JP2011163926A - 筒内圧センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】構造が簡素であり、交換が容易であり、温度の影響が避けられる筒内圧センサを提供する。
【解決手段】ピストン１２が収容されたシリンダ１３の外殻であるシリンダライナ１４の外側に冷却水流路１５を隔ててシリンダブロック１６を有するエンジン１１に取り付けられてシリンダ１３内の気圧である筒内圧を検出する筒内圧センサ１であって、シリンダブロック１６の外側からシリンダブロック１６を貫通してシリンダライナ１４に当接され、筒内圧によって変位するプッシュロッド２と、シリンダブロック１６の外側でプッシュロッド１４の変位を検出する変位センサとを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、構造が簡素であり、交換が容易であり、温度の影響が避けられる筒内圧センサに関する。
内燃機関の燃焼効率を高めるためには、燃料の噴射タイミングや噴射圧力を適切に制御することが望ましい。このような制御に用いる要素の一つである筒内圧を検出するために、内燃機関に筒内圧センサを設ける必要がある。筒内圧センサによって内燃機関の筒内圧が正確に検出されると、内燃機関がより適切に制御できるようになる。例えば、内燃機関のクローズドループコントロールが可能となり、内燃機関の劣化の補正も可能となる。特に、ディーゼルエンジンの場合は、筒内圧を、噴射系の経年変化による噴射量の変化の補正に用いることができ、燃費や排気ガスに関する測定値の補正にも応用できる。また、筒内圧により、予混合燃焼と通常燃焼との切り替えやハイブリッド車の動力切り替えのつながりを、より滑らかに制御することができる。筒内圧は、米国の法規に規定されているミスファイヤー診断にも利用できる。
従来技術として、シリンダ内に圧力センサを挿入する筒内圧センサが知られている。
また、グロープラグや点火プラグに圧力センサを組み込んだ筒内圧センサが知られている。
また、シリンダの外殻であるシリンダライナに歪みゲージを取り付けて、シリンダライナの歪みを検出し、シリンダライナの歪みから筒内圧を導出する筒内圧センサが知られている。
特開２００９−１６２６９３号公報 特開平８−５００７２号公報
しかしながら、シリンダ内に圧力センサを挿入すると、シリンダ内の表面積が拡大する結果を招き、かつ、熱効率の見地からは、発生した熱エネルギが圧力センサに奪われて熱効率が低下することになるので、好ましくない。
グロープラグや点火プラグに圧力センサを組み込むと、エンジンの構造が複雑になり、かつ、エンジンの耐久性・信頼性が損なわれるので、好ましくない。
これら２種の筒内圧センサに比べると、シリンダライナに歪みゲージを取り付けた筒内圧センサは、エンジンの構造や特性には影響はないものの、歪みゲージを冷却水から防水する構造が複雑となり、かつ、歪みゲージの故障時の交換が困難であり、かつ、歪みゲージの特性がエンジン温度や冷却水温度に依存して変動するので、好ましくない。
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、構造が簡素であり、交換が容易であり、温度の影響が避けられる筒内圧センサを提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、ピストンが収容されたシリンダの外殻であるシリンダライナの外側に冷却水流路を隔ててシリンダブロックを有するエンジンに取り付けられて前記シリンダ内の気圧である筒内圧を検出する筒内圧センサであって、前記シリンダブロックの外側から前記シリンダブロックを貫通して前記シリンダライナに当接され、筒内圧によって変位するプッシュロッドと、前記シリンダブロックの外側で前記プッシュロッドの変位を検出する変位センサとを備えたものである。
前記変位センサは、前記プッシュロッドの前記シリンダブロックの外側に向いた一端と前記シリンダブロックに対して固定された支持部材との間に、歪みセンサが圧接させて配置され、前記歪みセンサが検出する歪みが前記プッシュロッドの変位を表してもよい。
前記変位センサは、前記プッシュロッドの前記シリンダブロックの外側に向いた一端に発電機の可動子が圧接され、前記発電機の固定子が前記シリンダブロックに対して固定され、前記発電機が発生する電力が前記プッシュロッドの変位を表してもよい。
