JP2005517863A - ノッキング状態を含めて、エンジン・シリンダ内の圧力を測定するための圧力センサ装置 - Google Patents

Abstract

多層式鋼製（ＭＬＳ）シリンダ・ヘッド・ガスケット用のセンサ装置は、エンジンの状態を検出するために燃焼圧力を測定する。薄膜が細長い金属管の一端に配置され、管の薄膜側端部がシリンダ・ボアの境界に係合する。光ファイバ・センサ装置が管の中に取り付けられ、薄膜を介して周期的な燃焼事象を感知する。開示された一実施形態では、各エンジン・ボアのところに位置するセンサ装置からの光ワイヤが、ガスケットの通常の境界から径方向外側に延びるスペーサ層内に機械加工された共通溝に束ねて入れられる。管は、センサ装置を、ガスケットの、特にボアの周辺でのシール応力による損傷から保護する。各管は、スペーサ層内にありボアの境界で終端する別個の溝中にある。変換器が、装置から受け取った光信号を制御器に送出するために電気信号に変える。

Description

本発明は、概してガスケット構造に埋め込まれる、またはそれに使用される装置に関し、より詳しくは、内燃エンジン（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｅｎｇｉｎｅ）の燃焼ガスケット（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｇａｓｋｅｔ）に使用される感知装置に関する。より詳細には、本発明は、鋼製の多層式燃焼ガスケット構造内に設けられた、内燃エンジンのシリンダ・ボア（ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｂｏｒｅ）内の燃焼ガスの圧力レベルを測定するための圧力感知装置（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ）に関する。

例えば、多気筒式内燃エンジンのブロックおよびシリンダ・ヘッドを含むエンジン構成部品間をシールするためのガスケットの内部に電子センサを使用することが知られている。ある場合には、ガスケットは、いくつかの燃焼室オリフィス（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｍｂｅｒ ｏｒｉｆｉｃｅ）を有するシーリング・プレートを含み、そのシーリング・プレートの縁部には、燃焼室オリフィスを取り囲んで燃焼室シーリング要素が配置される。ガスケットは、シーリング・プレートの平面に垂直であり、測定中のそれぞれの燃焼室内の圧力変化によって引き起こされるシールの動作をシリンダ毎に測定するためのセンサ要素を含む。センサ要素は全て燃焼室シーリング要素の外側に配置され、圧電性（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）および圧電抵抗性（ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）、またグラス・ファイバ光導波路形のセンサ（ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｌｉｇｈｔ ｇｕｉｄｅ−ｓｔｙｌｅ ｓｅｎｓｏｒ）とすることができる。

もう１つの例では、ガスケットに封入されたセンサ・システムが、燃焼室のパラメータを測定するため、および、信号をエンジン外部の点に伝えるために使用される。ガスケットは、燃焼室をほぼ取り囲んでいる燃焼開口部と、燃焼室からエンジン外部の点まで延びるアクセス開口部とを含む。金属のセンサ末端がアクセス開口部に置かれ、絶縁材料が金属のセンサ端部を実質的に取り囲む。

もう１つの例では、流体センサおよび関連する回路を使用して、多気筒式内燃エンジン内で油が流れていることを指示する。油センサは、油の通路内で油の流通経路に直接配置された加熱素子を含む。比較器が、上流および下流の熱センサからの信号の値を測定し、センサの温度が互いに近づいて、エンジンへの油の流れが充分であることを示したとき、スイッチング回路にトリガをかける。

もう１つの例では、排気管フランジの形に形成されたガスケットは、電極とこのガスケットの外周部から外向きに延びる導体との間に配置された感圧性で電気抵抗性の材料を備える負荷センサを含む。ガスケットの第１と第２の層の間および負荷センサの回りに設けられたシールが、センサを流体から保護するためにキャビティ内に配置された電極用のシールを提供する。

