JP2008525758A - 内燃機関のためのペンシル形のグロープラグ - Google Patents

Abstract

本発明は自己点火式の内燃機関のためのペンシル形のグロープラグに関する。グロープラグ（１０）はプラグ本体（１２）を有し、該プラグ本体（１２）に燃焼室圧センサ（２２）が統合され、棒形に構成された加熱体（１６）を有し、該加熱体（１６）が一端で前記プラグ本体（１２）から突出しかつ内燃機関の燃焼室内へ突入しており、前記燃焼室圧センサの力測定エレメント（２２）が圧力の作用に際して軸方向に移動する加熱体（１６）の後しろに受容されている。力測定エレメント（２２）はステンレスの、析出硬化されたマルエージング鋼から成るスチールダイヤフラム（３６）によって燃焼室ガスに対してシールされている。

Description

自己点火する内燃機関の有害物質の放出に対する法的な排ガス規定は次第に厳しさを増している。さらに内燃機関の新しく改発された機関マネージメントシステムに対しては低い燃料消費量を保証しかつ長い耐用年限を達成するという要求がある。自己点火する内燃機関の燃焼室における燃焼の好適化は燃料の噴射調整装置の使用によって達成される。このためには燃焼室圧信号をベースとした機関調整装置では、測定精度に関して達成可能な信頼性と好適化された構成空間とに関してきわめて高い要求に応えなければならない圧力センサが使用される。

［従来技術］
自動車技術ポケットブック２３版、Ｂｒａｕｎｓｃｈｗｅｉｇ；Ｗｉｅｓｂａｄｅｎ，Ｖｉｅｗｅｇ １９９９，ＩＳＢＮ ３−５２８−０３８７６−４、１１１ページからは、統合されたシリコン−燃焼室圧力センサが公知である。このシリコン−燃焼室圧力センサは伝達タペット、力導入に役立つシリコンポデスト並びに統合されたシリコン圧力センサを有している。鋼製取付け板の片面には単数又は複数の接続ピンが存在し、この又はこれらの接続ピンからは接続導線が、統合されたシリコン−圧力センサに向かって延びている。この配置ではシリコンチップは内燃機関の燃焼室における高い温度に直接的には晒されない。これは金属製の分離ダイヤフラム並びに力を伝達するための十分な長さのタペットによって達成される。ダイヤフラム中央にマイクロメカニックなポデストの取付けによってシリコンチップは力センサになる。フロントダイヤフラムから受取られた圧力はタペットを介してわずかな付加的な変造だけでポデストを経て、シリコンから成るセンサチップに導入される。これは後退させられた取付け位置にあり、したがって１５０℃よりも低い運転温度にしか晒されない。

ＷＯ９７／３１２５１Ａ号明細書にはノック現象と点火中断を検出する燃焼室圧力センサが開示されている。点火プラグ内には繊維光学的な燃焼室圧センサが統合されている。この燃焼室圧センサは、１つの導体によって点火プラグ体が貫かれるように構成されている。キー状に構成された、不均等な厚さを有するダイヤフラムは、ダイヤフラムに作用する機械的な負荷を低減し、センサの信頼性を上昇させる。燃焼室圧センサに作用する、発生する過圧は、折曲げられた区分がダイヤフラムに構成されることで減退させられている。

ＷＯ０１／５３５５６Ａ１号明細書からは、マルエージングタイプのばね鋼が公知である。これは高強度の、硬化可能な耐腐蝕性のばね鋼であって、主として６．１から９．０重量％のＮｉ、１１．０から１５．０重量％のＣｒ、０．１から０．３重量％のＴｉ、０．２から０．３重量％のＢｅ並びに残りのＦｅから成り、そのマルテンサイト温度はＭｓ≧１３０℃でかつそのフェライト含有量はＣ_{Ｆｅｒｒｉｔ}＜３％である。このような高強度の硬化可能な耐腐蝕性のばね鋼では、ニッケル含有量の５０％までコバルトによって置換えられていることができる。又、クロム含有量の３５％まではモリブデン及び／又はタングステンと置換えられていることができる。