前記変位センサは、前記プッシュロッドの前記シリンダブロックの外側に向いた一端と前記シリンダブロックに対して固定された支持部材との間に、圧電センサが圧接させて配置され、前記圧電センサが電気的に検出する圧力が前記プッシュロッドの変位を表してもよい。
前記変位センサは、前記プッシュロッドの前記シリンダブロックの外側に向いた一端に第一の電極板が圧接され、前記第一の電極板に対向する第二の電極板が前記シリンダブロックに対して固定され、前記第一の電極板と前記第二の電極板間の静電容量が前記プッシュロッドの変位を表してもよい。
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
（１）構造が簡素となる。
（２）交換が容易となる。
（３）温度の影響が避けられる。
本発明の筒内圧センサが取り付けられたエンジンの部分断面図である。 本発明の第一実施形態を示す筒内圧センサの断面図である。 本発明の第二実施形態を示す筒内圧センサの断面図である。 本発明の第三実施形態を示す筒内圧センサの断面図である。 本発明の第四実施形態を示す筒内圧センサの断面図である。
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１に示されるように、本発明の筒内圧センサ１が適用されるエンジン１１は、ピストン１２がシリンダ１３に収容され、そのシリンダ１３の外殻であるシリンダライナ１４の外側に冷却水流路（ウォータジャケット）１５を隔ててシリンダブロック１６を有する。シリンダブロック１６には、このエンジン１１に筒内圧センサ１を取り付けるための座１７がシリンダブロック１６から外方に突き出るように形成される。座１７は、シリンダ１３の頂部とピストン１２の上死点との間の範囲内に設けられる。座１７の中央には、シリンダブロック１６を貫通してシリンダブロック１６の外から冷却水流路１５に抜けるネジ穴１８が形成されている。
本発明の筒内圧センサ１は、ネジ穴１８に螺合するネジ３と、ネジ３を回転させるためのヘッド４とを備え、ネジ３をネジ穴１８に螺合させることによってエンジン１１に取り付けられる。ヘッド４には、プッシュロッド２の変位を検出する基準面を形成するセンサベース５が固定される。センサベース５には、図示しない配線コネクタを嵌合させるためのコネクタキャップ６が一体的に形成される。
筒内圧センサ１は、シリンダブロック１６の外側からシリンダブロック１６を貫通してシリンダライナ１４に当接されるプッシュロッド２と、シリンダブロック１６の外側でプッシュロッド２の変位を検出する変位センサ（図示せず；図２以下参照）とを備える。プッシュロッド２は、シリンダ１３の直径の延長に沿って延びている。シリンダライナ１４がシリンダ１３の直径方向に変位すると、プッシュロッド２がシリンダ１３の直径の延長に沿う方向に変位するようになっている。シリンダ１３内の気圧である筒内圧によってシリンダライナ１４がシリンダ１３の直径方向に変位するので、プッシュロッド２の変位からシリンダ１３内の気圧である筒内圧を検出することができる。
図２に示されるように、本発明の第一実施形態では、筒内圧センサ１に用いる変位センサ２０１は、プッシュロッド２のシリンダブロック１６の外側に向いた一端とシリンダブロック１６に対して固定された支持部材２０２としてのセンサベース５との間に、歪みセンサ（歪みゲージ）２０３が圧接させて配置される。変位センサ２０１は、歪みセンサ２０３が検出する歪みがプッシュロッド２の変位を表すようになっている。
詳しく述べると、筒内圧センサ１のネジ３の中心には、プッシュロッド２を変位自在に保持するプッシュロッド通路７が形成されている。プッシュロッド通路７内にプッシュロッド２が挿通される。ヘッド４を回転させてネジ３を図１のネジ穴１８に螺合させることで、筒内圧センサ１がシリンダブロック１６に固定されると共に、プッシュロッド２の先端がシリンダライナ１４に当接される。
ヘッド４には、ヘッド４の基端からヘッド４の内部に凹んだセンサ室２０４が形成される。支持部材２０２（センサベース５）は、センサ室２０４の開口部を塞ぐようにセンサ室２０４の開口部に固定される。歪みセンサ２０３は、片面がこの支持部材２０２に固定される。歪みセンサ２０３には、コネクタキャップ６内に突き抜けた２つの端子８が電気的に接続されている。
歪みセンサ２０３とプッシュロッド２に挟み込まれるように、センサ室２０４内を変位可能な押さえ板２０５が支持部材２０２に対向して設けられる。押さえ板２０５と支持部材２０２との間に、押さえ板２０５の変位によって伸縮されるコイルばね（スプリング）２０６が挿入される。