ガスケットに封入された電子センサの損傷を防止することにある。

多層式鋼製（ＭＬＳ）シリンダ・ヘッド・ガスケットの開口部境界用のセンサは、特にエンジンのノッキング、つまり事前爆発状態を検出し制御するために内燃エンジンの中の燃焼圧力を測定するようになされている。このセンサの構造は、感圧性の薄膜を金属管の一端に含み、この管はシリンダ・ボアの開口部に隣接している。薄膜は、管の開口部境界端部でその管に取り付けられ、光センサ構造が薄膜の下流で管の中に固定される。管は、シリンダ・ボアのところで起こる高いシール応力の下で光センサが損傷しないように光センサを保護する。開示されている通り、センサは、ＭＬＳガスケットのスペーサ層中、少なくとも１つのスペーサ層内に形成された溝に入れられ、センサに結合された各シリンダ・ボアからの光ファイバ・ワイヤは、スペーサ層の共通溝に束ねて入れられる。溝を形成するための様々な方法が使用可能である。ガスケットの通常の構成部品境界の外側に溝を配置させることもできる。したがって、スペーサ層は、通常の構成部品外周から、ガスケット設計者の都合に応じて、径方向外側に延ばすことができる。最後に、光ワイヤから受け取った光信号を変換器を使用して電気信号に変換し、エンジン制御装置のマイクロプロセッサに適切に送出する。

ガスケット内に複数のシリンダ・ボアを、各ボアで圧力感知が行われる数だけ設ける場合、シリンダ毎の燃焼圧力の測定値に基づく、高品質のリアル・タイム・エンジン管理制御の機会が提供される。個々のシリンダ毎のデータは、とりわけ燃料経済性および放出レベルを含めて、エンジンの性能パラメータを最適化するためのシステムを含むエンジン制御ユニット・モジュールに入力することができる。

圧力センサ装置は、スペーサ層の溝の中に置かれた保護管に使用するように設計されているので、つぶれたり過大応力がかかったりする大きなリスクを受けることなしに、多層の鋼製ガスケットの、ビード付きの層間または動作層間に配置することができる。管の配置に対する様々な代替実施形態が開示されている。センサは、ガスケット構造内でフレーム前縁に比較的近接して配置することもでき、したがってシリンダ毎の燃焼ガスの圧力レベルのリアル・タイムでの測定に特に効果的である。

最初に図１を参照して、本発明の燃焼圧力センサ装置（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｐｐａｒａｔｕｓ）の一実施形態をここで詳細に説明する。燃焼ガスケット１０、または様々な名前で呼ばれるシリンダ・ヘッド・ガスケット１０は、多層式鋼製（ＭＬＳ）構造として形成されており、内燃エンジンの燃焼ガスケットとして現在一般的に使用されるタイプのものである。ガスケット１０は、断片的に示されているだけであり、複数の燃焼アパーチャ（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｐｅｒｔｕｒｅ）１２を含むが、その１つだけを示し説明する。複数のボルト・アパーチャ（ｂｏｌｔ ａｐｅｒｔｕｒｅ）１４が、識別されていない他の複数のアパーチャと共に、図示の通りガスケット外周部の周りに見える。最後に、複数のグロメット１６が、複数の金属層を一緒に保持するために配置されている。

次いで図２をも参照すると、ＭＬＳガスケット１０は、少なくとも１対の層１８および２０を含む。当業者には理解されるように、上部の層１８は、ビード付きの動作層であり、金属ビード２８を含む。一般的に、上部の層１８は、底部の層すなわち層２０の下側に位置する層を画定する、それと対になるちょうど正反対の層（図示しない）を有し、層２０はビード無しの、非動作の、スペーサ層として働く。

保護金属管２２は、スペーサ層である層２０の溝２４中に、図示のように溝２４がこの金属管２２を完全に包むように位置する。あるいは、溝２４を層２０および上部層１８の両方の中に形成することもできる。例えば、図７を参照すると、金属管２２を保持するのに充分な深さの単一の溝２４を備える単一の層２０の代わりに、層２０が互いに隣接する２つの層２０ａと２０ｂに分割されている。層２０ａおよび２０ｂは各々溝２４ａおよび２４ｂを備え、各溝の深さは金属管２２の太さの少なくとも約半分であることが好ましい。

