JP2012516546A

JP2012516546A - 燃焼センサ付きスパークプラグ

Info

Publication number: JP2012516546A
Application number: JP2011548316A
Authority: JP
Inventors: バローズ，ジョン・エイ; ティンウェル，ポール
Original assignee: Federal Mogul Ignition Co
Current assignee: Federal Mogul Ignition LLC
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2010-01-29
Publication date: 2012-07-19
Also published as: US20100186489A1; US20130312505A1; EP2392059A4; EP2392059A2; WO2010088448A3; CN102341979A; KR20110124257A; US8505366B2; US9304059B2; WO2010088448A2

Abstract

スパークプラグアセンブリはセラミック絶縁体を有し、当該セラミック絶縁体には当該絶縁体の少なくとも一部を囲む金属製の外側シェルを有する。接地電極は外側シェルに作動可能に取付けられ、また細長い本体を有する中央電極は絶縁体を貫通するように延在する。中央電極および接地電極はスパークギャップを設ける。力センサが絶縁体の近傍に設置される。環状の内側シェルが外側シェルと絶縁体との間に設置され、当該内側シェルは軸方向に沿う絶縁体と対向するよう構成される表面を有する。

Description

関連出願との相互参照
本願は、２００９年１月２９日に出願された米国仮出願連続番号第６１／１４８，１１８号の利益を主張し、米国仮出願連続番号第６１／１４８，１１８号は、全文が引用によって本明細書に援用される。

発明の背景
１．技術分野
本発明は概して点火装置に関し、より特定的には一体型燃焼センサを有するスパークプラグに関する。

２．関連技術
エンジンの使用中にシリンダボアの内部の燃焼圧力を感知するセンサを、スパークプラグアセンブリに組み込むことが知られている。燃焼圧力の大きさを感知することができれば、そのエンジンが意図どおりに動作しているかどうか、あるいは処置が必要かどうかが決定できる。あいにく、一体型電流センサを用いたスパークプラグ技術は、燃料ガスの力に加えてセンサに余分な力を及ぼす様々な好ましくない影響のために、燃料圧力を正確に測定する能力に限界がある。一体型センサに加わるこれらの好ましくない力は、一般には設置時および／またはエンジンの動作中に起こる。したがって、当該センサにより得られる圧力測定は燃焼力の真実かつ正確な表示とならないことがある。

図１に示すように、公知のスパークプラグアセンブリ１は、シリンダボアの内部の燃焼力を感知するための一体型センサ２を有する。アセンブリ１は金属外側シェル４の内部に固定されたセラミック絶縁体３を有する。絶縁体３はシェル４の折返し部５と内側ガスケット６との間の圧縮の下で固定される。絶縁体３になされる圧縮は、動作条件中におけるガスケット６の信頼度の高い封止を提供する働きを有する。センサ２は、シェル４の外側フランジ７と六角固定部８との間の圧縮の下で保持される。動作時において、絶縁体３のコアノーズ９に加えられる燃焼力は、絶縁体３をシリンダボアから離れるように軸方向の上方に押し、燃焼力の一部はシェル折返し部５を介してシェル４に伝わり、燃焼力は今度はシェル４の伸縮可能な上部１０を引き伸ばす。伸縮可能な上部１０が引き伸ばされると、センサ２に加わる圧縮力が小さくなる、そのことはシリンダボアの内部における燃焼力と直接の相関関係を有するものと解釈される。しかし、スパークプラグアセンブリ１がシリンダブロックの内部に設置される間に、シェル４の雄ねじ部１１と外側フランジ７の下側封止面の上のガスケット封止面１２との間で引張力が生じる。１つのアセンブリと他のアセンブリとの間においてトルク公差を締め付ける結果として、および、たとえば通常使用中の、シリンダヘッドの温度変化または制御できない変形に起因して、当該引張力の大きさは変化し得る。引張力の大きさにかかわらず、制御不可能なかつ知られていない態様において、引張力は、折返し部５とガスケット６との間の絶縁体３を圧縮する力を小さくする傾向がある。このようにして、燃焼中に伸縮可能な部分１０の上に加えられる張力は減少する。そのことは知られていないかつ制御不可能な態様でセンサ２に与えられる「組み立てられた状態での」予圧力に直接的に影響を及ぼす。このように、燃焼中にセンサ２により表示される当該力の大きさは、シリンダボアの内部の圧縮力を正確に示すものとならないことがある。

発明の要約
スパークプラグアセンブリは概して環状のセラミック絶縁体を有し、当該セラミック絶縁体は、そのセラミック絶縁体の少なくとも一部を囲む金属製の環状外側シェルを有する。接地電極は作動可能に外側シェルに取付けられる。中央電極は絶縁体を貫通するように延在する細長い本体を有し、上記中央電極と上記接地電極とがスパークギャップを設ける。力センサは絶縁体の近傍に設置される。環状内側シェルは上記外側シェルと上記絶縁体との間に設置され、内側シェルは軸方向に沿って絶縁体と対向するよう構成された表面を有する。

