JP2012177483A - 燃焼圧力センサ付きグロープラグ - Google Patents

Abstract

【課題】多段の径を有するヒータ部を備えた燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、ヒータ部とハウジングとを連結する部材の面積を確保することで圧力センサの検知精度を向上させるとともに、圧力センサの検知精度を更に向上可能なグロープラグの構造を提供する。
【解決手段】グロープラグ１００は、軸線方向に延びる略円筒状のハウジングと、先端部がハウジングの先端から突出し、軸線方向に沿って移動可能な棒状のヒータ部と、軸線方向に沿ったヒータ部の移動を可能としつつ、ハウジング内においてヒータ部とハウジングとを繋ぐ連結部材と、ヒータ部が受圧する圧力の検出を行う圧力センサと、を備えている。ヒータ部は、後端側に太径部が形成され、該太径部よりも先端側に太径部よりも径の小さい細径部が形成されている。連結部材は、ハウジング内においてヒータ部の細径部とハウジングとを連結する。
【選択図】図２

Description

本発明は、グロープラグに関し、特に、燃焼圧力センサ付きのグロープラグに関する。

従来、ディーゼルエンジン等の内燃機関に使用されるグロープラグとして、内燃機関内の燃焼圧力を検出するための圧力センサを備えるグロープラグが広く知られている。このようなグロープラグは、多くの場合、ハウジングと、ハウジングから突出したヒータ部とを備えている。例えば、特許文献１には、先端側が細径に形成され、後端側が太径に形成された多段のヒータ部（フィンガ）を備えるグロープラグが開示されている。この特許文献１に記載されたグロープラグのヒータ部は、ヒータ部を軸方向に移動可能とする膜状の連結部材を介して、ハウジング（ボディ）に連結されている。グロープラグ内に配置されたセンサは、このヒータ部の軸方向の変位を検出することで、燃焼圧力を検出する。

しかし、特許文献１に記載のグロープラグは、ヒータ部の太径部の位置に連結部材が接続されているため、連結部材の面積が制限されている。そのため、ヒータ部の軸方向への変位量が十分に確保できず、燃焼圧力の検出精度が低下する可能性がある。

特表２００８−５３６０８５号公報

前述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、多段の径を有するヒータ部を備えた燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、ヒータ部とハウジングとを連結する部材の面積を確保することで圧力センサの検知精度を向上させるとともに、圧力センサの検知精度を更に向上可能なグロープラグの構造を提供することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］軸線方向に延びる略筒状のハウジングと、前記ハウジング内に後端部が配置され、先端部が前記ハウジングの先端から突出し、前記軸線方向に沿って移動可能な棒状のヒータ部と、前記軸線方向に沿った前記ヒータ部の移動を可能としつつ、前記ハウジング内において前記ヒータ部と前記ハウジングとを繋ぐ連結部材と、前記ハウジング内に設けられ、前記軸線方向に沿った前記ヒータ部の移動量に応じて、燃焼圧の検出を行う圧力センサと、を備える燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、前記ヒータ部は、後端側に太径部が形成され、該太径部よりも先端側に前記太径部よりも径の小さい細径部が形成されており、前記連結部材は、前記ハウジング内において前記ヒータ部の前記細径部と前記ハウジングとを連結することを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

このような構成であれば、ハウジングとヒータ部とを繋ぐ連結部材がハウジングの内部に配置されるとともに、この連結部材がヒータ部の細径部に接続される。そのため、軸線と垂直な方向において、ヒータ部の細径部とハウジングの内周面との間の距離を、ヒータ部の太径部とハウジングの内周面との間の距離よりも広くすることができ、連結部材の面積を大きくすることができる。よって、ヒータ部の軸線方向に沿った移動量を大きくすることができるため、圧力センサのＳ／Ｎ比が向上し、圧力の検出精度を向上させることが可能になる。また、連結部材の面積が広くなれば、連結部材のバネ定数を低減させることが可能になるので、連結部材の耐久性を向上させることが可能になる。更に、上記構成では、太径部をハウジング内に備えつつも、ハウジング内で連結部材が接続される部位は細径部となっている。そのため、連結部材によって許容されたヒータ部の変位を圧力センサに伝達する際に、剛性の高い太径部に荷重が掛かることになり、偏荷重が生じにくくなる。そのため、ヒータ部の変位を的確に圧力センサに伝達することが可能な構造とすることができ、燃焼圧の検知精度を向上させることができる。

