JP2006513350A - 内燃機関のための燃焼室圧力センサ - Google Patents

Abstract

内燃機関に固定されるボディ（２７）と、
軸線方向（１１）に延びた、ボディに結合された、内燃機関の燃焼室（９）の内側に延びたコア（２９）と、
燃焼室（９）内の圧力を、該圧力の作用下でのコア（２９）の変位によって決定するための測定手段（２００，５５，６５）とが設けられている形式のものにおいて、
予熱プラグに、該予熱プラグが装着された内燃機関のシリンダヘッド（５）に対するコアの変位を計量することを可能にする手段（５０，６０）が装備されていることを特徴とする、内燃機関（１１０）のための予熱プラグ（２０）。
本発明はこのような予熱プラグを含む車両にも関する。

Description

本発明は、内燃機関の制御、特にこれらの内燃機関の燃焼室内の圧力の測定に関する。

内燃機関は、生じた作動環境に従って燃料の噴射を制御するためにテストベッドにおいて確立された“標準”設定を有する。これらの設定はあいにく、特に実際の燃焼室内での、リアルタイムでの内燃機関の老化の条件（インジェクタの汚れ、圧縮の損失、インジェクタノズル開放圧力の低下等）を考慮していない。

一般に認められているように、内燃機関にノックセンサを装備することが提案されている。したがって、加速度計タイプのこれらのセンサにより、内燃機関の損傷の危険性を有する衝撃波の存在が、検出され、噴射パラメータを修正することによって回避される。しかしながら、これらのセンサは、内燃機関をより汚れにくく及び／又はより効率的にするための内燃機関の改良に対する極めて不完全なソリューションしか提供しない。

そのような状況により、出願人の会社は、内燃機関の運転を最適化するために、燃焼室内の圧力を測定するという課題を自ら課した。

この圧力を測定するために既に様々な装置が提案されている。しかしながら、これらの装置はあまり信頼できないか又は、これらの装置の価格又はこれらの装置が生じるコスト（センサを導入するためにシリンダヘッド又は内燃機関ブロックを改造する）のため、価格が高すぎる。

本発明の課題は、燃焼室内の内部圧力を信頼性よくかつ限定されたコストで決定することである。

このために、本発明は、内燃機関のための予熱プラグであって、内燃機関に固定されたボディと、軸線方向に延びたコアとが設けられており、コアが、ボディに結合されておりかつ内燃機関の燃焼室の内側に延びており、燃焼室内の圧力を、この圧力の作用下でのコアの変位によって決定するための測定手段が設けられており、この予熱プラグに、予熱プラグが装着された内燃機関のシリンダヘッドに対するコアの変位を計量することを可能にする手段が装備されている、予熱プラグを提案する。

燃焼室内の圧力はコアを押し出す（又は押し戻す）傾向がある。その結果、本発明は、センサを予熱プラグに組み込むことによって、内燃機関ブロックに穴を開ける必要なしに、シリンダヘッドに対する予熱プラグのコアの相対的な変位から、燃焼室内の圧力を引き出すことを可能にしている。

付加的な特徴によれば、内燃機関のシリンダヘッドに対する予熱プラグのコアの変位の検出を可能にする手段は、螺合又は溶接、又はあらゆる同等の公知の手段によって前記シリンダヘッドに固定されたヨークである。

発明の有利な特徴によれば、測定システムを予熱プラグにできるだけうまく組み込むために、前記ヨークと、コアと一体的な部分との間に測定手段が配置されている。

付加的な特徴によれば、測定手段は、第１の端部と第２の端部との間において軸線方向にコアの周囲に延びた、管状の圧電素子を有しており、この管状の圧電素子は、第１の端部においてコアに、第２の端部においてヨークを介してシリンダヘッドに結合されている。

圧電素子は、本発明の場合、小さな振幅の変位（数百ナノメートル）のために、変位を対応する電気信号に高い精度で変換することができる。このソリューションは、ますます有利であることが証明された。なぜならば、圧電素子が、ひずみゲージ式の変位センサよりも低価格でありかつ温度に対して敏感でないように働くからである。

本発明は、推進ユニットが装備された車両にも関し、前記推進ユニットは、予熱プラグに加えて、
−燃焼室を有しておりかつ前記予熱プラグが取り付けられた内燃機関と、
−燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するための燃料噴射手段と、
−測定手段によって得られた情報を処理するための処理手段とが設けられており、前記処理手段が、１回の燃焼サイクルの経過において測定手段によって得られた情報に基づき、噴射手段を制御するようになっている。

