JP4487853B2 - グロープラグ - Google Patents
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Description
一方、この種の内燃機関では、エンジンヘッド内に燃焼圧センサを設置するためのスペースを確保することが困難であるという問題がある。この問題を解決するために、燃焼圧センサをグロープラグと一体に形成する技術が開発されており、この種のグロープラグが特許文献1に記載されている。
ハウジング242は略筒状であり、ねじ部241を利用して貫通穴213を画定する内壁に結合されている。中軸220は、ハウジング242内にスライド可能に収容されている。中軸220の先端(紙面左側)には、図示しない発熱コイルが内蔵されている。中軸220とハウジング242は、嵌合圧入部218において固着されている。中軸220の後端(紙面右側)は、ハウジング242よりも外方に向けて突出しており、その部分にナット202がねじ込まれている。
ハウジング242とナット202の間には、リング状の圧電素子250とリング状の絶縁ブッシュ204が挿入されている。ナット202を所定トルクで締めることによって圧電素子250には所定の荷重がかかっている。
グロープラグ251に燃焼圧が作用していない状態では、圧電素子250に蓄えられた電荷に相当する電圧が圧電素子250から出力されている。先端側からグロープラグ251に燃焼圧が作用すると、ハウジング242は、中軸220に作用する燃焼圧に基づいてハウジング242の嵌合圧入部218とねじ部241の間の領域216において軸方向に圧縮され、中軸220が反燃焼室側に変位する。これにより、圧電素子250に作用している荷重が減少するので、圧電素子250に蓄えられている電荷量が変動する。電荷量の変動は、電圧値の変動として検出することができる。この電圧変動を測定することによって燃焼圧を測定することができる。
グロープラグ251では、ハウジング242の先端テーパ面242aと、貫通穴213の段付き面212aを密着させることによって、ハウジング242の外周と貫通穴213の内周の間に燃焼ガスが浸入するのを防止する構造が採用されている。
しかしながら、グロープラグ251では、燃焼圧によってハウジング242の領域216が弾性変形して軸方向に収縮すると、ハウジング242のテーパ面242aと貫通穴213の段付き面212aが離反してしまう。大きな出力を得るためにハウジング242の収縮が大きくなるようにすると、ハウジング242のテーパ面242aと貫通穴213の段付き面212aが大きく離反してしまう。テーパ面242aと段付き面212aが離反しないように、ハウジング242の収縮が小さくなるようにすると、測定される燃焼圧の感度が低下する。したがって、所定の測定感度を維持しようとすれば、ハウジング242のテーパ面242aと貫通穴213の段付き面212aが離反してしまう現象は避けられない。
この結果、上記のグロープラグ251では、燃焼圧が作用してハウジング242の領域216が軸方向に収縮してテーパ面242aと段付き面212aが離反すると、ハウジング242の外周と貫通穴213の内周との間に燃焼ガスが浸入し、そこに未燃焼成分が堆積することが避けられず、エンジン性能の低下や故障の原因となる。また、ハウジング242の外周と貫通穴213の内周との間に未燃焼成分が堆積すると、燃焼圧に起因してハウジング242が領域216で軸方向に収縮する現象が妨げられるようになる。上記のグロープラグ251では、長期間使用していると、燃焼圧の測定値に誤差が加わってしまう。特に、燃焼圧の変化によってハウジング242が大きく収縮するようにして測定感度を増大させようとすると、この問題が顕著に現れてしまう。
本発明者らは、従来技術ではハウジング自体の弾性変形を利用して燃焼圧を測定することから上記問題が生じることに着眼し、本発明の創作に至ったのである。
本発明は、ハウジング自体は実質的に弾性変形しない燃焼圧センサ一体型のグロープラグを提供することを目的とする。
本発明のグロープラグは、貫通穴を画定する内壁に結合する略筒状のハウジングと、そのハウジング内にスライド可能に収容されている中軸と、その中軸の反燃焼室側とハウジングの間に固定されている圧力センサを備えている。
本発明のグロープラグはさらに、中軸をその軸線に沿ってスライド可能に支持する支持部材を備えている。支持部材は、中軸とハウジングの間に設けられており、中軸に固定されている中軸固定部と、ハウジングに固定されているハウジング固定部と、両者間にあって弾性変形することによって両者間の軸方向距離を変化させる弾性部を備えている。
ハウジングは燃焼圧によって実質的に弾性変形することはなく、グロープラグを貫通穴に取付けると、ハウジングの燃焼室側の端部はエンジンヘッドの内壁に密着し続ける。
本発明で利用される中軸の典型例としては、シース管に発熱コイルが埋設された部材(金属グロープラグの一例)や、絶縁性のセラミック管に導電性セラミックとリードワイヤが内包されている部材(セラミックグロープラグの一例)などが挙げられる。中軸の先端に発熱部材が内蔵されている構造に代えて、中軸の先端自体が発熱部材によって形成されていることもある。
支持部材は、ハウジングの一部を利用して形成されていてもよい。支持部材がハウジングの一部として形成されている場合は、外殻を構成するハウジングと中軸の間に配置されている部材を支持部材として評価することができる。また支持部材及び/又はハウジングは、複数の部材で構成されていても構わない。また、支持部材の数に関して特に制限がなく、1個や2個あるいはそれ以上であっても構わない。
ここでいう弾性部とは、中軸をその軸線に沿って平行に変位させるために、その弾性変形が積極的に利用される部分をいう。軸線に沿った弾性部の弾性特性は、ハウジングの弾性特性に対して十分に柔らかい。したがって、燃焼圧が印加されたときに、ハウジングは実質的に弾性変形することなく、弾性部が優先的に弾性変形する。