内燃機関の燃焼室の燃焼室圧を検出するために今日広く普及している測定装置のタイプは"Ｓｔａｎｄ−ａｌｏｎｅ"センサである。この"Ｓｔａｎｄ−ａｌｏｎｅ"センサの使用のためにはシリンダへッド壁に別個の孔が設けられていなければならない。通常はこのようなセンサの値段はきわめて高いが、それも達成可能な測定精度が高いために認めざるを得なかった。しかし自動車分野の大量使用にとっては比較的に安価な圧力センサが経済的に有意義である。内燃機関のシリンダヘッドの既存のコンポーネントへのセンサの統合は明らかな価格利点をもたらし、これによりはじめて大量使用が可能になった。しかし、新しい内燃機関のシリンダヘッド内には付加的な孔を設けることはできない。何故ならばスペース状況は、特に４弁形内燃機関の場合にはきわめて制限されかつ冷却媒体通路の経過があらかじめ規定されており、内燃機関のシリンダヘッドにおけるスペース状況がきわめて制限されているからである。

［発明の開示］
本発明によれば自己点火する内燃機関のシリンダにおける圧力を、ペンシル形グロープラグに統合された燃焼室圧力センサで検出することが提案されている。燃焼室ガスに対するシールとしてはステンレスである、析出硬化されてマルエージング鋼から成るばね弾性的なダイヤフラムが使用されている。

提案された解決手段によればセンサは既存のシリンダヘッドコンポーネント、例えばペンシル形グロープラグに統合されている。この解決手段によればシールは、ステンレスである析出硬化されたマルエージング鋼から成るダイヤフラムの形態のばね弾性的なエレメントが引受ける。このマルエージング鋼はこれまで使用されていた材料に比較して、高い強度を有し、普通のステンレス鋼に較べて高い曲げ交番強度、もしくは膨張強度を有している。さらにステンレスである、析出硬化されたマルエージング鋼は高められた耐久強度を有し、これはばね弾性的に構成されたダイヤフラムの寿命に正の影響を及ぼし、内燃機関の燃焼室におけるシールが燃焼室内へ突入するグロープラグによって損われることを内燃機関の寿命に亘って阻止する。

さらに提案した前記材料は、耐老化性が高いことでも勝れている。この材料の高い耐老化性は熱的又は機械的な予備老化（予備塑性化）で達成される。ステンレスである、析出硬化されたマルエージング鋼の熱的なもしくは機械的な予備老化によって、わずかな応力低下もしくはきわめて好適な、つまりわずかなリラックス特性が達成される。ステンレスである、析出硬化されたマルエージング鋼の優れた等方性の変形可能性に基づきばね弾性的に構成されたダイヤフラムは深絞り方法で製作することができる。この方法は最小の曲げ半径を有する、きわめて薄壁に構成された構成部分の変形を可能にする。さらに提案された、ステンレスである、析出硬化されたマルエージング鋼から製作されたダイヤフラムは好適なヒステリシス特性並びに好適な耐高温性を有している。さらにステンレスである析出硬化されたマルエージング鋼は攻撃性の媒体に対し良好な化学的な耐性を有し、特にすぐれた加熱ガス腐蝕耐性を有している点で勝れている。これは内燃機関における使用に際してきわめて有意義である。製作技術的な関点から、ステンレスである、析出硬化されたマルエージング鋼は良好な溶接性を可能にするという特徴を有している。これは統合された燃焼室センサを有するペンシル形グロープラグのシールの製作に関して重大な意義を持つ。

［図面］
以後、図面に基づき本発明を詳細に説明する。

図1は統合された燃焼室圧センサとばね弾性的な鋼製ダイヤフラムとを有する、本発明によって提案されたペンシル形グロープラグの縦断面図。

図2は鋼製ダイヤフラムの締込み個所を拡大して示した図。

［構成のヴァリエーション］
図１には本発明によって提案されたペンシル形グロープラグの１実施例が示されている。

ペンシル形グロープラグ１０はケーシングとして役立つプラグ本体１２を有している。プラグ本体１２はほぼリング形に構成され、セラミック製の加熱体１６を有し、該加熱体１６は棒形に構成されている。セラミック製の加熱体１６の周面は符号５６で示されている。棒形に構成されたセラミック製の加熱体１６は一端でプラグ本体１２から突出し、シールコーン１８を介してシールされている。セラミック製又は金属製の加熱体１６とシールコーン１８との間にはリングギャップが設けられているので、加熱体１６はシールできない。シールコーン１８によっては内燃機関の燃焼室における圧縮がペンシル形グロープラグ孔の領域における燃焼室ガスの漏洩によって低減されないことが保証される。

