JP4166736B2 - 燃焼圧検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に取り付けられ、燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧検出装置に関する。

従来の燃焼圧検出装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この検出装置は、直噴式のエンジンに設けられており、エンジンのシリンダヘッドに取り付けられたインジェクタ、およびシリンダヘッドとインジェクタの間に狭持されたリング状の座圧センサなどによって構成されている。インジェクタは、高圧燃料ポンプによって高圧に昇圧された燃料を、燃焼室内に噴射するためのものであり、その噴孔部は、シリンダヘッドの孔を通って燃焼室に臨んでいる。また、座圧センサは、圧電素子などによって構成されており、これに作用する荷重に応じた検出信号を出力する。このような構成によれば、燃焼室内の圧力（以下「燃焼圧」という）により、インジェクタが変位するのに応じて、インジェクタから座圧センサに作用する荷重が変化する。それにより、座圧センサは、この荷重の変化を燃焼圧の変化として検出し、検出信号として出力する。

しかし、上述した特許文献１の燃焼圧検出装置には、以下のような問題がある。すなわち、この検出装置では、インジェクタへの高圧の燃料の導入、および燃料を噴射する際の反作用などにより、座圧センサに作用する荷重が変動する（以下「燃圧変動」という）。そして、この燃圧変動がインジェクタから座圧センサに伝達されるため、座圧センサによって検出される燃焼圧の中に、燃圧変動分が含まれる結果、燃焼圧の検出精度が低下してしまう。

また、座圧センサは、これに作用する荷重に応じて検出信号を出力するものであるので、検出信号の精度を維持するためには、燃焼圧が作用していない状態における、基準となる初期荷重を適正値に設定する必要がある。しかし、インジェクタは、例えばメンテナンスなどのために、取り外したり交換したりすることがあり、インジェクタを再度、シリンダヘッドに取り付けたときに、初期荷重が適正値からずれるおそれがあり、その場合には、検出精度を保つことが困難になってしまう。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、インジェクタの燃圧変動の影響を受けることなく、燃焼圧をより高い精度で検出することができるとともに、コンパクトに構成することができる燃焼圧検出装置を提供することを目的としている。

特開平１０−１８８９８号公報 （第３，４頁、第１，６図）

この目的を達成するために、本発明の請求項１に係る発明は、燃料を噴射するためのインジェクタ９とともにシリンダヘッド４のインジェクタ取付け孔１０に設けられ、内燃機関（実施形態における（以下、本項において同じ）エンジン２）の燃焼室６内の圧力を燃焼圧として検出するための燃焼圧検出装置１，３０であって、燃焼室６に臨むとともに、インジェクタ９からの荷重を遮断した状態で、インジェクタ取付け孔１０に設けられたセンサ固定部材（インジェクタシート２２，３１）と、センサ固定部材によってシリンダヘッド４との間に固定され、センサ固定部材を介して伝達された荷重を燃焼圧として検出するセンサ素子２１と、を備えていることを特徴とする。

この燃焼圧検出装置によれば、シリンダヘッドのインジェクタ取付け孔には、インジェクタとともにセンサ固定部材が設けられている。センサ固定部材は、燃焼室に臨んでおり、このセンサ固定部材によって、センサ素子がシリンダヘッドとの間に固定されている。このようなセンサ固定部材を介して、燃焼圧がセンサ素子への荷重として伝達される。その結果、センサ素子は、これに作用する荷重を燃焼圧として検出する。

また、センサ固定部材は、インジェクタからの荷重を遮断した状態で設けられており、センサ素子は、このようなセンサ固定部材によって、シリンダヘッドとの間に固定されるので、インジェクタの燃圧変動が生じても、それに起因する荷重の変動は、センサ素子には及ばない。それにより、検出信号から燃圧変動分を排除でき、出力される検出信号は、燃焼圧のみを反映したものになるので、燃焼圧の検出精度を向上させることができる。

また、インジェクタからの荷重の伝達が遮断されているので、例えばメンテナンスのためにインジェクタを着脱・交換したとしても、センサ素子の初期荷重を維持でき、したがって燃焼圧の検出精度を保つことができる。また、通常、シリンダヘッドには、吸・排気ポートや点火プラグなどの構成が密集して配置されており、新たな構成部品を追加できるほどのスペースの余裕はない。これに対し、上述した燃焼圧検出装置は、既存の構成であるインジェクタ取付け孔を利用して設置されるので、内燃機関の既存の構成・レイアウトをほぼ変更することなく、全体としてコンパクトに構成することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃焼圧検出装置１，３０において、センサ固定部材は、インジェクタ９との間に間隙（Ｇ１〜Ｇ４，Ｇ５〜Ｇ６）を存した状態でインジェクタ取付け孔１０に設けられていることを特徴とする。