本発明の他の局面によれば、当該内側シェルは軸方向に沿って外側シェルと対向するよう構成された表面を有する。

本発明に従い構成されたスパークプラグは、一体型燃焼センサを含み、該スパークプラグの組み立て時にセンサに付加される所定の予圧の影響を受けつつ、シリンダヘッドの内部に組み立てられ設置されることができる。このようにして、シリンダヘッドの内部に設置される際に、センサ上に軸方向に付加される力は、所定の力で「組み立てられた」状態を保つ。このようにして、当該センサは、使用中に、シリンダヘッドへの組み立て時に発生する力により悪影響を受けず、そしてセンサはエンジンのシリンダボアの内部の真の燃焼圧力を正確に表わす信号を送ることができる。

本発明のこれらおよび他の局面、特徴および利点が、現在の好ましい実施例および最良の態様、添付の請求項および添付の図面の以下の詳細な説明に関連して考慮されるとより容易に認識されるであろう。

従来技術に従って構成されたスパークプラグの断面図である。本発明の一の局面に従って構成されたスパークプラグの部分断面図である。本発明の他の局面に従って構成されたスパークプラグの部分断面図である。本発明の他の局面に従って構成されたスパークプラグの部分断面図である。本発明の他の局面に従って構成されたスパークプラグの部分断面図である。本発明の他の局面に従って構成されたスパークプラグの部分断面図である。本発明の他の局面に従って構成されたスパークプラグの部分断面図である。本発明の他の局面に従って構成されたスパークプラグの部分断面図である。本発明の他の局面に従って構成されたスパークプラグの部分断面図である。本発明のさらに他の局面に従って構成されたスパークプラグの部分断面図である。

現状好ましい実施例の詳細な説明
図面を参照しながらより詳細に説明すれば、図２は本発明の１つの現状好ましい実施例に従って構成されたスパークプラグアセンブリ２０を示す。アセンブリ２０は環状セラミック絶縁体２２と、セラミック絶縁体２２の少なくとも一部を囲む金属製の環状外側シェル２４とを有する。接地電極２６は、作動可能に外側シェル２４に取付けられ、中央電極アセンブリ２７は絶縁体２２を貫通するように延在する細長い本体を有し、公知のように、中央電極アセンブリ２７と接地電極２６とはスパークギャップ２９を形成する。センサアセンブリは２１で概略示され、センサアセンブリ２１はスパークプラグアセンブリ２０の一体の構成要素を形成するように組み立てられ、またセンサアセンブリ２１は、その上にスパークプラグアセンブリ２０が配置されるシリンダブロック（図示せず）のシリンダボアの内部の燃焼圧力を表示するように構成されている。センサアセンブリ２１はシリンダボアの内部の燃焼圧力が外部からの力の影響を受けずに正確に測定できるように、スパークプラグアセンブリ２０に取付けられる。外部からの力とはたとえばスパークプラグアセンブリ２０をシリンダブロックにねじ止めする際に発生する引張力、およびシリンダヘッドの温度変化および／または制御不可能な変形をさす。

導電性の金属外側シェル２４は、様々なコーティングされた、またはコーティングされない鋼合金を含む、任意の好適な金属から構成されてもよい。シェル２４は概して環状の外側表面２８を有し、バレル部３１を含む上側末端部３０と下側固定端部３２との間を延在する概して管状の本体である。下側固定端部３２は通常は雄ねじ部３４を有し、シリンダヘッド（図示せず）の雌ねじの開口部の内部にねじ締めされる。シェル２４はまた、径方向外側に延在する環状フランジ３６を有する。環状フランジ３６は、環状で概して平坦な、環状フランジ３６から垂下するねじ部３４とシリンダヘッドの上側表面とを封止係合するために封止座部３８を供給する。封止座部３８は、シェル２４の外側表面とシリンダヘッドとの間の熱ガス封止を容易にするためのガスケット（図示せず）と対をなしてもよい。代替的に、封止座部３８はシリンダヘッドの噛み合った環状のテーパの表面とのより少ない隙間と、自己封止構造とを提供するためのテーパの座部として構成されてもよい。

接地電極２６は、公知のように、固定端部３２に取付けられ、通常使われる単一のＬ字形状を部分的に有するように描写される、しかし直線状、曲線状、環状、トロコイド状および他の構成の複数の接地電極が、スパークプラグアセンブリ２０の意図する応用例次第で代用され得、これらは２つ、３つまたは４つの接地電極を有する構成であり、当該電極が環状のリング、および特別なスパーキング表面構成を達成するための他の構造体によって一体に接合されてもよい。

外側シェル２４の管状シェル本体は、末端部３０と固定端部３２との間のシェルの長さ分を貫通するように延在する開口キャビティ４２を供給する内壁または表面４０を有する。環状の内側下部フランジ４４は、下側係止表面４６を供給するために、固定端部３２に隣接する内側表面４０から径方向内側に延在する。内側表面４０は、絶縁体１４を収容するために、末端部３０に隣接する拡径領域４８を有するように、図２の実施例に表わされる。したがって、環状上側フランジまたはショルダ５０は拡径領域４８からキャビティ４２の縮径領域５２まで、径方向内側に延在する。拡径領域４８はショルダ５０から上方に延在し、また絶縁体２２を保持するために末端３０において径方向内側に延在する環状折返し部５１まで、実質的にまっすぐで円筒状でかつ一定の直径を有している。シェル２４はまた、折返し部５１の変形に続いて起こる、加熱およびそれに伴う大きな軸方向の圧縮力の負荷に応答するように、軸方向および径方向の外側に傾倒するように設計および適用された変形可能なバックル領域５３を含んでもよく、変形可能なバックル領域５３においては折返し部５１はシェル２４を絶縁体２２に対し固定された軸方向の位置に保持し、絶縁体２２とシェル２４との間に気密封止を形成する。ガスケット、セメントまたは他の封止材料がまた、気密封止を完全なものとし、スパークプラグアセンブリ２０の構造的完全性を改善するために、絶縁体２２とシェル２４との間に介在され得る。