シールコーン１８は締込み個所５４にて、燃焼室ガスに対するペンシル形グロープラグ１０のシールを成す鋼製ダイヤフラム３６を固定する。棒形に構成された加熱体１６は自己点火する内燃機関の燃焼室内に突入しかつその端面にて、燃焼室内を支配しているそのつどのガス、つまりガス圧で負荷される。これは図1にFで示された矢印で示してある。

燃焼室を支配し、力伝達経路２０で示すようにセラミック製の加熱体１６の端面に押圧力を生ぜしめるガス圧はセラミック製の加熱体１６の材料によって力伝達エレメント２４に伝達されかつそこから力測定エレメント２２に導かれる。力測定エレメント２２は圧電式のセンサエレメントであっても圧力測定エレメントであってもよい。力伝達エレメント２４によって負荷された力測定エレメント２２の両側には接触部がある。これらの接触部は図１の実施例では第１の接触部２８．１と第２の接触部２８．２である。力伝達経路２０に位置する力測定エレメント２２には有利には予荷重がかけられている。

力測定エレメント２２が圧電式のセンサエレメントであると、セラミック製又は金属製の加熱体１６に対する力インパルスの発生によりセンサエレメントが機械的に負荷された場合に荷電、ひいては電圧が生ぜしめられる。この荷電又は電圧は力測定エレメント２２の表面から金属化に基づき及び／又は図示された接触部２８．１もしくは２８．２によってタップされる。力測定エレメント２２からは接続路３０がペンシル形グロープラグ１０のプラグ体１２の内部を差込み接続部３４に向かって延びている。差込み接続部３４には送電線３２が接続可能で、この送電線３２で電気的な信号が評価装置、例えば内燃機関の中央の機関制御装置へ伝送されることができる。

セラミック製の加熱体１６は支持管３８によって取囲まれている。支持管３８の外周面は符号３８．２で示されている。支持管３８の主機能は、セラミック製の加熱体１６、つまりグロー体の固定である。セラミック製の加熱体１６は支持管３８内にろう付けされている。セラミック製の加熱体１６の代りに金属材料から成る加熱体１６を使用することもできる。セラミック製の加熱体１６と支持管３８は、対称軸線４２に対して対称に構成されている。鋼製ダイヤフラム３６はシールコーン１８によってプラグ本体１２の一方の端面４６に当て付けられる。シールコーン１８は図１において曲げられて示された鋼製ダイヤフラム３６が受容される切欠き５２を制限している。

内燃機関の燃焼室における圧力によって生ぜしめられる力Fは内燃機関の燃焼室内へ突入する棒形に構成されたセラミック製の加熱体１６の端面に作用する。圧力の作用は力伝達体経路２０の内部にある構成部分をμｍの範囲で、直線的に弾性的に運動させる。これによって燃焼室圧に直接的に関連する力インパルスが伝達される。棒形に構成されたセラミック製の加熱体１６の端面に圧力が作用することに基づき、加熱体１６は締込み個所５４に固定された鋼製ダイヤフラム３６に対し相対的に移動する。燃焼室圧によって、棒形に構成されたセラミック製の加熱体１６に発生させられる圧力作用は、一方では直接的に力測定エレメント２２に伝達されることができ、間接的に図１にて力測定エレメント２２とセラミック製の加熱体１６との間に構成された棒形の力伝達エレメント２４を介して伝達されることができる。

圧力受容体として役立つ力測定エレメント２２はペンシル形グロープラグ１０の内部にて、燃焼室の圧力の作用により移動するセラミック製の加熱体１６の後しろに受容されている。燃焼室ガスに対するシールはステンレスである、析出硬化されたマルエージング鋼から製作された鋼製ダイヤフラム３６によって達成される。