この燃焼圧検出装置によれば、センサ固定部材は、インジェクタとの間に間隙を存した状態でインジェクタ取付け孔に設けられている。すなわち、両者が互いに分離されることにより、インジェクタの燃圧変動に起因する荷重を確実に遮断することができ、燃焼圧による荷重のみがセンサ素子に作用するので、燃焼圧の検出精度を向上させることができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の燃焼圧検出装置１において、センサ素子２１は、シリンダヘッド４に形成されたセンサ取付け凹部１０ｃに収容されており、インジェクタ取付け孔１０の軸線方向にセンサ素子２１と並設されるとともに、インジェクタ９とシリンダヘッド４との間に狭持され、インジェクタ９を支持するスペーサ（インジェクタプレート２４）をさらに備えていることを特徴とする。

この燃焼圧検出装置によれば、シリンダヘッドにはセンサ取付け凹部が形成されており、このセンサ取付け凹部にセンサが収容されている。また、インジェクタとシリンダヘッドの間には、インジェクタ取付け孔の軸線方向にセンサと並ぶように、すなわちセンサ取付け凹部を覆うようにスペーサが設けられており、このスペーサは、インジェクタとシリンダヘッドの間に狭持されている。これにより、インジェクタは、スペーサを介してシリンダヘッドに支持されている。

このような構成によれば、構成部品がインジェクタ取付け孔の軸線方向に並設されていることにより、燃焼圧検出装置を、前述した請求項１および２による効果を損なうことなく、特にインジェクタ取付け孔の軸線に直交する方向のサイズをコンパクトに構成することができ、内燃機関の既存の構成を変更することなく、燃焼圧検出装置を配置することができる。また、スペーサがインジェクタとシリンダヘッドの間に狭持され、スペーサとインジェクタの間に他の構成部品が存在しないので、両者間の接触面積を大きく確保することができ、インジェクタを安定した状態でシリンダヘッドに取り付けることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。図１および２は、本発明の第１実施形態による燃焼圧検出装置を示しており、この検出装置１は、例えば車両（図示せず）に搭載された直噴式の内燃機関（以下「エンジン」という）２に設けられている。

エンジン２は、複数のシリンダ３（１つのみ図示）およびシリンダヘッド４などを有しており、シリンダヘッド４とシリンダ３内のピストン５の間には、燃焼室６が形成されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート８がそれぞれ形成されるとともに、点火プラグ（図示せず）、インジェクタ９および燃焼圧検出装置１などが設けられており、これらは互いに密集して配置されている。

シリンダヘッド４の吸気ポート７に隣接する位置には、インジェクタ取付け孔１０が形成されている。このインジェクタ取付け孔１０に、インジェクタ９とともに燃焼圧検出装置１が取り付けられている。インジェクタ取付け孔１０は、シリンダヘッド９を斜めに貫通しており、その軸線方向の燃焼室６側から順に、互いに同心状のシート取付け部１０ａ、センサ取付け凹部１０ｃ、およびプレート取付け凹部１０ｄになっている。シート取付け部１０ａは、インジェクタ取付け孔１０のほぼ半分を占めており、所定の径を有し、その内周面にねじ１０ｂが形成されている。また、センサ取付け凹部１０ｃは、シート取付け部１０ａよりも大きな径と、後述するような所定の深さ（インジェクタ取付け孔１０の軸線方向（以下、単に「軸線方向」という）の長さ）を有している。プレート取付け凹部１０ｄは、センサ取付け凹部１０ｃよりもさらに大きな径を有している。また、シリンダヘッド４には、後述するセンサ素子２１のセンサハーネス２１ａを取り出すためのスリット状の溝４ａが、センサ取付け凹部１０ｃとシリンダヘッド４の外部との間に延びるように形成されている。

