JP2014095708A - 燃焼エンジンのための圧力測定プラグ - Google Patents

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Abstract

【課題】内燃エンジンの典型的な高温および振動に耐える圧力測定プラグを提供する。
【解決手段】プラグボディ102とリング形状の感知構造104とを含む。プラグボディは、燃焼エンジンのシリンダーヘッドにプラグボディを搭載するための雄ネジ102Aを含む。リング形状の感知構造は、外側の部分104Aと内側のコア104Bとを含む。プラグボディの近接する端部は、外側の部分に取り付けられる。内側のコアは、ロッド形状の素子106を受け取るための貫通孔を含む。リング形状の感知構造により、内側のコア104Bは、リング形状の感知構造のシリンダー軸に沿って外側の部分104Aに対して相対的に移動する。内側のコア104Bはさらに、雄ネジを有するロッド形状の素子106を貫通孔内に搭載するための雌ネジを含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃焼エンジンのシリンダーヘッドにプラグボディを搭載するための雄ネジを含む当該プラグボディと、ロッド型の素子を受け取るための貫通孔を含むリング形状の感知構造とを含む、燃焼エンジンのための圧力測定プラグに関する。リング形状の感知構造は、内側のコアをリング形状の感知構造のシリンダー軸に沿って外側部分に対し相対的に移動させる。より具体的には、本発明は燃焼エンジンのためのピエゾ抵抗圧力測定プラグに関する。
将来のガソリンエンジンのための前進的な燃焼の戦略は、全体のサイクル(圧縮‐燃焼‐排出のサイクル)の間、各々の燃焼シリンダーからの正確な圧力フィードバックの存在に依存している。これらの戦略は、予混合圧縮着火(HCCI)燃焼を含むことも含まないこともでき、迅速かつ正確な圧力応答を必要とする高い圧力放出速度になり得る。燃焼チャンバ内部のセンサの配置は、エンジンヘッドに余分な穴をドリルすることを必要とする。2つの機能のためにひとつの穴を使用することにより、エンジンヘッドに余分な穴を開ける際に直面する追加のコストおよびその他の実用的な問題が回避され得る。
追加の機能を備える圧力測定プラグは、特許文献1により公知である。プラグは、外側部分と内側のコアとを有するリング形状の感知構造を含む。プラグボディの近位端は外側部分に取り付けられる。内側のコアは、ロッド形状の素子を受け取るための貫通孔を含む。圧力がロッド形状の素子に作用するときに、リング形状の感知素子により、内側のコアは、リング形状の感知素子のシリンダー軸に沿って外側部分へ相対的に移動できる。しかしながら、この圧力測定プラグは、内燃エンジンのシリンダーヘッドに搭載するためには使用されない。
特許文献2および特許文献3は、圧力を測定するための燃焼エンジン用のピエゾ抵抗圧力測定プラグを開示する。ピエゾ抵抗圧力測定プラグは、燃焼エンジンのシリンダーに挿入されるプラグボディと、プラグボディ内に配置されるロッドと、ピエゾ抵抗素子を含む感知構造とを有する。感知構造は、ロッドとプラグボディとの間に配置されて、ロッドは、燃焼チャンバ内の圧力によりシリンダーの燃焼チャンバ内の圧力を感知構造に伝達する。圧力の変化は、感知構造に力を印加するようにプラグボディに対するロッドの軸方向の動きとなる。感知構造がプラグボディに一体化されるので、感知構造の穴の寸法は制限される。
EP1790964A1号公報 EP2138819A1号公報 EP2444786A1号公報
これまで、圧力センサを組み入れたスパークプラグは、ヒステリシス、封止の欠如、および温度のような外部の影響に対する感度に悩まされてきた。
本発明の目的は、感知構造の貫通孔内にロッド形状の素子を受け取るための、改良された圧力測定プラグを提供することである。本発明のもうひとつの目的は、信頼性があり、製造がより安価で、過酷な圧力媒体に対して長持ちしおよび/もしくは堅牢であり、内燃エンジンの典型的な高温および振動に耐えることの少なくともひとつの圧力測定プラグを提供することである。
