JP2005291091A - 筒内圧検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 取付時の締め付けトルクや構成部品の熱膨張にかかわらず、安定した検出精度を確保することができる筒内圧検出装置を提供する。
【解決手段】 互いに対向する一対の端壁２２ａ，２２ｂを有し、内燃機関の本体２にねじ込まれたハウジング２１と、ハウジング２１を貫通するように延び、一端部が気筒Ｃ内に臨むとともに、ハウジング２１内に収容されたつば部２４ｂを有する筒内圧伝達部材２４と、ハウジング２１内に収容され、一対の端壁の一方２２ｂとつば部２４ｂとの間に予荷重が与えられた状態で挟持され、筒内圧伝達部材２４を介して伝達される筒内圧に応じた第１検出信号ｑ１を出力する第１圧電素子１１ｃと、ハウジング２１内に収容され、端壁の他方２２ａとつば部２４ｂとの間に予荷重が与えられた状態で挟持され、筒内圧伝達部材２４を介して伝達される筒内圧に応じた第２検出信号ｑ２を出力する第２圧電素子１２ｃと、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関に取り付けられ、筒内圧を検出する筒内圧検出装置に関する。

従来、この種の筒内圧検出装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この検出装置は、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられたグロープラグと一体のタイプのものであり、圧電素子を有している。グロープラグは、ハウジングと、このハウジングの下端部に設けられたヒータケースと、ハウジング内からその上方にわたって延び、ヒータケースに接する中軸とを有している。また、グロープラグは、ハウジングがシリンダヘッドにねじ込まれることによって、ヒータケースが燃焼室に突出した状態でシリンダヘッドに取り付けられている。上記圧電素子は、ハウジングと中軸にねじ込まれたナットとの間に挟み込まれ、予荷重が与えられた状態で、ハウジングの上面に固定されている。

この検出装置では、燃焼圧力によってグロープラグのヒータケースが歪むと、この歪みが中軸に伝達されることにより、圧電素子を固定するナットが上下に変位する。これにより、圧電素子の予荷重が変化し、圧電素子が歪むことによって、圧電素子から、燃焼圧力を表す検出信号が出力される。

上記従来の検出装置では、シリンダヘッドへのハウジングのねじ込みの際の締め付けトルクによって締め付けられると、ハウジングが圧縮され、それにより、中軸がハウジングに対して相対的に上方に変位する結果、圧電素子の予荷重が減少し、その減少度合は締め付けトルクに応じる。一般に、圧電素子は、予荷重が大きいほど感度がより高いという特性を有する。したがって、締め付けトルクがばらつくと、それに応じて予荷重が変化し、圧電素子の感度が変化する。その結果、検出装置の検出精度が安定しない。なお、他の検出装置として、締め付けトルクによって圧電素子の予荷重が増加するタイプのものも知られているが、このタイプの検出装置においても、締め付けトルクに応じて感度が変化することは同じであるため、同様の不具合が生じる。

また、中軸は、燃焼室に突出するヒータケースに接しているので、高温の燃焼ガスの熱がヒータケースを介して伝達されることによって熱膨張する。この熱膨張に伴い、圧電素子を挟み込むナットがハウジングに対して上方に変位するため、この場合にも、圧電素子の予荷重が減少し、圧電素子の感度が変化するので、上述したような不具合が生じてしまう。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、取付時の締め付けトルクや構成部品の熱膨張にかかわらず、安定した検出精度を確保することができる筒内圧検出装置を提供することを目的とする。

