DE60035854T2

DE60035854T2 - Anordnungstruktur eines Motorteils mit Verbrennungsdrucksensor in der Maschine

Info

Publication number: DE60035854T2
Application number: DE60035854T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Aichi-pref. Murai; Kouichi Aichi-pref. Hattori
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2020-12-23
Also published as: EP1134385A3; DE60035854D1; US20010015402A1; JP2001182937A; US6411038B2; EP1134385B1; EP1134385A2; JP4300663B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einbaustruktur einer Maschinenkomponente (beispielsweise einer Glühkerze, einer Zündkerze, einer Einspritzeinrichtung und eines Bolzens) mit einem Verbrennungsdrucksensor in einer Maschine, bei der die Maschinenkomponente in eine Einbauöffnung der Maschine eingeführt und an der Maschine befestigt ist, und der Verbrennungsdrucksensor an der Maschinenkomponente befestigt ist, um ein Signal zu erzeugen, das den Maschinenverbrennungsdruck darstellt.
Eine Einbaustruktur mit den Merkmalen, die in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3 zusammengefasst sind, ist aus dem Dokument JP-A-07139736 bekannt. Bei dieser bekannten Einbaustruktur ist die Maschinenkomponente mit einem Verbrennungsdrucksensor eine Glühkerze mit einem Verbrennungsdrucksensor, die als eine Zündhilfevorrichtung zum Starten einer Dieselmaschine verwendet werden soll. Der allgemeine Aufbau dieser herkömmlichen Glühkerze J1 mit einem Verbrennungsdrucksensor ist in 11 gezeigt.
Die herkömmliche Glühkerze J1 mit einem Verbrennungsdrucksensor besteht aus einem Kerzenkörper 200 mit einem Heizkörper 206 zum Erzeugen einer Wärme, wenn dieser unter Strom gesetzt wird, und einem Verbrennungsdrucksensor 300 zum Erzeugen eines Signals basierend auf einer Kraft, als Reaktion auf einen Verbrennungsdruck, der auf den Kerzenkörper 200 wirkt.
Ein Teil des Kerzenkörpers 200 ist an einer seiner Endseiten in eine Einbauöffnung 1b (eine Kerzenöffnung, eine Gewindebohrung) eingeführt, die an einem Maschinenkopf 1 einer Dieselmaschine ausgebildet ist, und ist fest an dem Maschinenkopf 1 befestigt. Ein Außengewinde 201a eines Gehäuses 201 ist in ein Innengewinde 1c der Einbauöffnung 1b zum Befestigen eingeschraubt.
Bei der Glühkerze J1 wird von einer elektrischen Stromquelle (nicht gezeigt) eine Spannung über eine Anschlussschiene 2 an eine Mittelachse 204 angelegt. Die Mittelachse 204 ist über eine Heizspule 203, eine Hülse 202 und das Gehäuse 201 an den Maschinenkopf 1 an Masse gelegt.
Der Heizkörper 206, der aus der Heizspule 203 und der Hülse 202 besteht, erzeugt eine Wärme zum Unterstützen einer Zündung der Dieselmaschine bei deren Startvorgang.
Des Weiteren hat die Glühkerze J1 einen Dichtungsaufbau, mit dem ein Austreten eines Verbrennungsgases durch die Einbauöffnung 1b verhindert wird. Da ein Druck einer explosionsartigen Verbrennung in einer Brennkammer 1a der Dieselmaschine höher ist als derjenige einer Benzinmaschine, und beispielsweise bis auf 150 MPa ansteigt, ist es sehr wichtig, eine geschlossene Dichtung zu halten, damit kein Verbrennungsgas oder -druck zu der Umgebung austritt. Bei einem Austritt kann die Maschine aufgrund einer reduzierten Maschinenausgabe und einer schwankenden Maschinendrehzahl, die eine Maschinenvibration und eine verschlechterte Beschleunigung bewirken kann, nicht passend betätigt werden, was ein Fahrer als unvorteilhaft fühlt.
Um die Luftdichtigkeit der herkömmlichen Glühkerze J1 sicherzustellen, sind ein abgeschrägter Gehäuseabschnitt 212, der an einer vorderen Endseite des Gehäuses 201 an dem Kerzenkörper 200 ausgebildet ist, und ein abgeschrägter Sitzflächenabschnitt 1d, der bei einem Innenumfang der Einbauöffnung 1b des Maschinenkopfs 1 ausgebildet ist, einander zugewandt vorgesehen, und kommen einander in engen mit Druck beaufschlagten Kontakt, indem das Gehäuse 201 in die Einbauöffnung 1b mit einem empfohlenen standardisierten Befestigungsmoment eingeschraubt wird (beispielsweise 10 bis 15 N·m).
Genauer gesagt ist ein Abschrägungswinkel des abgeschrägten Gehäuseabschnitts 212 beispielsweise um 3° größer als derjenige des abgeschrägten Sitzflächenabschnitts 1d. Wenn der Kerzenkörper 200 festgezogen wird, kommt der abgeschrägte Gehäuseabschnitt 212 fest in einen Umfangslinienkontakt mit dem Abschnitt mit abgeschrägter Sitzfläche 1d und der Kerzenkörper 200 wird an dem Maschinenkopf 1 bei einem Zustand befestigt, dass ein Umfangsteil des abgeschrägten Gehäuseabschnitts 212 bei dem Linienkontakt in den Abschnitt mit abgeschrägter Sitzfläche 1d schneidet. Folglich wird das in der Brennkammer 1a erzeugte Verbrennungsgas daran gehindert, nach außen auszutreten, so dass die Abdichtung sichergestellt ist.
Der so befestigte Kerzenkörper 200 kann die steife Befestigung mit dem Maschinenkopf 1 aufgrund einer Reibungskraft des abgeschrägten Gehäuseabschnitts 212 und des abgeschrägten Sitzflächenabschnitts 1d, einer Reibungskraft des Außengewindes 201a des Gehäuses 201 und des Innengewindes 1c der Einbauöffnung 1b, und einer gemeinsamen elastischen Kraft des Gehäuses 201 und des Maschinenkopfs 1 beibehalten.
Bei der Glühkerze J1 ist ein ringförmiger Verbrennungsdrucksensor 300 an das Gehäuse 201 bei einem Außenumfang des Gehäuses 201 gepasst und an einer Fläche des Maschinenkopfs 1 befestigt, indem eine Befestigungsmutter 310 für den Sensor 300 an das Außengewinde 201a des Gehäuses 201 geschraubt wird.
Der Verbrennungsdrucksensor 300 kann ein piezoelektrisches Bauteil (nicht gezeigt) aufweisen, wie es im Dokument JP-A-07139736 gezeigt ist, das eine Kraft, die auf den Kerzenkörper 200 wirkt, in ein elektrisches Signal (elektrische Ladung) entsprechend einer piezoelektrischen Eigenschaft umwandelt und das elektrische Signal ausgibt, das den Verbrennungsdruck darstellt.
Eine Last wird über das Gehäuse 201 des Kerzenkörpers 200 im Voraus an den Verbrennungsdrucksensor 300 angelegt. Ein Verbrennungsdruck, der in der Brennkammer 1a erzeugt wird, wird über den Heizkörper 206 und das Gehäuse 201 zu dem Außengewinde 201a übertragen. Folglich wird das Gehäuse 201 mit dem Außengewinde 201a in einer axialen Richtung der Einbauöffnung 1b aufwärts gedrückt, um sich etwas zu verformen, so dass die Last auf den Verbrennungsdrucksensor 300 abgeschwächt werden kann. Eine Änderung der Last wird in das elektrische Signal umgewandelt, das von einem Leitungsdraht 500 ausgegeben wird, so dass eine Änderung eines Verbrennungsdrucks erfasst wird.
Jedoch hat die herkömmliche Einbaustruktur der Glühkerze J1 mit dem Verbrennungsdrucksensor einige Nachteile. Einer der Nachteile ist, dass eine Übertragungseffizienz eines Übertragens der Kraft von dem Kerzenkörper 200 zu dem Verbrennungsdrucksensor 300 gering ist und eine Ausgabeempfindlichkeit des Sensors 300 nicht ausreichend ist.
Da der Kerzenkörper 200 starr an dem Maschinenkopf 1 befestigt ist, um die Luftdichtigkeit mit dem empfohlenen standardisierten Befestigungsmoment sicherzustellen, so dass das Gehäuse 201 zum Übertragen eines Verbrennungsdrucks fest durch sowohl den Abschnitt mit abgeschrägter Sitzfläche 1d, als auch das Außengewinde 1c in der Einbauöffnung 1b gehalten wird, ist ein Verformungsbetrag des Kerzenkörpers 200 entsprechend einer Änderung des Verbrennungsdrucks außergewöhnlich beschränkt. Infolgedessen ist die Änderung der Last beschränkt, so dass die Ausgabeempfindlichkeit des Verbrennungssensors 300 gering ist.
