JPH0127588Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本考案は圧力センサ内蔵点火プラグに関し、特
に従来の点火プラグの外形・性能をほとんど変更
させることなく、しかも鋭敏な圧力センサ内蔵点
火プラグ、特にノツキング等の高周波数域の圧力
変動・振動の検出にも鋭敏な圧力センサ内蔵点火
プラグを提供するものである。

［従来の技術］ 駆動中の内燃機関の燃焼圧を知ることはその燃
焼状況、トルク出力等を検知でき、燃料噴射量、
気筒数、変速比等を制御することにより燃費の節
約、ノツキング防止、騒音防止に有用であること
が予想されるのであるが、圧力センサを内燃機関
に適用する従来の方法は、例えば、圧力センサを
シリンダヘツド部分に点火プラグとは別にねじ孔
を開けて取り付ける方法あるいは第１図に示すよ
うに、内燃機関３の燃焼室内に位置した開口部７
ａを有する細長い燃焼圧伝播通路７を圧力センサ
６に至るまで主体金具５内に設けた点火プラグ１
を取り付ける方法により燃焼ガス圧を測定してい
た。

［考案の解決しようとする課題］ ところが、上記の方法を採用すると既に最も効
率的に設計してある内燃機関本体構造が変化した
り、又は点火プラグ本体の外形が著しく変化して
支障を生ずることになつた。例えば、前者の方法
は内燃機関周囲の設計に制約を及ぼしたり、シリ
ンダヘツドのねじ孔と圧力センサとの間隙から燃
焼ガスが漏出したりして出力低下の原因となつ
た。一方、後者の方法はその形状が従来の点火プ
ラグを著しく異なり、前者と同様内燃機関３周囲
の設計に制約を及ぼすことの他に、その点火プラ
グ１自体、取り付け不可能な内燃機関があり、又
取り付けは可能でもその着脱が困難となり、更に
冷却水の流入口８ａ、流出口８ｂ及び圧力センサ
６の電極９，１０への図示省略されたパイプある
いは導線の接続、及びそのための各種装置が必要
なため、内燃機関３周辺が非常に複雑な状態とな
り、製造や修理に時間を要することとなつた。
又、後者のような点火プラグ１を取り付けた内燃
機関３においては伝播通路７部分が燃焼を起こさ
ない、いわゆるクエンチ域となり、アイドリング
時のHCの増大を招き、又、すきま容積の増大か
ら圧縮比が変わつて内燃機関３の出力が低下し、
更に伝播通路７での気柱振動によりＳ／Ｎ比の悪
化を生じた。それ故、圧力センサを内燃機関に取
り付けることが各種機関制御に非常に有望である
にもかかわらず、現実には実験室的使用にとどま
つていたのである。この他の問題として、ノツキ
ング等の高周波数域の圧力振動が、圧力センサま
での伝達経路によつては、吸収により減衰する可
能性もあつた。

そこで本考案者等は、このような有用な圧力セ
ンサを従来の内燃機関及びその周辺に悪影響を与
えることなく、適用しようと鋭意検討の結果、通
常、精密な測定性能を有するセンサ等の適用がそ
の高電圧ゆえに考慮されたことがなかつた点火プ
ラグの中心電極部分に圧力センサを適用すること
により、点火プラグ自身や他の部分に悪影響を与
えることなく、しかも精密な測定が可能なことを
見い出し本考案の圧力センサ内蔵点火プラグを完
成したのである。

［課題を解決するための手段］ 即ち、本考案の要旨とするところは、 中心電極と接地電極との間で放電させることよ
り、内燃機関燃焼室の燃料に点火するプラグにお
いて、 上記中心電極を、 高電圧が供給される基側部分と、 燃焼室側の圧力変動に応じて中心軸に沿つて移
動可能な放電用先側部分と、に分割して別体とな
し、 上記基側部分と先側部分との間に、受圧面を含
む外周部が電気伝導体からなる圧力センサを、そ
の外周部の一部を基側部分に接し、かつその受圧
面を先側部分に接して設け、上記基側部分と上記
先側部分とにより所定の圧締力を上記圧力センサ
に与えると共に、上記受圧面と上記先側部分の中
心電極とからなる振動系の固有振動数を６〜10K
Hzとしたことを特徴とする圧力センサ内蔵点火プ
ラグにある。