特開２００２−３３９７９３号公報

上記の目的を達成するため、請求項１に係る発明は、内燃機関の気筒Ｃ内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧検出装置１であって、互いに対向する一対の端壁（実施形態における（以下本項において同じ）天壁２２ａ，底壁２２ｂ）を有し、内燃機関の本体（シリンダヘッド２）にねじ込まれたハウジング２１と、ハウジング２１を貫通するように延び、一端部が気筒Ｃ内に臨むとともに、ハウジング２１内に収容されたつば部２４ｂを有する筒内圧伝達部材（インナー２４）と、ハウジング２１内に収容され、一対の端壁の一方とつば部２４ｂとの間に予荷重が与えられた状態で挟持され、筒内圧伝達部材を介して伝達される筒内圧に応じた第１検出信号ｑ１を出力する第１圧電素子１１ｃと、ハウジング２１内に収容され、端壁の他方とつば部２４ｂとの間に予荷重が与えられた状態で挟持され、筒内圧伝達部材を介して伝達される筒内圧に応じた第２検出信号ｑ２を出力する第２圧電素子１２ｃと、を備えることを特徴とする。

この筒内圧検出装置によれば、互いに対向する一対の端壁を有するハウジングが、内燃機関の本体にねじ込まれている。また、第１圧電素子が、一対の端壁の一方と、ハウジングを貫通するように延びる筒内圧伝達部材のつば部との間に、予荷重が与えられた状態で挟持されている。さらに、第２圧電素子が、他方の端壁とつば部との間に、予荷重が与えられた状態で挟持されている。また、気筒内に臨む筒内圧伝達部材の一端部に、筒内圧が作用することによって、筒内圧伝達部材が圧縮される。この圧縮による筒内圧伝達部材の変位により、第１圧電素子（例えば、つば部よりも気筒側に配置された圧電素子）に作用する荷重が減少し、第１圧電素子が伸びることによって、筒内圧に応じた第１検出信号が出力される。一方、上記の筒内圧伝達部材の変位により、第２圧電素子（例えばつば部に対して反気筒側に配置された圧電素子）に作用する荷重が増加し、第２圧電素子が縮むことによって、筒内圧に応じた第２検出信号が出力される。

また、ハウジングを内燃機関の本体に締め付けると、ハウジングが圧縮されることによって、筒内圧伝達部材が、ハウジングに対して相対的に伸長した関係になる。その結果、予荷重は、第１圧電素子では減少するのに対し、第２圧電素子では増加し、これらの増減の度合は、締め付けトルクが大きいほど大きくなる。また、前述したように圧電素子の感度は予荷重が大きいほどより高い関係にある。以上により、第１および第２の圧電素子の感度は、締め付けトルクに応じて互いに逆方向に変化する。したがって、第１圧電素子から出力される第１検出信号と、第２圧電素子から出力される第２検出信号とを重ね合わせることによって、取付時の締め付けトルクのばらつきに応じた感度の変化が非常に小さくなり、それにより、安定した検出精度を確保することができる。

さらに、筒内圧伝達部材は、気筒内に臨み、高温の燃焼ガスに晒されるので、熱膨張によって伸長する。その結果、第１圧電素子では、予荷重が減少することにより感度が低くなり、第２圧電素子では、予荷重が増加することにより感度が高くなる。このように、この場合にも、第１および第２の圧電素子の感度は、筒内圧伝達部材の熱膨張に応じて互いに逆方向に変化する。したがって、上記締め付けトルクの場合と同様、第１検出信号と第２検出信号とを重ね合わせることによって、筒内圧伝達部材の熱膨張に応じた感度の変化が非常に小さくなり、それにより、安定した検出精度を確保することができる。

また、第１検出信号と第２検出信号とを重ね合わせることにより、単一の圧電素子を用いた場合と比較して、値が大きな検出信号が得られるので、検出信号のＳＮ比を向上させることができる。さらに、同じ理由から、検出装置の感度を高めることができ、したがって、検出装置の検出精度を向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の筒内圧検出装置１において、第１検出信号ｑ１と第２検出信号ｑ２との和を、筒内圧を表す検出信号ｑとして出力する出力回路１３をさらに備えることを特徴とする。

この構成によれば、出力回路によって、第１検出信号と第２検出信号との和が、筒内圧を表す検出信号として出力される。このように、第１検出信号と第２検出信号が予め重ね合わされるので、請求項１による効果を同様に得ることができる。また、筒内圧検出装置から単一の検出信号が出力されるので、この検出信号の処理の簡素化を図ることができる。