Wenn ein Problem darin besteht, dass nur die Empfindlichkeit gering ist, kann die Empfindlichkeit leicht durch Verwenden eines elektrischen Verstärkerkreises verbessert werden. Jedoch wird bei diesem Fall, da die mechanischen Vibrationsgeräusche und elektrischen Geräusche gleichzeitig auch verstärkt werden, ein S/N-Verhältnis nicht geändert. Deshalb ist dies keine günstige Lösung, um das Problem zu bewältigen.
Ein experimentelles Testergebnis zeigt, dass eine erhaltene Ausgabeempfindlichkeit (eine Erzeugungsladung pro Einheitsdruck pC/Mpa) einer Maschinenkomponente mit dem Verbrennungsdrucksensor, der in 11 gezeigt ist, nur 5% von derjenigen des Verbrennungsdrucksensors 300 ist, der nicht an dem Kerzenkörper eingebaut ist und die Übertragungseffizienz ist bemerkenswert gering.
Ein weiterer Nachteil ist, dass die Ausgabeempfindlichkeit des Verbrennungsdrucksensors 300 in großem Maße entsprechend den Maschinenbetriebsbedingungen variiert. Ein linearer Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses 201, das ein Teil des Kerzenkörpers 200 ist, unterscheidet sich in großem Maße von demjenigen des Maschinenkopfes 1 aufgrund eines Materialunterschieds von diesem. Der lineare Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses 201 (Stahl) ist 12 × 10^–6 (/°C), und derjenige des Maschinenkopfs 1 (Aluminiumlegierung) ist 23 × 10^–6 (/°C).
Wie es von der Tatsache, dass ein Unterschied der linearen Expansionskoeffizienten existiert, wenn sowohl der Kerzenkörper 200, als auch der Maschinenkopf 1 einen Heizeffekt empfangen, nachdem der Kerzenkörper 200 bei einer Normaltemperatur (Raumtemperatur) an dem Maschinenkopf 1 befestigt wird, klar verstanden wird, dehnt sich der Maschinenkopf 1 in größerem Maße als der Kerzenkörper 200 aus, so dass die Last des Kerzenkörpers 200 abgeschwächt wird und eine Befestigung gelockert wird. Wenn eine Maschinendrehzahl als einer der Maschinenbetriebszustände höher ist, wird die Befestigung stärker gelockert, da die Temperatur im größeren Maße erhöht wird.
Wie es vorstehend erwähnt ist, da der Lockerungsbetrag des Kerzenkörpers 200, d.h. die Last (eine Befestigungskraft) des Verbrennungsdrucksensors 300 durch eine Temperaturveränderung geändert wird, existiert ein Unterschied der Ausgabeempfindlichkeit basierend auf den Zuständen von hoher und niedriger Maschinendrehzahl.
Gemäß einem weiteren Versuchstest beim Gebrauch eines Druckanzeigers, mit dem eine Verbrennungsdruckänderung direkt aus der Brennkammer erfasst wird (ohne einem Einfluss eines dortigen Einbaus), während die Maschinenbetriebszustände von einer hohen Drehzahl zu einer niedrigen Drehzahl geändert werden, zeigt das Testergebnis, dass der Unterschied von Zuständen mit hoher und niedriger Maschinendrehzahl einen 25%igen Unterschied hinsichtlich der Ausgabeempfindlichkeit (pC/Mpa) des Sensors 300 bringt.
Die vorstehend erwähnten zwei Probleme gelten nicht nur für die Einbaustruktur der Glühkerze mit dem Verbrennungsdrucksensor, sondern auch für diejenige einer anderen Maschinenkomponente mit dem Verbrennungsdrucksensor, wenn ein Teil der Maschinenkomponente an seiner einen Endseite in die Einbauöffnung eingeführt wird, die in der Maschine ausgebildet ist, und der Verbrennungsdrucksensor an der Maschinenkomponente zum Ausgeben eines Signals befestigt ist, das den Maschinenverbrennungsdruck darstellt.
Eine Zündkerze, eine Einspritzeinrichtung usw. sind typische Beispiele einer Maschinenkomponente mit Verbrennungsdrucksensor. Jede der Komponenten wird starr in der Einbauöffnung gehalten, um die Luftdichtigkeit sicherzustellen, und es besteht ein Unterschied der linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Maschinenkopf und der Maschinenkomponente.
Um mehrere Details der vorstehenden Probleme zu untersuchen, zeigt 12 eine schematische Ansicht der herkömmlichen Einbaustruktur der Glühkerze J1 mit dem Verbrennungsdrucksensor in dem Maschinenkopf 1. Der Verbrennungsdrucksensor 300 hat eine Befestigungsmutter 310, einen Basissitz 340 und ein piezoelektrisches Element 320, das zwischen Befestigungsmutter 310 und Basissitz 340 gelegt ist. Ein abgeschrägter Kontaktabschnitt S gibt einen Abschnitt an, bei dem sich der Abschnitt mit abgeschrägter Sitzfläche 1d und der abgeschrägte Gehäuseabschnitt 212 einander berühren. Der abgeschrägte Kontaktabschnitt S hält die Last (axiale Last) in einer axialen Richtung der Einbauöffnung 1b, die durch Befestigen des Kerzenkörpers 200 an dem Maschinenkopf 1 erzeugt wird.
Wie es in 12 gezeigt ist, wird angenommen, dass Übertragungselemente eines Verbrennungsdrucks grundsätzlich aus dem Gehäuse 201 des Kerzenkörpers 200 (angenommen, dass der Heizkörper 206 in das Gehäuse 201 integriert ist), der Mutter 210 des Verbrennungsdrucksensors 300, dem piezoelektrischen Element 320, dem Basissitz 340, dem Maschinenkopf 1 und dem abgeschrägten Kontaktabschnitt S bestehen.
13 zeigt ein äquivalentes Federungssystemmodell, in das die vorstehend erwähnten Übertragungselemente umgewandelt werden, während der Maschinenkopf 1 angebunden ist. Jede Federkonstante der Übertragungselemente kann angegeben werden durch K = L/A × E (mm/N), wobei eine axiale Länge des Elements L (mm), das E-Modul von diesem E (N/mm²) ist, und ein Querschnittsbereich einer radialen Richtung A (mm²) ist.
Folglich können jeweils eine Federkonstante Kh des Gehäuses 201 kh, eine Federkonstante Kn der Mutter 310, eine Federkonstante des piezoelektrischen Elements 320, eine Federkonstante Kd des Basissitzes 340 und eine Federkonstante Kt des abgeschrägten Kontaktabschnitts S berechnet. Wenn eine Verbrennungsdruckkraft F an das Gehäuse 201 (mit dem Heizabschnitt 206) angelegt wird, wird eine Kraft P, die auf das piezoelektrische Element 320 wirkt, d.h. eine Übertragungskraft, durch die nachfolgende Formel angegeben. P = F × Kt/(Kh + Kn + Kp + Kd).
Die Kraft P wird als eine Funktion der Federkonstanten Kt des abgeschrägten Kontaktabschnitts S dargestellt. Und, da der Wert Kt höher ist, d.h. da der abgeschrägte Kontaktabschnitt S weniger steif und flexibler und elastischer ist, wird eine Übertragungseffizienz der Verbrennungsdruckkraft zu dem piezoelektrischen Element 320 in größerem Maße erhöht und die Ausgabeempfindlichkeit von diesem wird in größerem Maße erhöht.
Gemäß der vorstehend erwähnten Untersuchung wird verstanden, dass, wenn die Steifigkeit des abgeschrägten Kontaktabschnitts, d.h. die Steifigkeit eines Abschnitts, bei dem das Gehäuse 201 den Maschinenkopf 1 in der Einbauöffnung 1b berührt, niedriger ist, die Übertragungseffizienz eines Verbrennungsdrucks erhöht wird.
Das Dokument US-A-4 909 071 offenbart eine Einbaustruktur mit einer Maschinenkomponente, die von einer Zündkerze und einem Verbrennungsdrucksensor, der an der Zündkerze befestigt ist, gebildet wird. Die Zündkerze ist teilweise in eine Einbauöffnung eingeführt, die an einem Maschinenkopf ausgebildet ist, und wird durch Verschrauben eines Außengewindes eines zylindrischen Gehäuses von der Zündkerze in ein Innengewinde der Einbauöffnung an dem Maschinenkopf festgezogen und befestigt. Ein Dichtungsring ist zwischen eine obere Fläche des Maschinenkopfs und eine untere Fläche eines Flanschs, der an dem zylindrischen Gehäuse befestigt ist, gelegt.
