JP4386117B2 - 燃焼圧センサ付きグロープラグ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内の燃焼圧を検出する燃焼圧センサを備えた燃焼圧センサ付きグロープラグに関する。

内燃機関において、エンジンヘッドを室壁の一部として形成された燃焼室内の圧力を検出し、検出した圧力に基づいてエンジン制御を実行することにより、燃焼状態の最適化を図ることが知られている。

ここで、一般的な燃焼室内の圧力を検出するものとしては、エンジンを始動させるときに燃焼室内を予熱するグロープラグと燃焼圧センサとを一体化した燃焼圧センサ付きグロープラグが知られている。このような燃焼圧センサ付きグロープラグの従来例として、特許文献１に開示されるものを、図３に示す。なお、図３は、従来例の燃焼圧センサ付きグロープラグ３００をエンジンヘッド３０１に取り付けた状態を示す模式図である。以下では、説明の便宜上、図３において上方を基端側、下方を先端側と定義する。

先端側が燃焼室３０２内に突出する加熱ロッド３１の基端側には、金属製の電極である中軸３７が固定され、中軸３７と発熱部材とが電気的に接続される。中軸３７は、ハウジング３０の基端側から突出するとともに、Ｏリング３８を介して接触管３４に保持されている。

このような構成において、燃焼室３０２内の燃焼圧の変動により、加熱ロッド３１が基端側に変位するに伴って、加熱ロッド３１に固定された接触管３４も基端側に変位する。これにより、ハウジング３０を介してエンジンヘッド３０１に固定されたダイヤフラム３５において、接触管３４の基端側に固定された部分が、ハウジング３０に固定された部分に対して相対的に基端側に変位することになるため、ダイヤフラム３５に歪みが生じる。ダイヤフラム３５の基端側に配設された燃焼圧センサ３６は、この歪みに基づいて燃焼室内の圧力を検出する。
特開２００５−９０９５４号公報

さて、図３に示される従来例では、燃焼圧センサ３６が外気中に露出する構造となっている。このような構成では、燃焼圧センサ３６がエンジンヘッド３０１の基端側の外気の影響を直接受けることになるため、燃焼圧センサ３６による燃焼圧の検出精度低下を招く。詳しくは、燃焼圧の変動による微小な歪みに基づいて燃焼圧を検出する燃焼圧センサ３６において、外気に含まれる湿気により焦電が発生すると、該焦電に起因する変動が出力信号に生じて、燃焼圧の検出精度が低下することになる。

また、仮に特許文献１の従来例にて、燃焼圧センサ３６を気密に収容するパッケージ部材を設けたとしても、燃焼圧センサ３６を外気と遮断するためには、該パッケージ部材と金属製の中軸３７とを、例えば溶接によって気密に固定する必要がある。このとき、パッケージ部材と中軸３７とが固定されることにより、加熱ロッド３１および接触管３４が軸方向に変位することができず、燃焼圧センサ３６が燃焼圧を検出するのに必要な構造をとることができない。

そこで、パッケージ部材により中軸３７を、例えばＯリングを介して保持するようにしても、中軸３７が軸方向に変位したときに、Ｏリングと中軸３７との接触部分にて摺動抵抗による抗力が発生し、該抗力分だけ、加熱ロッド３１の変位が抑制されることになるため、燃焼圧センサ３６が燃焼圧を精度良く検出することができなくなる。加えて、Ｏリングでは、中軸３７との接触部分の磨耗が進むにつれて十分な気密を確保できなくなり、燃焼圧センサ３６に焦電が発生するおそれがある。