管２２の一端２６は燃焼アパーチャ１２の境界に近接して配置される。細長いガスケット１０の一端３０だけが示されている（図１）が、燃焼アパーチャ１２に対する言及は、図１に示す単一の燃焼アパーチャ１２に限らず、他のアパーチャにも拡張されることが理解されよう。

次いで、図３、４、５、および６を参照して圧力センサ装置６０を具体的に説明することができる。図３、４、および５は各々、管２２の部分断面だけを示すが、図６は金属製保護管２２の全長を示す。金属管２２の燃焼境界端部（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｅｎｄ）２６は、図３に最も詳しく示されているが、図２で燃焼アパーチャ１２に向かって突き出している端部であることが明らかになろう。一方、図５では、引込み光ファイバ・ケーブル・ワイヤ（ｉｎｃｏｍｉｎｇ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｃａｂｌｅ ｗｉｒｅ）３４が、管２２の反対側の最端部に示されている。図４は、引込み光ファイバ・ケーブル・ワイヤ３４の反射端４２から隙間３８によって隔てられた反射性の光ファイバ・ケーブル・ワイヤ（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｆｉｂｅｒ ｏｐｔｉｃ ｃａｂｌｅ ｗｉｒｅ）３６のストランドを収納する石英管５０から主としてなり、管２２の言及した端部と端部の中間に配置されているセンサ装置６０の詳細図を示す。このケーブル・ワイヤ・ストランド３６および反射端４２は、ギャップ３８を固定するように高温で石英管５０の内径に融着される。これら構成部材の、間隔をおいて平行な端部５２および５４は、図示されているように各々互いに対応しており、引込みケーブル・ワイヤ３４を通って放射される光の強さの変化を非常な正確さで測定することができるようになされている。

次いで図３を詳細に参照すると、管２２の燃焼境界端部２６の内側ボア３２は、エンド・キャップに類似する、金属の圧力ダイヤフラム４０を受けるようになされており、そのダイヤフラム４０が燃焼圧力を受け、それを油柱４８のような流体媒質を通してセンサ装置６０に伝達する。ここに説明する実施形態では、このダイヤフラムは、意図する環境に適した熱抵抗および圧力伝達特性をもたらすようにニッケル合金で製造されている。その小さな寸法により、圧力ダイヤフラム４０は小型ベロー機構とも呼ばれる。例えば、図９ａは、燃焼端部２６にダイヤフラム４０を備える管２２の拡大図を示す。ダイヤフラム４０は、燃焼開口部１２に隣接した位置に形成されたチャンバ３９内に収まる。あるいは、金属管２２を燃焼アパーチャ１２の壁４１から適切にシールするためにダイヤフラム４０を溝２４および管２２の端部に圧入してもよい。

図９ｂを参照すると、ダイヤフラム４０使用の一代替実施形態では、管２２はトランペット形の遠端４３を備えることもできる。この実施形態では、トランペット形遠端４３は、燃焼アパーチャ１２の壁４１に係合している。遠端４１は、溝２４の周りをシールするように溝２４の直径よりわずかに大きな寸法に作成するのが理想的である。

次いで、図９ｃを参照すると、別の代替実施形態では、局部的な接触圧力を提供し、また管２２の周りにいくつかの圧力障壁を生成するために、溝２４の一部が、複数の「歯」４５またはねじ山を備える。歯４５は、燃焼アパーチャ１２に隣接して配置される。

次いで図９ｄを参照すると、別の代替実施形態では、管２２の端部４７は、縁部４９ａと４９ｂが互いに離間するように、三角形の形状をもつこともできる。本発明のこの態様では、端部４７は溝２４に圧入され、それによって溝２４内で管２２をシールしている。