Das Dokument EP-A-581067 offenbart eine Einbaustruktur mit einer Maschinenkomponente, die von einer Zündkerze und einem Verbrennungsdrucksensor gebildet wird, der an der Zündkerze befestigt ist. Die Zündkerze hat ein zylindrisches Gehäuse, das an seinem vorwärtigen Gehäuseendabschnitt mit einem Außengewinde versehen ist. Eine Dichtung ist hinter dessen Außengewinde um das zylindrische Gehäuse angeordnet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Einbaustruktur von der Art, wie sie in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3 definiert ist, derart weiterzubilden, dass eine Kraft in einer besseren Art und Weise von dem zylindrischen Gehäuse der Maschinenkomponente zu dem Verbrennungsdrucksensor übertragen wird, so dass die Sensorausgabeempfindlichkeit verbessert werden kann und eine Änderung der Ausgabeempfindlichkeit gemäß einer Änderung der Maschinenbetriebszustände begrenzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 3 definierte Einbaustruktur gelöst.
Gemäß der herkömmlichen Einbaustruktur sind die Kontaktfläche der Maschinenkomponente und die Sitzfläche der Maschine in direktem und mit Druck beaufschlagtem Kontakt miteinander und starr aneinander befestigt, so dass die Ausgabeempfindlichkeit gering ist. Jedoch wird erfindungsgemäß die Kraft, die auf die Maschinenkomponente in einer axialen Richtung der Einbauöffnung in Antwort auf den Verbrennungsdruck wirkt, passend über das elastische Bauteil zu der Maschinenkomponente übertragen, so dass die Ausgabeempfindlichkeit erhöht werden kann. Ferner werden ein Spalt zwischen der Maschinenkomponente und der Maschine und eine Änderung der Last, die durch einen Unterschied eines linearen Ausdehnungskoeffizienten zwischen diesen erzeugt wird, durch das elastische Bauteil absorbiert, dessen Elastizität größer ist. Infolgedessen kann eine Änderung der Sensorausgabeempfindlichkeit aufgrund einer Änderung der Maschinenbetriebszustände reduziert werden.
Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ebenso wie Betriebsverfahren und die Funktion der zugehörigen Teile aus einem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ersichtlich werden. In den Zeichnungen:
1 ist eine teilweise Querschnittansicht, die einen Umriss einer Einbaustruktur einer Glühkerze mit einem Verbrennungsdrucksensor in einer Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2A ist eine vergrößerte Querschnittansicht, die einen Abschnitt mit einer Dichtung der Einbaustruktur, die in 1 gezeigt ist, zeigt;
2B ist eine Ansicht der Dichtung, wenn sie von den Pfeilen IIB von 2A betrachtet wird;
2C ist eine Querschnittansicht entlang Linie IIC-IIC von 2B;
3A ist eine vergrößerte Querschnittansicht eines Abschnitts mit einem Verbrennungsdrucksensor der in 1 gezeigten Einbaustruktur;
3B ist eine Ansicht des Verbrennungsdrucksensors, wenn dieser von einem Pfeil IIIB von 3A betrachtet wird;
4A ist eine Verbrennungsdruckwellenform gemäß einem herkömmlichen Ausführungsbeispiel;
4B ist eine Verbrennungsdruckwellenform gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4C ist eine weitere Verbrennungsdruckwellenform gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4D ist eine weitere Verbrennungsdruckwellenform gemäß dem herkömmlichen Beispiel;
4E ist noch eine weitere Verbrennungsdruckwellenform gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4F ist noch eine weitere Verbrennungsdruckwellenform gemäß dem herkömmlichen Beispiel;
5 ist eine vergrößerte Querschnittansicht, die eine Abwandlung des Abschnitts mit der Dichtung zeigt;
6A ist eine Ansicht einer ersten Abwandlung der Dichtung;
6B ist eine Ansicht entlang Linie VIB-VIB von 6A;
6C ist eine Ansicht einer zweiten Abwandlung der Dichtung;
6D ist eine Ansicht entlang Linie VID-VID von 6C;
6E ist eine Ansicht einer dritten Abwandlung der Dichtung;
6F ist eine Ansicht entlang Linie VIF-VIF von 6E;
6G ist eine Ansicht einer vierten Abwandlung der Dichtung;
6H ist eine Ansicht entlang Linie VIH-VIH von 6G;
7 ist eine vergrößerte Querschnittansicht, die einen Abschnitt mit dünner Dicke eines Gehäuses zeigt, das gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ein elastisches Bauteil bildet;
8 ist eine teilweise Querschnittansicht, die einen Umriss einer Einbaustruktur einer Zündkerze mit einem Verbrennungsdrucksensor in einer Maschine zeigt, bei der die Dichtung als eine Idee der Erfindung angewandt wird;
9 ist eine teilweise Querschnittansicht, die einen Umriss einer Einbaustruktur einer Einspritzeinrichtung mit einem Verbrennungsdrucksensor in einer Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
10 ist eine teilweise Querschnittansicht, die einen Umriss einer Einbaustruktur eines Bolzens mit einem Verbrennungsdrucksensor in einer Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
11 ist eine teilweise Querschnittansicht, die einen Umriss einer herkömmlichen Einbaustruktur einer Glühkerze mit einem Verbrennungsdrucksensor in einer Maschine als Stand der Technik zeigt;
12 ist eine schematische Ansicht, die Elemente zum Übertragen eines Verbrennungsdrucks bei der herkömmlichen Einbaustruktur zeigt; und
13 ist eine schematische Darstellung, die ein äquivalentes Federsystemmodell zeigt, in das die herkömmliche Einbaustruktur konvertiert wird.
Eine Einbaustruktur einer Maschinenkomponente mit einem Verbrennungsdrucksensor, typischerweise einer Glühkerze mit einem Verbrennungsdrucksensor, in einer Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine teilweise Querschnittansicht eines Gesamtaufbaus einer Glühkerze 100 mit einem Verbrennungsdrucksensor, die in einen Maschinenkopf 1 eingebaut ist. Abschnitte, die zu denjenigen von 11 gleich sind, haben die gleichen Bezugszeichen wie in 11.
Die Glühkerze 100 besteht aus einem Kerzenkörper 200 (einer Maschinenkomponente der Erfindung) mit einem Heizkörper, durch den der Maschinenverbrennungsdruck übertragen wird, einem Verbrennungsdrucksensor 300 mit einem piezoelektrischen Bauteil, das eine Kraft, die auf den Kerzenkörper 200 wirkt, in ein elektrisches Signal in Übereinstimmung mit einer piezoelektrischen Eigenschaft von dieser umwandelt und ein Ausgabesignal erzeugt, das den Maschinenverbrennungsdruck darstellt, und aus einem Leitungsdraht 500 zum Senden des Ausgabesignals von dem Verbrennungsdrucksensor 300 zu einem äußeren Kreis (ECU für ein Fahrzeug bei dem Ausführungsbeispiel).
Der Maschinenkopf 1 ist beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung oder Eisen hergestellt und ist mit einer Einbauöffnung 1b (einer Kerzenöffnung, einer Gewindebohrung) versehen, die von einer Außenfläche von diesem zu einer Brennkammer 1a innerhalb von diesem durchdringt. Ein Teil des Kerzenkörpers 200 an seiner einen Endseite (untere Endseite in 1) ist in die Einbauöffnung 1b eingeführt und ist starr an dem Maschinenkopf 1 befestigt.
Der Kerzenkörper 200 hat ein zylindrisches Gehäuse 201, das aus Metall (beispielsweise Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt) hergestellt ist. Das Gehäuse 201 ist an einem Außenumfang mit einem Außengewinde 201a versehen, das zum Befestigen an den Maschinenkopf 1 in ein Innengewinde 1c der Einbauöffnung 1b eingeschraubt wird. Der Kerzenkörper 200 ist auch innerhalb des Gehäuses 201 mit einer zylindrischen Hülse 202 versehen, die durch das Gehäuse 201 gehalten wird.
Die Hülse 202 ist aus einer wärmeresistenten und erosionsresistenten Legierung (beispielsweise rostfreiem Stahl SUS 310) hergestellt. Ein Ende (unteres Ende in 1) der Hülse 202 ist geschlossen und ihr anderes Ende (obere Seite in 1) ist geöffnet. Eine Heizspule 203, die durch Widerstandsdrähte ausgebildet ist, die aus NiCr und CoFe hergestellt sind, wird an der einen Endseite in der Hülse 202 untergebracht. Ein Teil einer stabförmigen Mittelachse 204, die aus Metall hergestellt ist, ist in die Hülse 202 an der anderen Endseite eingeführt.
Ein Ende der Heizspule 203 ist mit dem geschlossenen Ende der Hülse 202 verbunden und das andere Ende der Heizspule 203 ist mit dem einen Ende der Mittelachse 204 verbunden. Die Hülse 202 ist mit einem wärmeresistenten Isolationspulver 205, wie beispielsweise Magnesiumoxid, gefüllt, um die Mittelachse 204 und die Heizspule 203 von der Hülse 202 zu isolieren.
Die Hülse 202 ist durch einen Gesenkdrück- und Zugumformprozess hergestellt. Ein Isolationspulver 205 wird in das Innere der Hülse 202 ohne leere Räume gestopft und die Mittelachse 204 und die Heizspule 203 sind über das Isolationspulver 205 starr an der Hülse 202 befestigt.