以下図面に基づき本考案の実施例を説明してゆ
く。

［実施例］ 第２図は本考案の第１実施例を示す点火プラグ
１１の縦断面図である。ここで１２は水晶を圧電
素子とした圧力センサであり、絶縁体１６の中心
部にある中心電極挿入孔１６ｂの中に設けられて
いる。１３は中心電極の内、高電圧が供給される
基側の電極を、１４は放電する先側の電極を示
し、圧力センサ１２はこの両電極１３，１４の間
に挾まれた形で存在する。基側の電極１３の基側
先端部１３ａは、絶縁体１６の孔１６ｂに螺入さ
れている端子１７の嵌入穴１７ｂに嵌入固定され
ている。先側の電極１４は、図示するごとく、そ
の外周面で、絶縁体１６の中心電極挿入孔１６ｂ
の内面に当接することで支持され、中心軸に沿つ
て移動可能に配置されている。この電極１４の基
側先端部１４ａが圧力センサ１２に当接し、係止
突部１４ｂが挿入孔１６ｂの段部１６ｅに係止し
ているため、実際には圧力センサ１２の受圧面と
してのダイヤフラム３５の変形分のみ移動可能で
ある。従つて先側の電極１４とダイヤフラム３５
とが一体となつて振動又は移動することが可能で
ある。絶縁体１６は更にその大径の中央部１６ｄ
及び先端部１６ｆが接地電極１５ｆを有する主体
金具１５に被われ、金具１５のかしめ部１５ａで
絶縁体１６の肩部１６ｇに、又、他のかしめ部１
５ｃで絶縁体１６の周溝１６ｃにかしめられて、
絶縁体１６は金具１５に固定され、両者の間隙が
シールされている。但し、先側の電極１４を被つ
ている絶縁体１６の先端部１６ｆと手体金具１５
の内燃機関への螺合部１５ｄとは空隙部２１を隔
てている。又、螺合部１５ｄ近傍には内燃機関の
気密保持のためのリング状ガスケツト２０が設け
られている。

上記圧力センサ１２は第３図の拡大縦断面図に
示すように、水晶板からなる圧電素子３１，３２
が各々起電力の方向を逆にして陽極３３を挾む積
層体で基本的に構成されている。この積層体の周
壁は全周絶縁体３４で被われ、圧電素子３１側の
端面３１ａにて陰極３６に接触し、他の圧電素子
３２側の端面３２ａにて受圧面である電導性ダイ
ヤフラム３５に接触している。そしてこれらは電
導性の円筒形ケース３７に収納され、陰極３６が
ケース３７と導電状態に接触し、ダイヤフラム３
５はその周縁部３５ａでケース３７の縁部３７ａ
に溶接固定されて、ケース３７は共通の陰極とな
つている。このように圧力センサ１２の外周部
は、ケース３７とダイヤフラム３５とから構成さ
れているため、電気伝導性を有することになる。

陽極３３からは絶縁体１８ａに被覆された金属
線１８ｂから構成されるリード線１８が導出し、
圧電素子３１、陰極３６、ケース３７、基側の中
心電極１３及び端子１７の各々の中心部に穿設さ
れた導出孔を絶縁状態で貫通し、点火プラグ１１
の外部へ導き出されている。このリード線１８は
例えばデイストリビユータまで配設されてデイス
トリビユータ内部あるいはその近傍に付設されて
いる増幅器に接続される。又、陰極を構成してい
るケース３７は基側の中心電極１３にその端部１
３ｄに接触することにより、圧力センサ１２の陰
極は端子１７と接続している高圧ケーブルの他端
が接続されているデイストリビユータまで到達
し、そこで増幅器に、陽極リード線１８と共に接
続され、この増幅器とコントロール装置とが接続
されることにより、圧力センサ１２の信号に基づ
いて各種装置がコントロールされることになる。