多くのスパークプラグシェルとは異なり、シェル２４はバレル部３１の上部に、燃焼チャンバの開口部におけるスパークプラグの取付けのための六角形または他の形状を受けるツールのような、バレル部３１との取付け部を含まない。バレル部３１の外側表面は、センサアセンブリ２１に組み込まれる取付け部とともに、以下に述べられるように、実質的に円筒形である。

絶縁体２２は、アルミニウム酸化物または、高い絶縁耐力、高い機械的強度、高い熱導電性、および優れた熱衝撃への抵抗を有する他の好適な電気的に絶縁性を有する材料を含んでもよく、未焼成状態のセラミック粉末から押出成形され、セラミック粉末を高密度にして焼結するために十分な高温で焼結されてもよい。絶縁体２２は、上側端部または近傍端部（図示されず）と下側遠隔端部５８との間を延在する環状外側表面５４とともに、細長い本体を有する。絶縁体２２は概して管状または環状の構造を有し、中央ボアまたは通路６０を含み、通路６０は、末端部または近傍端部に最も近い上側マスト部６２と、下側遠隔端部５８に最も近い下側ノーズ部５６との間を縦に延在する。中央通路６０は断面直径が変化し、概して末端部またはその近傍において最大となり、コアノーズ端部５８またはその近傍において最小となる、そのため概して直径が変化するように管状に連続する要素を有する。これらの要素は、中央電極アセンブリ２７の末端スタッド部６５によるコネクタを延長した領域を囲む第１絶縁体要素６１を含んでいる。この第１絶縁体要素６１は、シェル２４の折返し部５１を押すように係合され、最上部が径方向外側に延在する第１絶縁ショルダ６３に移動する外側表面を有する。ショルダ６３は第１絶縁体要素６１よりも直径が大きい第２絶縁体要素６４に移行する。第２絶縁体要素６４はシェル２４のバレル部３１の内部に収容される。第２要素６４は、環状テーパ第２ショルダ６７を経由して第３絶縁体要素６６に移行する。第３絶縁体要素６６は好ましくは第２絶縁体要素６４の直径よりも小さい直径を有し、概して第１絶縁体要素６１の直径よりも小さい直径を有する。したがって、中間の第２絶縁体要素６４は第１および第３の要素６１，６４から径方向外側に延在する。そして第３絶縁体要素６６は、第３絶縁ショルダ６９を経由して、直径が減少したテーパのコアノーズ５６に移行する。

中央電極アセンブリは任意の好適な形状を有し得る中央電極７１を有し、また限定しない例示により、概して上側末端部７０と下側点火部７２との間を延在する概して円柱状の外側表面を有する本体を有し、また末端部７０における直径が増加されたヘッド７４まで径方向外側に延びる弓状のフレアまたはテーパを有するように、ここに表わされる。環状ヘッド７４は末端部７０が絶縁体２２の内部において載置され封止されるのを容易にし、一方で点火部７２は概して絶縁体２２のノーズ部５６から延在する。中央電極７１は任意の好適な導電材料から構成され、スパークプラグ製造の分野においてよく知られる、たとえば様々なニッケルおよびニッケル系合金のようなものであり、また銅または銅系合金コアの上を覆う材料を含んでもよい。

環状内側シェル７６は外側シェル２４と絶縁体２２との間に設置され、絶縁体２２の第２ショルダ６７に隣接する上側端部７８と、絶縁体２２の最下部の第３ショルダ６９に隣接する下側端部８０との間を延在する管状壁面７７を有するように、ここに図示される。上側端部７８は接合部７９において外側シェル２４と固定されるように構成され、また上側端部７８は、外側シェルの上側ショルダ５０を覆い当接するように構成され、径方向外側に延在するショルダ８２を有するように示される。ショルダ８２は外側座部３８の上で、外側シェルの上側ショルダ５０に軸方向に固定される関係となるように構成される。各ショルダ８２，５０の間に形成される接合部７９は様々な方法を用いて形成され得る、それはたとえば締まりばめ、溶接、ろう付け、または組み立て時に軸方向に加える予圧のような方法であり、接合部７９は外側シェル２４と内側シェル７６とが接触する唯一の場所である。下側端部８０は径方向内側に延在する環状表面を有し、それはショルダ８４とも表記されており、絶縁体２２の最下部の第３ショルダ６９と当接しまたは軸方向に対向するように構成される。環状ガスケット８５は、所望であれば、ガス封止を形成するのを容易にするために、ショルダ８４，６９の間に配置され得る。

