JP2009150325A - 燃焼圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼圧を高い精度で検出する。
【解決手段】グロープラグ一体型燃焼圧センサ１０はハウジング１１、ヒーターハウジング１２、グローヒーター１３を有する。ハウジング１１をエンジンヘッド１に固定する。ハウジング１１のテーパー状端部と孔部２の段差とが密着する。ハウジング１１の密着部分より燃焼室側にヒーターハウジング１２を設ける。ヒーターハウジング１２の先端にグローヒーター１３を設ける。ヒーターハウジング１２の側面にダイアフラム１７を設ける。ダイアフラム１７の内側に圧力センサ２０を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの燃焼室内の燃焼圧を検出する燃焼圧センサに関する。

エンジンの燃焼室内における燃焼状態をモニターするために、燃焼圧を検出することが求められている。前記燃焼圧を検出するために、様々な燃焼圧センサが考案されている。燃焼圧センサとして、例えば、ロッド受圧式燃焼圧センサが知られている。ロッド受圧式燃焼圧センサによれば、センサの燃焼室側の端部に他の機能を発揮する機構を設けることが可能である。例えば、ディーゼルエンジンに用いる燃焼圧センサとして、グローヒーターを先端部に有する燃焼圧センサが開示されている（特許文献１参照）。

図５に示すように、従来のロッド受圧式燃焼圧センサ１０’では、燃焼圧により受圧ロッド１９が軸方向に沿って燃焼室の外部に向かって（図５における上方向）押圧される。受圧ロッド１９が軸方向に押圧されると、受圧ロッド１９は軸方向に変位する。受圧ロッド１９が変位するときに、受圧ロッド１９により圧力センサ２０が押圧される。圧力センサ２０により、受圧ロッド１９から圧力センサ２０に作用する力が検出される。

受圧ロッド１９とシリンダヘッド１との間には空隙３が設けられ、受圧ロッド１９は変位自在である。しかし、図６に示すように、空隙３には燃焼により発生するＰＭ４が堆積する。ＰＭ４が堆積することにより、受圧ロッド１９が変位するときに、受圧ロッド１９とＰＭ４との間には摺動抵抗が発生する。それゆえ、検出される燃焼圧のヒステリシスが大きくなり、燃焼圧センサの検出精度が低下することが問題であった。
特開２００４−１２４９１０号公報

従って、本発明では、ＰＭが堆積してもヒステリシスの肥大化を防ぎ、燃焼圧の検出精度を高く維持することを目的とする。

第１の発明に係る燃焼圧センサは、ハウジングと、ダイアフラムと、圧力検出部とを含む。ハウジングは軸方向に沿って伸び、軸方向の一端が燃焼室に向くようにエンジンに係合する。ダイアフラムはハウジングの側面に設けられ、燃焼室の圧力に応じて変形する。圧力検出部はダイアフラムの変形に応じた電気信号を発生する。

第１の発明によると、ハウジングの側面にダイアフラムが設けられるため、ハウジングの周囲に堆積するＰＭから摺動抵抗を受けること無く、ダイアフラムは受圧量に応じて変形可能である。したがって、ＰＭの摺動抵抗の影響を受けること無く、圧力検出部によって燃焼圧をより正確に検出することが可能である。

第２の発明に係る燃焼圧センサでは、第１の発明の構成に加えて、ハウジングはシール部を有する。また、シール部は燃焼室を密封するようにエンジンに密着する。また、ダイアフラムは、ハウジングをエンジンに係合させた状態においてシール部より燃焼室側に設けられる。

第２の発明によると、燃焼圧センサをエンジンに係合させることにより燃焼室が密封される場合にも確実に燃焼圧の検出が可能になる。

第３の発明に係る燃焼圧センサでは、第１の発明の構成に加え、圧力検出部がダイアフラムの内面に当接するように設けられる。

第３の発明によると、受圧伝達部財をダイアフラムと圧力検出部の間に設けずに、ダイアフラムから直接圧力検出部に力を作用させるので、伝達ロスを低減化される。したがって、燃焼圧をさらに高い精度で検出可能となる。