本発明は、上記問題点に鑑み、燃焼室内の圧力を精度良く検出する燃焼圧センサ付きグロープラグを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、プラグホールの一端側に位置する燃焼室内を昇温するための発熱部材と、発熱部材の外周側に固定される筒状部材と、筒状部材を軸方向に変位可能に外周側から保持するとともに、プラグホールに固定されるハウジングと、ハウジングと筒状部材とに固定されるダイヤフラムと、ダイヤフラムに取り付けられ、筒状部材の軸方向の変位によりダイヤフラムに生ずる歪みに基づいて燃焼室内の燃焼圧を検出する燃焼圧センサと、燃焼圧センサを気密に収容する閉空間をハウジングとともに形成する、挿通孔付きのカバーと、発熱部材に通電するために発熱部材に固定されて挿通孔に挿通されるとともに、挿通孔の内周面と気密に接合される、可撓性を有したリード線とを備え、リード線の外周面と筒状部材の内周面との間には隙間が設けられ、この隙間は、燃焼圧の変動に伴う発熱部材の軸方向の変位によりリード線が最も撓んだときにリード線の外周面と筒状部材の内周面とが接触しない程度の間隔を有するものである。

つまり、この発明は、発熱部材に通電するために発熱部材に固定される部材を、従来用いられていた金属製の中軸に代えて、可撓性を有するリード線とし、加えて、燃焼圧センサを気密に収容できる構造を有する燃焼圧センサ付きグロープラグである。

これにより、燃焼圧センサは、ハウジングとカバーとによって形成される閉空間に気密に収容されるため、燃焼圧センサにおける焦電の発生が防止され、燃焼圧が燃焼圧センサにて精度良く検出されることになる。

さらに、燃焼圧の変動により発熱部材が軸方向に変位しても、発熱部材に固定されたリード線は、自らの可撓性によって撓むため、リード線とカバーの挿通孔との接合部分において、発熱部材の微小変位を阻害する抗力の発生を抑制することができる。したがって、燃焼圧センサによる精度の良い燃焼圧検出を妨げることがないのである。
また、リード線の外周面と筒状部材の内周面との間に隙間を設けたから、燃焼圧センサ付きグロープラグに外部から加わる振動によって、リード線は自らの固有振動数で振動する。この固有振動によって、リード線が筒状部材の内周に接触すると、燃焼圧センサの出力信号にノイズが重畳し、燃焼圧の検出精度が損なわれてしまう。そこで、リード線と筒状部材とが接触することのないよう、リード線の外周面と筒状部材の内周面との間に隙間を設けることで、ノイズの発生を抑制することができる。
更に、燃焼圧の変動に伴う発熱部材の軸方向変位によりリード線が最も撓んだときにリード線の外周面と筒状部材の内周面とが接触しない程度の間隔を有する隙間を、設けたから、発熱部材の変位量が最大となる等して、リード線が最も撓んだときであっても、リード線の外周面が筒状部材の内周面に接触することがなくなる。その結果、燃焼圧センサの出力信号にノイズが重畳して、燃焼圧センサの検出精度が低下することが確実に防止される。

請求項２に記載の発明は、リード線の外周部に、絶縁材料によって形成され且つ可撓性を有する被覆層を設けたものである。

これにより、リード線の可撓性を損なうことなく、リード線の絶縁性を確保することができるため、燃焼圧センサにて燃焼圧を精度良く検出することができる。

請求項３に記載の発明は、燃焼圧センサを、圧電素子、またはストレインゲージで構成するものである。

これにより、燃焼圧の変動に伴う発熱部材の軸方向変位によって生じるダイヤフラムの歪みを精度良く検出することができる。

請求項４に記載の発明は、リード線の外周面と筒状部材の内周面との間の隙間に防振部材を設けたものである。

燃焼圧センサ付きグロープラグに加わる振動によってリード線に発生する固有振動の繰返しの結果、リード線が疲労し、断線するおそれがある。そこで、リード線の外周面と筒状部材の内周面との間の隙間に防振部材を設けることで、リード線の固有振動をダンピングすることが可能となる。また、この防振部材によって、リード線の外周面と筒状部材の内周面との接触が防止され、燃焼圧センサの出力信号にノイズが重畳することが防止される。

請求項５に記載の発明は、防振部材に弾性材料を用いたものである。防振部材に弾性材料を適用することで、固有振動数で振動する防振部材の振動が、筒状部材に伝達することを抑制することができる。