一体の圧力センサアセンブリ２１はピエゾをベースとした、圧力変換器として作用するセンサアセンブリである、圧力センサアセンブリ２１は、シリンダ内の圧力の変化によりスパークプラグアセンブリ２０に誘起される機械的な弾性歪みエネルギを電気的な出力信号に変換する。当該出力信号は燃焼事象に関する重要な情報を提供し、そこでは情報は様々な構成物の制御機能を制御するために用いられる。ピエゾセンサアセンブリは、選択されるピエゾ変換器に応じて、センサ信号としての可変出力電圧を発生する圧電センサアセンブリであってもよいし、センサ信号としての可変抵抗を発生するピエゾ抵抗センサアセンブリであってもよい。

ピエゾセンサアセンブリ２１はバレルショルダまたはフランジ３６と当接し、フランジ３６からバレル部３１に沿って上方に延在する。ピエゾセンサアセンブリ２１は下側電極コンタクト８６、ピエゾ変換器８８、上側電極コンタクト９０、絶縁体９２および上側ブッシング９４を含む。これらの要素は、上記の順番に同心円状にバレル部３１の上に配置され、そして予め決められた圧縮アセンブリ予圧の付加により効果的に結合され、溶接の接合のような上側ブッシング９４のバレル部３１への固定によるアセンブリ予圧のもとで一体となる。

下側電極コンタクト８６が、すきまばめにおいてバレル部３１の上に配置されるように組み立てられてもよいように、下側電極コンタクト８６は、バレル部３１の外側直径よりも大きな内側直径を有する薄い平面状のリングの形態となっている。下側電極コンタクト８６の外側直径は、バレルショルダ３６と接続し、下側電極コンタクト８６がバレルショルダ３６の上に載置することができるような適切な大きさである。このように、下側電極コンタクト８６の下側表面はバレルショルダ３６と当接し、上側表面はピエゾ変換器８８のための機械的座部および電気的接続部との双方を供給する。バレルショルダ３６はアセンブリの予圧を受けて可塑的に変形することがないように、適切な厚みを有する。下側電極コンタクト８６は、多くの純金属および合金を含む任意の好適な導電性の材料から構成されてもよい。しかし、下側電極コンタクト８６は、エンジンが作動する環境において、電気的接続する際に特性が簡単に劣化しないような導電性材料から形成されることが好ましく、それは当該環境において発生することが知られる高温酸化および腐食に対する耐性を有する真鍮のようなものを含むが、あくまで一例でありこれに限定されない。

ピエゾ変換器８８は円筒形のリングまたは円板の形状である。多くの断面形状をとることが可能であると考えられるが、ピエゾ変換器８８は正方形を含む矩形の断面形状を有し得る。ピエゾ変換器８８はセンサ信号としての可変出力電圧を印加するのに効果的な圧電変換器、またはセンサ信号としての可変抵抗を印加するのに効果的なピエゾ抵抗変換器のいずれでもよい。ピエゾ変換器８８はすきまばめにおいてバレル部３１の上に配置されるように組み立てられてもよいように、バレル部３１の外側直径よりも大きな内側直径を有する、またピエゾ変換器８８は組立時および動作時にバレル部３１と接触しないような大きさを有する、このようにして変換器８８の動きに伴う摩擦による損傷を避ける。ピエゾ変換器８８の内側および外側直径は、下側電極コンタクト８６と接続し、ピエゾ変換器８８の下側表面が下側電極コンタクト８６の上側表面の上に載置することができるような適切な大きさである。同様の直径についての関係が、ピエゾ変換器８８の上側表面と上側電極コンタクト９０の下側表面との間の接触についても成立する。ピエゾ変換器８８は任意の好適な圧電材料またはピエゾ抵抗材料からなることができる。１つの実施例においては、ピエゾ変換器８８はピエゾセラミックから形成される圧電変換器である。ピエゾセラミックはチタン酸塩、タンタル酸塩、タングステン酸塩または石英を含んでもよい。

上側電極コンタクト９０はＬ字形状のリングの形状を有し、概して円筒状の外側表面および、径方向内側に延在する脚部が供給されることによるバレル部３１の外側直径よりも大きな内側直径を有し、このようにして上側電極コンタクト９０はすきまばめにおいてバレル部３１の上に配置されるように組み立てられてもよいようになっている。内側直径はバレル部３１の外側表面から電気的に絶縁するようにスペースを残すような大きさである。上側電極コンタクト９０の外側直径は、ピエゾ変換器８８の上側表面と接続し、上側電極コンタクト９０の下側表面がピエゾ変換器８８の上側表面を覆うことができるような適切な大きさである。上側電極コンタクト９０は、多くの純金属および合金を含む任意の好適な導電性の材料から構成されてもよい。しかし、下側電極コンタクト８６は、エンジンが作動する環境において、電気的接続する際に特性が簡単に劣化しないような導電性材料から形成されることもまた好ましく、それは当該環境において発生することが知られる高温酸化および腐食に対する耐性を有する真鍮のようなものを含むが、あくまで一例でありこれに限定されない。上側電極コンタクト９０の下側表面はピエゾ変換器８８の上側表面と当接し、下側表面はピエゾ変換器８８のための機械的座部および電気的接続部との双方を供給する。アセンブリの電気信号出力の伝達のためにピエゾセンサアセンブリ２１とともになされる電気的接続は、上側電極コンタクト９０を通してなされ、好ましくは信号ワイヤ（図示せず）との好適な電気的接続を構成することによりなされる。たとえば遮蔽同軸ケーブルのような、任意の好適な電気的接続の形態が用いられ得る。