Ein Abschnitt der Hülse 202, in dem die Heizspule 203 untergebracht ist, die Heizspule 203 und das Isolationspulver 205 bilden einen Heizkörper 206. Der Heizkörper 206 ist mit einer Innenseite des Gehäuses 201 verbunden und wird durch diese in solch einer Art und Weise gehalten, dass ein Teil der Hülse 202 an der einen Endseite aus dem Gehäuse 201 freigelegt ist. Der Heizkörper 206 (ein Außenumfang der Hülse 202) ist in das Gehäuse 201 pressgepasst oder durch Silberlegierungshartlöten an dieses gefügt.
Eine Scheibe 207, die aus einem Isolationsmaterial wie beispielsweise Bakelit hergestellt ist, und ein aus Silikon oder Fluorgummi hergestellter O-Ring 208 sind innerhalb des Gehäuses 201 an dessen oberer Seite an der Mittelachse 204 angeordnet. Die Scheibe 207 ist zum Zwecke eines Platzierens der Mittelachse 204 bei einer axialen Mitte in dem Gehäuse 201 angeordnet und der O-Ring 208 ist zum Zwecke eines Sicherstellens einer Wasserdichtigkeit und Luftdichtigkeit innerhalb des Gehäuses 201 angeordnet.
Die Mittelachse 204 ist an und entlang ihrem Außenumfang mit einem Anschlussgewinde 204a versehen und ist über eine Isolationsbuchse 209, die aus einem Isolationsmaterial, wie beispielsweise Phenolkunststoff, durch Schrauben einer Befestigungsmutter 210 auf das Anschlussgewinde 204a an dem Gehäuse 201 befestigt. Die Isolationsbuchse 209 dient dazu, um die Mittelachse daran zu hindern, in Kontakt mit dem Gehäuse 201 zu kommen und mit diesem einen Kurzschluss auszubilden.
Eine Anschlussschiene 2 ist durch eine Anschlussmutter 211 an dem Anschlussgewinde 204a befestigt und im Kreis angebunden, das an der Mittelachse 204 an der anderen Endseite vorgesehen ist. Die Anschlussschiene 2 ist mit einer elektrischen Quelle (nicht gezeigt) verbunden und ist über die Mittelachse 204, die Heizspule 203, die Hülse 202 und das Gehäuse 201 an dem Maschinenkopf 1 an Masse gelegt. Deshalb kann der Heizkörper der Glühkerze 100 eine Wärme als eine Zündhilfe der Dieselmaschine bei einer Startzeit erzeugen.
Anstelle des Metallheizkörpers, der aus dem Metallwiderstandsdraht besteht, kann ein sogenannter keramischer Heizkörper als der Heizkörper 206 eingesetzt werden, bei dem eine leitfähige Keramik, deren Hauptbestandteile Siliziumnitrid und Siliziummolybdän sind, von einer gesinterten Isolationskeramik umhüllt wird, deren Hauptbestandteil Siliziumnitrid ist.
Als Hauptpunkt des Ausführungsbeispiels ist ein elastisches Bauteil 250 zwischen der Kerze 200 und einer Innenfläche der Einbauöffnung 1b in solch einer Art und Weise angeordnet, dass das elastische Bauteil 250 eine elastische Kraft in einer axialen Richtung der Einbauöffnung 1b (in einer axialen Richtung des Kerzenkörpers 200) erzeugt. Der Kerzenkörper 200 wird über das elastische Bauteil 250 gegen die Innenfläche der Einbauöffnung 1b zumindest in der axialen Richtung der Einbauöffnung 1b so gedrückt, dass die Luftdichtigkeit in der Brennkammer 1a (innerhalb der Maschine) sichergestellt sein kann.
Genauer gesagt ist das elastische Bauteil 250, wie es in 1 gezeigt ist, eine ringförmige hohle Dichtung 250, die eine Öffnung aufweist, in die der Heizkörper 206 des Kerzenkörpers 200 eingeführt ist. Die Dichtung 250 ist zwischen einem abgeschrägten Gehäuseabschnitt (Kontaktfläche) 212 und einem abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d der Einbauöffnung 1b platziert und der abgeschrägte Gehäuseabschnitt 212 wird mittels der Dichtung 250 gegen den abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d in der axialen Richtung der Einbauöffnung 1b zum Sicherstellen der Luftdichtigkeit gedrückt.
Wie es in den 2A, 2B und 2C gezeigt ist, ist die Dichtung 250 aus einem wärmeresistenten und erosionsresistenten Metall, wie beispielsweise SUS 304 oder einer Ni-basierenden Legierung hergestellt und ist ein elastischer Körper, der allgemein Metall-C-Dichtung genannt wird. Die Metall-C-Dichtung besteht aus einem kreisförmigen Rohr, das durch Pressen in einer Ringform ausgebildet ist, dessen Querschnitt der Buchstabe C ist. Die Metall-C-Dichtung hat an ihrem Außenumfang keine Verbindungsstellen und hat eine große Federkraft. Als typische Abmessungen der Dichtung 250 ist ein Rohrdurchmesser 1 mm, eine Plattendicke 0,1 mm und ein Innendurchmesser ⌀ 6 mm.
Nicht nur der abgeschrägte Gehäuseabschnitt 212 wird durch die Federkraft der Dichtung in der axialen Richtung der Einbauöffnung 1b gegen den abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d axial gedrückt, sondern es wird auch die Dichtung radial gegen eine Innenfläche der Einbauöffnung 1b gedrückt, da der abgeschrägte Gehäuseabschnitt in einer abgeschrägten Form ausgebildet ist, wie es in 2A gezeigt ist, und die Druckkraft auch in einer radialen Richtung der Einbauöffnung 1b wirkt.
Der Verbrennungsdrucksensor 300 ist insgesamt in einer Ringform ausgebildet und ist an einer Außenumfangsfläche eines Abschnitts des Kerzenkörpers 200 befestigt, der axial von einer Fläche des Maschinenkopfs 1 in solch einer Art und Weise hervorsteht, dass der Verbrennungsdrucksensor 300 die Fläche des Maschinenkopfs 1 berührt.
Wie es in den 3A und 3B gezeigt ist, ist der Verbrennungsdrucksensor 300 mit einer Mutter 310 (Sensorbefestigungsabschnitt) zum Einbauen einer Sensoreinheit an dem Kerzenkörper 200, einem piezoelektrischen Bauteil (Verbrennungsdrucksensorelement) 320, das ein elektrisches Signal (elektrische Ladung) in Übereinstimmung mit einer Kraft in Reaktion auf den Verbrennungsdruck erzeugt, einem Leitungsabschnitt 330 zum Aufnehmen des elektrischen Signals, das in dem piezoelektrischen Bauteil 320 erzeugt wird, und zum Senden desgleichen zu dem Leitungsdraht 500, einem Basissitz 340 zum Halten des piezoelektrischen Bauteils 320 zusammen mit der Mutter 310 und auch zum Befestigen eines Teils des Leitungsabschnitts 330, und mit einem Metallgehäuse 350 versehen, um eine Staub- und Wasserdichtigkeit hinsichtlich des piezoelektrischen Bauteils 320 sicherzustellen.
Die aus Metall hergestellte Mutter 310 ist mit einem Gewindeabschnitt 311 zum Befestigen der Mutter 310 an einem Außenumfang des Gehäuses 201 und zum Befestigen der Sensoreinheit an dem Gehäuse 201 durch Verschrauben auf das Gewinde 201a des Gehäuses 201, einem hexagonalen Abschnitt 312, einem Abschnitt mit großem Durchmesser 313 an einer unteren Seite des hexagonalen Abschnitts 312 und einem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 314 an einer noch weiter unten liegenden Seite des hexagonalen Abschnitts 312 versehen. Ein Isolationsschrumpfschlauch 315, der aus Silikon hergestellt ist, ist an den Außenumfang des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 314 eng gepasst.
Der Leitungsabschnitt 330 zum Verbinden des piezoelektrischen Bauteils 320 im Kreis an ein Ende des Leitungsdrahts 500 ist mit einer Elektrode 331, einem Isolator 332 und einer Befestigungsmetallhülse 333 versehen. Die Elektrode 331 ist aus Metall hergestellt und in einer Ringform ausgebildet. Der Isolator 332, der aus einem Isolationsmaterial, wie beispielsweise Glimmer oder Aluminium, hergestellt ist, ist zwischen der Elektrode 331 und der Mutter 310 angeordnet, um die Elektrode 331 von der Mutter 310 und dem Basissitz 340 zu isolieren. Die Elektrode 331 und der Isolator 332 sind um einen Außenumfang des Isolationsrohrs 315 gepasst, das den Abschnitt mit kleinem Durchmesser 314 der Mutter 310 umgibt und bedeckt.