本発明の第1の態様によれば、この目的は、請求項1の特徴を有する圧力測定プラグによって達成される。本発明を実行する効果のある実施例とさらなる手段とが、従属項で言及される方法によって達成され得る。
本発明による圧力測定プラグは、内側のコアが、雄ネジ(外側のネジ)を有するロッド形状の素子を貫通孔内に搭載するための雌ネジ(内側のネジ)を含むことを特徴とする。
圧力センサがスパークプラグに組み込まれる場合のあらゆる公知の解決策において、その形態は1つのユニットである。機能のうちのひとつが故障するとき、すべての構成部品が交換されなければならない。双方の機能のための構成部品が同様の製品寿命を有するとき、これは問題ではない。しかしながら、内部的な試験は、スパークプラグの構成部品の製品寿命が圧力センサの構成部品の製品寿命とは著しく異なることを示した。新規の圧力測定プラグの特徴は、プラグの取り付け/取り外しを容易にするプラグ構造を提供し、ロッド形状の素子を有する圧力測定プラグは、プラグに第2の機能を提供する。第2の機能の例は、これに限定されるのではないが、スパークプラグ機能、温度センサ、流量センサ、グロープラグの機能である。もうひとつの利点は、ひとつのタイプの圧力測定プラグが、異なるタイプのスパークプラグもしくは機能と容易に結合され得ることである。圧力測定プラグとロッド形状の素子との間のインターフェースのみが標準化される必要がある。本発明による圧力測定プラグでは、センサがスパークプラグに一体化されることを必要とせず、同時に、エンジンヘッドに余分な穴も必要としない。圧力測定プラグは、エンジンヘッドの既存のスパークプラグの開口内に配置される。プラグは、圧力測定プラグ内にスパークプラグを搭載するのに使用される雌ネジを有する。センサのスチールボディは、スパークプラグを接地する役割を果たし、そのため、スパークプラグとエンジンヘッドとの間に直接的な接触がない。圧力センサが、米国特許8196459のように、スパークプラグとエンジンヘッドとの間で圧縮されないという事実は、ヒステリシスおよびストレスのない解決を可能にする。
ひとつの実施例では、圧力測定プラグは、プラグがシリンダーヘッドに搭載されるときにロッド形状の素子を受け取るよう構成される。この特徴は、圧力測定プラグをエンジンヘッドから取り外すことなく、スパークプラグの構成部品を交換することを可能にするプラグ構造を提供する。
ひとつの実施例では、雄ネジは第1のシリンダー軸を有し、雌ネジは当該第1のシリンダー軸と整合される第2のシリンダー軸を有する。これらの特徴は、回転対称である部品を有する構造を提供する。部品は、金属切削プロセスにより製造され得る。
ひとつの実施例では、軸方向においてプラグボディの雄ネジと感知構造の雌ネジとは重複しない。この特徴により、圧力測定プラグの直径を縮小することができる。
ひとつの実施例では、プラグボディはベース部分とネジ部分とを含む。リング形状の感知構造は、ベース部分の一方の端部に取り付けられ、ベース部分の反対側の端部はネジ部分に位置決めされる。これらの特徴は、複雑な構造を有するプラグボディを組み立てるために、それ程複雑でない構造を有する部品を提供する。
ひとつの実施例では、圧力測定プラグはさらに、内側のコアの一方の端部に取り付けられた円筒状のボディ部を含む。円筒状のボディ部は、少なくとも部分的にプラグボディに延在する。円筒状のボディ部の内面は、圧力測定プラグとロッド形状の素子との間に封止を提供するための封止形状(封止プロファイル)を含む。これらの特徴は、燃焼チャンバのガスの頑強な封止を提供する。さらなる実施例では、封止形状は円錐である。代替的な実施例では、円筒状のボディ部は、内側のコアのと一体化された部分である。