［適用例２］適用例１に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、前記圧力センサは、前記ハウジング内において前記ヒータ部よりも後端側に設けられており、前記太径部と前記圧力センサとに固定され、前記太径部から前記圧力センサに前記ヒータ部の移動量を伝達する伝達部材を更に備え、前記連結部材は、前記細径部のうち、前記太径部寄りの部位に接続されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

このような構成であれば、連結部材が、ヒータ部の細径部の太径部寄りの部位に接続されているので、ヒータ部の変位が、ヒータ部の太径部と伝達部材とに効率よく伝達されることになる。この結果、圧力センサの応答性や圧力の検出精度を向上させることができる。

［適用例３］適用例１または適用例２に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、更に、前記ハウジング内に、前記ヒータ部を発熱させる電力を供給する棒状の中軸を備えており、前記太径部内の前記軸線方向における全域に亘って、前記中軸が配置されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

このような構成であれば、ヒータ部の太径部は、自身の内部にヒータ部を発熱させる電力を供給するための棒状の中軸を収容することになる。中軸は電力を供給するので金属製であり且つ棒状であることから高い剛性を有する。このため、前述の適用例１の太径部における剛性の向上をより一層高めることができ、更に、圧力センサの検知精度を向上させることも可能となる。

［適用例４］適用例１から適用例３までのいずれか一に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、前記ヒータ部は、前記ハウジングよりも先端側の前記細径部に発熱の主部が存在することを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

このような構成であれば、ハウジングよりも先端側の細径部が主に発熱するため、効率的に燃焼室を加熱することができる。

［適用例５］適用例１から適用例４までのいずれか一項に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、前記ハウジングの外周にはネジ部が設けられており、前記ネジ部の直径が９ｍｍ以下であることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

このように、ネジ部の直径が９ｍｍ以下となるような小径のグロープラグであれば、連結部材の面積を確保することが困難になるため、上述した各適用例における種々の効果がより顕著に表れることになる。

本発明は、上述した燃焼圧力センサ付きグロープラグとしての構成のほか、燃焼圧力センサ付きグロープラグの製造方法や、燃焼圧力センサ付きグロープラグを備える内燃機関などとしても構成することが可能である。

本発明の一実施形態としてのグロープラグの構成を示す説明図である。 連結部材近傍の拡大断面図である。

図１は、本発明の一実施形態としてのグロープラグ１００の構成を示す説明図である。図１（ａ）は、グロープラグ１００の全体構成を示し、図１（ｂ）は、部分的な断面構成を示している。また、図２は、後述する連結部材１８０近傍の拡大断面図である。以下では、図１，２におけるグロープラグ１００の軸線Ｏの下方をグロープラグ１００の先端側とし、上方を後端側として説明する。また、グロープラグ１００の軸線Ｏに沿った下向きの方向を軸線方向ＯＤとする。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、グロープラグ１００は、主体金具１１０とキャップ部材１２０とを有するハウジング１３０と、ヒータ部１５０と、を備えている。