Der Leitungsdraht 500 besteht aus einem leitfähigen Signaldraht 501, einer Isolationsbeschichtung 502, einem leitfähigen Abschirmdraht 503 und einer Isolationsbeschichtung 504, die in Abfolge von einer Innenseite in Richtung einer Außenseite aufgeschichtet sind. Der Signaldraht 501 ist schaltungsintern von dem Abschirmdraht 503 isoliert. Jeder von dem Signaldraht 501, der Isolationsbeschichtung 502 und dem Abschirmdraht 503 ist teilweise an der einen Endseite des Leitungsdrahts 500 freigelegt.
Der Signaldraht 501 auf der einen Seite des Leitungsdrahts 500 tritt durch eine Öffnung 316, die in der Mutter 310 ausgebildet ist, und durch eine Bohrung 332a, die in dem Isolator 332 ausgebildet ist, und ist durch Schweißen mit der Elektrode 331 verbunden, und zwar bei einer ihrer Öffnungen 331a. Das andere Ende des Leitungsdrahts 500 ist mit einer Verbindungseinrichtung (nicht gezeigt) gekoppelt, um einen Innenkreis mit einem Außenkreis (ECU für das Fahrzeug) zu verbinden.
Die Befestigungsmetallhülse 333, die eine zylindrische Form aufweist, ist um einen Außenumfang des Leitungsdrahts 500 an seiner einen Endseite angeordnet, um den Leitungsdraht 500 an der Mutter 310 zu befestigen.
Die Öffnung 316 der Mutter 310 ist ferner an ihrer oberen Seite mit einer Halteöffnung 316a zum Halten der Befestigungsmetallhülse 333 vorgesehen. Die Befestigungsmetallhülse 333 ist teilweise in die Halteöffnung 316 eingeführt und an dieser befestigt.
Die Befestigungsmetallhülse 333 ist durch Verstemmen an dem Leitungsdraht 500 befestigt und auch schaltkreisintern mit dem Abschirmdraht 503 verbunden. Ein Außenumfangsteil der Befestigungsmetallhülse 333, das von der Halteöffnung 316 hervorsteht, ist mit einer schrupfbaren Silikonisolationsbeschichtung 333a bedeckt.
Das piezoelektrische Bauteil 320 ist in einer Ringform ausgebildet, so dass seine innere Öffnung dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 314 der Mutter 310 zugewandt ist, und ist über das Isolationsrohr 315 um einen Außenumfang des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 314 eingebaut. Das piezoelektrische Bauteil 320 besteht aus drei Schichten an piezoelektrischen Keramiken 321 (piezoelektrische Elemente), einer Signalübertragungsscheibe 322 und einer Erdungsscheibe 323, die ineinander aufgeschichtet sind.
Die piezoelektrischen Keramiken 321 sind in ihren Abmessungen identische Scheiben, die jeweils in einer Ringform ausgebildet sind und aus einer Titanoxidleitung oder einer Titan-Zirkon-Oxid-Leitung hergestellt sind. Die drei Schichten der piezoelektrischen Keramiken 321 sind im Schaltkreis parallel zueinander verbunden. Jeweilige Ausgaben der drei Schichten der piezoelektrischen Keramiken 321 werden summiert, so dass eine Gesamtempfindlichkeit bemerkenswert verbessert wird.
Der Basissitz 340, der aus Metall besteht und in einer beinahe Ringform ausgebildet ist, ist an seiner Innenseitenfläche auf einer Seite, die den Maschinenkopf 1 berührt, mit einer Drehungsstoppeinrichtung 341 versehen. Wie es in 3B gezeigt ist, ist die Drehungsstoppeinrichtung 341 in einer Form ausgebildet, die einer ovalen Form einer Drehungsstoppeinrichtung 317 entspricht, die an einem vorderen Ende des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 314 der Mutter 310 vorgesehen ist, und ist in die Drehungsstoppeinrichtung 314 gepasst. Folglich wird die Drehung des Basissitzes 340 relativ zu der Mutter 310 in einer Winkelrichtung der Kerze verhindert.
Das zylindrische Metallgehäuse 350, das aus Metall hergestellt ist, wie beispielsweise SUS 304, umgibt einen Außenumfang des Basissitzes 340, um alles an einem Außenumfang des Verbrennungsdrucksensors 300 zu umgeben. Das Metallgehäuse 350 ist durch Zugumformen eines dünnen Metallblechs, dessen Dicke kleiner als 0,5 mm ist, in einer zylindrischen Form ausgebildet und ist an den Umfang des Basissitzes 340 durch Laserschweißen oder Kupferhartlöten gefügt.
Das Metallgehäuse 350 ist bei einem Zustand mit dem Basissitz 340 integriert, bei dem die Drehungsstoppeinrichtung 341 genau an die Drehungsstoppeinrichtung 317 der Mutter 310 gepasst ist. Der Basissitz 340 ist über einen O-Ring 343, der aus Silikon oder einem Fluorgummi hergestellt ist, der in einer Nut untergebracht ist, die in der Nähe einer Mitte des Abschnitts mit kleinem Durchmesser 314 vorgesehen ist, genau an den Abschnitt mit kleinem Durchmesser 314 der Mutter 310 gepasst. Eine Innenumfangsfläche des Metallgehäuses 350 ist an eine Außenfläche des Abschnitts mit großem Durchmesser 313 der Mutter 310 gepasst und ein Gesamtumfang des inneren Passabschnitts zwischen dem Metallgehäuse 350 und dem Abschnitt mit großem Durchmesser 313 ist durch YAG-Laserschweißen gefügt.
Der Basissitz 340 wird durch eine axiale Kraft (Verschraubungsbefestigungskraft) der Mutter 310 gegen die Fläche des Maschinenkopfs 1 gedrückt. Das piezoelektrische Bauteil 320, die Elektrode 331 und der Isolator 332 werden zwischen der Mutter 310 und dem Basissitz 340 gehalten und dazwischen durch die axiale Kraft der Mutter 310 befestigt.
Der Verbrennungsdrucksensor 300 wird folgendermaßen zusammengebaut. Der Signaldraht 501 an der einen Seite des Leitungsdrahts 500 wird an die Öffnung 331a der Elektrode 331 geschweißt. Die Befestigungsmetallhülse 333 wird in die Halteöffnung 316a der Mutter 310 eingeführt und durch Schweißen oder Kupferhartlöten daran gefügt. Der Isolator 332 wird an dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser der Mutter 310 eingebaut.
Dann, während das andere Ende des Leitungsdrahts 500 von einer Seite des Isolators in die Öffnung 316 der Mutter 310 eingeführt wird, an der die Befestigungsmetallhülse 333 und der Isolator 332 eingebaut wurden, wird die Elektrode 331, mit der das eine Ende des Leitungsdrahts 500 verbunden wurde, an den Abschnitt mit kleinem Durchmesser 314 der Mutter 310 gepasst.
Nachdem die Elektrode 331 bei einer vorbestimmten Position platziert ist, werden die Befestigungsmetallhülse 333 und der Abschirmdraht 503 durch Verstemmen befestigt. Der Abschirmdraht 503 ist schaltungsintern mit der Befestigungsmetallhülse 333 verbunden. Dann werden ein Teil des Leitungsdrahts 500 und der Befestigungsmetallhülse 333 durch die Isolationsbeschichtung 333a für die Staubdichtigkeit und die Wasserdichtigkeit bedeckt.
Das piezoelektrische Bauteil 320 mit den piezoelektrischen Keramiken 321 und den Scheiben 322 und 323 wird auf dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 314 der Mutter 310 eingesetzt. Dann wird der durch Hartlöten mit dem Metallgehäuse 350 integrierte Basissitz 340 auf dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 314 der Mutter 310 eingesetzt, während die Drehungsstoppeinrichtung 317 mit der Drehungsstoppeinrichtung 341 gekoppelt wird. Dann wird das Metallgehäuse 350 an den Abschnitt mit großem Durchmesser 313 der Mutter 310 durch eine Laserverschweißung 351 gefügt, und zwar bei einem Zustand, bei dem die Mutter 310 und der Basissitz 340 genau in Berührung gebracht sind und aneinander gedrückt werden.
Nach einem Fertigstellen des Verbrennungsdrucksensors 300, wie es vorstehend erwähnt ist, wird der Verbrennungsdrucksensor 300 von einer Seite des Heizkörpers 206 auf den Kerzenkörper 200 aufgesetzt und vorläufig an dem Kerzenkörper 200 durch Verschrauben des Gewindes 311 der Mutter 310 auf das Gewinde 201a des Gehäuses 201 durch Verwenden des hexagonalen Abschnitts 312 montiert. Dann, nachdem die Dichtung 250 an dem abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d in der Einbauöffnung 1b platziert ist, wird der vorläufig montierte Kerzenkörper 200 von der einen Endseite (von der Heizkörperseite) in die Einbauöffnung 1b eingeführt.