支持部材２０２が歪みセンサ２０３の片面に接し、歪みセンサ２０３の反対面に押さえ板２０５が接し、押さえ板２０５と支持部材２０２との間にコイルばね２０６が挿入されているので、プッシュロッド２の変位による力は、押さえ板２０５を介し、歪みセンサ２０３とコイルばね２０６により受けられる。同時に、プッシュロッド２はコイルばね２０６のばね力によりシリンダライナ１４に圧接される。
図２の変位センサ２０１を用いた筒内圧センサ１の動作を図１及び図２により説明する。
ピストン１２がシリンダ１３内を圧縮の方向に移動し、ピストン１２が上死点の近傍（適切な進角の位置）にあるとき、シリンダ１３内で圧縮されていた混合気が点火（ガソリンエンジンの場合）又はシリンダ１３内の高圧吸気中に噴射された燃料が着火（ディーゼルエンジンの場合）する。シリンダ１３内で発生する爆発により、筒内圧が急激に上昇する。このため、シリンダ１３の頂部とピストン１２の間でシリンダライナ１４がわずかに拡大変形する。これによるシリンダライナ１４のシリンダ１３の直径方向の変位は、シリンダライナ１４に当接されているプッシュロッド２に伝達される。プッシュロッド２は、シリンダ１３の直径の延長に沿う方向に変位する。
プッシュロッド２の変位による力は、押さえ板２０５を介して歪みセンサ２０３に伝達される。歪みセンサ２０３では歪みに応じて電気抵抗値が変化する。
歪みセンサ２０３に生じる歪みによる電気信号は、端子８より図示しない処理回路に送信される。処理回路では、歪みセンサ２０３の電気信号に基づいて筒内圧を検出する。筒内圧と歪みセンサ２０３の電気信号との関係は、あらかじめ実験により求めておき、ＥＣＭ（デジタル制御装置）等にマップを設定しておくとよい。
以上説明したように、本発明の筒内圧センサ１では、シリンダブロック１６の外側からシリンダブロック１６を貫通してシリンダライナ１４に当接されるプッシュロッド２を備えるため、プッシュロッド２が筒内圧によって変位する。変位センサ２０１により、シリンダブロック１６の外側でプッシュロッド２の変位を検出することで筒内圧が検出できる。
上記構成によれば、変位センサ２０１は、冷却水流路１５よりも外側のシリンダブロック１６の外側に設置されるので、冷却水に浸漬されることがなく、変位センサ２０１を防水する必要がなくなり、筒内圧センサ１の構造が簡素となる。
上記構成によれば、変位センサ２０１は、シリンダブロック１６の外側に取り付けられているので、変位センサ２０１が故障した場合でも、交換が簡単である。また、プッシュロッド２がネジ３内のプッシュロッド通路７に保持されているため、筒内圧センサ１を座１７に取り付けるというシリンダブロック１６の外での作業により、プッシュロッド２をシリンダブロック１６に覆われているシリンダライナ１４に当接させることができることになり、筒内圧センサ１の着脱の作業が容易である。
上記構成によれば、変位センサ２０１は、シリンダブロック１６の外側に位置するので、エンジン温度や冷却水温度からの影響が避けられ、変位センサ２０１の特性がエンジン温度や冷却水温度に依存して変動することがない。
次に、筒内圧センサ１に用いる変位センサの他の実施形態を説明する。
図３に示されるように、本発明の第二実施形態では、筒内圧センサ１に用いる変位センサ３０１は、プッシュロッド２のシリンダブロック１６の外側に向いた一端２ａに発電機の可動子３０２が圧接され、発電機の固定子３０３がシリンダブロック１６に対して固定される。変位センサ３０１は、発電機が発生する電力がプッシュロッド２の変位を表すようになっている。
詳しく述べると、筒内圧センサ１のネジ３の中心には、プッシュロッド２を変位自在に保持するプッシュロッド通路７が形成されている。プッシュロッド通路７内にプッシュロッド２が挿通される。ヘッド４を回転させてネジ３を図１のネジ穴１８に螺合させることで、筒内圧センサ１がシリンダブロック１６に固定されると共に、プッシュロッド２の先端がシリンダライナ１４に当接される。
ヘッド４には、ヘッド４の基端からヘッド４の内部に凹んだセンサ室３０４が形成される。センサベース５は、センサ室３０４に埋め込まれてヘッド４に固定される。固定子３０３は、センサベース５内に収容されてセンサベース５に固定される。可動子３０２は、固定子３０３に近接し、プッシュロッド２の変位の方向に変位自在に保持される。