絶縁体９２は面取り付きの円筒形のリングまたは円板の形状である。多くの断面形状をとることが可能であると考えられるが、絶縁体９２は正方形を含む概して矩形の断面形状を有し得、平坦な下側表面および凸形状の上側表面を有するか、または少なくとも１つの面取りにより上側表面が切り取られた形状となる。ここでは小さな面取りまたは、互いに対向する円周方向のエッジに沿う半径として示される。面取りの数、長さおよび角度を変更することにより線接触が確実になされ、所望するように力の線の軸が径方向内側または外側に移動され得る。接触を面取りが集中するところを経由する線接触に限定することにより、センサアセンブリの要素の熱膨張の不整合に付随する半径方向の力を含む、センサアセンブリの要素に付随する半径方向の力の付加を減らすことができる。また軸方向に付加される力は、その大きさおよび位置について、より精密に制御され得る。表面が接触する面積を減らすことにより、当該表面を通って関連する構成要素に付加される無秩序な力もまた減少される。絶縁体９２は上側電極コンタクト９０およびピエゾ変換器８８を電気的に絶縁するのに効果的な任意の電気的に絶縁性の材料としてもよい。絶縁体９２はまた、機械的エネルギを上側電極コンタクト９０およびピエゾ変換器８８に移す機械的アクチュエータであり、また絶縁体９２はエンジンが作動、特に圧縮する温度において高い弾性率を有する、セラミックのような材料から形成されることが好ましい。絶縁体９２はすきまばめにおいてバレル部３１の上に配置されるように組み立てられてもよいように、バレル部３１の外側直径よりも大きな直径を有する。また絶縁体９２は製造時およびピエゾセンサアセンブリ２１の動作時にバレル部３１と接触しないような大きさを有する。このようにして絶縁体９２の軸方向の動きに伴う摩擦による損傷を避ける。絶縁体９２の内側および外側直径は、上側電極コンタクト９０と接続し、絶縁体９２の下側表面が上側電極コンタクト９０の上側表面の上に載置することができ、また上側電極コンタクト９０のＬ字型の構成の内部に嵌るような適切な大きさである。絶縁体９２の高さは、上側電極コンタクト９２のＬ字型の脚部の上側ブッシング９４からの電気的および機械的な絶縁を提供するために十分に大きい。絶縁体９２は任意の好適な誘電材料から形成され得る。上記の実施例においては、絶縁体９２は絶縁体２２に用いられたようなアルミナ系セラミックから形成された。

上側ブッシング９４が係合し、上側ブッシング９４はバレル部３１の外側表面に溶接されている。ピエゾセンサアセンブリ２１の各要素は、上側ブッシング９４から絶縁体９２の上側表面に付加される圧力による圧縮の予圧のもとで互いに接触している。上側ブッシング９４のバレル部３１への溶接は、ある予め決められた「組み立てられた状態」の予圧を固定する。上側ブッシング９４が概してすきまばめにおいてバレル部３１の上に配置されるように組み立てられてもよいように、上側ブッシング９４はバレル部３１の外側直径よりも実質的に大きな内側直径を有する円筒形のリングの形状である。上側ブッシング９４は内側に延在する位置合わせ縁部９６を含む。わずかな締まりばめと、上側ブッシング９４の同心円状の位置合わせを手助けする構成とするために、当該縁部９６の内側直径は、バレル部３１の外側直径よりわずかに小さい。上側ブッシング９４の円筒形のリング形状は、たとえば上側ブッシング９４の中央領域の内側直径上にカウンタボアを形成することにより薄くなった薄肉部９７を有する。薄肉部９７を設けることにより、上側ブッシング９４へのばねのような径方向の応答特性が付加され、上側ブッシング９４の弾性が増加する。上側ブッシング９４の外側表面は、六角形や十二角形のような、好適なスパークプラグ取付構成９８を有する。この構成９８の大きさは好ましくは、この関連のスパークプラグ応用品の業界標準ツールサイズに従う。もちろん応用品のなかには、標準スパナレンチを受ける溝部のようなものや、レーシングスパークプラグおよび他の応用品において、および他の環境において知られるような他の特徴を有し、六角形以外のツール受け取りインターフェイスを必要とするものもある。上側ブッシング９４はまた、ピエゾセンサアセンブリ２１からの出力信号を、エンジンコントローラまたは他のエンジン診断装置のような信号生成装置に伝達するために用いられる信号ケーブルおよびコネクタ（図示せず）の設置に用いられ得る突起部を含んでもよい。代替的に上側ブッシング９４はまた、突起部がないように形成されてもよい。上側ブッシング９４は様々な級数の鋼およびメッキされた鋼を含む、任意の好適な材料から形成され得る。しかし上側ブッシング９４は鋼よりも熱膨張係数が小さく、セラミック絶縁材料の熱膨張係数に極力近い熱膨張係数を有する、コバールのような材料から形成されることが好ましく、さらにエンジン作動環境において高い動作特性をも有し、当該環境において発生することが知られる高温酸化および腐食に対する耐性を含む材料から形成されることが好ましい。コバールは名目上の構成はニッケル−コバルト−鉄合金であり、重量にして、約２９％のニッケル、１７％のコバルト、０．３０％のマンガン、０．２０％のシリコン、０．０２％の炭素および残りは鉄で構成される。上記の実施例においては、上側ブッシング９４はコバールで形成された。上側ブッシング９４の下側表面は絶縁体９２の上側表面と当接し、絶縁体９２のための機械的座部を供給する。