Als nächstes wird der Kerzenkörper 200 in die Einbauöffnung 1b geschraubt und an dieser befestigt, indem ein hexagonaler Abschnitt 201b (siehe 1) des Gehäuses 201 mit einem Werkzeug, wie beispielsweise einem Schraubenschlüssel (nicht gezeigt), gedreht wird. Ferner wird durch Festziehen der Mutter 310 des Verbrennungsdrucksensors 300 mit dem Schraubenschlüssel der Sensor 300 an der Fläche des Maschinenkopfs 1 befestigt. Dadurch wird die Maschinenkomponente mit dem Verbrennungsdrucksensor, der in 1 gezeigt ist, fertiggestellt.
Ein Betrieb des Ausführungsbeispiels wird nachstehend beschrieben. Eine Spannung wird von einer elektrischen Quelle (nicht gezeigt) über die Anschlussschiene 2 an der Mittelachse 204 angelegt, um die Dieselmaschine zu starten, und die Mittelachse 204 ist über die Heizspule 203, die Hülse 202 und das Gehäuse 201 an dem Maschinenkopf 1 geerdet. Folglich erzeugt der Heizkörper 206 eine Wärme für die Zündungshilfe der Dieselmaschine bei der Startzeit.
Nachdem die Maschine gestartet ist, wird ein in der Maschine erzeugter Verbrennungsdruck über den Heizkörper 206 und das Gehäuse 201 zu dem Gewinde 201a übertragen. Ein zu dem Gewinde 201a übertragener Verbrennungsdruck dient dazu, um ein Befestigungsmoment der Glühkerze 100 an dem Maschinenkopf 1 zu lockern. Deshalb wird die Last (in einer axialen Richtung des Kerzenkörpers) bei dem Verbrennungsdrucksensor 300, die über den Gewindeabschnitt 311 der Mutter 310 an die piezoelektrischen Keramiken 321 angelegt wird, abgeschwächt. Das heißt, ein Belastungszustand der piezoelektrischen Keramiken 321 wird geändert.
Ladungen, die als eine Ausgabe des elektrischen Signals entsprechend piezoelektrischer Eigenschaften der piezoelektrischen Keramiken 321 erzeugt werden sollen, werden geändert. Das geänderte elektrische Signal (Ladung) wird von der Elektrode 331 und dem Leitungsdraht 500 zu dem Außenschaltkreis gesendet, bei dem das elektrische Signal in eine Spannung umgewandelt wird und, nachdem es durch Verstärkungs- und Filterprozesse gelaufen ist, als ein Verbrennungsdruckwellensignal verwendet wird, das für eine Verbrennungssteuerung anwendbar ist. Das heißt, einem Prozess eines Erfassens eines Verbrennungsdrucks mittels der Glühkerze 100.
Das vorstehend erwähnte Ausführungsbeispiel hat ein Unterscheidungsmerkmal, dass die Dichtung 250 (elastisches Bauteil) zwischen dem abgeschrägten Gehäuseabschnitt 212 und dem abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d platziert ist und den abgeschrägten Gehäuseabschnitt 212 und den abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d so in einer axialen Richtung drückt, dass die Luftdichtigkeit in der Brennkammer 1a sichergestellt werden kann.
Mit dem vorstehend erwähnten Unterscheidungsmerkmal, wenn der Kerzenkörper 200 durch die axiale Last befestigt wird, die bei einer erlaubten Federkraft der Dichtung 250 liegt, werden der abgeschrägte Gehäuseabschnitt 212 und der abgeschrägte Sitzflächenabschnitt 1d abwechselnd durch die Dichtung gedrückt, und zwar aufgrund der Federkraft der Dichtung 250, die diese selbst besitzt. Infolgedessen wird die höhere Luftdichtigkeit beibehalten.
Ferner kann die Kraft, die auf dem Verbrennungsdruck basiert, der in einer axialen Richtung der Einbauöffnung 1b wirkt, vorteilhaft zu dem Gehäuse 201 des Kerzenkörpers 200 übertragen werden, und zwar aufgrund der Federkraft der Dichtung 250, um die Sensorempfindlichkeit zu verbessern, da ein Steifigkeitswert des abgeschrägten Berührungsabschnitts in dem äquivalenten Federungssystemmodell, das in 13 gezeigt ist, beschränkt ist.
Des Weiteren dient die Dichtung 250 dazu, um eine Änderung der Ausgabeempfindlichkeit, die durch eine Lockerung des Kerzenkörpers 200 aufgrund der Hitze bewirkt wird, einzuschränken. Dies liegt daran, weil eine Änderung eines Spalts zwischen dem abgeschrägten Gehäuseabschnitt 212 und dem abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d, der aufgrund eines Unterschieds der linearen Ausdehnungskoeffizienten erzeugt wird, und eine Änderung der folgenden Axiallast größtenteils durch eine Kompressionswiedergewinnungskraft der Dichtung 250 absorbiert werden. Das heißt, die Änderung der Last, die die Ausgabeempfindlichkeit des Verbrennungsdrucksensors nachteilig beeinflusst, kann verringert werden.
Wie es vorstehend erwähnt ist, hat die Einbaustruktur mit der Glühkerze 100 mit dem Verbrennungsdrucksensor und dem elastischen Bauteil 250, das zwischen den abgeschrägten Abschnitten eingeführt ist, gemäß dem Ausführungsbeispiel einen Vorteil, dass die Ausgabeempfindlichkeit des Sensors verbessert ist und eine Änderung der Ausgabeempfindlichkeit des Sensors, die durch eine Änderung von Maschinenbetriebszuständen bewirkt werden soll, begrenzt ist, ohne Hauptfunktionen der Glühkerze 100 nachteilig zu beeinflussen.
Wenn die Dichtung 250, die zwischen dem abgeschrägten Gehäuseabschnitt 212 und dem abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d platziert ist, einen Verbrennungsdruck aufnimmt (bei einer Zeit eines Erhöhens des Verbrennungsdrucks), wird der Verbrennungsdruck F nahezu gleichmäßig an einer Innenfläche 261 der Dichtung 250 angelegt, wie es in 2A gezeigt ist. Der Verbrennungsdruck F wirkt, um die Innenfläche der Dichtung 250 radial auszudehnen.
Folglich wird zusätzlich zu einem Seitendruck, der auf der axialen Last basiert, die erzeugt wird, wenn der Kerzenkörper befestigt wird, ein Innendruck aufgrund des Verbrennungsdrucks F ferner an einen Gehäuseberührungsabschnitt 213 und einen Sitzflächenberührungsabschnitt 1e angelegt, von denen beide Flächen sind, die sich in Kontakt mit der Dichtung 250 befinden. Infolgedessen werden beide Berührungsflächen 213 und 1e fester angedrückt, um einen höheren Grad der Luftdichtigkeit während des Maschinenbetriebs sicherzustellen.
Gemäß einem Testergebnis eines experimentellen Tests wird geschlussfolgert, dass das elastische Bauteil mehr als 2 KN Kraft oder Last standhalten muss, wobei hinsichtlich eines Beibehaltens der Luftdichtigkeit eine Kunststoffdeformation bewirkt wird, wobei die Dichtung 250 wirksamer wird, je größer (flexibler) die Federkraft der Dichtung 250 ist. Eine Federkonstante der Dichtung (elastisches Bauteil), die ein wünschenswertes Ergebnis bei dem vorstehenden experimentellen Test zeigt, ist 2,5 bis 20 (× 10^–5 mm/N).
Das Anzugsmoment des Kerzenkörpers 200 selbst (Glühkerze ohne dem Sensor) ist hauptsächlich standardisiert und ist 10 bis 15 N·m bei dem Fall, dass eine Gewindegröße bei einem Schraubabschnitt eines Gehäuses, die gewöhnlich verwendet wird, M 10 × 1,25 ist. Ein Wert, der in die Axiallast umgewandelt ist, ist voraussichtlich 4 bis 6kN. Es wird geglaubt, dass dieser Wert nicht nur zum Sichern der Luftdichtigkeit erforderlich ist, sondern auch zum Verhindern der Lockerheit des Kerzenkörpers 200 aufgrund einer Vibration. Der Minimalwert von 2kN oder mehr als Beständigkeitskraft des elastischen Bauteils basierend auf dem Versuchstest, der vorstehend erwähnt ist, erscheint ein wenig klein zu sein, um das Lockern zu verhindern, was aus dem vorstehenden Standardwert der Glühkerze selbst geurteilt wird.
