JP5883691B2 - 燃焼圧検出装置付き内燃機関 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1に記載される燃焼圧検出装置は、筒状に形成された本体の前端部にダイアフラムを備え、そのダイアフラムの後方に配置された圧電素子からなるセンサ部により、ダイアフラムを介して作用する燃焼室内の燃焼圧を検知可能に、燃焼室壁に設けられた挿入孔に挿入されて設けられる燃焼圧センサにおいて、本体の前端部に、径方向に突出するガスシール部を備え、そのガスシール部が、挿入孔の内壁面と径方向に対向して圧接可能に構成されることが記載されている。
例えば、内側の部材に対して相対的に外側の部材が延びることで、検出部に圧力を加えるべき部材が引っ張られた状態となって検出部との間に隙間が生じる。この場合、本来であれば検出部に荷重がかかり所定の圧力が検出されるべき状態であるにも関わらず、検出部にて検出される圧力が小さくなったり圧力が検出されなかったりという検出誤差が発生するおそれがある。このような検出誤差の発生を抑制するには、内燃機関と燃焼圧検出装置との間の隙間への燃焼ガスの流入を抑制することが有効である。
そして、燃焼圧検出装置の検出部材は、ハウジングにおける燃焼室と対向する側の端部に設けられ、ハウジングの肩部は、挿入方向における検出部材の位置に形成されることを特徴とすれば、検出部材を燃焼室側に配置することにより圧力検出の精度向上を図りつつ、熱膨張に伴う検出誤差の発生を抑制することが可能になる点で好ましい。
また、ハウジングの肩部は、先端側から後端側に向かうに従って次第に径が大きくなるテーパ部であることを特徴とすれば、燃焼ガスを開口部内により導き入れ易くすることができる点で好ましい。
そして、シール部材は、断面が馬蹄形状を有し、内燃機関の開口の内壁およびハウジングのテーパ部に沿って設けられることを特徴とすることができる。
(実施形態1)
図1は、本実施形態に係る内燃機関1の概略構成図である。
図2は、図1のII部の拡大図である。
内燃機関1は、図1に示すように、シリンダ2aを有するシリンダブロック2と、シリンダ2a内を往復動するピストン3と、シリンダブロック2に締結されてシリンダ2aおよびピストン3などとともに燃焼室Cを形成するシリンダヘッド4と、を備えている。また、内燃機関1は、シリンダヘッド4に装着されて燃焼室C内の圧力を検出する圧力検出装置5と、圧力検出装置5が検出した圧力に基づいて内燃機関1の作動を制御する制御装置6と、圧力検出装置5とシリンダヘッド4との間に介在して燃焼室C内の気密性を保つためのシール部7と、圧力検出装置5と制御装置6との間で電気信号を伝送する伝送ケーブル8と、を備えている。
図3は、圧力検出装置5の概略構成図である。図4は、図3のIV−IV部の断面図である。図5は、図4のV部の拡大図である。
図3に示すように、燃焼圧検出装置の一例としての圧力検出装置5は、燃焼室C内の圧力を電気信号に変換する圧電素子10を有するセンサ部100と、センサ部100からの電気信号を処理する信号処理部200と、信号処理部200を保持する保持部材300と、を備えている。この圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着する際には、センサ部100の後述するダイアフラムヘッド40の方から先に、シリンダヘッド4に形成された連通孔4aに挿入していく。
図4に示すように、センサ部100は、受けた圧力を電気信号に変換する圧電素子10と、筒状であってその内部に圧電素子10などを収納する円柱状の孔が形成されたハウジング30と、を備えている。
なお、以下では、ハウジング30に形成された円柱状の孔の中心線方向を、単に中心線方向と称す。また、以下の説明において、図4の左側を圧力検出装置5の先端側、右側を圧力検出装置5の後端側とする。
センサ部100は、ハウジング30における先端側の開口部を塞ぐように設けられて、燃焼室C内の圧力が作用するダイアフラムヘッド40と、ダイアフラムヘッド40と圧電素子10との間に設けられた第1電極部50と、圧電素子10に対して第1電極部50とは反対側に配置された第2電極部55と、を備えている。
第1ハウジング31は、内部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の孔310が形成された薄肉円筒状の部材である。孔310は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1孔311と、第1孔311の孔径よりも大きな孔径の第2孔312と、から構成される。