内燃機関に取り付けられた本発明の筒内圧検出装置の断面図である。 （ａ）第１圧電素子および（ｂ）第２圧電素子の電気的な接続状態を概略的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態による筒内圧検出装置について説明する。図１に示すように、筒内圧検出装置１は、例えばディーゼル式の内燃機関のシリンダヘッド２（内燃機関の本体）に取り付けられたグロープラグ３に一体に設けられており、第１検出部１１および第２検出部１２と、これら第１および第２の検出部１１，１２に接続された出力回路１３とを備えている。

グロープラグ３は、ハウジング２１と、このハウジング２１を貫通するように延びるインナー２４（筒内圧伝達部材）を備えている。ハウジング２１は、収容部２２と、この収容部２２から下方に延びる支持部２３を有している。

収容部２２は、上下方向に互いに対向する天壁２２ａおよび底壁２２ｂ（一対の端壁）と、天壁２２ａと底壁２２ｂの間に延びる円筒状の側壁２２ｃを一体に有している。天壁２２ａは、中央に孔２２ｄを有するドーナツ状のものであり、その外径は側壁２２ｃの外径と等しい。孔２２ｄは、側壁２２ｃの内径よりも小さな径を有している。底壁２２ｂは、側壁２２ｃよりも大きな六角形状を有し、その中央には、孔２２ｄよりも小さな第１収容孔２２ｅが形成されている。

支持部２３は、上下方向に細長い円筒状に形成されており、その中央の内孔が、底壁２２ｂの第１収容孔２２ｅに連続する同じ径の第２収容孔２３ａになっている。また、第２収容孔２３ａの下端部は、より小さな径の係合孔２３ｂになっている。さらに、支持部２３の外周の中央部付近には、ネジ部２３ｃが形成されている。

インナー２４は、上下方向に延びる定径の棒状の軸部２４ａと、この軸部２４ａの上部に設けられたつば部２４ｂと、軸部２４ａから下方に延びる定径の棒状のグローヒータ部２４ｃを一体に有している。軸部２４ａは、その上端部が収容部２２の孔２２ｄを介して上方に突出し、中央部が第１および第２の収容孔２２ｅ，２３ａに遊びをもって嵌合するとともに、下端部が係合孔２３ｂに圧入されている。つば部２４ｂは、収容部２２の内径よりも若干小さな径を有する円板状のものであり、収容部２２内の上下方向の中央に位置している。グローヒータ部２４ｃは支持部２３よりも下方に突出している。

一方、シリンダヘッド２には、上側から順に、第１収容孔２ａ、ネジ孔２ｂおよび第２収容孔２ｃが互いに連続し、かつ径が小さくなるように形成されている。第１収容孔２ａは、支持部２３よりも大きな径を有している。第２収容孔２ｃは、支持部２３よりも小さく、かつグローヒータ部２４ｃよりも若干大きな径を有している。

グロープラグ３は、ハウジング２１のネジ部２３ｃをシリンダヘッド２のネジ孔２ｂにねじ込み、締め付けることによって、シリンダヘッド２に取り付けられる。また、この状態では、インナー２４のグローヒータ部２４ｃは、第２収容孔２ｃに遊びをもって嵌合するとともに、下端部が、気筒Ｃ内の燃焼室４に若干突出している。さらに、グローヒータ部２４ｃには、電源（図示せず）から電力が供給され、それにより燃焼室４が暖められる。

筒内圧検出装置１の第１および第２の検出部１１，１２は、収容部２２に収容され、つば部２４ｂの下側と上側に互いに対称に配置されている。第１検出部１１は、上側から順に、第１絶縁板１１ａ、第１出力側電極板１１ｂ、第１圧電素子１１ｃおよび第１アース側電極板１１ｄによって構成されている。これらはいずれも、その中央に孔を有するドーナツ状のものであり、各孔にインナー２４の軸部２４ａが通されている。また、これらの第１絶縁板１１ａ、第１出力側電極板１１ｂ、第１圧電素子１１ｃおよび第１アース側電極板１１ｄは、つば部２４ｂと底壁２２ｂの間に所定の予荷重が与えられた状態で挟持されている。