Bei dem Fall der Glühkerze ohne dem Sensor wird die Glühkerze an dem Maschinenkopf 1 basierend auf drei Elementen befestigt, die aus einer Reibungskraft zwischen dem abgeschrägten Gehäuseabschnitt 212 und dem abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d, einer Reibungskraft zwischen dem Gewinde 201a des Gehäuses 201 und dem Gewinde 1c der Einbauöffnung 1b und gegenseitigen Federkräften des Gehäuses 201 und des Maschinenkopfs 1 bestehen. Jedoch ist im Falle der Glühkerze 100 mit dem Verbrennungsdrucksensor der Kerzenkörper 200 basierend auf sechs Elementen an dem Maschinenkopf 1 befestigt, die aus einer Reibungskraft zwischen und elastischen Kräften des abgeschrägten Gehäuseabschnitts 212 und der Dichtung 250, einer Reibungskraft zwischen dem Gewinde 201a des Gehäuses 201 und des Gewindes 201c der Einbauöffnung 1b, einer Reibungskraft und elastischen Kräften des Gewindes 311 der Mutter 310 des Verbrennungsdrucksensors 300 und des Gewindes 201a des Gehäuses 201, und einer Reibungskraft zwischen dem Basissitz 340 des Verbrennungsdrucksensors 300 und dem Maschinenkopf 1 bestehen.
Folglich existieren bei der Glühkerze mit dem Verbrennungsdrucksensor gemäß dem Ausführungsbeispiel praktisch keine Probleme der Lockerung aufgrund einer Vibration. Gemäß einem Vibrationsdauertest, der bei dem Kerzenkörper 200 mit dem Verbrennungsdrucksensor 300 bei einem in 1 gezeigten Zustand ausgeführt wurde, und zwar mittels eines Vibrationserregers unter Bedingungen von 50 bis 2000 Hz und 25 bis 10 G Beschleunigung, wurde bewiesen, dass sowohl der Kerzenkörper 200, als auch der Verbrennungsdrucksensor nicht gelockert werden.
Die 4A bis 4F zeigen einen Vergleich von Verbrennungsdruckwellenformen zwischen dem Ausführungsbeispiel und dem herkömmlichen Beispiel. Die 4B, 4C und 4E zeigen die Verbrennungsdruckwellenformen der Glühkerze 100 mit dem Verbrennungsdrucksensor. Die 4A, 4D und 4F zeigen die Verbrennungsdruckwellenformen des herkömmlichen Beispiels mit der Glühkerze J1 mit dem Verbrennungsdrucksensor (siehe 11). Die 4A bis 4D zeigen Testergebnisse unter Maschinenbetriebsbedingungen von 2000 rpm und 50 N·m Last und die 4E und 4F zeigen Testergebnisse unter Maschinenbetriebszuständen von 4000 rpm und Volllast.
Wie es in den 4A und 4B gezeigt ist, ist die Ausgabeempfindlichkeit (Höhe der Wellenform) des Verbrennungsdrucksensors des Ausführungsbeispiels mit der Dichtung 250 als elastisches Bauteil doppelt so hoch, wenn es mit derjenigen des herkömmlichen Beispiels verglichen wird.
Die 4D und 4F zeigen die Wellenformen, die durch in etwa doppeltes Verstärken der Ausgabesignale von dem Verbrennungsdrucksensor des herkömmlichen Beispiels mittels eines Verstärkerkreises erhalten werden, um die Ausgabeempfindlichkeit oder die Höhe der Wellenformen von diesen beinahe gleich denen des Ausführungsbeispiels zu machen. Es kann aus diesen Testergebnissen geschlossen werden, dass das S/N-Verhältnis von dem Ausgabesignal des Ausführungsbeispiels, das in den 4C und 4E gezeigt ist, dessen Ausgabeempfindlichkeit des Verbrennungsdrucksensors größer ist, besser ist, als dasjenige des herkömmlichen Beispiels, das in 4D und 4F gezeigt ist.
Ferner zeigen in Bezug auf die Änderung der Last des Verbrennungsdrucksensors 300 aufgrund der Wärmeänderung, d.h. aufgrund einer Änderung der Maschinenbetriebszustände, andere experimentelle Testergebnisse, dass unter Maschinenbetriebszuständen, die von einem Leerlaufzustand bis 4000 rpm·Volllast reichen, eine Empfindlichkeitsänderung des Ausführungsbeispiels mit der Dichtung 250 10% ist und diejenige des herkömmlichen Beispiels 25% ist, verglichen mit dem Wert, der durch die Druckanzeige gemessen wird.
(Weitere Ausführungsbeispiele)
Anstelle des schrägen Gehäuseabschnitts 212 und des abgeschrägten Sitzflächenabschnitts 1d, zwischen die die Dichtung 250 gelegt wird, sind Abschnitte des Gehäuses 201 und der Einbauöffnung 1b, zwischen die die Dichtung gelegt wird, keine abgeschrägten Flächen, sondern können rechtwinklige flache Flächen sein, die einander gegenüberliegen, wie es in 5 gezeigt ist.
Die elastische ringförmige Dichtung 250 ohne Verbindungsstellen an ihrem Umfang kann in eine der Formen abgewandelt werden, wie sie in den 6A bis 6H gezeigt sind.
Eine in den 6A und 6B als eine erste Abwandlung gezeigte Dichtung 250 hat eine Nut an ihrer Außenumfangsfläche. Eine Dichtung 250, die in den 6C und 6D als zweite Abwandlung gezeigt ist, ist in einer hohlen O-Ringform ausgebildet und hat eine Druckeinführöffnung 250a an ihrem Innenumfang, was die gleiche Wirkung hat, wie die Dichtung 250, die in den 2A bis 2C gezeigt ist. Die Druckeinführöffnung 250a ist nicht immer wesentlich. Eine Dichtung 250, die in den 6E und 6F gezeigt ist, ist als eine dritte Abwandlung ein Ring, dessen Querschnitt gefüllt ist und kreisförmig ausgebildet ist. Eine in den 6G und 6H als vierte Abwandlung gezeigte Dichtung 250 ist ein Ring, dessen Querschnitt rechteckig ausgebildet ist, so dass die Dichtung 250 in Flächenkontakt mit dem abgeschrägten Gehäuseabschnitt 212 und dem abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d kommt. Die Querschnittsform der Dichtung 250 ist nicht auf die rechteckige beschränkt, sondern kann ein Polygon sein, wenn die Dichtung 250 in Flächenkontakt mit den abgeschrägten Abschnitten kommt, oder kann ein Dreieck sein, so dass die Dichtung 250 in Flächenkontakt mit einem von den abgeschrägten Abschnitten kommt und in Linienkontakt mit dem anderen der abgeschrägten Abschnitte kommt.
Wie es vorstehend erwähnt ist, können ein Material, eine Abmessung und die Querschnittsform der Ringdichtung 250 abgewandelt werden, um eine Federkonstante aufzuweisen, die zu den gegebenen Bedingungen passt. Die Werte (mm/N) von jeweiligen Federkonstanten von den ersten bis vierten Abwandlungen der Dichtung 250 werden in Abfolge kleiner. Ferner kann anstelle der Dichtung 250, die vorstehend erwähnt ist, ein elastisches Bauteil, wie es in 7 gezeigt ist, eingesetzt werden.
Das in 7 gezeigte elastische Bauteil ist ein Abschnitt mit teilweise dünner Dicke 251 des Gehäuses 201, der durch Bearbeiten eines vorderen Endes des Gehäuses 201 ausgebildet wird, um eine Elastizität aufzuweisen. Der Abschnitt mit dünner Dicke 251 wird gegen den abgeschrägten Sitzflächenabschnitt 1d gedrückt. Das heißt, der Kerzenkörper 200 wird in einer axialen Richtung der Einbauöffnung 1b über den Abschnitt mit dünner Dicke 251, der als das elastische Bauteil wirkt, gegen die Innenfläche der Einbauöffnung 1b gedrückt.
Wie es in 7 gezeigt ist, kann das elastische Bauteil 251 einstückig mit dem Kerzenkörper 200 ausgebildet sein. Das elastische Bauteil 251 ist im Vergleich mit der Dichtung 250, die separat vorgesehen ist, besser, wenn die Montagefreundlichkeit berücksichtigt wird.
Der vorstehend erwähnte Hauptpunkt der Erfindung ist nicht auf das Anbringen der Glühkerze mit dem Verbrennungsdrucksensor beschränkt, sondern auch bei jeder anderen Maschinenkomponente (beispielsweise einer Einspritzeinrichtung, einem Bolzen und einer Zündkerze) anwendbar, die den Verbrennungsdrucksensor aufweist, wenn ein Teil der Maschinenkomponente an seiner einen Seite in die Einbauöffnung, die in der Maschine ausgebildet ist, eingeführt wird und der Verbrennungsdrucksensor in der Maschinenkomponente eingebaut ist, um ein Signal auszugeben, das den Maschinenverbrennungsdruck darstellt.
Ein Anwendungsbeispiel bei einer Zündkerze 700 ist in 8 gezeigt, bei einer Einspritzeinrichtung 800 in 9 und bei einem Bolzen 900 in 10.