また、本実施形態の保持部Hは、圧力検出装置5の中心軸方向において圧電素子10が設けられる位置(横)に設けられている(後述の図6(c)参照)。
孔320は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1孔321と、第1孔321の孔径よりも小さな孔径の第2孔322と、第2孔322の孔径よりも大きな孔径の第3孔323と、第3孔323の孔径よりも大きな孔径の第4孔324と、第4孔324の孔径よりも大きな孔径の第5孔325と、から構成される。
第2ハウジング32における先端部は、第1ハウジング31における後端部にしまりばめで嵌合(圧入)されるように、第1孔321の孔径は、第1ハウジング31の外周面の径以下となるように設定されている。
円筒状部41における後端部は、ハウジング30の第1ハウジング31における先端部としまりばめで嵌合(圧入)されて、この先端部の内部に入り込む進入部41aと、この先端部における端面31aと同形状に形成され、嵌合された際にこの端面31aが突き当たる突当面41bと、を有している。
内側部42は、円筒状部41における先端側の開口を塞ぐように設けられた円盤状の部材であり、後端側の面における中央部にはこの面から圧電素子10側に突出する突出部42aが設けられている。
ダイアフラムヘッド40の材料としては、高温でありかつ高圧となる燃焼室C内に存在するため、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金製であることが望ましく、例えばSUH660であることを例示することができる。
第1電極部50は、燃焼室C内の圧力を圧電素子10に作用させるものであり、圧電素子10側の端面である第2円柱部52における後端側の端面が圧電素子10の端面の全面を押すことが可能な大きさに形成される。また、第1電極部50は、ダイアフラムヘッド40から受ける圧力を均等に圧電素子10に作用させることができるように、中心線方向の両端面が平行(中心線方向に直交)かつ平滑面に形成されている。
第1電極部50の材質としては、ステンレスであることを例示することができる。
第2電極部55の材質としては、ステンレスであることを例示することができる。
孔650は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1孔651と、第1孔651の孔径よりも大きな孔径の第2孔652と、第2孔652の孔径よりも大きな孔径の第3孔653と、から構成される。第1孔651の孔径は、第2電極部55の突出部55aの基端部の外径よりも大きく、この突出部55aが支持部材65の内部まで露出する。第2孔652の孔径は、後述する信号処理部200の伝導部材22における先端部の外径よりも大きい。第3孔653の孔径は、後述する信号処理部200の覆い部材23の端部の外径よりも小さく、この覆い部材23が第3孔653を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合される。これにより、支持部材65は、覆い部材23の端部を支持する部材として機能する。
信号処理部200は、図3に示すように、センサ部100の圧電素子10から得られる微弱な電荷である電気信号を少なくとも増幅処理する回路基板部21と、圧電素子10に生じた電荷を回路基板部21まで導く棒状の伝導部材22と、これら回路基板部21、伝導部材22などを覆う覆い部材23と、回路基板部21などを密封するOリング24と、を備えている。
第2外周面242の径は、第2ハウジング32の第2孔322の孔径よりも小さく形成され、第3外周面243の径は、第2ハウジング32の第3孔323の孔径よりも小さく形成されている。また、第4外周面244の径は、第2ハウジング32の第4孔324の孔径よりも大きく、伝導部材被覆部231における後端部が、第2ハウジング32の第4孔324を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合(圧入)される。これらにより、伝導部材被覆部231は、少なくとも中心線方向の両端部が、それぞれ支持部材65、第2ハウジング32に接触することで支持されているので、劣悪な振動環境であっても、伝導部材22に与える悪影響を抑制することができ、振動に起因して伝導部材22の接続部の断線や接触不良等を回避することが可能になっている。