圧力センサ１２はその感度を高くするためプリ
ロード、つまり予め圧力センサ１２にある程度の
圧締力をかけておく。プリロードは基側の中心電
極１３が先側の中心電極１４とともに圧力センサ
１２を圧締することにより与えられる。この圧締
によるプリロードは、例えば、端子１７の雄ねじ
部１７ｄの螺合圧により発生させることができ
る。即ち、端子１７の雄ねじ部１７ｄには、基側
の中心電極１３の基側先端部１３ａが挿入されて
いる。従つて、雄ねじ部１７ｄを絶縁体１６の雌
ねじ部１６ａへ螺入すると、先側の電極１４の係
止突部１４ｂが絶縁体１６の挿入孔１６ｂの段部
１６ｅに係止することにより移動が阻止された先
側先端部１４ａにて、圧力センサ１２が支持され
るので、圧力センサ１２を圧縮することができる
のである。

上記先側の中心電極１４はその材質・形状によ
り、圧電素子３２側の端面３２ａでの固有振動
数、つまり電極１４とダイヤフラム３５とを一体
とした固有振動数が６〜10KHzに調節されてい
る。この振動数はノツキングの周波数域に適合さ
せたものである。固有振動数は一般に次の式で表
わされる。

₀＝（１／2π）・√ この式において₀は物体の固有振動数、ｃはそ
のバネ定数（Ｎ／μm）、ｍは共振質量Kgを示す。
本実施例においては、圧力センサ１２の受圧面３
２ａより先側の振動系、つまりダイヤフラム３５
と先側の中心電極１４とを一体とした系のｃある
いはｍを適当に選択することにより6kHz≦₀≦
10kHzとする。一般に中心電極として使用されて
いるものは固有振動数が低いものがほとんどで、
本実施例に適用するためには、その材質・形状の
変更によりｃを大きくするか、又はｍを小さくす
る。

上記のように構成された圧力センサ内蔵点火プ
ラグ１１は、従来の点火プラグが適用されていた
内燃機関にそのまま同様に適用することができ、
シリンダヘツドの点火プラグ取付孔へそのまま取
り付けられる。

シリンダヘツドへ適用された上記第１実施例の
点火プラグ１１は、端子１７より供給される高電
圧電流が基側の中心電極１３、圧力センサ１２の
ケース３７、ダイヤフラム３５及び先側の中心電
極１４に至り、先側の中心電極１４の白金あるい
は導電セラミツクで形成されている先端部１４ｃ
と相対している接地電極１５との間で放電を生
ずることにより、通常の点火プラグと全く同様の
作用をなす。

放電により内燃機関に爆発が生ずると、第１実
施例の点火プラグ１１の内、直接機関の燃焼室内
に露出している先側の中心電極１４の先端側１４
ｃが、燃焼圧の衝撃を受ける。この時、その通常
の燃焼による圧力は先側の中心電極１４を介して
圧力センサ１２に伝達されるが、先側の中心電極
１４と受圧面としてのダイヤフラム３５とが一体
となつた振動系が６〜10kHzの固有振動を有して
いることにより、ノツキング発生時の周波数の高
い圧力振動も上記振動系が共振を生ずるため、振
幅が増幅されて圧電素子３２側の端面３２ａに伝
達される。

このようにダイヤフラム３５に接している圧電
素子３２の端面３２ａが燃焼圧に応じた圧力にて
押圧されることにより圧電素子が電荷を発生し、
次いで陽極３３を介して、もう１つの圧電素子３
１を押圧して電荷を発生させる。このようにして
発生した圧力信号は、前述のようにプラス側につ
いてはリード線１８を伝導して、例えばデイスト
リビユータ近傍にある増幅器に至り、マイナス側
については圧力センサ１２のケース３７から基側
の中心電極１３、端子１７、高圧ケーブル及びデ
イストリビユータに到達して、その近傍の増幅器
に接続され、各種コントロール用データとして利
用される。更に圧力センサ１２にはプリロードが
かけられているので、極めて高感度の検出とな
る。ここで圧力センサ１２及びそのリード線１８
は全て高電圧に曝されている形となつているが、
全てが同電位であるので、例え基側の中心電極１
３からリード線１８の金属線１８ｂにスパークの
ための高電圧電流が漏れたとしても、圧力センサ
１２の圧力信号自体がシヨートしない限り、圧力
信号には何ら悪影響をおよぼすことはない。