ひとつの実施例では、圧力測定プラグはさらに、環状のメンブレンを含む。環状のメンブレンの第1のリムはプラグボディに溶接され、環状のメンブレンの第2のリムは円筒状のボディ部に溶接されて、円筒状のボディ部とプラグボディとの間に封止を提供する。メンブレンは、燃焼ガスの熱からセンサの電子部品を保護するための障壁であり、また、圧力測定プラグに搭載されたロッド形状の素子、すなわちスパークプラグのための温度レギュレータでもある。特定の実施例では、環状のメンブレンはプラグボディ内に置かれる。
ロッド形状の素子の実施例であるスパークプラグは、温度に依存する動作特性を有する。圧力測定プラグのさらなる実施例では、環状のメンブレンは、プラグボディの遠位端から予め規定された距離を有して、使用中のロッド形状の素子に最適な動作温度を提供する。遠位端は、燃焼チャンバに面するボディ部の一部である。この特徴は、スパークプラグと圧力センサとの組合せに最適な性能を提供する。
ひとつの実施例では、圧力測定プラグのプラグ軸に沿って、封止形状が、リング形状の構造と環状のメンブレンとの間に置かれる。この特徴は、最小の直径を有する堅牢なプラグを提供する。
代替的な実施例では、圧力測定プラグはさらに、ロッド形状の素子と円筒状のボディ部との間に封止を提供するOリングを含む。この実施例では、円筒状のボディ部とロッド形状の素子との双方の封止プロファイルは、Oリングにより置き換えられる。
第2の態様では、燃焼エンジンのスパークプラグを交換する方法を提供する。内燃機関のシリンダーヘッドに搭載される前述のあらゆる実施例による圧力測定プラグからスパークプラグがねじによって取り外される。その後、別のスパークプラグが圧力測定プラグにネジによって取付けられる。
その他の特徴及び利点は、実施例の種々の特徴を例として説明する添付の図面と併せて、以下の詳細な説明により明らかとなる。
これらのおよびその他の態様、特性および利点が図面を参照して下記の記載に基づいて以降で説明される。同様の参照番号は、類似のもしくは相当する部分を示す。
図1は、スパークラグを備える圧力測定プラグの第1の実施例の断面図を概略的に示す。 図2は、圧力測定プラグの第1の実施例の断面図を概略的に示す。 図3は、第1の実施例で使用するためのスパークプラグの側面図を概略的に示す。 図4は、スパークプラグを備える圧力測定プラグの第2の実施例の断面図を概略的に示す。
図1および図2は、燃焼エンジン用の圧力測定プラグ100の第1の実施例の断面図を概略的に示す。圧力測定プラグ100は、プラグボディ102と、リング形状の感知構造104とを含む。スパークプラグ106は、圧力測定プラグ100に取り外し可能に位置決めされる。圧力測定プラグ100はさらに、レンチで圧力測定装置の搭載を可能とするために、六角形の周囲が設けられたハウジング108を含む。
プラグボディ102は、プラグボディ102を燃焼エンジンのシリンダーヘッドに搭載するための雄ネジ(外側のネジ)102Aを含む。プラグボディ102は、ベース部分102Bと、雄ネジを有するネジ付き部分102Cとを含む。ベース部分102Bの一部は、ネジ付きボディ部102Cの貫通孔内に延在する。
リング形状の感知構造104は、外側部分104Aと、内側のコア104Bと、ダイアフラム104Dとを含む。ダイアフラム104Dは、内側のコア104Bを外側部分104Aに移動可能に接続する。外側部分104Aは、プラグボディ102の近接した端部に取り付けられる。この実施例では、当該近接した端部は、ベース部分102Bの一部である。ネジ付きボディ部102を介して、外側部分104Aは、エンジンヘッドの穴にしっかりと搭載され得る。リング形状の感知構造104の外径は、ボディ部102のネジの直径よりも大きい。内側のコア104Bは、ロッド形状の素子106を受け取るための貫通孔104Cを含む。リング形状の感知構造104の貫通孔104Cは、ネジ付きボディ部102のシリンダー軸と整合されるシリンダー軸105を有する。内側のコア104Bは、ロッド形状の素子の配置のための雌ネジ(内側のネジ)104B1を含む。図1では、スパークプラグの形態のロッド形状の素子106は、内側のコア104Bの貫通孔104C内に搭載される。ロッド形状の素子106は、図3で示される通り、雄ネジ106B1を含む。ロッド形状の素子106はさらに六角形の周囲106B4を含む。