主体金具１１０は、炭素鋼やステンレス鋼によって形成された略円筒状の金属部材である。主体金具１１０の後端部には、グロープラグ１００を内燃機関に取り付けるための工具が係合する工具係合部１１２が形成されている。また、工具係合部１１２よりも先端側には、グロープラグ１００をシリンダヘッドに固定するためのネジ溝（図示せず）が形成されたネジ部１１４が備えられている。本実施形態では、ネジ部１１４の直径ＳＤは、呼び径で、Ｍ９（直径９ｍｍ）以下であり、好ましくは、Ｍ８またはＭ９である。工具係合部１１２に工具を係合させ、ネジ部１１４を内燃機関のプラグ取り付け孔に螺合させることで、グロープラグ１００を内燃機関に固定することができる。工具係合部１１２の後端部には、ハウジング１３０内の集積回路１６６（後述）や中軸１７０（後述）に電気的に接続される複数の配線１１６が挿入されている。

主体金具１１０の先端側には、キャップ部材１２０が配置されている。キャップ部材１２０は、炭素鋼やステンレス鋼によって形成された環状の金属部材である。キャップ部材１２０の後端側には、外径が軸線Ｏに沿ってほぼ一定の円筒部１２２が形成され、先端側には、先端に向かって縮径するテーパ部１２４が形成されている。グロープラグ１００を内燃機関に取り付けた際には、テーパ部１２４のテーパ面が、内燃機関のプラグ取り付け孔の所定のシート面に密接し、燃焼室内からの気密が確保される。

ヒータ部１５０は、シース管１５２と発熱コイル１５４と絶縁粉末１５５とを備えている。シース管１５２は、耐熱・耐食性に優れたステンレス鋼等によって形成されており、先端部が半球状に閉塞し、後端が主体金具１１０内において開口している。発熱コイル１５４は、巻線型抵抗であり、シース管１５２の先端側内部に配置されている。ヒータ部１５０には、金属製の棒状部材である中軸１７０が挿入され、発熱コイル１５４の後端は、この中軸１７０の先端に固定される。発熱コイル１５４には、配線１１６および中軸１７０を通じて、外部から電力が供給される。シース管１５２内には、発熱コイル１５４との隙間に、耐熱性を有する酸化マグネシウム等の絶縁粉末１５５が充填されている。シース管１５２の開口された後端と中軸１７０との間には、絶縁粉末１５５をシース管１５２内に密封するためのシール部材１５６が挿入されている。シース管１５２には、スウェージング加工が施されており、これにより、内部に充填された絶縁粉末１５５の緻密性が高められ、熱伝導効率を向上させている。このような構成のヒータ部１５０は、後端側が主体金具１１０内に配置され、先端側が、キャップ部材１２０の開口部１２６から軸線方向ＯＤに向かって突出するように配置されている。

本実施形態では、シース管１５２へのスウェージング加工によって、ヒータ部１５０には、太径部１５７と段部１５８と細径部１５９とが形成されている（図２参照）。太径部１５７はヒータ部１５０の後端側に形成され、その直径Ｄ１は、例えば、４．０ｍｍ程度である。細径部１５９はヒータ部１５０の先端側に形成され、その直径Ｄ２は、例えば、３．５ｍｍ程度である。段部１５８は、太径部１５７と細径部１５９との間に配置され、先端に向かってテーパ状に縮径されている。ハウジング１３０の先端からは、これら太径部１５７、段部１５８、細径部１５９のうち、細径部１５９が突出している。換言すれば、本実施形態では、太径部１５７と段部１５８とは、ハウジング１３０内に配置されていることになる。また、本実施形態では、太径部１５７内には軸線方向ＯＤにおける全域に亘って中軸１７０が配置されており、中軸１７０の先端はハウジング１３０よりも先端側の細径部１５９内に位置している。中軸１７０の先端には、発熱コイル１５４が接続され、この発熱コイル１５４は、シース管１５２の先端にかけて配置されていることから、ヒータ部１５０は、ハウジング１３０よりも先端側で主に発熱することになる。なお、中軸１７０の先端を、太径部１５７内に留める構成とすることも可能である。

ハウジング１３０内には、ヒータ部１５０よりも後端側に配置された環状の圧力センサ１６０（図１参照）と、圧力センサ１６０をハウジング１３０内に固定するためのセンサ固定部材１３２と、ヒータ部１５０の軸線Ｏに沿った変位を圧力センサ１６０に伝達するための伝達スリーブ１３４と、ヒータ部１５０の外周をハウジング１３０の内部に連結するための連結部材１８０と、が設けられている。