このソリューションは、予熱プラグに関連した前記利点を有する。

有利には、処理手段は、シリンダヘッドに対するコアの振動に関する情報を排除するために、高周波数フィルタを有している。

シリンダヘッドに対するコアの変位は、特に燃焼室内の圧力と、燃料の噴射と、燃焼とに依存する。内燃機関の回転速度よりも著しく高い周波数、例えば２００Ｈｚよりも高い周波数を遮断するフィルタを使用することによって、燃焼室内の圧力測定に対するこれらの混乱させる影響を減じることができる。

本発明は、添付図面を参照した以下の詳細な説明よりさらに明らかになるであろう。

図１は、内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられた従来の予熱プラグの部分的な断面図を示している。

図２及び図３は、シリンダヘッドにおける予熱プラグの取付けの２つの形式を、異なるスケールで示している。

図１は、予熱プラグ２０を含む推進ユニット１と、燃料噴射手段１３０と、電子コンピュータ４と、特にシリンダヘッド５及び燃焼室９を含む内燃機関のエンジンブロック１１０とを示している。

予熱プラグ２０はこの場合、軸線方向１１に延びておりかつ、シリンダヘッド５にその目的のために形成されたオリフィス３に収容された、ディーゼル内燃機関のための予熱プラグから成っている。慣用の予熱プラグによれば、予熱プラグ２０は、ボディ２７と、ボディの内側に延びたコア２９と、概してエラストマシールから成る、ボディ２７とコア２９との間に配置された絶縁シールカラー１２とを有している。

コア２９は、燃焼室９内へ延びたシース１０によって保護された、抵抗電気素子１８と、シース１０に固定された、抵抗素子１８をねじ山付き電流導入部４０に接続したロッド１４とを含んでおり、ねじ山付き電流導入部には、抵抗素子１８への電源が接続されている。

予熱プラグ２０には、感応性ピエゾセラミック素子４５から成る変位センサ２００も装備されている。感応性ピエゾセラミック素子は、２つのコンタクトリング７０ａ及び７０ｂの間に配置されており、２つの絶縁リング９０ａ，９０ｂによって、コア２９及びボディ２７から電気的に絶縁されている。

感応性エレメント４５と、コンタクトリング７０ａ，７０ｂと、絶縁リング９０ａ，９０ｂとは管状であり、これは、電流導入部４０及びロッド１４がこれらを貫通し、これらによって局所的に包囲されていることを意味する。

センサ２００は、軸線方向１１で見て第１の端部２００ａにおいて、固定ナット７によってコア２９に結合されており、軸線方向１１で見て他方の端部２００ｂにおいて、このボディ２７に当て付けられたスペーサ片６によってボディ２７に結合されており、前記絶縁リング９０ａ，９０ｂは、一方がコンタクトリング７０ａとナット７との間に、他方がコンタクトリング７０ｂとスペーサ片６との間に挿入されている。

コンピュータ４は、コンタクトリング７０ａ，７０ｂに電気的に接続されており、コンピュータは、これらのコンタクトリングの電圧差を測定し、また、コンピュータ４は、燃焼室９内に噴射される燃料の量と燃料が噴射される瞬間とを制御とするために噴射手段１３０に接続されている。

内部燃焼の間、燃焼室９内の圧力は上昇し、予熱プラグ２０はこの影響を受ける。この圧力は予熱プラグを外方へ“駆動する”傾向を有する。コア２９、特にシース１０は、ボディ２７に対して所定の位置に保持されているが、燃焼室内の圧力に応じて、部分的にシリンダヘッド５に固定された前記ボディ２７に対して数ミクロンだけ僅かに移動する。

この微小な変位は、予熱プラグ２０の一体性を危険にさらすことはなく、燃焼室９内の圧力を導き出すことを可能にする。特に、軸線方向１１でのボディ２７に対するコア２９の相対位置の変化は、圧電素子４５に加えられる圧力を変化させ、このことは、コンタクトリング７０ａ，７０ｂの間のポテンシャル差を生ぜしめる。

コンタクトリング７０ａ，７０ｂの、１回の燃焼サイクルの経過におけるポテンシャル差に関する情報は、コンピュータ４によって処理され、コンピュータ４は、メモリに既に記憶されたオペレーティングモデルを参照することによって、リアルタイムで燃料の噴射を決定し、そのオペレーティング履歴が何であろうとも内燃機関の状態を考慮することを可能にする。

コンピュータ４は、寄生情報を排除するための信号処理手段を有する。特に、ボディに対するコアの振動に関するコンタクトリング７０ａ，７０ｂの間の電圧の変化を排除するために高周波フィルタを有しており、その周波数は例えば２００ヘルツ以上である。