請求項６に記載の発明は、発熱部材にセラミックヒータを適用したものである。これにより、燃焼室内の急速な昇温が可能となり、尚且つ優れた通電耐久性を有する燃焼圧センサ付きグロープラグを実現することができる。

図１に示す本発明の一実施形態は、自動車のディーゼルエンジン等の内燃機関のエンジンヘッド１に取り付けられ、内燃機関の着火始動時には、燃焼室２内を昇温し、内燃機関の着火始動後は、燃焼室２内の圧力を検出し、燃焼状態をエンジン制御にフィードバックする燃焼圧センサ付きグロープラグ１００である。以下、燃焼圧センサ付きグロープラグ１００の基本構成について説明する。なお、以下では、説明の便宜上、図１において下方を先端側、上方を基端側と定義する。

（基本構成）
ハウジング１０は、ステンレス鋼等の金属材料からなり、その外形形状は、先端側の小径部１０ａと基端側の大径部１０ｂとで構成された略段付きの円筒状を成している。ハウジング１０は、小径部１０ａがエンジンヘッド１に設けられたプラグホール１ｂ側に位置し、大径部１０ｂがエンジンヘッド１の外部に位置するように、配置されている。ハウジング１０は、小径部１０ａに設けられた取付ネジ部１０ｃによって、プラグホール１ｂのネジ孔にネジ結合によって取り付けられている。これによりハウジング１０は、小径部１０ａが先端側からエンジンヘッド１の絞り部１ａに係止された状態で、固定されている。大径部１０ｂには、ハウジング１０の基端側開口を覆蓋するようにして金属製のカバー１９が接合されている。

燃焼圧を直接受圧する発熱部材１１は、セラミック成形体内に抵抗発熱体を埋設した、いわゆるセラミックヒータである。この発熱部材１１の先端側を除く部分の外周面には、ロウ付け等によって、発熱部材１１を固定する円筒状の固定スリーブ１２が設けられている。なお、固定スリーブ１２は、ステンレス鋼等の金属材料よりなる。

導線１７ａの外周側に絶縁材料よりなる被覆層１７ｂが設けられたリード線１７の一端は、発熱部材１１内の抵抗発熱体の基端側に導電部材（図示せず）を介して、加締め等により固定されており、該導線１７ａを通じて発熱部材１１に通電可能となっている。また、リード線１７の他端側は、カバー１９の中央に設けられた挿通孔１１９に挿通されているとともに、カバー１９の基端側端面から突出して外部電源（図示せず）に接続されている。

円環状をなす封止部材１３の外周面は、ハウジング１０に対して全周溶接によって固定される一方、封止部材１３の内周面は、固定スリーブ１２に対して全周溶接によって固定される。また、封止部材１３はバネ定数の小さい金属材料よりなり、該封止部材１３を介して外周側からハウジング１０に保持される固定スリーブ１２が、燃焼圧を直接受圧する発熱部材１１の軸方向の変位に同調することを妨げない。

つまり、発熱部材１１および固定スリーブ１２が軸方向の基端側に変位する際には、封止部材１３もこの変位に同調して軸方向の基端側に変位するので、ハウジング１０に保持された発熱部材１１および固定スリーブ１２であっても、燃焼圧に応じて軸方向の基端側へと変位することができるのである。また、封止部材１３により、燃焼室２内のガスがハウジング１０の基端側からハウジング１０内に流入することも防止できる。

固定スリーブ１２の基端側端面には、ステンレス鋼等の金属材料からなり且つ固定スリーブ１２と内径および外径が略同一である円筒状の伝達スリーブ１４の先端側端面が、溶接によって固定されている。なお、固定スリーブ１２および伝達スリーブ１４が請求項記載の筒状部材に相当する。

ダイヤフラム１５は、外周側に位置する円筒状の外筒部１５ａと、内周側に位置する円筒状の内筒部１５ｂと、それら両者１５ａ，１５bを径方向に橋絡する円環板状の橋絡部１５ｃとを一体に有している。外筒部１５ａは、ハウジング１０の大径部１０ｂの内周面に当接して固定され、内筒部１５ｂの一端は、伝達スリーブ１４の基端側端面に溶接等によって固定されている。また、ダイヤフラム１５において、橋絡部１５ｃは、外筒部１５ａおよび内筒部１５ｂに比べて肉厚が薄くなっている。ここで、ダイヤフラム１５も、固定スリーブ１２および伝達スリーブ１４と同様に、ステンレス鋼等の金属材料よりなる。