センサ固定部材１３２は、ステンレス鋼等によって形成された略円筒形状の部材である。センサ固定部材１３２は、主体金具１１０の内周に沿って配置されており、その先端部には、鍔状のフランジ部１３３が形成されている。このフランジ部１３３は、主体金具１１０の先端面に溶接されている。また、センサ固定部材１３２の後端には、圧力センサ１６０の外周部が溶接されている。本実施形態では、このセンサ固定部材１３２によって、圧力センサ１６０がハウジング１３０内の中央部付近に固定されている。

伝達スリーブ１３４は、ステンレス鋼等によって形成された略円筒状の部材である。伝達スリーブ１３４は、センサ固定部材１３２とヒータ部１５０との間に配置されている。伝達スリーブ１３４の先端部はヒータ部１５０の太径部１５７の先端部に溶接されており、伝達スリーブ１３４の後端は、環状の圧力センサ１６０の内周部に溶接されている。ヒータ部１５０の軸線Ｏに沿った変位は、この伝達スリーブ１３４によって圧力センサ１６０の内周部に伝達される。

連結部材１８０は、ステンレス鋼やニッケル合金等によって形成された弾性を有する環状の部材である。連結部材１８０は、後端側に設けられた鍔状のフランジ部１８２と、先端側に設けられた薄膜状の平面部１８３と、フランジ部１８２と平面部１８３とを接続する円筒部１８４とを有する。フランジ部１８２は、その上面（後端側の面）が、センサ固定部材１３２のフランジ部１３３に溶接され、その下面（先端側の面）が、キャップ部材１２０の後端面に溶接されている。図２に示すように、平面部１８３は、その内周部分に、先端側に向かって折り返された折り返し部１８５を有している。連結部材１８０は、この折り返し部１８５において、ヒータ部１５０の細径部１５９の後端近傍に溶接されている。本実施形態では、ヒータ部１５０の細径部１５９の後端（換言すれば、段部１５８の先端）の軸線Ｏ上の位置は、連結部材１８０（フランジ部１８２、円筒部１８４、平面部１８３および折り返し部１８５）が軸線Ｏ上に占める範囲Ｒの中に位置している。ヒータ部１５０は、この連結部材１８０によって、ハウジング１３０に連結されるとともに、この連結部材１８０の弾性力によって、軸線Ｏに沿った変位が許容されている。なお、この連結部材１８０は、ヒータ部１５０とハウジング１３０とを連結することで、燃焼室から主体金具１１０内への気密を確保する役割も果たす。

圧力センサ１６０（図１参照）は、中軸１７０が通る開口部１６１が中央に設けられた環状の金属ダイアフラム１６２と、金属ダイアフラム１６２の上面（後端側の面）に接合されたピエゾ抵抗素子１６４と、を備えている。金属ダイアフラム１６２は、例えば、ステンレス鋼等によって形成される。ピエゾ抵抗素子１６４には、ハウジング１３０内の所定の部位に設けられた集積回路１６６が電気的に接続されている。前述のように、金属ダイアフラム１６２の内周には、ヒータ部１５０に接続された伝達スリーブ１３４の後端が接合されている。そのため、燃焼圧の受圧によってヒータ部１５０が軸線Ｏに沿って変位すると、伝達スリーブ１３４によって、その変位量が金属ダイアフラム１６２に伝達され、金属ダイアフラム１６２を撓らせる。集積回路１６６は、この金属ダイアフラム１６２の変形をピエゾ抵抗素子１６４を用いて検出することで、内燃機関の燃焼圧を検出する。集積回路１６６は、こうして検出された燃焼圧を示す電気信号を、主体金具１１０の後端に挿入された配線１１６を通じて外部のＥＣＵ等に出力する。