第４の発明に係る燃焼圧センサでは、第１の発明の構成に加え、ハウジングの側面に複数のダイアフラムが設けられる。

第４の発明によると、複数のダイアフラムそれぞれが受圧する力を別々に検出することが可能である。燃焼圧を別々に検出することにより、一方のダイアフラムが作動不能に陥った場合でも、燃焼圧の検出が可能である。

第５の発明に係る燃焼圧センサでは、第１の発明の構成に加え、グローヒーターを含む。グローヒーターは、ハウジングをエンジンに係合させた状態において、ハウジングの燃焼室側の端部に設けられる。

第５の発明によると、燃焼圧センサとグローヒーターとを一体化することが可能となる。例えば、ディーゼルエンジンの燃焼室にはインジェクタやグローヒーターなどが設けられており、センサなどを設けるスペースが少なかった。そこで、燃焼圧センサとグローヒーターとを一体化することにより、燃焼室のスペースを十分に活用することが可能となる。

本発明によれば、エンジンヘッドと燃焼圧センサとの間の空隙にＰＭが堆積しても、検出する燃焼圧に発生するヒステリシス現象の影響を低減化させることが可能である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態を適用したグロープラグ一体型燃焼圧センサ（燃焼圧センサ）をディーゼルエンジンのエンジンヘッドに取り付けた状態で示す部分的な縦断面図である。なお、図１においてエンジンヘッドの上方が外表面側、下方を燃焼室側とする。図２は、ダイアフラムおよび圧力センサの拡大図である。

エンジンヘッド（エンジン本体）１には、外表面から燃焼室まで貫通する円孔部２が形成される。グロープラグ一体型燃焼圧センサ１０は棒状に形成される。グロープラグ一体型燃焼圧センサ１０は、長手方向に沿って円孔部２に挿入される。

グロープラグ一体型燃焼圧センサ１０は、ハウジング１１、ヒーターハウジング１２、グローヒーター１３、パイプステム１４、および第１の固定リング１５ａによって構成される。

ハウジング１１は、例えば炭素鋼などの電導性を有する金属によって形成される。ハウジング１１は、円筒部１１ｃｙおよび六角部１１ｈｘを有する。円筒部１１ｃｙは円筒状であり、一端に六角部１１ｈｘが形成される。また、他端側はテーパー状に形成される。さらに、円筒部１１ｃｙの外周面には、雄ネジ部１１ｓｃが形成される。

エンジンヘッド１の円孔部２の外表面側には、雌ネジ部２ｓｃが形成される。雄ネジ部１１ｓｃを雌ネジ部２ｓｃに螺合させることにより、グロープラグ一体型燃焼圧センサ１０はエンジンヘッド１に固定される。

六角部１１ｈｘは六角柱形状で、円筒部１１ｃｙと同軸を有するように形成される。また、六角部１１ｈｘには、軸方向に円筒部１１ｃｙの孔部と連通する孔部が設けられる。六角部１１ｈｘは、雄ネジ部１１ｓｃを雌ネジ部２ｓｃに螺合するために用いられる。

エンジンヘッド１の円孔部２は、外表面側が大径で、燃焼室側が小径となる段付き形状に形成される。雄ネジ部１１ｓｃを雌ネジ部２ｓｃに螺合していくと、円孔部２の段と円筒部１１ｃｙのテーパー面（シール部Ｓ）が密着し、燃焼室内が密閉される。

ヒーターハウジング１２は、電導性を有する耐熱／耐食性合金によって円筒状に形成される。ヒーターハウジング１２は、テーパー状に形成された端部側からハウジング１１の円筒部１１ｃｙに挿入された状態で、溶接される。なお、ヒーターハウジング１２をハウジング１１に溶接することにより、燃焼室からの燃焼ガスがハウジング１１内部に侵入することが防がれる。

円筒部１１ｃｙ側に挿入されたヒーターハウジング１２の端部は第１の固定リング１５ａに当着される。第１の固定リング１５ａにより、ヒーターハウジング１２の円筒部１１ｃｙ側への変位が防がれる。