以下、燃焼室２内の爆発により発生する燃焼圧の伝達順序および該燃焼圧の検出原理を踏まえて、本実施形態の構成を述べる。

燃焼室２内で燃焼圧が発生したとき、発熱部材１１および固定スリーブ１２が軸方向の基端側へ変位するのに伴って、固定スリーブ１２に接合された伝達スリーブ１４も軸方向の基端側（図１中の矢印方向）へと変位する。

ダイヤフラム１５は、ハウジング１０を介して、実質的にエンジンヘッド１に固定されており、伝達スリーブ１４の変位がダイヤフラム１５に伝わったときに、外筒部１５ａに対して、内筒部１５ｂが相対的に基端側に変位し、その結果、橋絡部１５ｃに歪みが発生する。

そして、橋絡部１５ｃの基端側端面に同軸上に接合された環状の圧電素子１６では、橋絡部１５ｃの歪みによって、圧電素子１６自身の圧電特性に応じた発生電荷が変化する。この圧電素子１６の発生電荷を電圧信号に変換し、増幅させて車載ＥＣＵ（図示せず）に出力することによって、燃焼圧を燃焼制御に帰還する。ここで圧電素子１６は、請求項記載の燃焼圧センサに相当する。圧電素子１６は、ピエゾ、または水晶振動子等の歪み検出素子よりなる。

なお、本実施形態においては、圧電素子１６の代わりにストレインゲージを用いるとともに、ストレインゲージの歪み特性から燃焼圧を検出する構成としてもよい。また、圧電素子１６は、円盤状の橋絡部１５ｃの歪みを、偏りなく平均的に検出することができれば、例えば、環状の圧電素子１６を配設する代わりに、橋絡部１５ｃの基端側端面に圧電素子１６を複数、橋絡部１５ｃの周方向に等間隔で配設するようにしてもよい。

以上、燃焼圧センサ付きグロープラグ１００の基本構成について説明した。以下、燃焼圧センサ付きグロープラグ１００の特徴的構成について言及する。

（第１の特徴的構成）
図１に示すようにカバー１９は、圧電素子１６およびダイヤフラム１５を気密に収容する閉空間を、ハウジング１０とともに形成している。本実施形態のカバー１９としては、その大半部分が金属製であり且つ一部に絶縁層を有する、例えばハーメチックシールを用いている。

カバー１９において、その中央に設けられた挿通孔１１９の内周面はステンレス鋼等の金属層１１９ａで構成され、その外周側にガラス等の絶縁層１１９ｂ、そのさらに外周側にステンレス鋼等の金属層１１９ｃが設けられている。リード線１７において、外周部をなす被覆層１７ｂの一部が剥がされて剥き出しとなった導線１７ａの外周側には、ステンレス鋼等よりなるターミナル部１７ｃが加締め等によって固定されており、該ターミナル部１７ｃの固定部分が挿通孔１１９に挿通されている。そして、このターミナル部１７ｃの外周面と、挿通孔１１９の内周面を構成する金属層１１９ａとが、全周溶接によって気密に接合されている。なお、ターミナル部１７ｃと挿通孔１１９との溶接は、アーク溶接、抵抗溶接等によって行うことが好ましい。

このような構成により、圧電素子１６の収容される閉空間にカバー１９周囲の外気が、挿通孔１１９を通って侵入することが防止される。また、絶縁層１１９ｂが存在していることにより、リード線１７の導線１７ａがカバー１９を介してハウジング１０等のアースに短絡することが防止される。

以上説明したカバー１９によれば、圧電素子１６が外気に含まれる湿気に触れることはなく、焦電の発生が防止されるため、圧電素子１６は、ダイヤフラム１５の歪みに基づく燃焼圧を精度良く検出することができる。