以上で説明した本実施形態では、ハウジング１３０とヒータ部１５０とを連結する連結部材１８０は、ハウジング１３０内において、ヒータ部１５０の細径部１５９に接続されている。そのため、連結部材１８０を太径部１５７に接続した場合よりも、薄肉状の平面部１８３の面積を大きくすることができる。この結果、ネジ部１１４の呼び径がＭ９以下という比較的小径なグロープラグ１００であっても、ヒータ部１５０の軸線Ｏに沿った変位量を十分に確保することができるので、圧力センサ１６０のＳ／Ｎ比を高めることが可能となり、燃焼圧力の検出精度を向上させることができる。更に、平面部１８３の面積が大きくなれば、連結部材１８０のバネ定数を低くすることができるので、連結部材１８０の耐久性を高めることが可能になる。

更に、本実施形態では、ヒータ部１５０の太径部１５７をハウジング１３０内に備えつつも、ハウジング内で連結部材１８０が接続される部位は細径部１５９となっている。そのため、連結部材１８０によって許容されたヒータ部１５０の変位を圧力センサ１６０に伝達する際に、剛性の高い太径部１５７に荷重が掛かることになり、偏荷重が生じにくくなる。そのため、ヒータ部１５０の変位を的確に圧力センサ１６０に伝達することが可能になり、燃焼圧の検知精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、連結部材１８０がヒータ部１５０の細径部１５９の後端近傍に接合されており、伝達スリーブ１３４の先端が、細径部１５９の後端に近い太径部１５７の先端近傍に接合されている。そのため、連結部材１８０がヒータ部１５０の細径部１５９に連結されていても、連結部材１８０付近におけるヒータ部１５０の変位が、細径部１５９よりも太径で軸線Ｏに沿った剛性の高い伝達スリーブ１３４に効率的に伝達されることになる。この結果、ヒータ部１５０の軸線Ｏに沿った変位に対する圧力センサ１６０の応答性が向上するとともに、伝達ロスが生じることを抑制することができる。

また、本実施形態では、太径部１５７内には軸線方向ＯＤにおける全域に亘って、中軸１７０が配置されている。中軸１７０は、金属製かつ棒状であることから高い剛性を有する。そのため、このような中軸１７０を収容するヒータ部１５０の太径部１５７は、より一層その剛性が向上することになり、圧力センサの検知精度向上に寄与することになる。

また、本実施形態では、中軸１７０の先端がハウジング１３０よりも先端側の細径部１５９内に位置しており、この中軸１７０の先端には、発熱コイル１５４が接続されている。そのため、ヒータ部１５０は、ハウジング１３０よりも先端側で主に発熱することになる。ディーゼルエンジン等の内燃機関の燃焼により、ハウジング１３０の先端の開口部１２６には、キャップ部材１２０とヒータ部１５０との間に煤が堆積する場合がある。この煤の堆積が進行することにより、開口部１２６が煤によって架橋されると、ヒータ部１５０における発熱が内燃機関の燃焼室の加熱に用いられることなく当該架橋された煤を経由してハウジング１３０、ひいてはシリンダヘッドへと放熱（熱逃げ）してしまう割合が増えるおそれがある。しかし、本実施形態では、発熱の主部がハウジング１３０よりも先端側、すなわち、燃焼室側に位置しているため、ヒータ部１５０の先端から後端にかけてハウジングの先端部を跨いで発熱の主部が構成された他のグロープラグと比較して、シリンダヘッドへ放熱されてしまう熱量を低減することができる。よって、本実施形態のグロープラグ１００によれば、効率的に燃焼室を加熱することが可能となり、グロープラグとしての加熱能力を高めることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、上記実施形態では、ネジ部１１４の呼び径をＭ９以下としたが、Ｍ１０以上の呼び径であってもよい。その他、以下のような変形が可能である。