通常は従来使用された圧力受容体は、内燃機関に使用するために、鋼製ダイヤフラムの端面が燃焼室における火炎フロントに直接的に晒されるように構成されている。最近の製作方法は構成ダイヤフラム３６の製作を種々の幾何学的な形状にかつ種々の寸法に製作することを許す。ステンレスである鋼から成る、本発明で使用された鋼製ダイヤフラム３６が有する、従来使用されていたシールに比較した利点は、鋼製ダイヤフラム３６が最低温度から＋４５０℃の温度までの耐熱性を有し、ほとんどすべての媒体に対し化学的に高い耐腐蝕性を有していることである。このために全温度領域に亘って優れた機械的な特性と良好な耐老化性とが達成される。プロセス温度が高い場合ですら適当な鋼種を用いることで十分な耐久時間が達成される。

図２によればシールを引受ける鋼製ダイヤフラムがその締込み個所で拡大されて示されている。

図２には鋼製ダイヤフラム３６がプラグ本体１２とシールコーン１８の端面との間に締込み個所５４にて締込まれていることが示されている。鋼製ダイヤフラム３６は圧力負荷を受けた場合に軸方向に移動するセラミック製の加熱体１６に第１の支持面４８で接し、第２の支持面５０でプラグ本体１２の端面４６に向き合っている。棒形に構成されたセラミック製の加熱体１６の軸方向運動は矢印で示された力Fによって示されている。この力Fは内燃機関の燃焼室を支配している、燃焼室内に突入するセラミック製の加熱体１６に作用している、検出しようとする圧力によって発生させられる。力伝達経路は図２においても符号２０で示されている。図２によればセラミック製の加熱体１６の後しろには接続ピン３０が配置されている。この接続ピン３０はグロー電流レールとして用いられる。センサから電気的な信号をタップするセンサ導線はグロー電流から絶縁されていなければならない。したがって力伝達エレメント２４の接触プレート又はそれに類似したものとグロー電流レールもしくはセラミック製の加熱体１６との接触は許されない。図２に示された支持管３８のカラー３８．１に支えられた力伝達エレメント２４は絶縁材料、例えば絶縁セラミックから製作される。力伝達エレメント２４をセラミック製又は金属製の加熱体１６の直ぐ後しろに配置したい場合にはセラミックから構成された力伝達エレメントの代りに少なくとも１つの絶縁円板を挿入することができる。支持管３８に構成されたカラー３８．１は力伝達エレメント２４による力測定エレメント２２に対する力の伝達に役立つ。

鋼製ダイヤフラム３６は良好なばね特性を有している。鋼製ダイヤフラム３６は例えばその内周面における第１の支持面４８でセラミック製の加熱体１６が案内されている支持管３８と結合されている。これに対し加熱体１６が金属材料から成っていると、このような形式で製作された加熱体１６の外周面と鋼製ダイヤフラム３６との直接的な結合が可能である。又、択一的に鋼製ダイヤフラム３６を例えば鋼から製作された支持管３８と結合することもできる。

鋼製ダイヤフラム３６の別の固定の可能性は、プラグ本体１２の端面４６と鋼製ダイヤフラム３６の第２の支持面５０との間で行なうことにある。この他に鋼製ダイヤフラム３６をシールコーン１８に又はプラグ本体１２に材料接続的に例えばレーザ溶接法で結合することも可能である。

提案した本発明の解決策に従って製作された鋼製ダイヤフラム３６は、統合された燃焼室センサを有するペンシル形のグロープラグ１０に使用されている。この場合、鋼製ダイヤフラム３６は高強度で耐腐蝕性である、析出硬化されたマルエージング鋼から製作されている。この鋼は１１．０重量％から１５．０重量％までのクローム含有量と、６．０重量％から９．０重量％までのニッケル含有量と、０．１重量％から０．３重量％までのチタン含有量と、０．２重量％から０．３重量％までのベリリュウム含有量とを有し、残りは鉄である。マルテンサイト温度Ｍｓは≧１３０℃であり、フェライト含有量はＣ_{Ｆｅｒｒｉｔ}＜３％である。この鋼は溶解焼なまし状態では完全なマルテンサイト合金でかつそれに応じて良好な等方性の変形を許す結晶組織を有する。溶解焼なまし状態は金属マトリクス内の金属中間相の析出によって特徴づけられる。この状態は材料固有に発生する。