次いで図５を参照すると、高温接着剤４６の、管２２の油を同伴する部分への吸上げを抑制するために製造中に取り付けられた所謂ウィック阻止材料４４が、センサ装置６０の下流に配置されていることに留意されよう。したがって、図６を詳細に参照すると、油同伴柱（ｏｉｌ−ｅｎｔｒａｉｎｅｄ ｃｏｌｕｍｎ）４８がセンサ装置６０の上流および下流両方にあることに留意されよう。高温オイル（ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｉｌ）４８は、あまり熱膨張しやすくないタイプのものでなければならないことが当業者には理解されよう。選択肢の１つは、所謂拡散ポンプ型のオイルである。もう１つは、自動車のブレーキ・システムに使われるような、少なくとも華氏４００度までの温度にさらされるシリコーン・ブレーキ液である。説明した実施形態におけるウィック阻止材料４４は、高温ＲＴＶエラストマーであり、これが使用されるのは、製造工程で高温接着剤４６が液状で利用されるからである。

次いで、図４および６を参照すると、センサ装置６０は、管２２の中間部分内で油柱４８内に浮いている石英管５０を組み込んでいることが理解されるであろう。説明している実施形態では、石英管５０と金属製保護管２２の間のインターフェース５６（図４）内で接着や取付けが行われていない。したがって金属製保護管２２は、エンジン環境中で装置６０に対して自由に膨張および収縮することができる。

最後に、センサ装置６０が生成する光信号は、シリンダ１２内で起こる燃焼活動に対する圧力ダイヤフラム４０の応答によって引き起こされる隙間３８の絶えず変動する変化によって生成されることが当業者には理解されよう。しかし、燃料経済性および放出レベルの最適化を含め、リアル・タイムでエンジンを管理するために、このような信号は、最終的には、エンジン制御モジュール６２（図６）に適切に読み取られるように電気信号に変換されなければならない。

少なくとも１本の溝２４を有するスペーサ層２０の製造工程について論ずる。まず、スペーサ層２０に溝２４を大まかに切り込む。溝２４が、単一のスペーサ層２０だけで形成される場合、スペーサ層２０の少なくとも１つの表面６１は、図８に示すように薄い支持層６３を備えることが好ましい。薄い支持層６３は、スポット溶接または他の適切な方法によりスペーサ層２０に取り付けることができる。大まかに切り込んだ溝２４を形成した後、仕上げ整形を行わなければならない。仕上げ整形は、ミリング、のこ歯による溝切り、ビード加工、または仕上げ形状への圧印加工によって実施できる。

溝２４の壁と管２２の外側表面の間に充分なシールを設けることが望ましい。金属管２２と溝２４の壁との間で許容差が厳密に制御されている場合でも、微小シール処理が望ましい。シール材によるコーティングを溝２４に使用するのに望ましい異なった方法がいくつかある。方法の１つは、溝を形成する前にシール材によるコーティングを平坦な層に使用することを含むものである。しかし、この方法の使用には、機械加工プロセスに対して成形プロセスの使用によって溝２４を成形することが必要である。あるいは、溝２４を成形後、スクリーン印刷プロセスの使用によりシール材によるコーティングを施してもよい。

他の代替実施形態では、金属管２２を溝２４に挿入する前にシール材によるコーティングを直接金属管２２に施してもよい。シール材によるコーティングは共形性であるので、金属管２２が溝２４に配置された後、コーティングは、溝２４の壁と金属管２２の間のいかなる隙間もシールする。溝２４と金属管２２の間のシール処理に影響を与える多くの異なったタイプのコーティングを使用することができる。適切なコーティングとしては、ＦＫＭベースのコーティング、熱可塑性樹脂、セメント（液状で利用し、センサを組み立てた後で硬化させなければならない）および気泡状のコーティングが含まれる。

上記の説明は、例示のためのものであり限定のためのものではないことを理解されたい。上記説明を読めば、当業者にとって多くの実施形態が明らかになるであろう。例えば、センサ要素中のガスケットおよびガスケット材料本体中にモールドされたワイヤは、本発明のより広い範囲中に入る。したがって、本発明の範囲は、上記の説明ではなく、添付の特許請求の範囲を、この特許請求の範囲の権限が及ぶ均等物の全範囲と共に参照して決定すべきである。