本発明で利用される圧力センサの典型例には、加えられた力に起因して歪むことによって発生する電荷が変化する圧電タイプの圧力センサや、加えられた力に起因して抵抗値が変化するピエゾ抵抗タイプの圧力センサや、加えられた力に起因して一対の電極板の距離が変化する容量型の圧力センサや、加えられた力に起因して変化する距離を光学的に計測する圧力センサ等を挙げることができる。
上記のグロープラグでは、ハウジング自体をほとんど弾性変形させることなく燃焼圧を測定することができる。したがって、グロープラグを貫通穴内に取り付ける際に、その挿入具合を細かく調整する必要がない。十分にきつく挿入することで、ハウジングの燃焼室側の端部とエンジンヘッドを強く密着させることができる。ハウジングの端部とエンジンヘッドの内壁との密着箇所が離反しない。したがって、ハウジングの外周と貫通穴の内周との間に未燃焼成分が堆積することがなく、堆積物が燃焼圧の測定値を変化させてしまうことがない。中軸が大きく変位するようにして測定感度を増大させても、ハウジングの燃焼室側の端部とエンジンヘッドを強く密着させておくことができる。
支持部材のハウジング固定部が拘束されているので、燃焼圧が作用すると、先端側弾性部は加わる応力に基づいて弾性変形する。これにより、中軸は反燃焼室側に向けてスライドする。後端側弾性部もまた弾性変形するので、中軸のスライドが禁止されることはない。このとき、中軸は先端側と後端側の2箇所で支持されているので、平行を維持してスライドすることができる。
この場合も、ハウジング自体が実質的に弾性変形しないことから、ハウジングの先端がエンジンヘッドから離反する問題は回避される。長期に亘って正確な燃焼圧を測定することができる。
支持部材は、内燃機関の燃焼行程のときに火炎に曝される。支持部材が火炎に曝されると、燃焼工程の短時間内に熱膨張を起こすことが本発明者らの研究によって分かってきた。なかでも、ハウジングの燃焼室側の端部よりも燃焼室側に存在する支持部材は、火炎に曝されると燃焼室側に向けて熱膨張を起こす。支持部材は先端側中軸固定部を介して中軸に連結しているので、支持部材が熱膨張を起こすと、中軸は燃焼室に向けて移動する。このため、圧力センサに予め加えられていた予荷重が抜けるので(あるいは圧力センサの種類によっては初期状態が変動する)、燃焼圧に基づく圧力センサの測定値が真の値からずれてしまうことが分かってきた。
そこで、支持部材を構成する先端側弾性部が、先端側中軸固定部から燃焼室側に向けて伸びる部分を備えている構造を採用する。この構造を採用すると、先端側弾性部は、燃焼行程の短期間内に反燃焼室側に向けて熱膨張を起こそうとする。したがって、先端側弾性部以外の支持部材が熱膨張を起こそうとする方向と、先端側弾性部が熱膨張を起こそうとする方向が逆となり相殺される。したがって、燃焼行程のときに、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
この構造を採用すると、先端側弾性部が機械的なばね構造になるので、燃焼圧に対して感度良く弾性変形することができる。したがって、予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)の変動を抑制するのみならず、燃焼圧に基づく中軸の変位量をも向上させることができ、高感度な圧力センサとすることができる。
グロープラグを通電したとき、即ち、中軸自体がヒータ機能によって高温に達したときに、中軸が大きく熱膨張を起こす。このとき、中軸のほぼ中心を境にして、中軸の先端側は燃焼室側に向けて熱膨張しており、中軸の後端側は反燃焼室側に向けて熱膨張することが本発明者らの研究によって分かってきた。なかでも、中軸の後端側が反燃焼室側に向けて熱膨張を起こすと、圧力センサに予め加えられていた予荷重に追加の荷重が加わるので(あるいは圧力センサの初期状態が変動するので)、燃焼圧に基づく圧力センサの測定値が真の値からずれてしまうことが分かってきた。
そこで、後端側弾性部が後端側中軸固定部から反燃焼室側に向けて伸びる部分を備えている構造を採用する。この構造を採用すると、後端側弾性部のうち少なくとも後端側中軸固定部に近い側は、グロープラグを通電したときに、中軸からの熱を受けて燃焼室側に向けて熱膨張を起こそうとする。即ち、中軸の後端側が熱膨張を起こそうとする方向と後端側弾性部が熱膨張を起こそうとする方向が逆方向となる。これにより、中軸の後端側の熱膨張が、後端側弾性部の熱膨張によって相殺される。したがって、グロープラグを通電したときに、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
前記したように、グロープラグを通電したとき、中軸の後端側が反燃焼室側に向けて熱膨張を起こすと、燃焼圧に基づく圧力センサの真の値がずれてしまう。先端側弾性部に後端側弾性部のばね定数よりも小さいばね定数を有するものを採用すると、先端側弾性部が優先的に弾性変形することから、中軸の後端側の熱膨張が燃焼室側に向けて生じるようになる。したがって、グロープラグを通電したときに、中軸が熱膨張したとしても、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
仮に、後端側中軸固定部が中軸の最後端に固定していない場合を想定すると、後端側中軸固定部よりも後端に位置する中軸が熱膨張を起こしたときに、中軸が後端側中軸固定部によって拘束されているので、燃焼室側に向けての膨張よりも反燃焼室側に向けての熱膨張の方が優位に生じることによって、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が大きく変動してしまう。