なお、カバー１９はハーメチックシールに限らず、挿通孔１１９および絶縁層１１９ｂを有し、上記と同様の効果が得られるものであれば、形状等に制限はない。例えば、ハウジング１０と一体に成形し、一部に絶縁層１１９ｂを設けて、圧電素子１６を気密に収容してもよい。

（第２の特徴的構成）
リード線１７は、燃焼圧の変動による発熱部材１１の変位を吸収するのに足る可撓性を、全体として有することが必要である。そこで、本実施形態のリード線１７としては、銅合金からなる導線１７ａを、フッ素樹脂よりなる被覆層１７ｂで被覆したものを用いている。

上述したようにリード線１７は、発熱部材１１およびカバー１９に固定されている。故に、燃焼圧の変動による発熱部材１１の軸方向変位に伴って、発熱部材１１の基端側端面とカバー１９の先端側端面との間のリード線１７も、発熱部材１１と同程度変位しようとする。しかし、リード線１７は、それ自身が撓むことによって発熱部材１１の変位分を吸収することができるため、リード線１７とカバー１９との接合部分には、発熱部材１１の変位を阻害するような抗力が生じない。

よって、燃焼室２内で発生した燃焼圧による発熱部材１１の変位分は全て、固定スリーブ１２および伝達スリーブ１４を介して、ダイヤフラム１５の歪みとなって現れる。つまり、燃焼圧に対応した歪みがダイヤフラム１５に生じるため、圧電素子１６が発生する出力信号も、燃焼圧に対応した精度の良いものとなるのである。

なお、リード線１７の形成材料は、可撓性と耐熱性に優れた材料であれば、材質等に特に制限はない。また、リード線１７の導線１７ａは単線で構成してもよいが、可撓性という点では、複数の細い銅線を縒ってなる縒り線で構成することが好ましい。

（第３の特徴的構成）
燃焼圧センサ付きグロープラグ１００をプラグホール１ｂに取り付けた際に、外部から加わる振動によって、リード線１７は、発熱部材１１とカバー１９との固定部分をそれぞれ固定端として、固有振動数で振動する。この振動が繰り返されることにより、リード線１７の導線１７ａが疲労し、断線するおそれがある。

そこで、リード線１７の外周面と伝達スリーブ１４の内周面との間に設けられた隙間２０に、フッ素ゴム等の弾性材料よりなる円筒状の防振部材１８を軸方向に３つ並べて同軸上に設けた。ここで特に本実施形態では、各防振部材１８の外周面が伝達スリーブ１４の内周面に固定されていると共に、各防振部材１８の内周面とリード線１７の外周面との間に空間部２０ａが形成されており、それによってリード線１７の撓みが阻害されないようになっている。なお、各防振部材１８の内周面をリード線１７の外周面に固定し、各防振部材１８の外周面と伝達スリーブ１４の内周面との間に空間部２０ａを形成するようにしてもよい。

このような構成によると、撓んだリード線１７が防振部材１８に接触することにより該リード線１７の固有振動がダンピングされるため、導線１７ａの断線が抑制されることになる。また、防振部材１８によると、リード線１７が固有振動し、該リード線１７の外周面が伝達スリーブ１４の内周面に接触することが抑制される。したがって、リード線１７の外周面と伝達スリーブ１４の内周面との接触によって発生するノイズが圧電素子１６の出力信号に重畳し、ＳＮ比が低下することを抑制できるのみならず、リード線１７の固有振動が伝達スリーブ１４に伝達される事態も抑制できるのである。

なお、各防振部材１８の配設位置については、リード線１７の固有振動時に、振幅が最大となる腹の部分に対応させることが好ましい。また、リード線１７が径方向に最も撓んだ際に、リード線１７の外周面が伝達スリーブ１４の内周面に接触することのないよう、隙間２０の径方向間隔を十分に大きく、例えば０．１ｍｍ以上に設定することが好ましい。