第２検出部１２は、第１検出部１１と同様の構成を有し、下側から順に、第２絶縁板１２ａ、第２出力側電極板１２ｂ、第２圧電素子１２ｃおよび第２アース側電極板１２ｄによって構成されている。これらの中央の孔に軸部２４ａが嵌合している。また、第２絶縁板１２ａ、第２出力側電極板１２ｂ、第２圧電素子１２ｃおよび第２アース側電極板１２ｄは、天壁２２ａとつば部２４ｂの間に上記予荷重が与えられた状態で挟持されている。

また、第１および第２の圧電素子１１ｃ，１２ｃは、同じ出力特性を有しており、図２に示すように電気的に接続されている。すなわち、同図（ａ）に示すように、第１圧電素子１１ｃでは、それが伸びた際に正電荷が発生する側の面が、第１出力側電極板１１ｂに接しており、これと逆側の面は、第１アース側電極板１１ｄに接することにより接地されている。これに対して、図２の（ｂ）に示すように、第２圧電素子１２ｃでは、それが縮んだ際に正電荷が発生する側の面が、第２出力側電極板１２ｂに接しており、これと逆側の面は、第２アース側電極板１２ｄに接することにより接地されている。

前記出力回路１３は、加算器１３ａを有し、第１および第２の検出部１１，１２から出力された検出信号を加算器１３ａで加算し、それによって得た信号を出力するものである。また、出力回路１３からの信号は、チャージアンプ３１を介して、ＥＣＵ３２に出力される。ＥＣＵ３２は、Ｉ／Ｏインターフェース、ＣＰＵ、ＲＡＭおよびＲＯＭなどからなるマイクロコンピュータで構成されている。

以上の構成によれば、インナー２４のグローヒータ部２４ｃの下端部に筒内圧が作用すると、インナー２４が圧縮される。この圧縮によるインナー２４の変位により、つば部２４ｂよりも燃焼室４側に配置された第１圧電素子１１ｃに作用する荷重が減少し、その結果、第１圧電素子１１ｃが伸びることによって、電荷（以下「第１検出信号」という）ｑ１が発生する。また、インナー２４の変位により、つば部２４ｂよりも反燃焼室４側に配置された第２圧電素子１２ｃに作用する荷重が増加することによって、第２圧電素子１２ｃが縮み、電荷（以下「第２検出信号」という）ｑ２が発生する。そして、第１および第２の検出信号ｑ１，ｑ２は、第１および第２の出力側電極板１１ｂ，１２ｂをそれぞれ介して出力され、出力回路１３の加算器１３ａによって加算され、それによって得られた検出信号ｑが、筒内圧を表す検出信号としてチャージアンプ３１に出力される。チャージアンプ３１は、入力された検出信号ｑを電圧信号に変換し、ＥＣＵ３２に出力する。ＥＣＵ３２は、入力された電圧信号に応じて、内燃機関のインジェクタ（図示せず）の燃料噴射時間などを制御する。

また、グロープラグ３の取付の際に、ハウジング２１をシリンダヘッド２に締め付けると、ハウジング２１が圧縮されることによって、インナー２４がハウジング２１に対して相対的に伸長した関係になる。その結果、第１圧電素子１１ｃでは、前記予荷重が減少することにより感度が低くなり、第２圧電素子１２ｃでは、予荷重が増加することにより感度が高くなる。また、これらの感度の高低の度合は、締め付けトルクが大きいほど大きくなる。以上により、第１および第２の圧電素子１１ｃ，１２ｃの感度は、締め付けトルクに応じて互いに逆方向に変化する。したがって、検出信号ｑを筒内圧検出装置１の出力として用いることによって、取付時の締め付けトルクのばらつきに応じた感度の変化が非常に小さくなる。また、本実施形態では、第１および第２の圧電素子１１ｃ，１２ｃの出力特性が互いに同じに設定されているので、締め付けトルクにかかわらず、一定の感度が得られ、それにより、高い安定した検出精度を確保することができる。

