には、ファイバ支持体１や光ファイバ２の図示していない装着穴や通り溝があり、ファイバ支持体１と光ファイバ２を装着している。光ファイバ２は、光源の発光素子９から中央凸起部１２と押し当て端部１３からなるファイバ支持体１を通って受光器１０につながっている。
【００２２】
図１７に示すように、シリンダガスケット５のファイバ支持体装着位置２５は、エンジンのシリンダヘッド３及びシリンダブロック４取付け用結合ボルト穴２４と穴の中心に配置し、シリンダ略同径の筒穴２３に近づけることにより、筒内圧センサ本体での変位を大きくとれるようにしている。
【００２３】
エンジン稼動時には、シリンダヘッド３，シリンダブロック４及びシリンダガスケット５の温度は燃焼室６から伝導してくる熱により、２５０℃から３００℃近くまで上昇する。そのため、光ファイバ２およびファイバ支持体１は温度上昇に対して熱膨張誤差を十分に補正できるようにしている。
【００２４】
図６より光ファイバ２がシリンダブロック４側及びシリンダヘッド３側に押されている様子がわかる。ここで、押し当て端部１３によって、Ｓ字状および逆Ｓ字状の断面をしているのは、シリンダガスケット５が、製作工程上、シリンダヘッド３締め付け力によりその厚さがばらつくために、この厚さ変動を吸収するためである。また、ファイバ支持体１とシリンダブロック４とは、ほぼ平衡になるようにする。
【００２５】
中央凸起部１２の厚さ方向の剛性に比べて、押し当て端部１３の剛性は大きくとってあり、中央凸起部１２の支持条件が正確に獲得できるようにしている。
【００２６】
実際には、光ファイバ２を適切な応力範囲で、シリンダヘッド３や、シリンダブロック４に押し当てることは極めて難しい。押し当て力が大きすぎると、光ファイバ２が圧縮破壊を起こし、また押し当て力が小さすぎると、測定周波数帯域の上限が制限され、ノッキングなどの測定ができなくなる。このため、図４に示すような、光ファイバ２の取り付けへの配慮が必要である。
【００２７】
すなわち、中央凸起部１２は、シリンダヘッド３に押し当て、この中央凸起部１２に設けた溝深さｄｇと、光ファイバ２の直径ｄｆとの間に
【００２８】
【数１】
ｄｇ＞ｄｆ …（数１）
なるようにして、この中央凸起部１２の曲率半径Ｒの溝の底に、光ファイバ２の曲げ剛性を利用して押し当てている。
【００２９】
両端でのシリンダブロック４との押し当て端部１３についても、全く同様にこの箇所に曲率半径Ｒ′の溝を設けているが、この箇所における溝深さｄｇ′と光ファイバ２の直径ｄｆとの間には、
【００３０】
【数２】
ｄｇ′＞ｄｆ …（数２）
なるようにして、この溝の底に光ファイバ２の曲げ剛性を利用して押し当てている。
【００３１】
次に、構成のエンジンシステムと作用について図１４から図１６において説明する。エンジン本体１８の組立時に、シリンダガスケット５は結合ボルト１１によって所定の締め付け圧力状態でシリンダヘッド３とシリンダブロック４の間に挾んで固定されている。この場合には、シリンダガスケット５内のファイバ支持体１と光ファイバ２を用いた筒内圧センサ本体１８の光ファイバ２は通常の締め付け圧力状態で押圧された基準状態で保持されている。
【００３２】
また、エンジン本体１８の動作中は各シリンダ７内の燃焼室６で、爆発による燃焼によって、シリンダヘッド３にはシリンダブロック４側より離間する方向に押圧力が発生する。そして、この押圧力によって、シリンダヘッド３とシリンダブロック４との間のシリンダガスケット３のシールしている面に面圧変動が生じる。筒内圧センサ１７は筒内圧の変動に伴い参考文献（石垣匠，北川淳一，田中敦，谷内忠司；「メタルヘッドガスケットの耐久性単体評価法」、自動車技術４９巻３号、１９９５，Ｐ１９−２４。）に記載されているように、８〜１２μｍといった弾性変形を繰り返す。このため、ファイバ支持体１により光ファイバ２は、微小量だけ光ファイバ２の曲げの曲率が変動し、図３に示す光の減衰特性曲線に従って入力光に対し出力光が変動する。光ファイバ２の透過光量の変動を電気信号に変換し、インジェクション信号やイグニション信号等で、各気筒の燃焼サイクルと筒内圧変動のタイミングが同じになるように電気信号を処理してエンジン制御用コンピュータ（ＥＣＵ）１９に入力される。このエンジン制御コンピュータ１９により各気筒ごとの燃焼圧変動が個別に検出できる。