前記材料は熱処理によって硬化させられる。この鋼の硬化によりきわめて高い強度、高い曲げ交番強度及び３００℃までの耐リラックステーション性が達成される。適当な熱処理のあとでビッカス硬さＨＶ＞５９０と高い強度（＞１９００ＭＰａ）が達成される。ニッケル含有量の５０重量％はコバルトの添加によって置換えられることができる。さらにクローム含有量の３５重量％まではモリブデン及び／又はタングステンの添加によって置換えられることができる。さらにこの鋼は４重量％までの銅を含むことができる。これにより既に良好な耐腐蝕性をさらに上昇させることができる。さらに前記鋼から製作された鋼製ダイヤフラム３６は図２に示された締込み個所５４にてきわめて良好に溶接することができる。この場合、材料接続的に、溶接によって形成された結合は一方ではプラグ本体１２の端面４６に構成されることができ、他方では鋼製ダイヤフラム３６とシールコーン１８との間に材料接続的な結合を製作することができる。良好な溶接の可能性は製作における鋼製ダイヤフラム３６の簡単な取付けに関する重要な基準を成す。

鋼製ダイヤフラム３６の鋼材料は引っ張り強度Ｒ_ｍ＞２０００ＭＰａ並びに伸び限界Ｒ_ｐ０．２＞１９００ＭＰａ並びに曲げ交番強度Ｒ_Ｂｗ＞９００ＭＰａ並びに膨張強度Ｒ_ｓ＞１５００ＭＰａを有している。鋼製ダイヤフラム３６は例えば深絞り又は他の製作方法で図１に示された幾何学的な形状に変えられることができる。この場合、鋼製ダイヤフラム３６の材料のばね弾性的な特性は変形のあとで維持される。もちろん図１に示された鋼製ダイヤフラム３６の構成の他に他の図示されていない幾何学的な形状も可能である。又、鋼製ダイヤフラム３６の変形のあとで鋼製ダイヤフラム３６は規定された熱処理によってさらに特別に硬化されることもできる。鋼製ダイヤフラムのために使用された材料は良好な曲げ交番強度を有することで優れている。鋼製ダイヤフラム３６のために使用された材料（マルエージング鋼）よりも高い強度を有する鋼は存在するが、もちろんこれらの鋼の周期的な交番負荷での最大荷重交番数はきわめて制限されている。前述の深絞りの他に鋼製ダイヤフラム３６は切削製作方法で製作されることもできる。

さらに前記鋼材料は例えば内燃機関の燃焼室ガスが成す攻撃的な媒体に対してきわめて耐性が大きい。さらに前記材料は最高温度に対しても長期的に耐性を有し、棒形に構成された加熱体１１と片側又は両側で接触させられた力測定エレメント２２と場合によってはプラグ本体１２を通って延びる力伝達エレメント２４とを有する燃焼室圧センサが内部に配置されているペンシル形グロープラグ１０のシールが燃焼室ガスに対して持続的に達成され、この結果、本発明によって提案されたペンシル形グロープラグ１０の耐用年限は著しく延長される。

鋼製ダイヤフラム３６が製作されると有利である前記材料は変形可能性がきわめて良好であることで優れている。一般的にマルテンサイト鋼はきわめて高い硬度を有し、きわめて変形し難い。鋼製ダイヤフラム３６が製作されると有利である先の材料は、マルテンサイト的な合金を成しているがきわめて良好に変形することができる。鋼製ダイヤフラム３６が製作されると有利である前記材料は先きに述べた組成を有するマルエージング鋼であると有利である。このマルエージング鋼は引っ張り強度Ｒ_ｍ＞２０００ＭＰａ、伸び限界Ｒ_ｐ０．２＞１９００ＭＰａ並びにビッカス高度ＨＶ＞６００を有している。

統合された燃焼室圧センサとばね弾性的な鋼製ダイヤフラムとを有する、本発明によって提案されたペンシル形グロープラグの縦断面図。 鋼製ダイヤフラムの締込み個所の拡大図。