燃焼圧検出装置１は、センサ素子２１、センサ素子２１を固定するためのインジェクタシート２２（センサ固定部材）、およびインジェクタプレート２４（スペーサ）などによって構成されている。センサ素子２１は、リング状に形成され、例えば圧電素子によって構成されており、これに作用する荷重に応じて検出信号を出力する。また、センサ素子２１の上下には、リング状のガスケット２３，２３がそれぞれ積層されており、これらのようなセンサ素子２１およびガスケット２３，２３は、センサ取付け凹部１０ｃに収容されている。また、センサ素子２１に接続されたセンサハーネス２１ａは、前述した溝４ａを通って外部に延び、図示しない制御装置に接続されている。検出信号は、このセンサハーネス２１ａを介して出力され、制御装置に入力される。

インジェクタシート２２は、例えばＳＵＳ材によって構成されており、円筒状のシート本体２２ａと、シート本体２２ａの上部から突出するつば部２２ｂを有している。つば部２２ｂは、シート本体２２ａの上端（燃焼室６と反対側の端）から燃焼室６側に所定の距離だけ離れた位置に設けられており、円板状に形成されている。また、シート本体２２ａの下部の外周面には、ねじ部２２ｃが形成されている。また、つば部２２ｂの外径は、前述したセンサ取付け凹部１０ｃの径よりもわずかに小さくなるように設定されている。また、その厚さと、前述したセンサ素子２１および２つのガスケット２３，２３の厚さとの和は、センサ取付け凹部１０ｃの深さよりも小さくなるように設定されている。このようなインジェクタシート２２は、シート本体２２ａを、リング状のセンサ素子２１およびガスケット２３，２３に上方から通し、ねじ部２２ｃをシート取付け部１０ａのねじ１０ｂにねじ込むことにより、シリンダヘッド４に取り付けられている。

この取付け状態では、インジェクタシート２２は、そのつば部２２ｂのほぼ全面により、ガスケット２３を介してセンサ素子２１を下方に押圧しており、それによる荷重がセンサ素子２１に常時、作用する。すなわち、センサ素子２１は、シリンダヘッド４とつば部２２ｂの間に狭持されており、インジェクタシート２２をねじ込んで取り付ける際の締め付け強度によって、センサ素子２１に作用する初期荷重が設定される。また、シート本体２２ａは燃焼室６まで延びており、その下端部が燃焼室６に臨んでいる。さらに、上記のような寸法関係から、つば部２２ｂの上面は、センサ取付け凹部１０ｃの上端よりも若干、低い状態になっている。

インジェクタプレート２４は、プレート取付け凹部１０ｄに取り付けられている。このインジェクタプレート２４は、例えばＳＵＳ材によって構成されており、所定の厚さを有するリング状に形成されている。また、インジェクタプレート２４は、前述したプレート取付け凹部１０ｄの径よりも若干、小さな外径を有するとともに、シート本体２２ａの外径よりも大きな内径を有している。このようなインジェクタプレート２４は、シート本体２２ａの上端部と、プレート取付け凹部１０ｄの周壁との間に嵌合させることにより、シリンダヘッド４に取り付けられている。この状態では、インジェクタプレート２４は、その下面が、プレート取り付け凹部１０ｄとセンサ取付け凹部１０ｃの境界の段部に当接し、センサ取付け凹部１０ｃを覆うとともに、センサ素子２１と軸線方向に並設、すなわち軸線方向に重なった状態になっている。また、前述した寸法関係から、インジェクタシート２２のつば部２２ｂよりも上側の部分とインジェクタプレート２４の間には間隙Ｇ１が、つば部２２ｂとインジェクタプレート２４の間には間隙Ｇ２が、それぞれ形成されており、両者２２，２４は互いに分離されている。また、シート本体２２ａの上端は、インジェクタプレート２４の上端よりも燃焼室６側に位置している。

インジェクタ９は、基本的に周知の構成のものであり、高圧燃料ポンプ（図示せず）および制御装置に接続されている。燃料タンク（図示せず）の燃料は、制御装置による制御により、高圧ポンプによって高圧に昇圧された後、インジェクタ９に送られ、インジェクタ９から燃焼室６に噴射される。このインジェクタ９は、インジェクタ本体９ａと、このインジェクタ本体９ａから延び、シート本体２２ａの内径よりも若干、小さな径を有するノズル部９ｂを有している。また、両者９ａ，９ｂの境界には、円板状のつば部９ｃが形成されていて、その外径は、前述したインジェクタプレート２４の外径とほぼ同じに設定されている。