組み立て時に、ピエゾセンサアセンブリ２１の各要素はバレル部３１の上に配置され、予め決められた圧縮の予圧が約３６０ポンド加えられ、そして上側ブッシング９４は所望のアセンブリ予圧値に固定するためにバレル部３１にレーザ溶接される。完成したスパークプラグアセンブリ２０がシリンダヘッドのねじ切りされた開口部に設置される際に、シリンダヘッドにより付加される力は、それはシェル領域２４の雄ねじ部３４と封止座部３８との間で起こる力であるが、センサアセンブリ２１の組み立て時に変換器８８に与えられる圧縮の「組み立てられた状態」の予圧による顕著な影響をもたらさない。これは内側シェル７６の組み込みによるものであり、内側シェル７６は外側シェル２４に与えられる任意の力が、スパークプラグアセンブリ２０のシリンダヘッドへの設置時に、センサアセンブリ２１に移るのを抑制するように働く。引張力が外側シェル２４の雄ねじ部３４の上に加えられると、内側シェルの壁面７７は実質的にこれらの力が加わらない状態のままとなり、それゆえ、絶縁体２２は外側シェル２４に対して実質的に動かない状態を保つ。このように、センサアセンブリ２１に与えられる予圧力は「組み立てられた」状態を保つ。スパークプラグアセンブリ２０の動作時には、燃料と空気との混合による燃焼事象とともに、膨張する燃焼ガスの圧力は軸方向に関して絶縁体２２のノーズ部５６に対して押圧する傾向がある。このため絶縁体２２はシェル２４の折返し部５１に対して支持し、ピエゾセンサアセンブリ２１に対向するバレル部３１の周期的な弾性歪み変形をもたらす。この燃焼事象時のシェル２４の弾性歪みによる引っ張りはまた周期的にピエゾセンサアセンブリ２１の「組み立てられた状態」の予圧を周期的に減少し、また燃焼ガスによる圧力と相関関係を有する電気信号を発生する。そこでは当該信号は上記のように上側電極コンタクト９０を通して出力されてもよい。また内側シェル７６により提供される増加された柔軟性は、シリンダブロックによっては直接的には拘束されないため、従来技術に比べてシェル１２４の内部において絶縁体２２が軸方向に自由に動く度合いを高め、それゆえ最終的にセンサアセンブリ２１からより大きくより改善された、より典型的な信号を発生する。

図３において、本発明の別の局面に従って構成されたスパークプラグアセンブリは概して１２０で示される、そこでは上記と同様の特徴を有する要素については、上記の参照番号を１００ずつずらしたものが用いられる。本実施例の１つの顕著な相違点は、外側シェル１２４が上記のようなアセンブリを形成せず、代わりにバレル部１３１が金属内側シェル１７６により形成される点である。このように、外側シェル１２４はフランジ１３６において終端し、その上には外側に延在する内側シェルのショルダ１８２とフランジ１３６との間に固定された接合部１７９が形成される、溶接、ろう付けのような接合およびその他の任意の好適な接合がガス封止を提供する。ここで内側シェル１７６は下側端部１８０から、外側シェル１２４のフランジ１３６を超えて折返し部１５１まで上方に延在する。折返し部１５１は上記と同様に絶縁体１２２の第１ショルダ１６３の近傍で封止係合し、そこでは当該絶縁体は上記と同様に構成される。内側シェル１７６により形成されるバレル部１３１は実質的に上記と同様に構成される、バックル領域１５３を含んでいる。それゆえこの領域のより詳細な説明は不要である。また、柔軟シール９９が内側シェル１７６の下側端部１８０と外側シェル１２４の下側フランジ１４４との間に供給される。シール９９は、汚染物が内側シェル１７６の外側表面１８７および外側シェル１２４の内側表面との間に形成される小さい環状ギャップまたは空間１８９から進入するのを抑制する。シール９９はその軸方向の柔軟性により軸方向に沿った目だった力を伝達しないようにするために形成され、それによりセンサアセンブリ１２１への負荷の移動が避けられる。しかし、シール９９は振動制御を助けるように形成され得、そこではシール９９はＯリングの形状に形成される好適な弾性材料、または他の、ばね座金、皿ばね、柔軟性の膜、その他のような好適な材料から構成され得る。センサアセンブリ１２１の全体構造は上記と同様であり、様々な構成要素を内側シェル１７６のバレル部１３１の上に配置することにより、上記と同様に組み立てられ、所望の予圧がブッシング１９４を経由して変換器上に与えられ維持される。スパークプラグアセンブリ１２０の機能は実質的に同様であり、特にシリンダヘッドへの組み立て時に外側シェル１２４に与えられるあらゆる力は、センサアセンブリ１２１の変換器の上の「組み立てられた状態」の予圧に影響を及ぼさない。