符号の説明

１０ ペンシル形グロープラグ
１２ プラグ体
１６ セラミック製の加熱体
１８ シールコーン
２０ 力伝達経路
２２ 力測定エレメント
２４ 力伝達エレメント
２８．１ 第１の接触部
２８．２ 第２の接触部
３０ 接続ピン
３２ 送電線
３４ 差込み接続線
３６ 鋼製ダイヤフラム
３８ 支持管
３８．１ 支持管のカラー
３８．２ 支持管の外周面
４２ 対称軸線
４６ プラグ体の端面
４８ 鋼製ダイヤフラム３６の第１の支持面
５０ 鋼製ダイヤフラムの第２の支持面
５２ 切欠き
５４ 鋼製ダイヤフラムの締込み個所
５６ 加熱体の外周面

Claims (11)

1. 自己点火式の内燃機関のためのペンシル形のグロープラグ（１０）であって、燃焼室圧センサ（２２）が内部に統合されているプラグ本体（１２）と、棒形に構成された加熱体（１６）とを有し、該加熱体（１６）が一方の端部で前記プラグ本体（１２）から突出しかつ内燃機関の燃焼室内へ突入している形式のものにおいて、前記燃焼室センサの力測定エレメント（２２）が、圧力の作用に際して軸方向に可動な前記加熱体（１６）の後しろに受容されており、前記力測定エレメント（２２）がステンレスの、析出硬化されたマルエージング鋼から成るスチールダイヤフラム（３６）によって燃焼室ガスに対しシールされていることを特徴とする、ペンシル形のグロープラグ。
2. 前記スチールダイヤフラム（３６）が、前記プラグ本体（１２）の燃焼室側の端部にてシールコーン（１８）と前記プラグ本体（１２）との間に受容されている、請求項１記載のグロープラグ。
3. 前記スチールダイヤフラム（３６）がその締込み個所（５４）で前記プラグ本体（１２）と又は棒形に構成された加熱体（１６）と結合されている、請求項１記載のグロープラグ。
4. 前記スチールダイヤフラム（３６）が前記プラグ本体（１２）の端面（４６）又はシールコーン（１８）の端面に材料接続により結合されている、請求項３記載のグロープラグ。
5. 前記スチールダイヤフラム（３６）が以下の組成：
   −１１．０重量％から１５．０重量％までのＣｒ、
   −６．０重量％から９．０重量％までのＮｉ、
   −０．１重量％から０．３重量％までのＴｉ、
   −０．１重量％から０．３重量％までのＢｅ、
   −０．５重量％から１．５重量％までのＭｏ、
   −残り鉄
   で製作されている、請求項１記載のグロープラグ。
6. 前記スチールダイヤフラム（３６）の鋼が４重量％までのＣｕを含んでいる、請求項５記載のグロープラグ。
7. 前記Ｎｉ含有量の５０％までがコバルトによって置換えられている、請求項５記載のグロープラグ。
8. 前記Ｃｒ含有量の３５％までがモリブデン及び／又はタングステンによって置換えられている請求項５記載のグロープラグ。
9. 前記スチールダイヤフラム（３６）がその内側直径の円周に沿って前記棒形の加熱体（１６）の該套面（５６）に接触面（４８）にて結合されている、請求項１記載のグロープラグ。
10. 前記棒形に構成された加熱体（１６）が支え管（３８）内に固定されている、請求項１記載のグロープラグ。
11. 内燃機関の燃焼室における圧力を検出する燃焼室圧センサにおいて、燃焼室ガスに対し力測定エレメントを遮蔽するために役立つスチールダイヤフラム（３６）が使用され、該スチールダイヤフラム（３６）が以下の組成：
    −１１．０重量％から１５．０重量％までのＣｒ、
    −６．０重量％から９．０重量％までのＮｉ、
    −０．１重量％から０．３重量％までのＴｉ、
    −０．１重量％から０．３重量％までのＢｅ、
    −０．５重量％から１．５重量％までのＭｏ、
    −残り鉄
    で製作されている、燃焼室圧センサ。

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