なお、第１の固定リング１５ａは円環状であり、ハウジング１１の円筒部１１ｃｙの内部に円筒部１１ｃｙと同軸を有するように設けられる。第１の固定リング１５ａは、樹脂またはセラミックなどの絶縁材料によって形成される。第１の固定リング１５ａは、例えばネジ付けなどの固定方法により、円筒部１１ｃｙ内部において、固定される。

ヒーターハウジング１２の燃焼室側の端部は開放される。ヒーターハウジング１２の解放端には、グローヒーター１３が設けられる。

グローヒーター１３の外殻（図示せず）は一端が半球状に閉じた円筒形であり、電導性を有する耐熱／耐食性合金によって形成される。外殻は開放端側においてヒーターハウジング１２に挿入された状態で溶接される。なお、グローヒーター１３をヒーターハウジング１２に溶接することにより、燃焼室からの燃焼ガスがヒーターハウジング１２内部に侵入することが防がれる。

ヒーターハウジング１２の内部にパイプステム１４が挿入される。パイプステム１４は、両端において第１の固定リング１５ａとグローヒーター１３とに当接する。グローヒーター１３は、ヒーターハウジング１２とパイプステム１４を介して第１の固定リング１５ａに固定され、円筒部１１ｃｙ側への変位が防がれる。なお、パイプステム１４は樹脂またはセラミックなどの絶縁材料によって形成される。

六角部１１ｈｘからヒーターハウジング１２の開放端側まで延びるグローヒーター線１６がパイプステム１４の内部に挿入される。グローヒーター線１６はグローヒーター１３側の端部において、グローヒーター１３の外殻内部に配設される発熱コイル（図示せず）の一端に結合される。

発熱コイルの他端は外殻の内部で半球状端部に結合している。発熱コイルは、ＮｉＣｒおよびＣｏＦｅなどの抵抗線によって形成される。また、発熱コイル、外殻、およびグローヒーター線１６の間には耐熱性を有する絶縁粉末（図示せず）が充填される。

第１の固定リング１５ａとグローヒーター線１６との間には第２の固定リング１５ｂが挿入される。また、六角部１１ｈｘの孔部とグローヒーター線１６との間には第３の固定リング１５ｃが挿入される。第２、第３の固定リング１５ｂ、１５ｃはシリコンゴム、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、Ｈ−ＮＢＲなどのゴムによって形成されており、第２、第３の固定リング１５ｂ、１５ｃによりグローヒーター線１６が固定される。

グローヒーター線１６は六角部１１ｈｘ側においてコネクティングバー（図示せず）を介して電源に接続される。また、グローヒーター線１６は発熱コイル、外殻、ヒーターハウジング１２、ハウジング１１を介してエンジンヘッド１に接地される。このような構成により、グローヒーター１３は発熱し、ディーゼルエンジンの着火始動を補助することが出来る。

ヒーターハウジング１２の側面にダイアフラム１７が設けられる。ヒーターハウジング１２の軸を中心として対称となる位置に２つのダイアフラム１７が設けられる。

ダイアフラム１７は、その受圧面がヒーターハウジング１２の外側を向くように、配置される。ダイアフラム１７は耐熱／耐食性合金によって、ダイアフラム１７の受光面とヒーターハウジング１２の外周面が同一面となるように形成される。ダイアフラム１７の受圧面にかかる圧力が変動するとき、ダイアフラム１７の中央部が受圧面に垂直な方向に変位する。

ダイアフラム１７の受圧面と反対側の内面には圧力センサ２０が設けられる。圧力センサ２０はダイアフラム１７とパイプステム１４によって挟持される。圧力センサ２０に当接する位置において、パイプステム１４の外面に凹陥部１４ｃが設けられる。凹陥部１４ｃにより、圧力センサ２０の位置ズレが防止される。また、圧力センサ２０に予荷重がかかるように、凹陥部１４ｃの深さが定められる。

圧力センサ２０は、板状の圧電素子２１の両面に電極２２およびインシュレータ２３を設けることにより形成される。なお、両端のインシュレータ２３がダイアフラム１７およびパイプステム１４に当接するように、圧力センサ２０の配置する向きが定められる。