有利な実施形態が図２に示されている。この場合、図１の予熱プラグ２０が設けられており、予熱プラグの外部ボディ２７は、符号２７０で示された部分に亘って螺合させられており、軸線及び取付け方向１１でオリフィス３の雌ねじ山３０に直接に係合している。

スペーサ片６はこの場合、シリンダヘッド５の後部において突出した、あぶみ形状のヨーク５０が代用されており、このヨーク５０は、その水平な壁部５１を介して当付け面として働き、この当付け面の位置は、圧力／変位センサ５５のためにシリンダヘッドに対して固定されている。従来技術の予熱プラグ２０に付加されたこのヨーク５０は、シリンダヘッド５に固定されており、シリンダヘッドと予熱プラグ２０との機械的結合を可能にし、また、取付けが達成されると水平な壁部５１を介して変位センサ５５に圧力を加えることを可能にする。

中央コア２９の後端部２９ａは、燃焼室９とは反対側の軸方向端部において（したがって軸線方向１１で）、ボディ２７を越えて、センサ５５のための当付け面５７を有しており、したがって、このセンサは面５１と５７との間に配置されており、これにより、燃焼室９における圧力変化がコア２９に、ひいては面５７を介してセンサ５５に伝達され、ヨーク５０はシリンダヘッド５に対して固定されている。

この実施形態において、ヨーク５０は、図１に示されたナット７を省略することを可能にする。

さらに、この実施形態において、センサ５５は内燃機関９内の圧力上昇によって加圧されるのに対し、図１の実施形態においては、内燃機関９内の圧力上昇は測定シーケンスの弛緩を生ぜしめる。

予熱プラグ２０のボディ２７はシリンダヘッド５に螺合、ひいては固定されているが、ヨーク５０は、シリンダヘッドに螺合されたボディ２７の間に存在する可能性のあるあらゆる遊びの問題を回避するために、シリンダヘッドと中央コア２９との間の直接的な機械的結合を提供する。このようにこの遊びを排除することによって、センサ５５はより内燃機関９内の圧力を決定することが可能である。

さらに、図１とは対照的に、ヨーク５０は、予熱プラグ２０がシリンダヘッド５に対して生じる可能性のあるあらゆる振動を測定から排除することを可能にする。なぜならば、相対的移動は、この実施例においては、コア２９とボディ２７との間ではなく、シリンダヘッドと予熱プラグ２０のコア２９との間において直接に評価されるからである。

ヨーク５０は、この場合には逆Ｕ字形断面を有する鐘状のあぶみ（bell-shaped stirrup）の形状で描かれているが、その他の形状が予想されることができる。

同様に、ヨークとシリンダヘッド５との間の（５９における）螺合による以外の結合が予想されることができる（例えばバヨネットシステム、又は、これらの固定手段が、軸線方向１１でセンサ５５に加えられる“基準”圧力が変更されることを許容することができるならば溶接さえも）。

理論上、ヨーク５０は、溶接されるか、又は（例えば鋳造によって）シリンダヘッド５の一体的部分として直接に製造されることができる。

この図面もやはりコンピュータ４を示しており、コンピュータ４は、コンタクトリング２１ａ及び２１ｂの端子において測定されたポテンシャル差に基づいて、燃料噴射手段１３０が制御されることを許容する。図１に示したように、コンタクトリング２１ａ及び２１ｂは、絶縁リング２３ａ及び２３ｂによって、他の装着部品から絶縁されている。

図３において、予熱プラグ２０のボディ２７はやはりシリンダヘッド５のねじ山付きオリフィス３に螺入されており、中央コア２９の後方部分２８ａは水平な当付けバー５７に結合されている。

しかしながら、この形態においては、水平なバー５７は、例えば符号６１の位置において溶接によってシリンダヘッドに対して固定されたヨーク６０の上方に配置されている。

ヨークの水平な壁部６３は、圧力センサ６５のための定置の当付け面６３ａを提供するために、軸線方向１１に対して直角に延びており、圧力センサ６５は、ヨーク（水平な壁部６３）と、ナット６７の圧力を受ける当付けバー５７との間に配置されており、ナット６７は、したがって、センサに適当な基準圧力を加えるように軸線方向１１でコア２９を引っ張る。

もちろん、発明は、制限しない例によって説明されたばかりの実施形態に決して制限されない。すなわち、発明は、その他のタイプの内燃機関、例えば点火制御内燃機関、例えばガソリン内燃機関に適用されることが予想されることができる。点火制御内燃機関プラグも、シリンダヘッドに固定されるためのボディと、ボディの内側に延びたコアとを有しており（これらの間において火花が発生される）、本発明による測定手段は、ボディとコアとの相対的変位を測定するためにボディとコアとの間に配置されることができる。