図４Ａにおいて、本発明の別の局面に従って構成されたスパークプラグアセンブリは概して２２０で示される、そこでは上記と同様の特徴を有する要素については、上記の参照番号を２００ずつずらしたものが用いられる。当該スパークプラグアセンブリの構造はスパークプラグアセンブリ１２０と同様であり、バレル部２３１が金属内側シェル２７６により形成される。しかし、実質的に平面状で平行な外側および内側シェル２２４，２７６の表面を横切るように形成される接合部ではなく、折れ曲がった接合部２７９により固定された折れ曲がった接合部２７９が形成され、そこでは封止フランジ２３６から径方向外側に延在する外側シェル２２４の部材は、内側シェル２７６の上で環状に径方向外側に延在するフランジ１０１の上で折れ曲がったりまたは丸まったりする。内側シェル２７６に固定された外側シェル２２４の上では、内側シェル２７６と外側シェル２２４との双方の材料を備える表面が環状の平坦な表面を供給し、その上に下側電極コンタクト２８６が載置される。その他、スパークプラグアセンブリ２２０の機能は実質的に上記と同様であり、特にシリンダヘッドへの組み立て時に外側シェル２２４に与えられるあらゆる力は、スパークプラグアセンブリ２２０のセンサアセンブリ２２１の変換器２８８の上の「組み立てられた状態」の予圧に影響を及ぼすことが抑制される。

図４Ｂにおいて、本発明の別の局面に従って構成されたスパークプラグアセンブリは概して３２０で示される、そこでは上記と同様の特徴を有する要素については、上記の参照番号を３００ずつずらしたものが用いられる。先行する実施例と同様に、外側シェル３２４を内側シェル３７６に接続する固定された接合部３７９は、折れ曲がった接合部として形成される。しかし本実施例では、外側シェル３２４の封止フランジ３３６から径方向外側に延在する内側シェル３７６の部材は、封止フランジ３３６の上で折れ曲がったりまたは丸まったりする。下側電極コンタクト３８６を載置する環状で平坦な表面はその全体が内側シェル３７６の部材により形成される。その他、スパークプラグアセンブリ３２０の構成および機能は実質的にアセンブリ２２０のそれらと同様であり、特にシリンダヘッドへの組み立て時に外側シェル１２４に与えられるあらゆる力は、スパークプラグアセンブリ３２０のセンサアセンブリ３２１の変換器３８８の上の「組み立てられた状態」の予圧に影響を及ぼさない。

図５において、本発明の別の局面に従って構成されたスパークプラグアセンブリは概して４２０で示される、そこでは上記と同様の特徴を有する要素については、上記の参照番号を４００ずつずらしたものが用いられる。スパークプラグアセンブリ４２０はセンサアセンブリ４２１を含めて図３に示されるアセンブリ１２０と同様である、しかし外側シェル４２４が内側シェル４７６に固定される位置が異なる。固定された接合部は外側シェル４２４の封止フランジ４３６の上に形成されるのではなく、内側シェル４７６の下側端部４８０またはその近傍に形成される。そして内側および外側シェル４７６，４２４の上記以外の残りの部分が隙間４８９により空間を保って互いに間隔を隔てるように配置される。接合部４７９がこの位置に形成されることにより、最適な熱移動が絶縁体４２２から外側シェル４２４のねじ部４３４まで、そしてシリンダヘッドにまで供給される。また、内側シェル４７６の外側表面４８７と外側シェル４２４の内側表面との間に供給される小さい環状および平面状の隙間４８９は、接合部４７９により燃焼ガスから封鎖され、このようにしてスパークプラグアセンブリ４２０のセンサアセンブリ４２１を経由する燃焼力を正確に検出する能力に対して及びかねない影響を避けることができる。

図６において、本発明の別の局面に従って構成されたスパークプラグアセンブリは概して５２０で示される、そこでは上記と同様の特徴を有する要素については、上記の参照番号を５００ずつずらしたものが用いられる。アセンブリ５２０は上記のアセンブリ４２０と同様でありセンサアセンブリ５２１を含む、しかし内側シェル５７６が、外側シェル５２４の固定端部５３２と実質的に面一となるように、下側端部５８０にまで延在する。軸方向に延在する固定された接合部５７９は、内側および外側シェル５７６，５２４の隣接する自由端５８０，５３２に直接形成され、それは絶縁ノーズ部５５６の遠隔端部５５８に隣接する。上記の実施例のように、固定された接合部５７９以外の、内側シェル５７６および外側シェル５２４は、シリンダボアへの燃焼圧力を正確に表示するセンサアセンブリ５２１の能力に影響を及ぼすことを避けるために、隙間５８９に沿って互いに離れた状態を保つ。