圧力測定プラグはさらに円筒状のボディ部140を含む。一方の端部で円筒状のボディ部140が内側のコア104Bに溶接によりしっかりと取付けられる。円筒状のボディ部140は、プラグボディ102のネジ付きボディ部102C内に少なくとも部分的に延在する。円筒状のボディ部140の内面140Aは、封止形状140Bを含む。封止形状140Bは、円錐形状を有し、圧力封止エリアを提供する。対応する封止形状を有するロッド形状の素子106が圧力測定プラグにネジ込まれるとき、円錐状の表面が互いに押圧されて高圧の封止を提供する。リング形状の感知構造104および円筒状のボディ部140が単一の材料から作られ得ることに留意すべきである。
圧力測定プラグ100はさらに環状のメンブレン150を含む。環状のメンブレン150は、燃焼エンジンのシリンダー内の燃焼ガスからダイアフラム104Dを保護する。環状のメンブレンの第1のリムは、プラグボディ102に溶接される。環状のメンブレンの第2のリムは、円筒状のボディ部140に溶接される。この方法で、円筒状のボディ部とプラグボディ部との間の封止が提供される。
プラグボディ102の雄ネジ102Aは、第1のシリンダー軸を有し、圧力感知構造104の雌ネジ104B1は、第2のシリンダー軸を有する。第1の実施例では、第1のシリンダー軸と第2のシリンダー軸とが整合される。さらに、軸方向において雄ネジ(102A)と雌ネジ(104B1)は重複しない。すなわち、2つのネジは、軸方向に互いに隣り合って配置される。この構造は、ネジボディ部の開口の直径を減少させ、かつステンレス鋼のメンブレン150の搭載空間のために、ネジ付きボディ部102内に空間を提供する。この方法で、従来のスパークプラグに対応する直径を有するネジ付きボディ部102を有する圧力測定プラグが得られる。
環状のメンブレン150は、圧力感知構造104から一定の距離でプラグボディ102に置かれる。これによって、プラグ100のハウジング108内に配置されたダイアフラム104Dと、ダイアフラムに取り付けられた歪みゲージと、電子装置110との最大温度を低減させることができる。さらにスパークプラグは、特定の動作温度を有するときに最適に動作するということが分かった。この特定の動作温度を得るために、環状のメンブレン150の位置は、プラグボディ102の遠位端、すなわち燃焼チャンバに面する端部から予め決められた距離を有するべきである。この距離は、高温燃焼ガスに接触するスパークプラグの表面と、圧力測定プラグのより低い温度によって冷却された表面とを規定する。
図1および図2は、圧力測定プラグのプラグ軸105に沿って、円筒状のボディ部140の封止形状140Bがリング形状の感知構造104の内側のコア104Bと環状のメンブレン150との間に位置されることを示す。
図4は、圧力測定プラグ100の第2の実施例の断面図を示す。この実施例は、ロッド形状の素子106と円筒状のボディ140との間の封止を提供するためにOリングが使用されるという点で、第1の実施例とは異なる。
圧力測定プラグ100は、次のように機能する。リング形状の感知構造104によって、内側のコア104Bは、リング形状の感知構造104のシリンダー軸105に沿って外側の部分104Aに対し相対的に移動することができる。圧力測定プラグ100とロッド形状の素子106とのすべての構成要素のシリンダー軸が一致し、それゆえひとつの参照番号105がすべての個々の構成要素のシリンダー軸を示すのに使用されていることに留意すべきである。内側のコア104Bと外側部分104Aとの間のダイアフラム104Dは、ロッド形状の素子を、燃焼チャンバの燃焼ガスの圧力変化の影響の下、圧力測定プラグ内を上下に移動させる(107)。この移動は、内側のコア104Bと堅牢な外側部分104Aとの間のブリッジであるダイアフラムに歪みを生じさせる。この歪みは、ネジ付きボディ部に面していないリング形状の感知構造の表面上に取り付けられた歪みゲージ(図示しない)によって測定される。ピエゾ抵抗素子である歪みゲージは、ダイアフラムの歪みを抵抗の変化に変換する。抵抗は、ホイートストンブリッジによって電圧差に変換される。電圧は、プリント回路基板110に搭載されたASICによって補正されかつ増幅される。