【００３３】
例えば、シリンダ７内の燃焼室１３において、ノッキング発生などの異常な圧力変動がある場合に、エンジン制御用コンピュータ１９から適正な命令を出し、ＥＦＩ（独立噴射）２０，独立ヘリカル吸気ポート２１，電子制御ＥＧＲバルブ２２などを制御し、エンジンの燃焼圧を正常な状態にしてトルク変動を防止し、図１６に示す最適な空燃比にする。
【００３４】
（実施例２）
上述した実施例では、光ファイバ２を組立てたときに、ファイバ支持体１の中央凸起部１２と押し当て端部１３に設けた穴の中をくぐらせる必要があり、組立て工数がかかる。
【００３５】
図８は押し当て端部１３及び中央凸起部１２の結合箇所を一方向だけにしたもので、光ファイバ２を特に小さな穴の中を通すことなく安易に組立てることができる。図６の、中央凸起部１２の光ファイバ２の曲率半径Ｒと押し当て端部１３での光ファイバ２の曲率半径Ｒは同じで、光ファイバの曲率半径Ｒは、光ファイバ２が曲げによる破壊を起こさない範囲でなければならない。
【００３６】
（実施例３）
一般に、シリンダブロック４やシリンダヘッド３のシリンダガスケット５に接する面は、それほど高精度に仕上げられている訳ではない。
【００３７】
そのため、ファイバ支持体１がこれら両者に精度よく押し当てられ、両者の相対変位量を高精度に測定できないことがある。
【００３８】
この場合には、図７に示すように、押し当て端部１３とシリンダブロック４あるいは中央凸起部１２とシリンダヘッド３間に平滑な面をもつシム１４を介在させ、上述した懸念を払拭することができる。また、シム１４には燃料のガス漏れを防止する効果もある。
【００３９】
（実施例４）
実施例１〜３に記載の筒内圧センサにおいて、シリンダヘッド３とシリンダブロック４の間が、メタルガスケット５ａ内にファイバ支持体１′と光ファイバ２を介して、締結される構造の場合、ファイバ支持体１′がシリンダガスケット５内で自由に動くと、光ファイバ２が破断してしまうので、メタルガスケット５ａの本体との位置がある程度決まるような構造にする必要がある。その方法として、図９に示すように、ファイバ支持体１′を動かないようにするために、ファイバ支持体１′と上シール板１４ａおよび下シール板１４ｂを溶接で固定し、光ファイバ２の破断による破壊を防止する。
【００４０】
この方法は、メタルガスケット５ａに限るものではなく、カーボンガスケット５ｂでもよい。
【００４１】
（実施例５）
実施例１〜３に記載の筒内圧センサにおいて、シリンダヘッド３とシリンダブロック４の間が、カーボンガスケット５ｂ内にファイバ支持体１′と光ファイバ２を介して締結される構造の場合、ファイバ支持体１′がシリンダガスケット５内で自由に動くと、光ファイバ２が破断してしまうので、カーボンガスケット５ｂの本体との位置がある程度決まるような構造にする必要がある。その方法として図１０に示すように、ファイバ支持体１′とカーボンガスケット５ｂを板ばね１５などのある程度自由度のあるものにより、溶接で固定し、光ファイバ２の破断による破壊を防止する。また、光ファイバ２がカーボンガスケット５ｂとシリンダブロック４ないしシリンダヘッド３によって圧縮破壊しないように、カーボン１６などの緩衝材によりそれを防止する。
【００４２】
また、同じ目的で、図１８に示す光ファイバ２の保護溝を設けた中間板２６と、ファイバ支持体１′とを溶接で固定し、光ファイバ２の破断による破壊を防止する。
【００４３】
この方法は、カーボンガスケット５ｂに限るものではなく、メタルガスケット５ａでもよい。
【００４４】
（実施例６）