可動子３０２とプッシュロッド２に挟み込まれるように、変位可能な押さえ板３０５がセンサベース５に対向して設けられる。可動子３０２とセンサベース５との間には、押さえ板３０５及び可動子３０２の変位によって伸縮されるコイルばね（スプリング）３０６が挿入されている。プッシュロッド２は、押さえ板３０５及び可動子３０２を介し、コイルばね３０６のばね力によりシリンダライナ１４に圧接される。
ここでは、可動子３０２が永久磁石で構成され、固定子３０３が永久磁石の周囲に巻かれた巻線で構成される。巻線には、コネクタキャップ６内に突き抜けた２つの端子８が電気的に接続される。
図３の変位センサ３０１を用いた場合、プッシュロッド２の変位は、押さえ板３０５を介して可動子３０２に伝達される。発電機の可動子３０２である永久磁石の変位速度に応じて発電機の固定子３０３である巻線に誘導電流が生じる。誘導電流は、端子８より図示しない処理回路に送信される。処理回路では、発電機の電気信号に基づいて筒内圧を検出する。筒内圧と発電機の電気信号との関係は、あらかじめ実験により求めておき、ＥＣＭ等にマップを設定しておくとよい。
このように、変位センサ３０１を用いた場合でも、シリンダブロック１６の外側でプッシュロッド２の変位を検出することで筒内圧が検出できる。これにより、変位センサ２０１を用いた場合と同様の作用効果が得られる。
図４に示されるように、本発明の第三実施形態では、筒内圧センサ１に用いる変位センサ４０１は、プッシュロッド２のシリンダブロック１６の外側に向いた一端２ａとシリンダブロック１６に対して固定された支持部材４０２としてのセンサベース５との間に、圧電センサ４０３が圧接させて配置される。変位センサ４０１は、圧電センサ４０３が電気的に検出する圧力がプッシュロッド２の変位を表すようになっている。
詳しく述べると、筒内圧センサ１のネジ３の中心には、プッシュロッド２を変位自在に保持するプッシュロッド通路７が形成されている。プッシュロッド通路７内にプッシュロッド２が挿通される。ヘッド４を回転させてネジ３を図１のネジ穴１８に螺合させることで、筒内圧センサ１がシリンダブロック１６に固定されると共に、プッシュロッド２の先端がシリンダライナ１４に当接される。
ヘッド４には、ヘッド４の基端からヘッド４の内部に凹んだセンサ室４０４が形成される。支持部材４０２（センサベース５）は、センサ室４０４に埋め込まれてヘッド４に固定される。
圧電センサ４０３は、圧電素子４０５が片側電極４０６及び反対側電極４０７で挟まれた構造を有する。プッシュロッド２は片側電極４０６に圧接され、反対側電極４０７は支持部材４０２に固定される。片側電極４０６及び反対側電極４０７には、コネクタキャップ６内に突き抜けた２つの端子８が電気的に接続される。
センサ室４０４からネジ３の内部に凹ませてスプリング室４０８が形成される。スプリング室４０８内には、片側電極４０６に対向するように、プッシュロッド２に固定されたフランジ板４０９が設けられる。フランジ板４０９と片側電極４０６との間には、フランジ板４０９の変位によって伸縮されるコイルばね（スプリング）４１０が挿入される。プッシュロッド２は、コイルばね４１０のばね力によりシリンダライナ１４に圧接される。
図４の変位センサ４０１を用いた場合、プッシュロッド２の変位は、圧電素子４０５の片側電極４０６に伝達される。圧電センサ４０３では、片側電極４０６及び反対側電極４０７で挟まれた圧電素子４０５に電圧が生じる。片側電極４０６と反対側電極４０７の電気信号は、端子８より図示しない処理回路に送信される。処理回路では、圧電センサ４０３の電気信号に基づいて筒内圧を検出する。筒内圧と圧電センサ４０３の電気信号との関係は、あらかじめ実験により求めておき、ＥＣＭ等にマップを設定しておくとよい。
このように、変位センサ４０１を用いた場合でも、シリンダブロック１６の外側でプッシュロッド２の変位を検出することで筒内圧が検出できる。これにより、変位センサ２０１を用いた場合と同様の作用効果が得られる。
図５に示されるように、本発明の第四実施形態では、筒内圧センサ１に用いる変位センサ５０１は、プッシュロッド２のシリンダブロック１６の外側に向いた一端２ａに第一の電極板５０２が圧接され、第一の電極板５０２に対向する第二の電極板５０３がセンサベース５に固定されることでシリンダブロック１６に対して固定される。変位センサ５０１は、第一の電極板５０２と第二の電極板５０３間の静電容量がプッシュロッド２の変位を表すようになっている。