保持部材300は、薄肉円筒状の部材であり(図3参照)、後端部に内周面から内側に突出した突出部300aが設けられている。保持部材300は、第2ハウジング32に装着された後、外部から、第5外周面335に設けられた凹部335aに対応する部位が加圧されることでかしめられる。これにより、保持部材300は、ハウジング30に対して移動し難くなり、信号処理部200がハウジング30に対して移動することを抑制する。
先ず、図5に示すように、第1ハウジング31の端面31aとダイアフラムヘッド40の突当面41bとが接触するまで、第1ハウジング31とダイアフラムヘッド40とを嵌合(圧入)する。その後、第1ハウジング31の端面31aとダイアフラムヘッド40の突当面41bとが接触している部位に、中心線方向に交差する方向(例えば中心線方向に直交する方向)からレーザビームを照射して、第1ハウジング31とダイアフラムヘッド40とを溶接する。
なお、本実施形態が適用される圧力検出装置5では、予荷重が作用した状態を圧力検出の基準となる零の状態としている。
このようにして圧力検出装置5は組み立てられる。
先ず、圧電素子10における先端側の端面は、金属製の第1電極部50およびダイアフラムヘッド40を介して、金属製のハウジング30と電気的に接続される。
圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着することにより、ハウジング30は、金属製のシリンダヘッド4と電気的に接続される。このシリンダヘッド4は、電気的に接地された状態にあるため、圧力検出装置5では、ハウジング30を介して、圧電素子10における先端部が接地される。ここで、この例では、圧電素子10の側面とハウジング30の内壁面とが接触し得る構造になっているが、圧電素子10が絶縁体で構成されていることにより抵抗値が極めて大きいことと、圧力変化に伴って発生する電荷が、圧電素子10における中心線方向の両端部に発生することとにより、特に問題とはならない。
シール部7は、図2に示すように、シリンダヘッド4における連通孔4aを形成する周囲の壁の圧力検出装置5締め付け方向の端面4fと、圧力検出装置5のハウジング30の第4外周面334が設けられた円柱状の部位の先端側の端面334aとの間に配置され、シリンダヘッド4と圧力検出装置5との間をシールする第1シール部材71を有している。
また、第1ハウジング31の段差部31btおよび傾斜面315aと、連通孔4aの端面4fおよび傾斜部4cとによって形成される保持部Hに配置され(後述の図6(c)参照)、シリンダヘッド4と圧力検出装置5との間をシールする第2シール部材72を有している。
図6(a)は第2シール部材72の全体図を示し、図6(b)は図6(a)に示すVIb−VIb断面を示し、図6(c)は第2シール部材72が圧力検出装置5とシリンダヘッド4との間に設けられた状態を示す。
第2シール部材72は、シリンダヘッド4の内壁と圧力検出装置5のハウジング30の外壁との隙間への燃焼ガスの流入を抑制する部材である。第2シール部材72は、図6(c)に示すように保持部Hに配置される。本実施形態の保持部Hは、ハウジング30中心軸方向における圧電素子10の位置(横)に形成される。従って、第2シール部材72は、シリンダヘッド4と圧力検出装置5との間の隙間における圧電素子10が設けられる位置よりも中心軸方向の後端側への燃焼ガスの流入を抑制する。
そして、第2シール部材72の内径は、取り付ける前の状態にて内径が圧力検出装置5の第1ハウジング31の側面31bの外径(本実施形態では段差部31btの外径)よりも若干小さく設定されている。また、第2シール部材72の外径は、シリンダヘッド4の連通孔4aにおける第2孔部4dの内径よりも若干大きく設定されている。
第2シール部材72が内燃機関1に取り付けられた際には、第2シール部材72の内周部が第1ハウジング31の外周に密着し、外周部が第2孔部4dの内周に密着する。
さらに、第2シール部材72の断面は、中心軸方向に切断した場合において馬蹄形状を有している。図6(c)に示すように、第2シール部材72が配置される保持部Hは菱形形状をしている。そして、本実施形態では、保持部Hの断面形状に倣うように第2シール部材72を馬蹄形状に形成し、保持部Hに対する密着性を高めている。