実施例１〜５に記載の筒内圧センサにおいて、筒内圧を高精度に計測する方法の一例を図１３に示す。図１１にそのファイバ支持体１″の断面図と、図１２に図１１の矢印Ａからみたファイバ支持体１″の構造を示す。図１１は、押し当て端部１３と中央凸起部１２を１個ずつ組み合わせたファイバ支持体１″を用いた方法である。図１３は、図１１のファイバ支持体１″を用いて、押し当て端部１３と中央凸起部１２を複数個組み合わせた構造で、筒内圧を高精度かつ信頼性の高い計測することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、燃焼室内にセンサまたはセンサの一部を取り付けることなく、またシリンダブロックやシリンダヘッドに特別な細工を施すことなく、シリンダ内の燃焼圧を検出することができるので、センサ実装部のスペースが十分でないエンジン環境で複雑な構造にしなくてよい。
【００４６】
とくに寸法ばらつきがあっても、十分に感度よく燃焼圧が検出できる特徴があり、安定した性能の筒内圧センサが生産できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の筒内圧センサの一実施例を示すエンジンのシリンダ部の分解図。
【図２】本発明の筒内圧センサの原理図。
【図３】本発明の筒内圧センサを使用したときの中央凸起部の曲率半径と光ファイバの減衰特性図。
【図４】図１の筒内圧センサの中央凸起部の説明図。
【図５】本発明の筒内圧センサのばね機構の一例を示す斜視図。
【図６】本発明の筒内圧センサで、燃焼圧を検出する一実施例の説明図。
【図７】本発明の筒内圧センサの押し当て端部を変形した一実施例の説明図。
【図８】本発明の筒内圧センサのばね機構を変形した一実施例の斜視図。
【図９】メタルガスケットの場合の本発明の筒内圧センサを使用した一実施例の説明図。
【図１０】カーボンガスケットの場合の本発明の筒内圧センサを使用した一実施例の説明図。
【図１１】本発明の筒内圧センサのばね機構を変形した一実施例の説明図。
【図１２】図１１の筒内圧センサのＡ部矢視図。
【図１３】本発明の筒内圧センサのばね機構を複数個使用した一実施例の説明図。
【図１４】本発明の筒内圧センサを用いたエンジンの一例の説明図。
【図１５】図１４の制御システムのフローチャート。
【図１６】図１４の制御を行ったときの効果の特性図。
【図１７】ファイバ支持体の装着位置を示す説明図。
【図１８】カーボンガスケットの場合の本発明の筒内圧センサを使用した一実施例の説明図。
【符号の説明】
１…ファイバ支持体、２…光ファイバ、３…シリンダヘッド、４…シリンダブロック、５…シリンダガスケット、６…燃焼室、７…シリンダ、８…ピストン、９…発光素子、１０…受光器、１１…結合ボルト。

Claims

光ファイバと、シリンダブロックとシリンダヘッドの間に配置されるシリンダガスケットに内蔵された状態で該光ファイバを支持するファイバ支持体と、該光ファイバに光を入射させる発光素子と、該光ファイバからの光を受光する受光素子とを備えた筒内圧センサであって、
前記ファイバ支持体は、前記光ファイバをシリンダブロック及びシリンダヘッドに押し付ける構造をしており、
前記ファイバ支持体の端部は前記光ファイバを前記シリンダブロックに押し当てる構造であり、
前記ファイバ支持体の中央は前記光ファイバを前記シリンダヘッドに押し当てる構造をしていることを特徴とする筒内圧センサ。
請求項１において、
前記ファイバ支持体の中央は端部に対して弾性支持されていることを特徴する筒内圧センサ。
請求項１において、
前記中央は、光ファイバを通す溝を備えた凸起を有し、
その溝は、溝深さｄｇと光ファイバ直径ｄｆとの間の関係がｄｇ＞ｄｆを満たし、光ファイバの曲げ剛性によって溝の底に光ファイバが押し当たる溝曲率半径を備えていることを特徴とする筒内圧センサ。
請求項１において、
前記端部と前記シリンダブロックの間および前記凸起と前記シリンダヘッドの間に、平滑な面を持つシムが介在していることを特徴とする筒内圧センサ。
請求項１において、
前記端部および前記凸起に溶接でシール板が固定されていることを特徴とする筒内圧センサ。
請求項１において、
前記端部は断面がＳ字状又は逆Ｓ字状であることを特徴とする筒内圧センサ。
請求項１において、
前記端部は中央よりも剛性が高いことを特徴とする筒内圧センサ。