さらに、グローヒータ部２４ｃが燃焼室４に突出しており、高温の燃焼ガスに晒されるので、インナー２４が熱膨張によって伸長する。その結果、締め付けトルクの場合と同様、第１圧電素子１１ｃでは、予荷重が減少することにより感度が低くなり、第２圧電素子１２ｃでは、予荷重が増加することにより感度が高くなる。これにより、インナー２４の熱膨張に応じてもまた、第１および第２の圧電素子１１ｃ，１２ｃの感度は互いに逆方向に変化する。したがって、インナー２４の熱膨張にかかわらず、一定の感度が得られ、それにより、高い安定した検出精度を確保することができる。

また、検出信号ｑは第１および第２の検出信号ｑ１，ｑ２を加算したものなので、単一の圧電素子を用いた場合と比較して、筒内圧検出装置１の検出信号のＳＮ比を向上させることができる。さらに、同じ理由から、筒内圧検出装置１の感度を高めることができ、したがって、筒内圧検出装置１の検出精度を向上させることができる。また、筒内圧検出装置１から単一の検出信号ｑが出力されるので、ＥＣＵ３２における演算処理の簡素化を図ることができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、筒内圧検出装置１をグロープラグ３と一体に設けたが、これに代えて、グロープラグ３と別体に設けてもよいことはもちろんである。また、第１および第２の検出信号ｑ１，ｑ２を、出力回路１３において加算したが、これらを、別個にチャージアンプ３１を介してＥＣＵ３２に入力し、ＥＣＵ３２で演算処理することによって加算してもよい。さらに、実施形態では、内燃機関へのグロープラグ３の取付を、ハウジング２１をシリンダヘッド２にねじ込み、締め付けることによって行っているが、この取付手法はこれに限らず任意であり、例えばハウジング２１をシリンダヘッド２に圧入することによって行ってもよいことは、もちろんである。また、本発明は、クランク軸を鉛直方向に配置した船外機などのような船舶推進機用エンジンを含む、様々な産業用の内燃機関の筒内圧を検出する筒内圧検出装置に適用することが可能である。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

符号の説明

１ 筒内圧検出装置
２ シリンダヘッド（内燃機関の本体）
１１ｃ 第１圧電素子
１２ｂ 第２圧電素子
１３ 出力回路
２１ ハウジング
２２ａ 天壁（一対の端壁）
２２ｂ 底壁（一対の端壁）
２４ インナー（筒内圧伝達部材）
２４ｂ つば部
Ｃ 気筒
ｑ１ 第１検出信号
ｑ２ 第２検出信号
ｑ 検出信号

Claims (2)

1. 内燃機関の気筒内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧検出装置であって、
   互いに対向する一対の端壁を有し、前記内燃機関の本体にねじ込まれたハウジングと、
   当該ハウジングを貫通するように延び、一端部が前記気筒内に臨むとともに、前記ハウジング内に収容されたつば部を有する筒内圧伝達部材と、
   前記ハウジング内に収容され、前記一対の端壁の一方と前記つば部との間に予荷重が与えられた状態で挟持され、前記筒内圧伝達部材を介して伝達される前記筒内圧に応じた第１検出信号を出力する第１圧電素子と、
   前記ハウジング内に収容され、前記端壁の他方と前記つば部との間に予荷重が与えられた状態で挟持され、前記筒内圧伝達部材を介して伝達される前記筒内圧に応じた第２検出信号を出力する第２圧電素子と、
   を備えることを特徴とする筒内圧検出装置。
2. 前記第１検出信号と前記第２検出信号との和を、前記筒内圧を表す検出信号として出力する出力回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の筒内圧検出装置。

Images