本発明では、後端側中軸固定部が中軸の最後端に固定する構造を採用することによって、後端側中軸固定部よりも後端に中軸が存在しないようにする。これにより、中軸の膨張に基づいて、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が顕著に抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
先端側中軸固定部が中軸を一巡して形成されているので、中軸と支持部材の間から燃焼ガスが漏れることが防止されている。ハウジング固定部がハウジングを一巡しているので、中軸とハウジングの間から燃焼ガスが漏れることが防止されている。さらに、先端側弾性部が両者間を一巡して形成されている。これにより先端側弾性部は中軸の軸線に沿ってバランスよく弾性変形することができ、ひいては中軸が軸線に沿ってバランスよく平行に変位することができる。正確な燃焼圧の測定が可能となる。
上記の支持部材では、先端側弾性部と後端側弾性部が同時に圧縮又は伸張して弾性変形することによって中軸のスライド運動を許容する。圧縮してもよいし伸張してもよい。
2つの支持部材を利用して中軸の先端側及び後端側を支持することから、貫通穴内でより安定的に中軸を支持することができる。
この場合も、ハウジング自体は実質的に弾性変形しないことから、ハウジングの先端がエンジンヘッドから離反する問題は回避される。長期に亘って正確な燃焼圧を測定することができる。
この構造を採用すると、燃焼行程のときに、先端側弾性部は燃焼行程の短期間内に反燃焼室側に向けて熱膨張を起こそうとする。したがって、先端側弾性部以外の先端側支持部材が熱膨張を起こそうとする方向と、先端側弾性部が熱膨張を起こそうとする方向が逆となり相殺される。したがって、燃焼行程のときに、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
この構造を採用すると、燃焼行程のときに、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象を抑制するとともに、燃焼圧に基づく中軸の変位量をも向上させることができる。高感度な圧力センサを得ることができる。
この構造を採用すると、グロープラグを通電したときに、中軸の後端側が熱膨張を起こそうとする方向と後端側弾性部が熱膨張を起こそうとする方向が逆方向となる。これにより、中軸の後端側の熱膨張が、後端側弾性部の熱膨張によって相殺される。したがって、グロープラグを通電したときに、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
先端側弾性部に後端側弾性部のばね定数よりも小さいばね定数を有するものを採用すると、先端側弾性部が優先的に弾性変形することから、中軸の後端側の熱膨張が燃焼室側に向けて生じるようになる。したがって、グロープラグを通電したときに、中軸が熱膨張したとしても、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
先端側中軸固定部が中軸を一巡して形成されているので、中軸と支持部材の間から燃焼ガスが漏れることが防止されている。先端側ハウジング固定部がハウジングを一巡しているので、中軸とハウジングの間から燃焼ガスが漏れることが防止されている。さらに、先端側弾性部は両者間を一巡して形成されている。これにより先端側弾性部は中軸の軸線に沿ってバランスよく弾性変形することができ、ひいては中軸が軸線に沿ってバランスよく平行に変位することができる。正確な燃焼圧の測定が実現される。
グロープラグへの通電に伴って中軸が熱膨張することによって圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象は、中軸のうち後端側の熱膨張が大きく影響することが分かってきた。熱膨張の方向は、中軸固定部によって拘束される部分をほぼ境にして、その先端側及び後端側において各々の方向に生じる。後端側の中軸の熱膨張の方向は、後端側に向けて生じる。したがって、中軸固定部が中軸のほぼ中心よりも反燃焼室側に形成されていると、中軸固定部よりも後端側の部分が相対的に減少する。したがって、中軸のうち後端側の熱膨張が小さくなり、圧力センサに与える影響を顕著に小さくすることができる。
この構造を採用すると、中軸が熱膨張を起こしたとしても、中軸の先端側が拘束されていないことから、中軸の熱膨張が燃焼室側に向けて生じるようになる。したがって、中軸が熱膨張したとしても、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が顕著に抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
(第1形態) 弾性部の一例としては、支持部材内に残部より膜厚が薄い起歪部が形成されている構造や、支持部材自体がダイアフラム状に形成されそれ自体が弾性部である構造を挙げることができる。
(第2形態) 弾性部を有する支持部材と、中軸を摺動可能に支持する部材の組み合わせによって中軸を前後で支持してもよい。
(第3形態) 第2形態において、弾性部を有する支持部材は後端側に設けられており、中軸を摺動可能に支持する部材は先端側に設けられているのが好ましい。中軸の熱膨張を燃焼室側に向けて優先的に生じさせることができるので、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
(第1実施例) 図1に、第1実施例のグロープラグ51の断面図を模式的に示す。この断面図は主要な構成要素のみを記載しており、その形状はデフォルメされている点に留意されたい。グロープラグ51は、一つの支持部材30を利用して中軸20をハウジングに対してスライド可能に支持するタイプである。