各センサがガスケットのスペーサ層中に設けられた表面溝内に配設された円筒形の金属製保護管中に含まれ、エンジンの燃焼アパーチャの縁部に配置されるようになされている、本発明の燃焼圧力センサ・システムを組み込んだ、シリンダ・ヘッド・ガスケットの、記載された一実施形態の部分平面図である。 溝内に配置された金属製の保護管を示し、この管が見えるようにガスケットの上部層を切り込んだ、ＭＬＳシリンダ・ヘッド・ガスケットのスペーサ層の表面内に設けられた溝の細部を明らかにする、本発明のガスケットの一部分の拡大斜視切開図である。 保護管の一部がガスケットとは別に分離して示され、その管の端部がエンジン燃焼アパーチャに最も接近して配置されるようになされていることを示す、図２に対応する、保護管の一部の断面図である。 保護管の中央部がガスケットとはやはり別に分離して示され、圧力センサ装置が金属管内に含まれていることを示す保護管の中央部分の断面図である。 センサ機構の保護に関する特徴を示す、保護管の、エンジン燃焼アパ−チャの近傍に位置する端部とは反対側の端部の断面図である。 図３、４、５に示す、管の全ての部分を含む、保護金属管の全長の断面図である。 センサ装置を位置決めするための溝の他の代替実施形態の断面図である。 ガスケットのスペーサ層内に形成される溝の他の代替実施形態の断面図である。 燃焼ボアの開口部に隣接したセンサの管のシールを充分に実施するための代替実施形態の図である。 燃焼ボアの開口部に隣接したセンサの管のシールを充分に実施するための代替実施形態の図である。 燃焼ボアの開口部に隣接したセンサの管のシールを充分に実施するための代替実施形態の図である。 燃焼ボアの開口部に隣接したセンサの管のシールを充分に実施するための代替実施形態の図である。

Claims (20)