このようなインジェクタ９は、そのノズル部９ｂがインジェクタシート２２に挿入され、その下端部が燃焼室６に臨んでいる。また、インジェクタ９は、つば部９ｃの全面がインジェクタプレート２４に当接し、これを強く押圧した状態で、ねじなどの固定手段（図示せず）によってシリンダヘッド４に取り付けられている。すなわち、インジェクタプレート２４は、インジェクタ９とシリンダヘッド４との間に狭持されており、インジェクタ９はインジェクタプレート２４によって支持されている。また、ノズル部９ｂの径が、シート本体２２ａの内径よりも若干、小さいため、両者９ｂ，２２ａの間に若干の間隙Ｇ３が形成され、且つ、前述したようにシート本体２２ａの上端が、インジェクタプレート２４よりも燃焼室６側に位置していることにより、インジェクタ９は、インジェクタプレート２４に突き当てられた状態でインジェクタシート２２の上部との間の間隙Ｇ４を介して、これと分離した状態で取り付けられている。

図３は、上述したインジェクタ９および燃焼圧検出装置１を模式的に示す図である。以下、この図を用いて燃焼圧の検出動作について説明する。エンジン２の停止状態においては、燃焼圧が発生しないので、センサ素子２１には、インジェクタシート２２による初期荷重のみが作用している。

エンジン２の運転が開始されると、給・排気や燃焼などに伴い、燃焼圧が発生し、周期的に変動する。前述したように、インジェクタシート２２は、燃焼圧の変動に伴い、燃焼室６に臨むインジェクタシート２２の下端に作用する圧力が増減することにより、インジェクタシート２２全体が軸線方向に変位する。それにより、燃焼圧が増大する際には、つば部２２ｂが燃焼室６と反対側に変位することによって、センサ素子２１に作用する荷重が減少し、センサ素子２１が伸びる。逆に、燃焼圧が減少する際には、つば部２２ｂが燃焼室６側に変位することにより、センサ素子２１に作用する荷重が増大し、センサ素子２１が縮む。このように、センサ素子２１は、それに作用する荷重の増減に応じて伸縮することにより、燃焼圧の変化量を表す検出信号を出力し、この検出信号に基づき、制御装置において燃焼圧が算出される。

また、この燃焼圧検出装置１によれば、インジェクタシート２２は、インジェクタ９との間に間隙Ｇ１〜Ｇ４を存し、インジェクタ９からの荷重を遮断した状態で設けられており、センサ素子２１は、そのようにインジェクタ９からの荷重を遮断したインジェクタシート２２によって、シリンダヘッド４との間に固定されている。それにより、インジェクタ９の燃圧変動が生じても、それに起因する荷重の変動を確実に遮断でき、センサ素子２１には及ばない。その結果、検出信号から燃圧変動分を排除でき、出力される検出信号は、燃焼圧のみを反映したものになるので、燃焼圧の検出精度を向上させることができる。

また、インジェクタ９からの荷重の伝達が遮断されているので、例えばメンテナンスのためにインジェクタ９を着脱・交換したとしても、センサ素子２１の初期荷重を維持でき、したがって燃焼圧の検出精度を保つことができる。また、燃焼圧検出装置１は、既存の構成であるインジェクタ取付け孔を利用して設置されるので、全体としてコンパクトに構成することができ、エンジン２の既存の構成・レイアウトをほぼ変更することなく配置することができる。特に、センサ素子２１およびインジェクタプレート２４が軸線方向に並設されていることにより、インジェクタ取付け孔１０の軸線に直交する方向のサイズをコンパクトに構成することができる。

さらに、インジェクタプレート２４がインジェクタ９とシリンダヘッド４の間に狭持され、インジェクタプレート２４とインジェクタ９の間に他の構成部品が存在しないので、両者２４，９間の接触面積を大きく確保することができ、インジェクタ９を安定した状態でシリンダヘッド４に取り付けることができる。

図４は、本発明の第２実施形態による燃焼圧検出装置を模式的に示している。この検出装置３０は、第１実施形態の燃焼圧検出装置１と近似した構成を有しており、以下、共通する構成要素については同じ符号を付し、第１実施形態との相違点を中心として説明する。

第１実施形態のインジェクタシート２２では、つば部２２ｂは、上端から所定の距離だけ離れた位置に設けられているのに対し、本実施形態のインジェクタシート３１（センサ固定部材）では、つば部３１ｂは、インジェクタシート本体３１ａの上端に設けられており、シリンダヘッド４との間にセンサ素子２１を狭持している。