グロープラグ51は、エンジンヘッド12を貫通して燃焼室15に望む貫通穴13に取り付けられている。グロープラグ51は、ハウジング42を備えている。ハウジング42は、ねじ結合領域41を利用して貫通穴13の内壁に螺着されている。ハウジング42は略円筒状に形成されており、その内部に中空空間が形成されている。ハウジング42は、貫通穴13の内壁に沿った形状で形成されている。グロープラグ51は、ハウジング42の中空空間内にセンサ用ハウジング44を備えている。センサ用ハウジング44は、ねじ結合領域43を利用してハウジング42に螺着されている。グロープラグ51において、センサ用ハウジング44は、ハウジング42と別個の部材で構成されているが、実質的にはハウジング42と一体として評価することができ、両者を含めてハウジングということができる。
センサ用ハウジング44内に、中軸20がスライド可能に収容されている。中軸20の先端は、燃焼室15内に突出している。詳細な図示は省略されているが、中軸20の先端には絶縁性セラミックに内包されたヒータ発熱線が設けられている。さらに中軸20は、ヒータ発熱線に電気的に接続されているリードワイヤを備えており、そのリードワイヤは絶縁性セラミック内を通って後端側(図示右側)に向けて伸びている。セラミックには良好な耐食性を備えている窒化珪素(SiN)が用いられている。なお、中軸20に、例えばシース管に発熱コイルが埋設された金属グロープラグを用いてもよい。
中軸20とセンサ用ハウジング44の間には支持部材30が設けられている。支持部材30に関しては後に詳細する。
ハウジング42の中空空間は、絶縁ブッシュ62によって外部から閉塞されている。
ヒータ線82は、ヒータ用コネクタ72を経由して外部から中軸20に向けて導入されている。ヒータ線82は、ハウジング42の中空空間内とセンサ用ハウジング44に形成されている開口(図示省略)内を伸びている。ヒータ線82は、中軸20の後端に電気的に接続している。中軸20の後端には、中軸20の先端からリードワイヤが伸びてきており、リードワイヤとヒータ線82が電気的に接続している。
センサ用コネクタ74を経由して、センサ入力線84とセンサ出力線86が圧力センサ50に向けて導入されている。センサ入出力線84、86はハウジング42の中空空間内を伸びるとともに、圧力センサ50の接続端子に接続している。センサ入出力線84、86の他端は、圧力算出回路92に接続している。さらに、圧力算出回路92で算出された燃焼圧は制御回路94に入力されている。制御回路94は、例えばインジェクタをフィードバック制御する。
中軸20は、その周囲を金属パイプ22によって保護されている。中軸20と金属パイプ22はロウ付け固定(あるいは嵌合圧入)されており、燃焼室内のガスが両者の間から漏れることが防止されている。金属パイプ22は、中軸20の一部として評価することができる。金属パイプ22は導電性であり、ヒータ線82を介して中軸20内に流された電流が、エンジンヘッド12に向けて導出するときの経路にも利用される。
支持部材30のほぼ中央に、燃焼室15側に向けて先細りのテーパ状の突出部36が形成されている。突出部36は、エンジンヘッド12の内壁に形成されている段付き面12a(図1参照)に対応した形状で形成されている。したがって、この突出部36のテーパ面36aがエンジンヘッド12の段付き面12aに密着固定される。これにより、センサ用ハウジング44及びハウジング42の外周と、貫通穴13の内周の間に燃焼ガスが浸入するのを防止することができる。
突出部36のテーパ面36aに対して反対側の面に、センサ用ハウジング44が密着している(図1参照)。したがって、突出部36は、センサ用ハウジング44の一部と評価することもできる。センサ用ハウジング44の端部がエンジンヘッド12の内壁に密着していると表現することもできる。また、突出部36は、支持部材30をセンサ用ハウジング44に固定するハウジング固定部でもある。
また、金属パイプ22は先端側と後端側の2箇所で固定されているので、中軸20が軸線に沿って平行に安定的に支持されている。
後端側起歪部34の前方に、後端側起歪部34に比して膜厚の大きい感度調整領域38が形成されている。感度調整領域38の幅Lを調節することによって、後端側起歪部34の軸線方向の弾性係数(ばね定数)を調整することができる。例えば、感度調整領域38の幅Lを短く調整すれば、相対的に後端側起歪部34の幅が長くなり、後端側起歪部34の軸線方向の弾性歪みが大きくなる。一方、感度調整領域38の幅Lを長く調整すれば、後端側起歪部34の軸線方向の弾性歪みが小さくなる。なお、同様の構成が先端側起歪部32にも形成されているのが好ましい。調整可能な感度の幅を大きくすることができる。
中軸20に燃焼圧が印加されると、支持部材30の突出部36が拘束されているので、先端側の先端側起歪部32に応力が加わる。先端側起歪部32は、軸線方向に平行に薄く形成されているので、先端側起歪部32は圧縮して弾性変形する。一方、突出部36よりも後端側に設けられている後端側起歪部34は、軸線方向に沿って伸張して弾性変形する。これにより中軸20は、軸線と平行に反燃焼室側に向けてスライドする。このとき、図3に示すように、ハウジング42及びセンサ用ハウジング44にも厳密な意味での弾性変形は生じているが、この弾性歪みは起歪部32、34に比して十分に小さく、実質的に弾性変形していないと評価することができる。
したがって、中軸20は、圧力センサ50の半球52及び半導体ピエゾ抵抗素子54を大きく歪ませる。この歪みに対応して半導体ピエゾ抵抗素子54の抵抗値が変動し、これが電圧値の変動として測定される。測定された電圧値は算出回路92に入力され、燃焼圧に換算される。燃焼圧の結果は制御回路94に入力され、制御回路94はこの結果に基づいてインジェクタの燃料の噴射タイミングや噴射量などを調整する。