1. 内燃エンジン中で使用するようになされたシリンダ・ヘッド・ガスケット内の燃焼圧力センサであって、前記ガスケットが少なくとも１つの燃焼シリンダ・ボア・アパーチャを画定し、前記センサが、前記ボア・アパーチャの境界に配置されるようになされており、前記センサが、事前爆発を含むエンジンの状態を判定するためにエンジンのシリンダ・ボア内の燃焼圧力の変化を測定するようになされており、前記センサが、前記ボア・アパーチャの境界に配置された金属管と、前記金属管の、前記アパーチャ境界に近接した一端に固定された薄膜と、前記管の他端へ延びる光ワイヤに固定されたセンサ装置とを備え、前記ワイヤが、当初前記薄膜により圧力パルスとして生成された光信号を伝えるようになされており、前記光信号が、前記薄膜の圧力に誘発された動きに応答して前記センサ装置によって生成され、前記光信号の強さの変化が、前記薄膜の前記動作によって反映される燃焼圧力の変動に対応する、燃焼圧力センサ。
2. 前記金属管が、前記センサ装置および光ワイヤを収納し、シリンダ・ボアでのシーリング応力による破砕力による損傷から保護するための装置を備える、請求項１に記載の燃焼圧力センサ。
3. 前記ガスケットが、外部層および前記外部層間に配置された少なくとも１つの中間スペーサ層を含むＭＬＳガスケットを備え、前記スペーサ層が、前記センサ装置およびセンサ・ワイヤの少なくとも一部の配置を収容するための、その中に形成された少なくとも１つの溝を画定する、請求項２に記載の燃焼圧力センサ。
4. 前記ガスケットが、互いに隣接して配置された少なくとも１対のスペーサ層を含み、前記各スペーサ層が、その中に形成された少なくとも部分溝を有し、隣接するスペーサ層の部分溝が一緒になって、前記センサ装置およびセンサ・ワイヤの少なくとも一部分を受ける寸法の溝を形成する、請求項３に記載の燃焼圧力センサ。
5. 前記管が、シリンダ・ボアの境界近傍に配置された端部を備え、前記金属管が、流体で満たされた管と、前記管の前記境界近傍の一端に固定され、燃焼ガスが前記管に侵入しないようにした前記流体を前記管内に保持するための圧力ダイヤフラム媒体とをさらに備える、請求項３に記載の燃焼圧力センサ。
6. 前記管が、シリンダ・ボアの境界近傍に配置された端部を備え、前記端部が外側に張り出したトランペット形を有する、請求項３に記載の燃焼圧力センサ。
7. 前記溝の一部分が、前記管の外表面を把持するための複数の歯をさらに含む、請求項３に記載の燃焼圧力センサ。
8. 前記管の一部分が全体的に外側に広がる三角形の形状を有し、したがって前記管を前記溝に圧入しなければならないようになっている、請求項３に記載の燃焼圧力センサ。
9. 前記センサが、引込みケーブルと、前記引込みケーブルの端部から離隔された端部を有する反射ケーブル・ストランドと、前記金属管内に収容された石英管とをさらに備え、前記石英管が、前記離隔された引込みケーブルおよび反射ケーブル・ストランドを、前記部材の端部間で隙間を画定するために前記部材が離隔された状態で保持されるように収容する、請求項５に記載の燃焼圧力センサ。
10. 前記圧力センサがノッキング検出センサを備える、請求項９に記載の燃焼圧力センサ。
11. 前記センサ装置が、燃焼パラメータを検出するシステムを備え、エンジン性能パラメータを最適化する目的で、シリンダ毎の圧力データをリアル・タイム・エンジン管理システムに送出するためにシリンダ・ボアのところで感知が行われる、請求項８に記載の燃焼圧力センサ。
12. 前記シリンダ毎の圧力データの前記リアル・タイム・エンジン管理システムへの送出に対応できるようにエンジン管理システムに一体的に取り付けられた光ケーブル・ワイヤをさらに備える、請求項１１に記載の燃焼圧力センサ。
13. 前記ガスケットが、少なくとも１つのビード付き層と１つの平坦なスペーサ層を備え、各前記層が少なくとも１つのポート・アパーチャを備え、前記アパーチャが前記それぞれの層で互いに同心状に位置合わせされ、前記スペーサ層が前記圧力センサ装置とそれと通信を行う前記センサ・ケーブルの両方を受けるようになされた表面溝を備える、請求項１２に記載の燃焼圧力センサ。
14. 各々が金属物体中に保護された複数の前記センサをさらに含み、前記表面溝の各々が、前記金属物体の外側寸法に少なくとも等しい表面深さを有し、各センサが前記溝内で実質上受けられる、請求項１３に記載の燃焼圧力センサ。
15. 前記流体が油である、請求項１４に記載の燃焼圧力センサ。
16. 前記管が前記センサ装置の下流に配置されたウィック抑止材料を備える、請求項１４に記載の燃焼圧力センサ。
17. 少なくとも１つのセンサをその中に配置可能なガスケットを製造する方法であって、
    少なくとも１つのスペーサ層を提供するステップと、
    保護管に収納された少なくとも１つのセンサを提供するステップと、
    少なくとも１つのスペーサ層内で、溝を前記保護管の形状および寸法にほぼ等しい所定の形状および寸法に大まかに切るステップと、
    前記保護管の形および寸法よりわずかに大きい最終形状に前記溝を整形するステップと、
    前記保護管を前記溝に挿入するステップと、
    前記保護管と前記溝の前記壁との間の隙間をシーリング・コーティングでシールするステップとを含む方法。
18. 前記整形ステップが成形プロセスによって実現される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記整形ステップが機械加工プロセスによって実現される、請求項１７に記載の方法。
20. 前記シーリング・コーティングが、前記保護管を前記溝に挿入する前に、前記保護管の外側表面に施される、請求項１７に記載の方法。

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