圧電素子２１は例えば、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウムなどの圧電体である。インシュレータ２３は、例えば天然マイカ、積層マイカ、アルミナなどのセラミックス材、あるいはポリイミド樹脂、フェノール樹脂などの樹脂であって、ダイアフラム１７およびパイプステム１４から電極２２を電気的に絶縁している。

両電極２２それぞれには、シールド付き信号線１８が接続され、パイプステム１４の外面から内面に通じる孔に挿通される。パイプステム１４の内面に挿通したシールド付き信号線１８は、ハウジング１１側において再び内面から外面に通ずる孔に挿通される。シールド付き信号線１８をパイプステム１４の孔に挿通することにより、シールド付き信号線１８が固定される。

シールド付き信号線１８は、ヒーターハウジング１２およびハウジング１１の内において第３の固定リング１５ｃからハウジング１１の外部にまで延ばされる。シールド付き信号線１８は、ハウジング１１の外部において、ＥＣＵ（図示せず）に接続される。

受圧面にかかる圧力により、ダイアフラム１７が受圧面に垂直な方向に変形する。ダイアフラム１７の変形に応じて圧力センサ２０にかかる圧力が変わる。圧力センサ２０にかかる圧力に応じた電気信号が、圧力センサ２０からＥＣＵに送信される。受信する電気信号に基づいて、燃焼圧が検出される。

図３に、実際の燃焼圧に対するグロープラグ一体型燃焼圧センサ１０によって検出される燃焼圧を示す。図３は、横軸を実際の燃焼圧とし、縦軸を検出される燃焼圧とするグラフである。図３には、比較のために図５に示した従来のロッド受圧型燃焼圧センサ１０’により検出される燃焼圧も表示される。なお、検出された燃焼圧を近似した直線の傾きが１になるように、圧力センサ２０から出力される電気信号のゲインが調整されている。

従来のロッド受圧型燃焼圧センサ１０’では、堆積したＰＭの摺動抵抗により圧力の変化方向とは逆方向の誤差が生じる。すなわち、圧縮行程において吸入された空気が圧縮され始めてから（符号ａ１’参照）自然着火するまで（符号ａ２’参照）までの間の燃焼圧が増加するときは、検出される燃焼圧は実際の燃焼圧より低くなる（経路ａ１’→ａ３’→ａ２’参照）。一方、自然着火後の燃焼行程においてピストン（図示せず）が下降して燃焼圧が減少するときは、検出される燃焼圧は実際の燃焼圧より高くなる（経路ａ２’→ａ４’→ａ１’参照）。

一方、第１の実施形態のグロープラグ一体型燃焼圧センサ１０によれば、ＰＭが堆積してもダイアフラム１７の変形に影響を与えないため、従来のロッド受圧型燃焼圧センサ１０’に比べて、検出される燃焼圧は実際の燃焼圧に近い。

以上のように、第１の実施形態のグロープラグ一体型燃焼圧センサ１０によれば、従来のロッド受圧型燃焼圧センサに比べて、検出される燃焼圧のヒステリシスを減少させることが可能である。

また、従来のロッド受圧型燃焼圧センサでは、ＰＭの堆積量が増えるほど、摺動抵抗が大きくなるため検出される燃焼圧のヒステリシスが次第に肥大化する。しかし、第１の実施形態のグロープラグ一体型燃焼圧センサ１０によれば、シリンダヘッド１の孔部２とヒーターハウジング１２との間にＰＭの堆積量が増加しても燃焼圧の検出精度が悪化することが無い。

また、従来のロッド受圧型燃焼圧センサ１０’では、受圧ロッド１９とハウジング１１との間から不純物などが侵入していたが、第１の実施形態のグロープラグ一体型燃焼圧センサ１０によれば圧力センサ２０周辺に燃焼室内の不純物やＰＭが侵入することが防がれている。ハウジング１１とヒーターハウジング１２とが、およびヒーターハウジング１２と外殻とが全周囲に渡って溶接されているからである。