このように、本実施例では、支持部材30を設けることによって、ハウジング42及びセンサ用ハウジング44を実質的に弾性変形させることなく、中軸20を優先的に変位させることに成功している。突出部36のテーパ面36aとエンジンヘッド12の段付き面12aの密着箇所から中軸20の軸線方向に沿った位置に存在するハウジング42及びセンサ用ハウジング44は弾性変形せずに、その位置と中軸20の間に設けられた先端側起歪部32及び後端側起歪部34が弾性変形することによって、中軸20を変位させることに成功している。ハウジング42及びセンサ用ハウジング44は弾性変形されないので、突出部36のテーパ面36aとエンジンヘッド12の段付き面12aの密着箇所が離反することがない。したがって、ハウジング42及びセンサ用ハウジング44の外周と貫通穴13の内周との間に未燃焼成分が堆積することがなく、堆積物が燃焼圧の測定値を変化させてしまうことがない。この圧力センサ50が組込まれたグロープラグ51を利用すると、長期間に亘って正確な燃焼圧を測定することができる。
(1)従来のように、ハウジングの弾性変形を利用して燃焼圧を測定する手法に比して、本実施例のように起歪部32、34の弾性変形を利用すると、中軸20の変位量が大きくなり、高感度に燃焼圧を測定することができる。
(2)ハウジング42と圧力センサ50の間にセンサ用ハウジング44が介在しているので、圧力センサ50に伝達されるエンジンヘッド12の振動がよく緩和され、ノイズが低減されている。
(3)グロープラグ51を貫通穴13内に取り付ける際に、エンジンヘッド12への密着を強くするために十分にきつく挿入し、ハウジング42及びセンサ用ハウジング44自体に予荷重を加えた場合でも、支持部材30の起歪部32、34には予荷重が加わることがない。正確な燃焼圧を測定することができる。また、ハウジング42及びセンサ用ハウジング44自体のがたつきを抑えることで、より正確な燃焼圧を測定することができる。
(4)半導体ピエゾ抵抗素子54が用いられている圧力センサ50を採用することによって、圧力センサ50が小型化されており、圧力センサ50を貫通穴13内に収容することに成功している。したがって、中軸20が従来構造に比して短く構成されている。これにより、中軸20自体の振動が抑制され、測定値にノイズが重畳してしまうことが低減されている。
また、上記の実施例は次の変形例であってもよい。
起歪部は先端側と後端側の2つではなく、いずれか一方だけでもよい。この場合、他方の中軸固定部が摺動可能に金属パイプを支持する構造にするのが好ましい。これにより、一方の起歪部の弾性変形を阻害することなく、中軸を軸線に沿ってスライド可能に支持することができる。なお、摺動可能に金属パイプを支持する構造は、先端側に設けるのが好ましい。この場合、中軸が熱膨張を起こしたとしても、中軸の熱膨張が燃焼室側に向けて生じるようになる。したがって、中軸が熱膨張したとしても、圧力センサに予め加えられていた予荷重(あるいは圧力センサの初期状態)が変動してしまう現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
図4に、支持部材の一つの変形例の支持部材30Aの断面図を模式的に示す。なお、支持部材30Aを備えた変形例のグロープラグの全体図を示さないが、図1に示す支持部材30を支持部材30Aに置き換えれば、変形例のグロープラグの全体図となる。
支持部材30Aでは、先端側起歪部32Aが、先端側中軸固定部33から燃焼室側に向けて伸びている。さらに、後端側起歪部34Aが、後端側中軸固定部35から反燃焼室側に向けて伸びている。支持部材30Aは、(1)先端起歪部32Aを設けることによって燃焼行程の火炎に基づく中軸20の移動の影響を低減でき、(2)後端起歪部34Aを設けることによってグロープラグの通電による中軸20の熱膨張の影響を低減できる点において有用である。
(1)の効果に関して
支持部材30Aのうち、突出部36のテーパ面36aよりも燃焼室側に位置している先端側起歪部32A、第1肉厚部分37A、薄肉部分37B、及び第2肉厚部分37Cは、燃焼室内に向けて露出している。したがって、先端側起歪部32A、第1肉厚部分37A、薄肉部分37B、及び第2肉厚部分37Cは、内燃機関の燃焼行程のときに、燃焼による火炎に曝される。これにより、先端側起歪部32A、第1肉厚部分37A、薄肉部分37B、及び第2肉厚部分37Cは、燃焼行程の短期間内に、火炎に基づく温度上昇によって熱膨張を起こす。
支持部材30Aのうち、第1肉厚部分37A、薄肉部分37B、及び第2肉厚部分37C、とりわけ薄肉部分37Bは、燃焼行程の短期間内に、燃焼室側に向けて熱膨張を起こす。一方、先端側起歪部32Aは先端側中軸固定部33から燃焼室側に向けて伸びているので、先端側起歪部32Aは反燃焼室側に向けて熱膨張を起こす。即ち、先端側起歪部32A以外の第1肉厚部分37A、薄肉部分37B、及び第2肉厚部分37Cが熱膨張を起こす方向(燃焼室側方向)と、先端側起歪部32Aが熱膨張を起こす方向(反燃焼室側方向)が逆方向となる。
図5に、センサ出力特性を示す。縦軸がセンサ出力であり、横軸がクランク角である。本実施例のセンサ出力が実線18である。先端側起歪部32Aが先端側中軸固定部33から燃焼室側に向けて伸びていない場合を比較例とし、そのセンサ出力が破線17である。図5の破線17に示すように、燃焼行程のときに、先端側起歪部32A以外の第1肉厚部分37A、薄肉部分37B、及び第2肉厚部分37C、とりわけ薄肉部分37Bが熱膨張を起こすと、中軸20が燃焼室側に向けて移動するので、圧力センサ50に予め加えられていた予荷重が抜けてしまい、燃焼圧が真の値よりも小さく測定され、正確な燃焼圧を測定することができないことが分かる。一方、先端起歪部32Aを設けると、実線18に示すように、予荷重が抜ける現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することが可能になるのである。
(2)の効果に関して