詳しく述べると、筒内圧センサ１のネジ３の中心には、プッシュロッド２を変位自在に保持するプッシュロッド通路７が形成されている。プッシュロッド通路７内にプッシュロッド２が挿通される。ヘッド４を回転させてネジ３を図１のネジ穴１８に螺合させることで、筒内圧センサ１がシリンダブロック１６に固定されると共に、プッシュロッド２の先端がシリンダライナ１４に当接される。
ヘッド４には、ヘッド４の基端からヘッド４の内部に凹んだセンサ室５０４が形成される。センサベース５は、センサ室５０４に埋め込まれてヘッド４に固定される。
センサベース５には、プッシュロッド２に臨む側にギャップ室５０５が形成される。ギャップ室５０５内には、第一の電極板５０２に面で接する第一の絶縁板５０６と、第二の電極板５０３に面で接する第二の絶縁板５０７と、第一の絶縁板５０６と第二の絶縁板５０７間に挿入された非導体からなるスプリング５０８が収容される。スプリング５０８は、コイルばねに限らず、例えば、シリコンブロックでもよい。プッシュロッド２は、スプリング５０８のばね力によりシリンダライナ１４に圧接される。第一の電極板５０２は、センサベース５に対して可動であり、プッシュロッド２に圧接される。第二の電極板５０３は、センサベース５に固定されることでシリンダブロック１６に対して固定される。第一の電極板５０２及び第二の電極板５０３には、それぞれコネクタキャップ６内に突き抜けた２つの端子８が電気的に接続されている。
図５の変位センサ５０１を用いた場合、プッシュロッド２の変位により、第一の電極板５０２が変位する。第一の電極板５０２と第二の電極板５０３間の距離が変化することにより、第一の電極板５０２と第二の電極板５０３間の静電容量が変化する。これら２つの電極板５０２，５０３による電気信号は、端子８より図示しない処理回路に送信される。処理回路では、電極板５０２，５０３による電気信号に基づいて筒内圧を検出する。筒内圧と電極板５０２，５０３による電気信号との関係は、あらかじめ実験により求めておき、ＥＣＭ等にマップを設定しておくとよい。
このように、変位センサ５０１を用いた場合でも、シリンダブロック１６の外側でプッシュロッド２の変位を検出することで筒内圧が検出できる。これにより、変位センサ２０１を用いた場合と同様の作用効果が得られる。
１ 筒内圧センサ
２ プッシュロッド
３ ネジ
４ ヘッド
５ センサベース
６ コネクタキャップ
７ プッシュロッド通路
８ 端子
１１ エンジン
１２ ピストン
１３ シリンダ
１４ シリンダライナ
１５ 冷却水流路
１６ シリンダブロック

Claims (5)

  1. ピストンが収容されたシリンダの外殻であるシリンダライナの外側に冷却水流路を隔ててシリンダブロックを有するエンジンに取り付けられて前記シリンダ内の気圧である筒内圧を検出する筒内圧センサであって、
    前記シリンダブロックの外側から前記シリンダブロックを貫通して前記シリンダライナに当接され、筒内圧によって変位するプッシュロッドと、
    前記シリンダブロックの外側で前記プッシュロッドの変位を検出する変位センサとを備えたことを特徴とする筒内圧センサ。
  2. 前記変位センサは、前記プッシュロッドの前記シリンダブロックの外側に向いた一端と前記シリンダブロックに対して固定された支持部材との間に、歪みセンサが圧接させて配置され、前記歪みセンサが検出する歪みが前記プッシュロッドの変位を表すことを特徴とする請求項１記載の筒内圧センサ。
  3. 前記変位センサは、前記プッシュロッドの前記シリンダブロックの外側に向いた一端に発電機の可動子が圧接され、前記発電機の固定子が前記シリンダブロックに対して固定され、前記発電機が発生する電力が前記プッシュロッドの変位を表すことを特徴とする請求項１記載の筒内圧センサ。
  4. 前記変位センサは、前記プッシュロッドの前記シリンダブロックの外側に向いた一端と前記シリンダブロックに対して固定された支持部材との間に、圧電センサが圧接させて配置され、前記圧電センサが電気的に検出する圧力が前記プッシュロッドの変位を表すことを特徴とする請求項１記載の筒内圧センサ。
  5. 前記変位センサは、前記プッシュロッドの前記シリンダブロックの外側に向いた一端に第一の電極板が圧接され、前記第一の電極板に対向する第二の電極板が前記シリンダブロックに対して固定され、前記第一の電極板と前記第二の電極板間の静電容量が前記プッシュロッドの変位を表すことを特徴とする請求項１記載の筒内圧センサ。
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