なお、本実施形態の第2シール部材72の材料には、銅、ステンレス、アルミなどの金属を用いることができる。その他、本実施形態の第2シール部材72の材料には、テフロン(登録商標)などを用いることができる。
以上のように構成される内燃機関1において、例えば燃焼圧が生じていないときなど燃焼室Cの圧力が大気圧程度であって無視できるほど小さい圧力状態(初期の状態)において、ダイアフラムヘッド40はほとんど変形しない。そして、この状態では、圧電素子10に対しては、大気圧に相当する荷重および、圧力検出装置5を組み立てる際に掛けられた予荷重が作用した状態になっている。なお、本実施形態では、この予荷重のみが作用する状態を圧力が零の状態となる。
一方で、圧力検出装置5の先端側(燃焼室C側)から遠い側においては、ハウジング30の内側の部材の温度が上昇し難い。従って、圧力検出装置5の燃焼室Cから遠い側においては、外側のハウジング30の熱膨張とハウジング30の内側の部材との熱膨張差が大きくなりやすい。その結果、内側の部材の熱膨張量が小さく、外側のハウジング30が熱膨張量が相対的に大きくなることで、例えば圧電素子10と第2電極部55との間に隙間が発生する可能性がある。そうすると、圧力検出装置5において、実際の圧力を正確に検出できない状態が発生して検出誤差が生じる畏れがある。
図7は、実施形態2に係わる内燃機関1を説明するための図である。
なお、実施形態1に係る内燃機関1と同様なものについては、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図7(a)は第2シール部材372の全体図を示し、図7(b)は図7(a)に示すVIIb−VIIb断面を示し、図7(c)は実施形態2の第2シール部材372が圧力検出装置5とシリンダヘッド4との間に設けられた状態を示す。
図7(c)に示すように、実施形態2に係る内燃機関1では、圧力検出装置5の第1ハウジング31における突出部315は、先端部に、中心線方向に垂直な肩部の一例としての第2垂直面315cと、後端部に、中心線方向に垂直な垂直面315bとを有している。
また、実施形態2のシリンダヘッド4の連通孔4aは、燃焼室C側から、第1孔部4bと、第1孔部4bの孔径よりも孔径が大きい第2孔部4dと、第1孔部4bと第2孔部4dとの間に設けられ中心軸方向に垂直な段差を形成する段差部4eを有している。
そして、実施形態2の内燃機関1は、シリンダヘッド4と圧力検出装置5との間をシールする第2シール部材372を有している。
第2シール部材372の内径は、取り付ける前の状態にて内径が圧力検出装置5の第1ハウジング31の側面31bの外径(本実施形態では段差部31btの外径)よりも若干小さく設定されている。また、第2シール部材372の外径は、シリンダヘッド4の連通孔4aにおける第2孔部4dの内径よりも若干大きく設定されている。そして、第2シール部材372が内燃機関1に取り付けられた際には、第2シール部材372の内周部が第1ハウジング31の外周に密着し、外周部が第2孔部4dの内周に密着する。
さらに、第2シール部材372の断面は、中心軸方向に切断した場合において円形状を有している。図7(c)に示すように、第2シール部材372が配置される保持部Hは矩形状をしている。そして、本実施形態では、保持部Hの断面形状に倣うように第2シール部材372を円形状に形成し、保持部Hに対する密着性を高めている。
なお、本実施形態の第2シール部材372の材料には、銅、ステンレス、アルミなどの金属を用いることができる。その他、本実施形態の第2シール部材372の材料としては、テフロン(登録商標)などを用いることができる。
そして、第2シール部材372は、第2シール部材372が設けられる保持部Hより後端側に向けた燃焼ガスの流入を抑制する。その結果、圧力検出装置5の第2シール部材372の後端側において、燃焼ガスの進入に起因する温度上昇による急激な内外の温度差の発生が抑制される。
図8は、実施形態3に係わる内燃機関1を説明するための図である。
なお、実施形態1に係る内燃機関1と同様なものについては、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