グロープラグ51を通電したとき、即ち、中軸20自体がヒータ機能によって高温に達したときに、中軸20は熱膨張を起こす。このとき、中軸20のほぼ中心を境にして、中軸20の先端側は燃焼室側に向けて熱膨張しており、中軸20の後端側は反燃焼室側に向けて熱膨張する。なかでも、中軸20の後端側が反燃焼室側に向けて熱膨張を起こすと、圧力センサ50に予め加えられていた予荷重に追加の荷重が加わるので、燃焼圧に基づく圧力センサ50の測定値が真の値からずれてしまう。
図4に示す支持部材30Aは、後端側起歪部34Aと、その後端側起歪部34Aよりも反燃焼室側に肉厚な部分39Aを備えている。肉厚な部分39Aが設けられているので、肉厚な部分39Aと後端側起歪部34Aの間に温度差が生じる。さらに、後端側起歪部34Aが後端側中軸固定部35から反燃焼室側に向けて伸びていることから、後端側起歪部34Aは、グロープラグ51を通電したときに、中軸20からの熱を受けて燃焼室側に向けて熱膨張を起こそうとする。即ち、中軸20の後端側が熱膨張を起こそうとする方向(反燃焼室側)と後端側起歪部34Aが熱膨張を起こそうとする方向(燃焼室側)が逆方向となる。これにより、中軸20の後端側の熱膨張と後端側起歪部34Aの熱膨張は相殺される。したがって、グロープラグ51を通電したときに、圧力センサ50に予め加えられていた予荷重が追加で増加することが抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
なお、先端側起歪部32Aは、中軸20に対して平行に伸びている例を示しているが、先端弾性部32Aは、中軸20に直交する方向よりも燃焼室側に向けて伸びていればよい。先端弾性部32Aは、中軸20に直交する方向から中軸20と平行な方向までの角度範囲において、中軸20に対して傾斜して伸びていてもよい。
また、後端起歪部34Aも、中軸20に対して平行に伸びている例を示しているが、後端弾性部34Aは、中軸20に直交する方向よりも反燃焼室側に向けて伸びていればよい。後端弾性部34Aは、中軸20に直交する方向から中軸20と平行な方向までの角度範囲において、中軸20に対して傾斜して伸びていてもよい。
支持部材30Bは、先端側中軸固定部33から燃焼室側に向けて伸びる第1先端側起歪部32Bと、突出部36から燃焼室側に向けて伸びる第2先端側起歪部32Cを備えている。即ち、第1先端側起歪部32B及び第2先端側起歪部32Cは、先端側中軸固定部33と突出部36の間において、燃焼室側に向けて折り返す構造を形成している。
この構造を採用すると、第1先端側起歪部32B及び第2先端側起歪部32Cの複合構造が、機械的なばね構造として機能する。このため、第1先端側起歪部32B及び第2先端側起歪部32Cの複合構造は、燃焼圧に対して感度良く弾性変形することができる。
さらに、中軸20の軸線方向における第1先端側起歪部32Bの長さL2と第2先端起歪部32Cの長さL1は、第1先端側起歪部32Bの方が長く形成されている。したがって、第1先端側起歪部32B及び第2先端側起歪部32Cの複合構造の中軸20の軸線方向における熱膨張は、反燃焼室側に向けて生じる。この熱膨張は、第2肉厚部分37Cの燃焼室側に向けての熱膨張との間で相殺されるので、予荷重の抜けを抑制することができる。第1先端側起歪部32B及び第2先端側起歪部32Cの複合構造は、予荷重の抜けの抑制を抑制するとともに、燃焼圧に基づく中軸20の変位量をも向上させることができ、高感度な圧力センサ50とすることができる。
また、後端側起歪部34Bは、後端側中軸固定部35から中軸20に直交する方向に伸びている。この場合、図4に示す後端側起歪部34Aに比して、燃焼圧に対する中軸20の変位量を大きくすることができ、高感度な圧力センサとすることができる。
支持部材30Cは、図6に示す支持部材30Bの後端側起歪部34Bを変更した例である。支持部材30Cの後端側起歪部34Cは、後端側中軸固定部35から反燃焼室側に向けて、中軸20の軸線に対して傾斜して伸びている。
支持部材30Cの後端側起歪部34Cは、グロープラグ51を通電したときに圧力センサ50に予め加えられていた予荷重が追加で増加することを抑制する効果と、燃焼圧に対する中軸20の変位量を大きくする効果の両者をバランスよく具備しており、極めて有用な圧力センサとすることができる。
後端側中軸固定部35よりも後端側に位置する中軸20が熱膨張を起こすと、中軸20が後端側中軸固定部35によって拘束されているので、燃焼室側に向けての膨張よりも反燃焼室側に向けての熱膨張の方が優位に生じ易い。このため、圧力センサ50に予め加えられていた予荷重に追加の荷重が加わってしまう。
図8の変形例では、後端側中軸固定部35が中軸20の最後端に固定する構造を採用することによって、後端側中軸固定部35よりも後端側に中軸20が存在しない構造にすることができる。このため、後端側中軸固定部35よりも後端側の中軸20の熱膨張に関する影響が排除され、圧力センサ50に予め加えられていた予荷重が追加で増加してしまう現象が顕著に抑制される。
なお、図8の変形例の場合は、図9に示す中軸の構造を採用するのが好ましい。図9は、中軸20の断面構造である。図9に示す中軸20は、リング状の金属電極25が中軸20の軸線に沿って中軸20内を伸びている。金属電極25の周囲は、絶縁セラミック24によって取り囲まれている。外部から伸びているヒータ線82は、金属電極25に接続している。この構造を採用することによって、中軸20の後端面から露出する金属電極25に対して、ヒータ線82を接続することが可能になる。
グロープラグ151は、エンジンヘッド112を貫通して燃焼室115に望む貫通穴113に取り付けられている。グロープラグ151は、ハウジング142を備えている。ハウジング142は、ねじ結合領域141を利用して貫通穴113の内壁に螺着されている。ハウジング142は、略円筒状で形成されており、その内部に中空空間を備えている。ハウジング142は、貫通穴の内壁に沿った形状で形成されている。ハウジング142の燃焼室115側の端部には、燃焼室115側に向けてテーパ状に加工されたテーパ面142aが形成されている。テーパ面142aは、対向するエンジンヘッド112の段付き面112aと密着している。