また、第１の実施形態のグロープラグ一体型燃焼圧センサ１０によれば、受圧ロッドを介さずに直接ダイアフラム１７からかかる圧力を圧力センサ２０によって検出することが可能である。したがって、機械的共振点が高くなるので、熱発生量の微小変化を高精度で算出可能となる。また、受圧ロッドを介さないので、圧力の伝達ロスが減じられ、燃焼圧を高い精度で検出可能となる。

次に本発明の第２の実施形態を適用した燃焼圧センサについて図４を用いて説明する。第２の実施形態の燃焼圧センサ１００は、グローヒーターが省かれる点において、第１の実施形態と異なっている。

燃焼圧センサ１００は、例えば、ガソリンエンジン（図示せず）などに用いられる。燃焼圧センサ１００ではヒーターハウジング１２０の円筒部１１ｃｙの反対側の端部は、第１の実施形態と異なり、密封される。また、グローヒーターが設けられないので、グローヒーター線も省かれる。

以上のような構成の第２の実施形態の燃焼圧センサによっても、ダイアフラム１７がヒーターハウジング１２の側面に設けられるので、第１の実施形態と同様に燃焼圧の検出時に発生するヒステリシスを低減化することが出来る。

なお、第１、第２の実施形態において、圧力センサ２０はダイアフラム１７の内面に当接し、ダイアフラム１７からかかる圧力を直接受圧する構成であるが、受圧伝達部材を介して圧力センサ２０を押圧する構成であってもよい。受圧伝達部材を介して圧力センサ２０が受圧する場合には伝達ロスが生じるが、ヒステリシスの低減化を図ることは可能である。

また、第１、第２の実施形態において、２つのダイアフラム１７および圧力センサ２０が設けられる構成であるが、いくつであってもよい。

また、第１の実施形態において、グロープラグ一体型燃焼圧センサ１０の先端にグローヒーター１３が設けられる構成であるが、他のいかなる機構を設けてもよい。燃焼室に向かった先端部に設ける必要がある機構に本実施形態を適用することにより、先端部にダイアフラムを設けること無く、燃焼圧の検出精度を向上させることが可能である。

本発明の第１の実施形態を適用したグロープラグ一体型燃焼圧センサをディーゼルエンジンのエンジンヘッドに取り付けた状態で示す部分的な縦断面図である。 ダイアフラムおよび圧力センサの拡大図である。 実際の燃焼圧に対する検出される燃焼圧の関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態を適用したロッド受圧型燃焼圧センサをエンジンヘッドに取り付けた状態で示す部分的な縦断面図である。 従来のロッド受圧型燃焼圧センサをエンジンヘッドに取り付けた状態で示す部分的な縦断面図である。 従来のロッド受圧型燃焼圧センサとエンジンヘッドとの間の空隙にＰＭが堆積している状態を示す。

符号の説明

１ エンジンヘッド
１０、１００ グロープラグ一体型燃焼圧センサ、燃焼圧センサ
１０’ ロッド受圧型燃焼圧センサ
１１ ハウジング
１２ ヒーターハウジング
１３ グローヒーター
１４ パイプステム
１７ ダイアフラム
２０ 圧力センサ

Claims (5)

1. 軸方向に沿って延び前記軸方向の一端が燃焼室に向くようにエンジン本体に係合するハウジングと、前記ハウジングの側面に設けられ前記燃焼室の圧力に応じて変形するダイアフラムと、前記ダイアフラムの変形に応じた電気信号を発生する圧力検出部とを備えることを特徴とする燃焼圧センサ。
2. 前記ハウジングは前記燃焼室を密封するように前記エンジンに密着するシール部を有し、前記ダイアフラムは前記ハウジングを前記エンジンに係合させた状態において前記シール部より前記燃焼室側に設けられることを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧センサ。
3. 前記圧力検出部は、ダイアフラムの内面に当接するように設けられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃焼圧センサ。
4. 前記ハウジングの側面に複数の前記ダイアフラムが設けられることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか1項に記載の燃焼圧センサ。
5. 前記ハウジングを前記エンジンに係合させた状態において、前記ハウジングの前記燃焼室側の端部に設けられるグローヒーターを備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃焼圧センサ。

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