Wie es in 8 gezeigt ist, ist die Zündkerze 700 (eine der Maschinenkomponenten) an der Einbauöffnung 1b des Maschinenkopfes 1 für Benzinmaschinen durch ein Gewinde 701a, das an dem Gehäuse 701 ausgebildet ist, befestigt. Ferner, wie es in 9 gezeigt ist, ist die Einspritzeinrichtung 800 (eine der Maschinenkomponenten) zum Einspritzen eines Kraftstoffs von einer Kraftstoffpumpe in die Brennkammer 1a an der Einbauöffnung 1b des Maschinenkopfs 1 für eine Benzin- oder Dieselmaschine durch ein Gewinde 801a befestigt, das an einem Gehäuse 801 ausgebildet ist. Des Weiteren, wie es in 10 gezeigt ist, ist der Bolzen 900 (eine der Maschinenkomponenten), der der Brennkammer 1a in der Maschine teilweise ausgesetzt ist, an der Einbauöffnung 1b des Maschinenkopfs 1 durch ein Gewinde 901a befestigt.
Der Verbrennungsdrucksensor 300 ist an dem Gewinde 701a, 801a oder 901a der jeweiligen Maschinenkomponenten befestigt. Der Verbrennungsdrucksensor erfasst Maschinenverbrennungsdrücke in solch einer Art und Weise, dass eine Kraft, die auf die Maschinenkomponente in Antwort auf einen Verbrennungsdruck wirkt, in ein elektrisches Signal entsprechend den piezoelektrischen Eigenschaften der piezoelektrischen Elemente 321 umgewandelt wird.
Wie es in den 8, 9 oder 10 gezeigt ist, ist die Dichtung 250 (elastisches Bauteil), die in einer axialen Richtung der Einbauöffnung 1b elastisch verformbar ist, zwischen der Maschinenkomponente 700, 800 oder 900 und der Einbauöffnung 1b platziert und die Maschinenkomponente 700, 800 oder 900 wird zumindest in einer axialen Richtung der Einbauöffnung 1b mittels der Dichtung 250 gegen die Innenfläche der Einbauöffnung 1b gedrückt. Die Dichtung 250 kann ähnlich zu einer anderen Art des elastischen Bauteils, das in den anderen Ausführungsbeispielen erwähnt ist, abgewandelt werden.

Claims

Einbaustruktur einer Maschinenkomponente (200, 700, 800, 900) in einer Maschine mit einer Brennkammer (1a) und einem Maschinenkopf (1), wobei die Einbaustruktur aufweist die Maschinenkomponente (200, 700, 800, 900), einen Verbrennungsdrucksensor (300), der an der Maschinenkomponente (200, 700, 800, 900) befestigt ist, um ein Ausgabesignal basierend auf einer Kraft zu erzeugen, die an der Maschinenkomponente (200, 700, 800, 900) wirkt, die auf den Verbrennungsdruck in der Verbrennungskammer (1a) reagiert, und eine Einbauöffnung (1b), die in dem Maschinenkopf (1) ausgebildet ist, um von dessen Außenfläche zu der Verbrennungskammer (1a) durchzudringen, wobei die Einbauöffnung (1b) an ihrer Innenumfangsfläche mit einem Innengewinde (1c) und mit einem Sitzflächenabschnitt (1d) versehen ist, der auf der Verbrennungskammerseite von dem Innengewinde (1c) liegt, wobei die Maschinenkomponente (200, 700, 800, 900) ein zylindrisches Gehäuse (201, 701, 801) aufweist, das an seinem Außenumfang ein Außengewinde (201a, 701a, 801a, 901a) und eine Kontaktfläche (212) aufweist, die an einem vorderen Ende des zylindrischen Gehäuses (201, 701, 801) vorgesehen ist und auf der Verbrennungskammerseite von dem Außengewinde (201a, 701a, 801a, 901a) liegt, wobei die Maschinenkomponente (200, 700, 800, 900) teilweise in die Einbauöffnung (1b) eingeführt ist und durch Verschrauben des Außengewindes (201a, 701a, 801a, 901a) des zylindrischen Gehäuses (201, 701, 801) mit dem Innengewinde (1c) der Einbauöffnung (1b) an dem Maschinenkopf (1) so festgezogen und befestigt ist, dass die Kontaktfläche (212) in der axialen Richtung der Einbauöffnung (1b) in Richtung des Sitzflächenabschnitts (1d) der Einbauöffnung (1b) gedrückt wird, und wobei der Verbrennungsdrucksensor (300) eine Mutter (310), die an einem Abschnitt des zylindrischen Gehäuses (201, 701, 801) befestigt ist, der von der Einbauöffnung (1b) vorsteht, einen Basissitz (340), der an der Außenfläche des Maschinenkopfes (1) vorgesehen ist, und ein Verbrennungsdrucksensorelement (320) aufweist, das zwischen der Mutter (310) und dem Basissitz (340) so zwischengelegt ist, dass eine durch die Mutter (310) an das Verbrennungsdrucksensorelement (320) angelegte Kraft in Übereinstimmung mit einer axialen Verformung des zylindrischen Gehäuses (201, 701, 801) in Reaktion auf den Verbrennungsdruck in der Verbrennungskammer (1a) geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein elastisches Bauteil (250) zwischen der Kontaktfläche (212) und dem Sitzflächenabschnitt (1d) der Einbauöffnung (1b) zwischengelegt ist, wobei das elastische Bauteil (250) in axialer Richtung der Einbauöffnung (1b) zusammengedrückt wird, und wobei das elastische Bauteil (250) in der axialen Richtung der Einbauöffnung (1b) in größerem Maße elastisch verformbar ist als das zylindrische Gehäuse (201, 701, 801).
Einbaustruktur gemäß Anspruch 1, wobei das elastische Bauteil (250) ein hohler Metallring (250) ist, dessen Umfang an seiner einen Seite die Kontaktfläche (212) berührt und dessen Umfang an seiner anderen Seite den Sitzflächenabschnitt (1d) berührt.
Einbaustruktur einer Maschinenkomponente (200) in einer Maschine mit einer Verbrennungskammer (1a) und einem Maschinenkopf (1), wobei die Einbaustruktur aufweist die Maschinenkomponente (200), einen Verbrennungsdrucksensor (300), der an der Maschinenkomponente (200) befestigt ist, um ein Ausgabesignal basierend auf einer Kraft zu erzeugen, die an der Maschinenkomponente (200) wirkt, die auf den Verbrennungsdruck in der Verbrennungskammer (1a) reagiert, und eine Einbauöffnung (1b), die in dem Maschinenkopf (1) ausgebildet ist, um von dessen Außenfläche zu der Verbrennungskammer (1a) durchzudringen, wobei die Einbauöffnung (1b) an ihrer Innenumfangsfläche mit einem Innengewinde (1c) und mit einem Sitzflächenabschnitt (1d) versehen ist, der auf der Verbrennungskammerseite von dem Innengewinde (1c) liegt, wobei die Maschinenkomponente (200) ein zylindrisches Gehäuse (201) aufweist, das an seinem Außenumfang ein Außengewinde (201a) und eine Kontaktfläche (212) aufweist, die an einem vorderen Ende des zylindrischen Gehäuses (201) vorgesehen ist und auf der Verbrennungskammerseite von dem Außengewinde (201a) liegt, wobei die Maschinenkomponente (200) teilweise in die Einbauöffnung (1b) eingeführt ist und durch Verschrauben des Außengewindes (201a) des zylindrischen Gehäuses (201) in das Innengewinde (1c) der Einbauöffnung (1b) so an dem Maschinenkopf festgezogen und befestigt ist, dass die Kontaktfläche (212) in der axialen Richtung der Einbauöffnung (1b) in Richtung des Sitzflächenabschnitts (1d) der Einbauöffnung (1b) gedrückt wird, und wobei der Verbrennungsdrucksensor (300) eine Mutter (310), die an einem Abschnitt des zylindrischen Gehäuses (201, 701, 801) befestigt ist, der von der Einbauöffnung (1b) hervorsteht, einen Basissitz (340), der an der Außenfläche des Maschinenkopfes (1) vorgesehen ist, und ein Verbrennungsdrucksensorelement (320) aufweist, das zwischen der Mutter (310) und dem Basissitz (340) so zwischengelegt ist, dass eine durch die Mutter (310) an das Verbrennungsdrucksensorelement (320) angelegte Kraft in Übereinstimmung mit einer axialen Verformung des zylindrischen Gehäuses (201, 701, 801) in Reaktion auf den Verbrennungsdruck in der Verbrennungskammer (1a) geändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt mit dünner Dicke (251) an der Kontaktfläche (212) einstückig mit der Maschinenkomponente (200) ausgebildet ist und sich in mit Druck beaufschlagtem Kontakt mit dem Sitzflächenabschnitt (1d) der Einbauöffnung (1b) befindet, wobei der Abschnitt mit dünner Dicke (251) ein elastisches Bauteil ausbildet und in der axialen Richtung der Einbauöffnung (1b) zusammengedrückt wird, und wobei der Abschnitt mit dünner Dicke (251) in der axialen Richtung der Einbauöffnung (1b) in größerem Maße elastisch verformbar ist als der restliche Teil des zylindrischen Gehäuses (201).