図8(a)は第2シール部材472の全体図を示し、図8(b)は図8(a)に示すVIIIb−VIIIb断面を示し、図8(c)は実施形態2の第2シール部材472が圧力検出装置5とシリンダヘッド4との間に設けられた状態を示す。
図8(c)に示すように、実施形態3に係る内燃機関1では、圧力検出装置5の第1ハウジング31における突出部315は、先端部に、中心線方向に垂直な肩部の一例としての第2垂直面315cと、後端部に、中心線方向に垂直な垂直面315bとを有している。
また、実施形態3のシリンダヘッド4の連通孔4aは、燃焼室C側から、第1孔部4bと、第1孔部4bの孔径よりも孔径が大きい第2孔部4dと、第1孔部4bと第2孔部4dとの間に設けられ中心軸方向に垂直な段差を形成する段差部4eを有している。
そして、実施形態3の内燃機関1は、シリンダヘッド4と圧力検出装置5との間をシールする第2シール部材472を有している。
第2シール部材472の内径は、取り付ける前の状態にて内径が圧力検出装置5の第1ハウジング31の側面31bの外径よりも大きく設定されている。また、第2シール部材472の外径は、シリンダヘッド4の連通孔4aにおける第2孔部4dの内径よりも若干大きく設定されている。そして、第2シール部材472が内燃機関1に取り付けられた際には、第2シール部材472の内周部と第1ハウジング31の外周との間には隙間を形成し、外周部と第2孔部4dとは密着する。
なお、本実施形態の第2シール部材472の材料には、銅、ステンレス、アルミなどの金属を用いることができる。その他、本実施形態の第2シール部材472の材料としては、テフロン(登録商標)などを用いることができる。
そして、第2シール部材472は、第2シール部材472が設けられる保持部Hより後端側に向けた燃焼ガスの流入を抑制する。その結果、圧力検出装置5の第2シール部材472の後端側において、燃焼ガスの進入に起因する温度上昇による急激な内外の温度差の発生が抑制される。
Claims (6)
- 燃焼室と、当該燃焼室を構成する壁面に形成されて当該燃焼室に通じるとともに奧側の径に比べて手前側の径が広い開口と、を有する内燃機関と、
前記内燃機関の前記開口に挿入可能な筒状であり当該開口の前記奧側の径に応じて挿入方向の先端側が細く当該開口の前記手前側の径に応じて後端側が太く当該先端側と当該後端側との間に肩部を有するハウジングと、当該ハウジングの挿入方向の先端側に設けられるダイアフラムと、当該ハウジング内であって当該ダイアフラムの後方に配置され当該ダイアフラムを介して作用する圧力を検出する検出部材と、を有する燃焼圧検出装置と、
リング状であって、断面を開口形状とする開口部を有し、前記燃焼圧検出装置の前記ハウジングの前記肩部にて前記内燃機関の前記開口と当該ハウジングとをシールするシール部材と、を備え、
前記ハウジングは、前記シール部材が嵌り込む段差部を有し、
前記シール部材は、当該シール部材の前記開口部の開口縁部が前記段差部に係止することで前記ハウジングに保持されることを特徴とする燃焼圧検出装置付き内燃機関。 - 前記シール部材は、当該シール部材の前記開口部が前記燃焼室に向けて開かれた状態にあることを特徴とする請求項1に記載の燃焼圧検出装置付き内燃機関。
- 前記燃焼圧検出装置の前記検出部材は、前記ハウジングにおける前記燃焼室と対向する側の端部に設けられ、
前記ハウジングの前記肩部は、前記挿入方向における前記検出部材の位置に形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の燃焼圧検出装置付き内燃機関。 - 前記ハウジングの前記肩部は、前記先端側から前記後端側に向かうに従って次第に径が大きくなるテーパ部であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃焼圧検出装置付き内燃機関。
- 前記内燃機関の前記開口の外側にて、前記ハウジングを挿入する挿入方向と同方向に押し付けられて当該ハウジングと前記燃焼室との間をシールする外側シール部材をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の燃焼圧検出装置付き内燃機関。
- 前記シール部材は、断面が馬蹄形状を有し、前記内燃機関の前記開口の内壁および前記ハウジングの前記テーパ部に沿って設けられることを特徴とする請求項4に記載の燃焼圧検出装置付き内燃機関。
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