変化例（図示せず）として、プラグ２０の構成が、プラグのボディ２７におけるセンサ２００の直接取付けに向いているならば、スペーサ片６を省略することができる。

内燃機関のシリンダヘッドに取り付けられた従来の予熱プラグの部分的な断面図を示している。 シリンダヘッドにおける予熱プラグの取付けの１つの形式を示している。 シリンダヘッドにおける予熱プラグの取付けの別の形式を示している。

符号の説明

１ 推進ユニット、 ３ オリフィス、 ４ コンピュータ、 ５ シリンダヘッド、 ６ スペーサ片、 ７ 固定ナット、 ９ 燃焼室、 １０ プラグシース、 １１ 軸線方向、 １２ シーリングカラー、 １４ ロッド、 １８ 抵抗電気素子、 ２０ 予熱プラグ、 ２１ａ，２１ｂ コンタクトリング、 ２３ａ，２３ｂ 絶縁リング、 ２７ ボディ、 ２９ コア、 ２９ａ 後端部、 ３０ 雌ねじ山、 ４０ 電流導入部、 ４５ 圧電素子、 ５０ ヨーク、 ５１ 水平な壁部、 ５５ 変位センサ、 ５７ 当付け面、 ５９ 取付け領域、 ６０ ヨーク、 ６１ 溶接領域、 ６３ 水平な壁部、 ６３ａ 水平な当付け面、 ６５ 変位センサ、 ６７ ナット、 ７０ａ，７０ｂ コンタクトリング、 ９０ａ，９０ｂ 絶縁リング、 １１０ 内燃機関ブロック、 １３０ 燃料噴射手段、 ２００ 変位センサ、 ２００ａ，２００ｂ 端部、 ２７０ ねじ山付き部分

Claims (10)

1. 内燃機関（１１０）のための予熱プラグ（２０）であって、
   内燃機関に固定されるボディ（２７）と、
   軸線方向（１１）に延びた、ボディに結合された、内燃機関の燃焼室（９）の内側に延びたコア（２９）と、
   燃焼室（９）内の圧力を、該圧力の作用下でのコア（２９）の変位によって決定するための測定手段（２００，５５，６５）とが設けられている形式のものにおいて、
   予熱プラグに、該予熱プラグが装着された内燃機関のシリンダヘッド（５）に対するコアの変位を計量することを可能にする手段（５０，６０）が装備されていることを特徴とする、内燃機関のための予熱プラグ。
2. シリンダヘッドに対するコアの変位を計量することを可能にする手段（５０，６０）が、一方の端部においてシリンダヘッド（５）に固定されたヨークである、請求項１記載の予熱プラグ。
3. ヨーク（５０，６０）がシリンダヘッド（５）に螺合させられている、請求項２記載の予熱プラグ。
4. ヨーク（５０，６０）がシリンダヘッド（５）に溶接されている、請求項２記載の予熱プラグ。
5. 測定手段（２００，５５，６５）が、ヨーク（５０，６０）と、前記予熱プラグ（２０）のコア（２９）と一体的な部分（５７）との間に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の予熱プラグ。
6. 測定手段（２００，５５，５６）が、第１の端部と第２の端部との間において軸線方向にコアの周囲に延びた少なくとも１つの管状の圧電素子（４５）を含んでおり、該管状の圧電素子が、第１の端部（２００ａ）においてコアに、第２の端部（２００ｂ）においてヨーク（５０，６０）を介してシリンダヘッド（５）に結合されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の予熱プラグ。
7. 推進ユニット（１）が装備された車両において、
   請求項１から６までのいずれか１項記載の予熱プラグ（２０）と、
   燃焼室（９）を有しておりかつ前記予熱プラグが取り付けられた内燃機関（１１０）と、
   内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射手段（１３０）と、
   測定手段によって得られた情報を処理するための処理手段（４）とが設けられており、
   該処理手段（４）が、１回の燃焼サイクルの経過において測定手段（２００，５５，６５）によって得られた情報に基づいて噴射手段（１３０）を制御することを特徴とする、推進ユニットが装備された車両。
8. 処理手段（４）が、シリンダヘッドに対するコアの振動に関する情報を排除するための高周波フィルタを有している、請求項７記載の車両。
9. 処理手段が、１回の燃焼サイクルの経過において測定手段によって伝送された情報を基準値と比較し、この比較に基づいて噴射手段を制御することを特徴とする、請求項７又は８記載の車両。
10. ディーゼル形式の内燃機関を有している、請求項７から９までのいずれか１項記載の車両。

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