第１実施例は以上述べた如く、従来のプラグと
同様に内燃機関に適用でき、その外形がほとんど
変更を要しないので取り付け作業あるいは内燃機
関自体や周辺装置に支障をきたさない。又、圧力
センサに直接燃焼ガスが触れないため、圧電素子
の耐久性向上及び水冷却等の強制冷却装置が不要
となる。更に、ダイヤフラム３５と先側の中心電
極１４とからなる振動系が６〜10kHzと高い固有
振動数を有するため、低周波数域ばかりでなく、
ノツキング等の高い周波数の検出も共振により精
度よくでき、広い周波数域の検出が可能となる。
更に、圧力センサ１２に常にプリロードがかけら
れているので極めて感度の高い測定を行うことが
できる。また、圧力信号取り出しに高圧ケーブル
等の点火系の配線部を利用しているためワイヤハ
ーネスの簡素化を図ることができ、又、元来点火
系の配線は絶縁抵抗高く構成されているので、そ
こに組み込まれた圧力センサのリード線等の信号
線は絶縁抵抗を高く保持することができ、精度の
高い測定が可能となる。

次に第４図は本考案の第２実施例の要部縦断面
図を示す。第２実施例の点火プラグ４１は先側の
中心電極４４を除いては第１実施例と同一構造を
なす。本実施例においては先側の中心電極４４中
央部分に収納室４４ａが設けられている。この収
納室４４ａには密度の適当な通常密度の低い金属
等の固体４４ｂが封入されている。このことによ
り先側の中心電極４４の質量ｍ及びバネ定数ｃの
調節がなされ、ダイヤフラム３５との組合せの固
有振動数が６〜10kHzに設定されて、高周波数の
圧力も精度よく検出することができる。更に、第
１実施例の効果に加えて、固有振動数の調節は、
先側の中心電極４４自体の材質、外形を変更しな
くとも、収納室４４ａに封入する固体４４ｂの量
及び性状を変化させることにより調整可能である
ので、点火プラグの放電性能あるいは寿命等に影
響を与えることがない。更に、固体４４ｂの熱伝
導性あるいは比熱の適度なものを選択することに
より、圧力センサ４２の高温対策や電極先端の過
熱による過早着火が防止できる。

次に第５図は本考案の第３実施例の要部縦断面
図を示す。第３実施例の点火プラグ５１は先側の
中心電極５４を除いては第１実施例と同一構造を
なす。本実施例においては第２実施例と同様に先
側の中心電極５４中央部分に収納室５４ａが設け
られている。この収納室５４ａには密度の適当な
流体５４ｂが適当量封入され、又、流体５４ｂが
収納室５４ａの容積より小量封入された場合は、
真空又は流体の蒸気あるいは空気その他の気体の
単独又はそれらの組み合わさつた気体が充填した
空隙部５４ｃが流体５４ｂ上方に形成される。た
だし、燃焼温度において、高圧のガスを発生する
流体は、その圧力によつて先側の中心電極５４を
膨張させて圧力センサ５２へのプリロードに変化
を与え測定値に影響することがあるので、高温に
おいて蒸気圧の低い流体が好ましい。