（他の実施形態）
上記の実施形態では、発熱部材１１としてセラミックヒータを用いたが、発熱コイルを内包した金属筒状体のヒータを用いてもよい。

上記実施形態において防振部材１８の形状は、筒状であったが、環状でもあってもよい。また、設ける防振部材１８の個数に制限はない。さらに防振部材１８は、図２に示すように、リード線１７と伝達スリーブ１４との間の隙間２０を液状封止材、例えば、シリコンゴム等よりなるポッティング材やシリコンゲル等で満たすことにより構成しても、上記と同等の効果が得られる。このとき、これら液体樹脂のヤング率は十分に小さく、リード線１７の撓みを阻害しない。さらにまた、リード線１７の外周面と伝達スリーブ１４の内周面との間に距離が例えば０．１ｍｍ以上確保されるのであれば、防振部材１８を用いなくてもよい。

また、上記実施形態では、空間部２０ａを設けたが、リード線１７が、防振部材１８のヤング率が小さく、リード線１７の撓みが阻害されないのであれば、空間部２０ａ不要の構造、つまり、防振部材１８が、リード線１７と伝達スリーブ１４との両方に当接する構造としてもよい。

以上の他、請求項に規定する範囲内であれば、燃焼圧センサ付きグロープラグ１００の構造は、適宜変更可能である。

本発明の一実施形態による燃焼圧センサ付きグロープラグを模式的に示す縦断面図である。 図１の変形例を示す縦断面図である。 従来の燃焼圧センサ付きグロープラグを示す縦断面図である。

符号の説明

１…エンジンヘッド
１ａ…絞り部
１ｂ…プラグホール
２…燃焼室
１０…ハウジング
１０ａ…小径部
１０ｂ…大径部
１０ｃ…取付ネジ部
１１…発熱部材
１２…固定スリーブ（筒状部材）
１３…封止部材
１４…伝達スリーブ（筒状部材）
１５…ダイヤフラム
１５ａ…外筒部
１５ｂ…内筒部
１５ｃ…橋絡部
１６…圧電素子（燃焼圧センサ）
１７…リード線
１７ａ…導線
１７ｂ…被覆層
１７ｃ…ターミナル部
１８…防振部材
１９…カバー
２０…隙間
２０ａ…空間部
１１９…挿通孔
１１９ａ、１１９ｃ…金属層
１１９ｂ…絶縁層
１００…燃焼圧センサ付きグロープラグ

Claims (6)

1. プラグホールの一端側に位置する燃焼室内を昇温するための発熱部材と、
   前記発熱部材の外周側に固定される筒状部材と、
   前記筒状部材を軸方向に変位可能に外周側から保持するとともに、前記プラグホールに固定されるハウジングと、
   前記ハウジングと前記筒状部材とに固定されるダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムに取り付けられ、前記筒状部材の軸方向の変位により前記ダイヤフラムに生ずる歪みに基づいて前記燃焼室内の燃焼圧を検出する燃焼圧センサと、
   前記燃焼圧センサを気密に収容する閉空間を前記ハウジングとともに形成する、挿通孔付きのカバーと、
   前記発熱部材に通電するために前記発熱部材に固定されて前記挿通孔に挿通されるとともに、前記挿通孔の内周面と気密に接合される、可撓性を有したリード線とを備え、
   前記リード線の外周面と前記筒状部材の内周面との間には隙間が設けられ、
   前記隙間は、燃焼圧の変動に伴う前記発熱部材の軸方向の変位により前記リード線が最も撓んだときに前記リード線の外周面と前記筒状部材の内周面とが接触しない程度の間隔を有することを特徴とする燃焼圧センサ付きグロープラグ。
2. 前記リード線は、絶縁材料によって形成され且つ可撓性を有する被覆層を外周部に有することを特徴とする請求項１記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
3. 前記燃焼圧センサは、圧電素子、またはストレインゲージから構成されることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
4. 前記隙間に、防振部材が設けられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
5. 前記防振部材は、弾性材料よりなることを特徴とする請求項４に記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。
6. 前記発熱部材は、セラミックヒータであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の燃焼圧センサ付きグロープラグ。

Images