また、本実施形態のインジェクタプレート３２（スペーサ）もまた、リング状に形成されており、その外径は第１実施形態のものとほぼ同じである一方、内径は大きくなっている。それにより、インジェクタプレート３２の内側の空間が拡大されており、この空間にセンサ素子２１が収容されている。すなわち、インジェクタプレート３２は、センサ素子２１を取り囲むように配置されており、センサ素子２１との間には、間隙Ｇ５が形成されている。また、インジェクタプレート３２の軸線方向の厚さは、センサ素子２１およびつば部３１ｂの軸線方向の厚さの和よりも大きな値に設定されており、それにより、インジェクタ９とインジェクタシート３１の間に間隙Ｇ６が形成され、両者９，３１は互いに分離されている。したがって、この燃焼圧検出装置３０においても、燃焼圧の変動は、インジェクタシート３１を介してのみセンサ素子２１に伝達される。他の構成は、前述した第１実施形態の燃焼圧検出装置１と同様である。

以上のような燃焼圧検出装置３０によれば、第１実施形態の燃焼圧検出装置１と同様に、センサ素子２１とインジェクタ９の間の荷重の伝達が、間隙Ｇ５およびＧ６により遮断されることにより、インジェクタ９の燃圧変動の影響を受けることがないので、燃焼圧の検出精度を向上させることができる。また、センサ素子２１がインジェクタプレート３２の内部に収容されていることにより、燃焼圧検出装置３０を全体としてよりコンパクトで単純な構成とすることができる。

なお、本発明は、説明した上記実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、上述した第１および第２実施形態では、それぞれインジェクタプレート２４，３２によってインジェクタ９を支持しているが、これに限定されることなく、インジェクタからインジェクタシートへの荷重の伝達を遮断でき、且つインジェクタを安定した状態で支持できるならば、インジェクタプレートを省略し、他の適当な構成を用いることが可能である。さらに、本発明は、車両に搭載されたエンジンに限らず、クランク軸が鉛直方向に配置された船外機などのような船舶推進機用エンジンを含む、様々な産業用の内燃機関に適用できることはもちろんである。その他、本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜、変更することが可能である。

本発明の第１実施形態による燃焼圧検出装置およびインジェクタを取り付けた状態の内燃機関を示す部分断面図である。 図１の燃焼圧検出装置およびインジェクタ付近の部分拡大図である。 第１実施形態による燃焼圧検出装置を、インジェクタとともに模式的に示す図である。 第２実施形態による燃焼圧検出装置を、インジェクタとともに模式的に示す図である。

符号の説明

１ 燃焼圧検出装置
２ 内燃機関
４ シリンダヘッド
６ 燃焼室
９ インジェクタ
１０ インジェクタ取付け孔
１０ｃ センサ取付け凹部
２１ センサ素子
２２ インジェクタシート（センサ固定部材）
２４ インジェクタプレート（スペーサ）
３０ 燃焼圧検出装置
３１ インジェクタシート（センサ固定部材）
３２ インジェクタプレート（スペーサ）
Ｇ１〜Ｇ６ 間隙

Claims (3)

1. 燃料を噴射するためのインジェクタとともにシリンダヘッドのインジェクタ取付け孔に設けられ、内燃機関の燃焼室内の圧力を燃焼圧として検出するための燃焼圧検出装置であって、
   前記燃焼室に臨むとともに、前記インジェクタからの荷重を遮断した状態で、前記インジェクタ取付け孔に設けられたセンサ固定部材と、
   当該センサ固定部材によって前記シリンダヘッドとの間に固定され、前記センサ固定部材を介して伝達された荷重を燃焼圧として検出するセンサ素子と、
   を備えていることを特徴とする燃焼圧検出装置。
2. 前記センサ固定部材は、前記インジェクタとの間に間隙を存した状態で前記インジェクタ取付け孔に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧検出装置。
3. 前記センサ素子は、前記シリンダヘッドに形成されたセンサ取付け凹部に収容されており、
   前記インジェクタ取付け孔の軸線方向に前記センサ素子と並設されるとともに、前記インジェクタと前記シリンダヘッドとの間に狭持され、前記インジェクタを支持するスペーサをさらに備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃焼圧検出装置。
   

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