図７において、本発明の別の局面に従って構成されたスパークプラグアセンブリは概して６２０で示される、そこでは上記と同様の特徴を有する要素については、上記の参照番号を６００ずつずらしたものが用いられる。アセンブリ６２０は図５および図６に示すものと同様でありセンサアセンブリ６２１を含む、しかしねじ部６３４が外側シェル６２４と内側シェル６７６との双方に形成される。内側シェル６７６はねじ部６３４の下側部分を形成するのに対し外側シェル６２４はねじ部６３４の上側部分を形成する。構成において、内側シェル６７６は外側シェル６２４と、径方向に延在し、絶縁体６２２の最下部の第３ショルダ６６９に隣接するねじ部６３４と実質的に交差するように延在する、固定された接合部６７９において取付けられる。

図８において、本発明の別の局面に従って構成されたスパークプラグアセンブリは概して７２０で示される、そこでは上記と同様の特徴を有する要素については、上記の参照番号を７００ずつずらしたものが用いられる。アセンブリ７２０は図７に示すものと同様でありセンサアセンブリ７２１を含む、しかし内側シェル７７６がねじ部７３４の中間部分を形成し、対して外側シェル７２４がねじ部７３４の上側および下側部分を形成する。図７の実施例のように、構成において、内側シェル７７６は外側シェル７２４と、径方向に延在し、絶縁体７２２の最下部の第３ショルダ７６９に隣接するねじ部７３４と実質的に交差するように延在する、１対の固定された接合部７７９において取付けられ、そしてその後ねじ部７３４が形成される。

図９において、本発明の別の局面に従って構成されたスパークプラグアセンブリは概して８２０で示される、そこでは上記と同様の特徴を有する要素については、上記の参照番号を８００ずつずらしたものが用いられる。スパークプラグアセンブリ８２０は外側シェル８２４と内側シェル８７６と中央電極アセンブリ８２７とが、図２に関する上記の説明と実質的に同様に構成されている。しかしスパークプラグアセンブリ８２０は、外側シェルの外部ではなく外側シェル８２４と絶縁体８２２との間に設置されるセンサアセンブリ８２１を有する。センサアセンブリ８２１は絶縁体８２２の最上部の径方向に延在する第１ショルダ８６３と、外側シェル８２４の折返し部８５１との間に収容される。このように、センサアセンブリ８２１は絶縁体８２２の付随の動きから直接に燃焼圧力を感知する。

明らかに、本発明の多くの改良例や変形例が上記の記載に基づいて考えられる。それゆえ添付のクレームの適用範囲内において、本発明は実施されるか明細書に記載されるべきであることが理解される。

Claims

スパークプラグアセンブリであって、
概して環状のセラミック絶縁体と、
前記セラミック絶縁体の少なくとも一部を囲む金属製の環状外側シェルと、
前記外側シェルに作動可能に取付けられた接地電極と、
前記セラミック絶縁体に設置され、前記接地電極とともにスパークギャップを形成する中央電極と、
前記絶縁体の近傍に配置される力センサと、
前記外側シェルと前記絶縁体との間に設けられ、軸方向に沿って前記絶縁体に対向するよう構成された第１表面を有する環状の内側シェルとを備える、スパークプラグアセンブリ。
前記内側シェルは軸方向に沿って前記外側シェルに対向するよう構成された第２表面を有する、請求項１に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記内側シェルは前記外側シェルに固定される、請求項２に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記絶縁体は直径が減少するノーズ部にまで延在するショルダを有し、前記第１表面は前記ショルダに対向する、請求項２に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記外側シェルは径方向外側に延在し封止座部を供給するフランジを有し、前記第２表面は前記フランジに対向する、請求項４に記載のスパークプラグアセンブリ。
環状の隙間が前記内側シェルと前記外側シェルとの間を、前記第１表面から前記第２表面まで延在する、請求項２に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記内側シェルは前記第２表面に隣接する前記外側シェルに固定される、請求項６に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記外側シェルは軸方向に沿って前記絶縁体と対向するよう構成された端部を有する、請求項７に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記力センサは前記外側シェルと前記絶縁体との間に配置される、請求項１に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記外側シェルは軸方向に沿って前記力センサに対向するよう構成された端部を有する、請求項９に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記内側シェルは下側端部にまで延在し、前記内側シェルは前記下側端部に隣接する前記外側シェルに固定され、前記内側シェルの残りの部分は隙間により前記外側シェルからの空間を保つ、請求項１に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記内側シェルは径方向外側に延在するショルダを有し、前記外側シェルは径方向外側に延在するフランジを有し、前記ショルダおよび前記フランジは前記隙間により互いに軸方向に空間で隔てられる、請求項１１に記載のスパークプラグアセンブリ。
前記内側シェルは上側端部にまで延在し、前記内側シェルは前記上側端部に隣接する前記外側シェルに固定され、前記内側シェルの残りの部分は隙間により前記外側シェルからの空間を保つ、請求項１に記載のスパークプラグアセンブリ。
内側シェルは径方向外側に延在し、前記上側端部に隣接するショルダを有し、前記シェルは径方向内側に延在し、前記径方向外側に延在するショルダに固定されるショルダを有する、請求項１３に記載のスパークプラグアセンブリ。