スパークプラグ106の形態のロッド形状の素子は、中心電極106Aと、絶縁コア106Cと、外側のボディ106Bとを含む。絶縁コア106Cは、通常はセラミック材料から作られるものであり、中心電極106Aと外側のボディ106Bとの間の電気的な絶縁を形成する。外側のボディ106Bは、接地電極106B2を含む。外側のボディ106Bは、感知構造104の貫通孔内にスパークプラグをしっかりと取り付けるためにリング形状の感知構造104と協働するよう構成され、かつ燃焼ガスから圧力測定プラグ100の電子部品を保護するための封止を形成するよう構成される。
圧力測定プラグ100の貫通孔104Cは、雌ネジを含む内側のコア104Bから燃焼チャンバに面する円筒状のボディ部140の端部に向かって狭くなる。これによって、圧力測定プラグは、プラグがシリンダーヘッドに搭載されるときに、ロッド形状の素子を受け取ることができる。
本発明は、圧力センサとスパークプラグのような第2の機能とをひとつのプラグに一体化するものではなく、圧力測定プラグがエンジンヘッドの既存のスパークプラグの開口内部に最初に配置され得る構造を提供する。その後、圧力測定プラグの雌ネジが使用され、第2の機能を実行するロッド形状の素子を搭載する。
ロッド形状の素子がスパークプラグである場合には、圧力測定プラグのスチールボディ部は、スパークプラグを接地する役割を果たす。そのため、スパークプラグとエンジンヘッドとの間に直接的な電気的接触がない。圧力感知構造は、スパークプラグの外側のボディ106Bを、エンジンヘッドと電気的に接触するネジ付きボディ部102に電気的に結合する。それゆえ、スパークに起因する電流が圧力感知構造104を介して流れ、歪みゲージにより発生される信号を妨害することがあり得る。しかしながら、スパークに起因する電流は時間的には非常に短く、スパークの時間的な瞬間は、モータ管理システムによって知られているので、モータ管理システムのソフトウェアが、圧力測定プラグによって発生された圧力信号内のスパークによる歪みを取り除くことができ、かつエンジンを制御するのに適した圧力信号を得ることができる。
センサがロッド形状の素子106とエンジンヘッドとの間で圧縮されないという事実は、ヒステリシスのない解決策を提供する。本発明は、圧力測定プラグとロッドのような素子との双方のストレスフリーな組み立てを提供する。さらに、本発明は、高温の燃焼ガス対して感度の低い構造を提供する。この構造により、圧力測定プラグを交換する必要なく、スパークプラグの通常の取付けを行うことができる。
燃焼エンジンのスパークプラグを交換する方法は、燃焼エンジンのシリンダーヘッドに搭載される上記の圧力測定プラグからスパークプラグをネジで取り外すことを含み、かつ、圧力測定プラグに新しいスパークプラグをネジで取付けることを含む。
上記の説明において、スパークプラグの形態のロッド形状の素子が圧力測定プラグとの組合せにおいて説明された。その他のロッド形状の素子が圧力測定プラグとの組合せで使用され得ることは明らかである。ロッド形状の素子のその他の例には、グロープラグ、プラグの形態の温度センサ、プラグの形態の流量センサ、およびダミープラグがある。
本発明はいくつかの実施例の観点から説明されたが、それらの代替物、修正物、置換物、相当物が、明細書を読み、図面を検討することによって当業者に明らかとなる。本発明は、説明された実施例に制限されない。本発明の着想から逸脱することなく、変更がなされ得る。

Claims (15)

  1. 燃焼エンジンのシリンダーヘッドに搭載するための雄ネジ(102A)を有するプラグボディ(102)と、