ハウジング142の中空空間内にスライド可能に中軸が収容されている。便宜上、中軸は、先端側中軸122と中央側中軸124と後端側中軸129に区別して説明する。中軸の先端には、セラミックグロープラグ型の発熱部材120が形成されている。発熱部材120は燃焼室115内に突出している。
ヒータ用コネクタ130は、ハウジング142の中空空間内を伸びて形成されるとともに、中央中軸124に形成されている係止部126によって係止されている。さらに、ヒータ用コネクタ130は、ねじ結合箇所135(後端側中軸固定部の一例)を利用して中央中軸124に螺着している。これにより、ヒータ用コネクタ130と中軸が電気的に接続されることを実現している。また、ヒータ用コネクタ130は、絶縁ブッシュ162を介在させて、ねじ結合箇所143(後端側ハウジング固定部の一例)を利用してハウジング142に固定されている。これにより、先端側の先端側支持部材133と合わせて、中軸を軸線に沿って平行に安定的に支持することを実現している。このことから、ヒータ用コネクタ130は、中軸を支持するという意味において後端支持部材と評価することができる。
さらに、ヒータ用コネクタ130に、残部より膜厚が薄い起歪部134(後端側弾性部の一例)が形成されている。起歪部134は軸線と直交する面内で一巡して形成されている。起歪部134は薄肉な円筒状の構造である。起歪部134は軸方向に沿って薄く形成されている。起歪部134の幅は、その周囲の残部を加工することで、自由に調整可能である。起歪部134は、ねじ結合箇所135から反燃焼室側に向けて伸びている。
圧力センサ150は中軸の軸線に沿って配置されている。圧力センサ150と中軸は、軸線と直交する面で断面視したときに、その軸が一致して配置されている。
圧力センサ150の接続端子にセンサ入力線184とセンサ出力線186が接続されている。センサ入出力線184、186の他端は、圧力算出回路192に接続されている。さらに、圧力算出回路192で算出された燃焼圧は制御回路194に入力されている。制御回路194は、図示しないインジェクタを制御する。
発熱部材120と中軸に燃焼圧が作用すると、先端側支持部材133の先端側ハウジング固定部133cが拘束されているので、ダイアフラム状の先端側弾性部133bは弾性変形する。同時に、起歪部134には圧縮応力が加わり、起歪部134は軸線に沿って平行に圧縮される。したがって、中軸は軸線に沿って平行に大きく変位する。
ねじ結合箇所141よりも後端側のハウジング142は弾性変形しないので、後端側のねじ結合領域143を介して固定されているヒータ用コネクタ130もほとんど変位しない。したがって、圧力センサ150はほとんど変位しない。これにより、圧力センサ150に対して、中軸は極めて大きく変位することになる。したがって、後端側中軸129は、圧力センサ150の半球152及び半導体ピエゾ抵抗素子154を大きく歪ませる。この歪みに対応して半導体ピエゾ抵抗素子154の抵抗値が変動し、これが電圧値の変動として測定される。
測定された電圧値は算出回路192に入力され、燃焼圧に換算される。燃焼圧の結果は制御回路194に入力され、制御回路194はこの結果に基づいてインジェクタの燃料の噴射タイミングや噴射量などを調整する。
(1)従来のように、ハウジングの弾性変形を利用して燃焼圧を測定する手法に比して、本実施例のようにダイアフラム状の先端側支持部材133や後端側の起歪部134の弾性変形を利用すると、中軸の変位量が大きくなり、高感度に燃焼圧を測定することができる。
(2)グロープラグ151を貫通穴内に取り付ける際に、エンジンヘッド112への密着を強くするために十分にきつく挿入し、ハウジング142自体に予荷重を加えた場合でも、先端側支持部材133の先端側弾性部133bや、後端側の起歪部134に予荷重が加わることがない。正確な燃焼圧を測定することができる。また、ハウジング142自体のがたつきを抑えることで、より正確な燃焼圧を測定することができる。
(3)上記の圧力センサ150は、先端側支持部材133やハウジング142から離れた位置に配置されている。さらに、圧力センサ150は、それら部材との間に絶縁ブッシュ162、164や、ヒータ用コネクタ130が介在しているので、エンジンヘッド112の振動の伝達がよく緩和されており、ノイズが顕著に低減されている。また、振動がよく緩和される材料として、例えばプラスチックやガラスやゴムなどを好適に採用することができる。
(4)グロープラグ151では、起歪部134がねじ結合箇所135から反燃焼室側に向けて伸びている。したがって、起歪部134は、グロープラグ151を通電したときに、中軸の先端に設けられた発熱部材120からの熱を受けて燃焼室側に向けて熱膨張を起こそうとする。即ち、中軸のうちとりわけ中央側中軸124が熱膨張を起こそうとする方向と起歪部134が熱膨張を起こそうとする方向が逆方向となる。これにより、中央側中軸124の熱膨張が、起歪部134の熱膨張によって抑えられる。したがって、グロープラグ151を通電したときに、圧力センサ150に予め加えられていた予荷重が追加で増加することが抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