このことにより、先側の中心電極５４の質量ｍ
及びバネ定数ｃの調節がなされ、ダイヤフラム３
５との組合せの固有振動数が６〜10KHzに設定さ
れて、高周波数の圧力も精度よく検出することが
できる。又、第２実施例と同様に、第１実施例の
効果果に加えて、固有振動数の調節は先側の中心
電極５４自体の材質、外形を変更しなくとも、収
納室５４ａに封入する流体５４ｂの量及び性状を
変化させることにより調整可能であるので、点火
プラグの放電性能あるいは寿命等に影響を与える
ことがない。更に、収納室５４ａ内部に封入する
ものが流体５４ｂであるので、収納室５４ａへの
充填作業及び充填量の調節が容易であり、より精
密に固有振動数の調節を行うことができる。更
に、流体５４ｂの熱伝導、比熱あるいは気化熱の
適度なものを選択することにより、圧力センサ５
２の高温対策や電極先端の過熱による過早着火が
防止できる。

［考案の効果］ 以上詳述した如く、本考案の圧力センサ内蔵点
火プラグによれば、外周部が電気伝導体からなる
圧力センサが高電圧用の中心電極を２つに分割し
たその中間部に設けられていることにより、通常
の点火プラグと同様な作用をなすとともに、圧力
センサが直接燃焼ガスに曝されることがない。そ
のため圧力センサ自体の寿命が長くなり、水冷却
等の強制冷却装置が不要となり、いたずらに装置
が複雑化しない。又、圧力センサの受圧面と先側
部分の中心電極とからなる振動系が６〜10KHzの
固有振動数であることにより、通常の燃焼圧の検
出が精密にできるばかりでなでなく、中心電極が
比較的質量が大きいにもかかわらずノツキングの
ような振動数の高い異常燃焼の燃焼圧をも、振動
系が共振を起こすことにより、圧力センサの信号
が著しく増幅されて、容易に精度よく検出でき
る。更に、圧力センサに圧締力がかけられている
ため感度の高い測定ができる。また先側の中心電
極の内部に固有振動数調節用材料を封入する構成
とした場合、その材質を適当に選ぶことにより、
圧力センサへの熱伝導を調節して圧力センサの温
度調整をしたり、電極先端の過熱による過早着火
の防止も可能となる。

又、中心電極部分に圧力センサを設けたため、
従来の点火プラグに比較してその外形がほとんど
同一となる。従つて、内燃機関の構造を変更する
ことなく適用が可能となる。更に高電圧中心電極
を圧力センサのリード線の片方に利用することが
できる。このようにすれば一方のリード線が省略
でき、ワイヤーハーネスの簡素化に寄与し、元来
絶縁抵抗を高く構成してある中心電極中に圧力セ
ンサ及びそのリード線を組み込むため、それらの
絶縁抵抗を高く保持できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧力センサと点火プラグを組み合わせ
た錠従来例の内燃機関への適用を示す縦断面図、
第２図は本考案の第１実施例の縦断面図、第３図
はその圧力センサ部分の拡大縦断面図、第４図は
本考案の第２実施例の要部縦断面図、第５図は第
３実施例の要部縦断面図を表わす。 １１，４１，５１……点火プラグ、１２，４
２，５２……圧力センサ、１３……基側の中心電
極、１４，４４，５４……先側の中心電極、１５
……接地電極、３５……ダイヤフラム（受圧
面）、３７……ケース、４４ａ，５４ａ……収納
室、４４ｂ……封入固体、５４ｂ……封入流体。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 中心電極と接地電極との間で放電させることに
   より、内燃機関燃焼室の燃料に点火するプラグに
   おいて、 上記中心電極を、 高電圧が供給される基側部分と、 燃焼室側の圧力変動に応じて中心軸に沿つて移
   動可能な放電用先側部分と、 に分割して別体となし、 上記基側部分と先側部分との間に、受圧面を含
   む外周部が電気伝導体からなる圧力センサを、そ
   の外周部の一部を基側部分に接し、かつその受圧
   面を先側部分に接して設け、上記基側部分と上記
   先側部分とにより所定の圧締力を上記圧力センサ
   に与えると共に、上記受圧面と上記先側部分の中
   心電極とからなる振動系の固有振動数を６〜10K
   Hzとしたことを特徴とする圧力センサ内蔵点火プ
   ラグ。