    外側の部分(104A)と内側のコア(104B)とを含むリング形状の感知構造(104)であって、前記プラグボディ(102)の近接する端部が前記外側の部分に取り付けられ、前記内側のコア(104B)がロッド形状の素子(106)を受け取るための貫通孔(104C)を有し、前記リング形状の感知構造は、内側のコア(104B)をリング形状の感知構造(104)のシリンダー軸(105)に沿って外側の部分(104A)に相対的に移動させる、前記感知構造(100)とを有する燃焼エンジンのための圧力測定プラグ(100)であって、
    前記内側のコア(104B)は、雄ネジを有するロッド形状の素子(106)を貫通孔(104C)内に搭載するための雌ネジ(104B1)を含むことを特徴とする、圧力測定プラグ。
  2. 圧力測定プラグは、当該プラグがシリンダーヘッドに搭載されるときに、ロッド形状の素子を受け取るよう構成される、請求項1に記載の圧力測定プラグ。
  3. 前記ロッド形状の素子はスパークプラグである、請求項1または2に記載の圧力測定プラグ。
  4. 前記雄ネジ(102A)が第1のシリンダー軸を有し、前記雌ネジ(104B1)が前記第1のシリンダー軸と整合される第2のシリンダー軸を有する、請求項1ないし3いずれか1つに記載の圧力測定プラグ。
  5. 軸方向において、前記雄ネジ(102A)と前記雌ネジ(104B1)とが重複しない、請求項1ないし4いずれか1つに記載の圧力測定プラグ。
  6. 前記プラグボディ(102C)は、ベース部分(102B)とネジ付き部分(102C)とを含み、前記リング形状の感知構造(104)は、前記ベース部分(102B)の一方の端部に取り付けられ、前記ベース部分の反対側の端部は前記ネジ付き部分(102C)に位置決めされる、請求項1ないし5いずれか1つに記載の圧力測定プラグ。
  7. 前記プラグはさらに、前記内側のコア(104B)の一端に取り付けられた円筒状のボディ部(140)を含み、当該円筒状のボディ部は、前記プラグボディ(102)内に少なくとも部分的に延在し、前記円筒状のボディ部の内面(140A)は、前記圧力測定プラグと前記ロッド形状の素子との間に封止を提供するための封止形状(140B)を含む、請求項1ないし6いずれか1つに記載の圧力測定プラグ。
  8. 前記封止形状は円錐である、請求項7に記載の圧力測定プラグ。
  9. 前記圧力測定プラグはさらに環状のメンブレン(150)を含み、当該環状のメンブレンの第1のリムは前記プラグボディ(102)に溶接され、当該環状のメンブレンの第2のリムは、前記ボディ部(140)に溶接され、前記円筒状のボディ部と前記プラグボディ(102)との間に封止を提供する、請求項7または8に記載の圧力測定プラグ。
  10. 前記環状のメンブレン(150)は前記プラグボディ(102)内に配置される、請求項9に記載の圧力測定プラグ。
  11. 前記ロッド形状の素子は、温度に依存する動作特性を有し、前記環状のメンブレンは、前記プラグボディの遠位端から予め定められた距離を有し、使用中のロッド形状の素子に最適な動作温度を提供する、請求項10に記載の圧力測定プラグ。
  12. 圧力測定プラグのプラグ軸に沿って、封止形状(140B)が前記リング形状の感知構造と前記環状のメンブレンとの間に配置される、請求項9ないし11いずれか1つに記載の圧力測定プラグ。
  13. 前記圧力測定プラグはさらに、前記ロッドのような素子と前記円筒状のボディ部との間に封止を提供するOリング(155)を含む、請求項7ないし12いずれか1つに記載の圧力測定プラグ。
  14. 前記円筒状のボディ部(140)は前記内側のコア(104B)の一部である、請求項7ないし13いずれか1つに記載の圧力測定プラグ。
  15. 燃焼エンジンのシリンダーヘッドに搭載されており、請求項1ないし14のいずれかに記載の圧力測定プラグからスパークプラグをネジにより取り外すことと、
    新しいスパークプラグを前記圧力測定プラグにネジ込むこととを含む、燃焼エンジンのスパークプラグを交換する方法。
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