上記実施形態では、ヒータ部１５０は、シース管１５２の中に発熱コイル１５４を埋設することで構成されているが、他の構成とすることも可能である。例えば、絶縁性セラミックの内部に導電性セラミックを埋設したセラミックヒータとしてヒータ部１５０を構成してもよい。

上記実施形態では、ヒータ部１５０には、太径部と細径部との２段階の径を形成することとしたが、３段階以上の径を形成することとしてもよい。この場合、連結部材１８０が接続される部分が、他の部分よりも細い径であればよい。

上記実施形態では、圧力センサ１６０は、環状の金属ダイアフラム１６２とピエゾ抵抗素子１６４によって構成することとした。しかし、圧力センサ１６０の構成はこれに限られず、燃焼圧センサ付きのグロープラグで採用されている周知の圧力センサを適宜適用することが可能である。

上記実施形態では、薄膜状の平面部１８３を有する連結部材１８０によって、ハウジング１３０とヒータ部１５０とを連結することとした。これに対して、例えば、ベローズ（蛇腹）状の部材によって、ハウジング１３０とヒータ部１５０とを連結することとしてもよい。

上記実施形態では、ヒータ部１５０と圧力センサ１６０とが伝達スリーブ１３４を介して接続されることとしたが、ヒータ部１５０の後端部が、直接的に、圧力センサ１６０に接続される構成としてもよい。

上記実施形態では、中軸１７０を通じてヒータ部１５０に電力が供給されることとしたが、中軸１７０を省略し、配線１１６からヒータ部１５０に直接的に電力が供給されることとしてもよい。

１００…グロープラグ
１１０…主体金具
１１２…工具係合部
１１４…ネジ部
１１６…配線
１２０…キャップ部材
１２２…円筒部
１２４…テーパ部
１２６…開口部
１３０…ハウジング
１３２…センサ固定部材
１３３…フランジ部
１３４…伝達スリーブ
１５０…ヒータ部
１５２…シース管
１５４…発熱コイル
１５５…絶縁粉末
１５６…シール部材
１５７…太径部
１５８…段部
１５９…細径部
１６０…圧力センサ
１６１…開口部
１６２…金属ダイアフラム
１６４…ピエゾ抵抗素子
１６６…集積回路
１７０…中軸
１８０…連結部材
１８２…フランジ部
１８３…平面部
１８４…円筒部
１８５…折り返し部

Claims (5)

1. 軸線方向に延びる略筒状のハウジングと、
   前記ハウジング内に後端部が配置され、先端部が前記ハウジングの先端から突出し、前記軸線方向に沿って移動可能な棒状のヒータ部と、
   前記軸線方向に沿った前記ヒータ部の移動を可能としつつ、前記ハウジング内において前記ヒータ部と前記ハウジングとを繋ぐ連結部材と、
   前記ハウジング内に設けられ、前記軸線方向に沿った前記ヒータ部の移動量に応じて、燃焼圧の検出を行う圧力センサと、を備える燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記ヒータ部は、後端側に太径部が形成され、該太径部よりも先端側に前記太径部よりも径の小さい細径部が形成されており、
   前記連結部材は、前記ハウジング内において前記ヒータ部の前記細径部と前記ハウジングとを連結することを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
2. 請求項１に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記圧力センサは、前記ハウジング内において前記ヒータ部よりも後端側に設けられており、
   前記太径部と前記圧力センサとに固定され、前記太径部から前記圧力センサに前記ヒータ部の移動量を伝達する伝達部材を更に備え、
   前記連結部材は、前記細径部のうち、前記太径部寄りの部位に接続されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
   更に、前記ハウジング内に、前記ヒータ部を発熱させる電力を供給する棒状の中軸を備えており、
   前記太径部内の前記軸線方向における全域に亘って、前記中軸が配置されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記ヒータ部は、前記ハウジングよりも先端側の前記細径部に発熱の主部が存在することを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記ハウジングの外周にはネジ部が設けられており、
   前記ネジ部の直径が９ｍｍ以下であることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

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