第1実施例、第2実施例及びそれらの変形例において、先端側弾性部に後端側弾性部のばね定数よりも小さいばね定数を有するものを採用するのが好ましい。ここでいうばね定数は、中軸の軸線方向におけるばね定数をいう。両者のばね定数に差を設けるためには、異なる構造の弾性部を設ける他に、異なる材料を利用してもよい。例えば、先端側弾性部にゴム材料のような低ヤング率を有する材料を採用するのが好ましい。先端側弾性部には、燃焼室の圧力をシールできるものであれば、その構造及び材料は限定されない。好ましくは、燃焼室内の熱を反燃焼室側に伝達するのを抑制する低い熱伝導の材料を採用するのがよい。先端側弾性部が後端側弾性部よりもばね定数が小さく調整されていると、先端側弾性部が優先的に弾性変形することから、中軸の後端側の熱膨張が燃焼室側に向けて生じるようになる。したがって、グロープラグを通電したときに、中軸が熱膨張したとしても、圧力センサに予め加えられていた予荷重が追加で増加してしまう現象が抑制され、正確な燃焼圧を測定することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12、112:エンジンヘッド
20、122、124、129:中軸
30:支持部材
32、32A:先端側起歪部
32B:第1先端側起歪部
32C:第2先端側起歪部
133:先端側支持部材
33、133a:先端側中軸固定部
133c:先端側ハウジング固定部
133b:先端側弾性部
35:後端側中軸固定部
34、34B、34C:後端側起歪部
36:突出部
38:感度調整領域
42、142:ハウジング
44:センサ用ハウジング
50、150:圧力センサ
51、151:グロープラグ
92、192:算出回路
94、194:制御回路
12a、112a:段付き面
36a、142a:テーパ面
Claims (16)
- エンジンヘッドを貫通して燃焼室に臨む貫通穴に取付けるグロープラグであって、
貫通穴を画定する内壁に結合する略筒状のハウジングと、
ハウジング内にスライド可能に収容されている中軸と、
中軸の反燃焼室側とハウジング間に固定されている圧力センサと、
中軸とハウジング間に設けられており、中軸をその軸線に沿ってスライド可能に支持する支持部材を備えており、
グロープラグを貫通穴に取付けると、ハウジングの燃焼室側の端部はエンジンヘッドの内壁に密着し続け、
支持部材は、中軸に固定されている中軸固定部と、ハウジングに固定されているハウジング固定部と、両者間にあって弾性変形することによって両者間の軸方向距離を変化させる弾性部を備えていることを特徴とするグロープラグ。 - 支持部材は、中軸の先端側に固定されている先端側中軸固定部と、ハウジングに固定されているハウジング固定部と、両者間にある先端側弾性部と、中軸の後端側に固定されている後端側中軸固定部と、ハウジング固定部と後端側中軸固定部間にある後端側弾性部を備えていることを特徴とする請求項1のグロープラグ。
- 先端側弾性部は、先端側中軸固定部から燃焼室側に向けて伸びる部分を備えていることを特徴とする請求項2のグロープラグ。
- 先端側弾性部は、ハウジング固定部から燃焼室側に向けて伸びる部分を備えていることを特徴とする請求項3のグロープラグ。
- 後端側弾性部は、後端側中軸固定部から反燃焼室側に向けて伸びる部分を備えていることを特徴とする請求項2〜4のいずれかのグロープラグ。
- 先端側弾性部のばね定数は、後端側弾性部のばね定数よりも小さいことを特徴とする請求項2〜5のいずれかのグロープラグ。
- 後端側中軸固定部は、中軸の最後端に固定されていることを特徴とする請求項2〜6のいずれかのグロープラグ。
- 先端側中軸固定部は中軸を一巡しており、ハウジング固定部はハウジングを一巡しており、先端側弾性部は両者間を一巡していることを特徴とする請求項2〜7のいずれかのグロープラグ。
- 2つの支持部材を備えており、
先端側支持部材は、中軸の先端側に固定されている先端側中軸固定部と、ハウジングの先端側に固定されている先端側ハウジング固定部と、両者間にある先端側弾性部を有し、
後端側支持部材は、中軸の後端側に固定されている後端側中軸固定部と、ハウジングの後端側に固定されている後端側ハウジング固定部と、両者間にある後端側弾性部を有していることを特徴とする請求項1のグロープラグ。 - 先端側弾性部は、先端側中軸固定部から燃焼室側に向けて伸びる部分を備えていることを特徴とする請求項9のグロープラグ。
- 先端側弾性部は、先端側ハウジング固定部から燃焼室側に向けて伸びる部分を備えていることを特徴とする請求項10のグロープラグ。
- 後端側弾性部は、後端側中軸固定部から反燃焼室側に向けて伸びる部分を備えていることを特徴とする請求項9〜11のいずれかのグロープラグ。
- 先端側弾性部のばね定数は、後端側弾性部のばね定数よりも小さいことを特徴とする請求項9〜12のいずれかのグロープラグ。
- 先端側中軸固定部は中軸を一巡しており、先端側ハウジング固定部はハウジングを一巡しており、先端側弾性部は両者間を一巡していることを特徴とする請求項9〜13のいずれかのグロープラグ。
- 中軸固定部は、中軸のほぼ中心よりも反燃焼室側に形成されていることを特徴とする請求項1のグロープラグ。
- エンジンヘッドを貫通して燃焼室に臨む貫通穴に取付けるグロープラグであって、
貫通穴を画定する内壁に結合する略筒状のハウジングと、
ハウジング内にスライド可能に収容されている中軸と、
中軸の反燃焼室側とハウジング間に固定されている圧力センサと、
中軸とハウジング間に設けられており、中軸をその軸線に沿ってスライド可能に支持する支持部材を備えており、
グロープラグを貫通穴に取付けると、ハウジングの燃焼室側の端部はエンジンヘッドの内壁に密着し続け、
支持部材は、中軸の先端側又はハウジングのいずれか一方に固定されているとともに中軸をハウジングに対して摺動可能に支持する先端側中軸支持部と、中軸の後端側に固定されている後端側中軸固定部と、ハウジングに固定されているハウジング固定部と、後端側中軸固定部とハウジング固定部間にある後端側弾性部を備えていることを特徴とするグロープラグ。
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