JP4741594B2 - 内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための装置 - Google Patents

Description

自己点火式内燃機関の最適な運転特性（燃料消費及び排出ガス量が少なく、しかも内燃機関の高い出力を特徴とする）を保証するために、費用のかかるエンジン制御を必要とする。このようなエンジン制御のためには、内燃機関の運転中に種々異なる運転パラメータを検出する必要がある。このような運転パラメータのうちの１つは、内燃機関の燃焼室内の圧力である。

従来技術
内燃機関の燃焼室内の圧力を測定するために、ドイツ連邦共和国特許第１００３５５３６号明細書によれば、外部点火式内燃機関で使用するための、内部に圧力センサが収容（受容）されている点火プラグが公知である。この場合、圧力センサは点火プラグのケーシング内に収容されている。この点火プラグは、点火プラグの燃焼室に向いた側で点火ユニットの隣に圧力センサが配置されるように、構成されている。しかしながらこのような配置では、圧力センサを備えていない点火プラグと比較して横断面が拡大されている、という欠点を有している。複数バルブを有するエンジンにおいては、シリンダヘッド内の非常に狭い限定されたスペースに基づいて、大きい横断面を有する構成部分を使用することはできない。

ケーシング内の機能ユニットの上側にセンサが設けられている装置は、例えばドイツ連邦共和国特許第１０２０５８１９号明細書により公知である。この公知の装置においては、燃焼室内の圧力は機能ユニットに作用する。この機能ユニットは、圧力をセンサに送信する。センサ信号は、装置の外に配置された評価回路に送信される。このような装置は、一般的にセンサによって発信された信号と同様に、センサ信号が弱いので妨害を受けやすく、従って間違った測定値を発信することがある。

機能ユニットが、自己点火式内燃機関のための点火プラグのグローピンである、比較可能な装置は、ドイツ連邦共和国特許第１９６８０９１２号明細書により公知である。この公知の装置においては、圧力センサが、グローピンとグロープラグの固定部材との間に受容されている。加熱エレメントに圧力負荷が作用すると、圧力センサは固定部材によってその位置で保持され、それによって圧力が測定されるようになっている。

このようにして測定されたデータは、グロープラグの外側に位置決めされた評価ユニッチに伝達される。このことから、圧力センサから伝達される信号が弱められ、従って妨害を受けやすくなる。評価ユニットをグロープラグの外に設けることによる、さらに別の欠点は、後部の領域の構造寸法が大きくなるという点にある。このために必要な構造スペースは、複数バルブエンジンにおいては多くの場合、提供されていない。

圧力センサがグロープラグを包囲し、シリンダの外壁に載っている装置は、ヨーロッパ発明特許第１１３４３８５号明細書に開示されている。この場合、燃焼室内の圧力は、燃焼室壁に歪みによって規定される。しかしながら、シリンダ壁の歪みを介して、圧力を間接的に測定することに基づいて、センサは、エンジン制御によって測定値検出の精度に課せられる要求を満たすことはできない。

発明の説明
自己点火式内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための本発明の装置によれば、グロープラグ内に受容された圧力センサと、グローピンと、ケーシング内に配置された固定部材とを有している形式のものにおいて、前記圧力センサ内に評価回路が組み込まれており、燃焼室とは反対側で前記グローピンを支えるダイヤフラムがケーシング内に設けられており、前記グロープラグのケーシングが、グローピンとは反対側において前記ダイヤフラムの後ろで下部ケーシングと上部ケーシングとに分割されており、前記下部ケーシングにダイヤフラムが堅固に結合されており、前記グローピンが前記下部ケーシング内に挿入されていて、付加部で以て前記ダイヤフラムに支えられており、前記圧力センサが、前記ダイヤフラムの、前記グローピンとは反対側の、ダイヤフラムの端部に取り付けられていて、グローピンに圧力が作用すると、この圧力がグローピンの前記付加部を介してダイヤフラムに伝達され、ひいては圧力センサによって測定されるようになっており、またケーシングが開放された状態で圧力センサにアクセス可能となっていることを特徴としている。

有利な実施例によれば、圧力センサは圧電抵抗式のシリコン圧力センサチップである。この測定チップの利点は、製造コストが安価であって、精度が比較的大きいという点にある。従って測定チップのエラーは、耐用年数に亘って全部で１％よりも小さい。

この圧力センサは、グロープラグの、グローピンとは反対側でケーシング内に組み込まれている。グロープラグの、グローピンとは反対側に圧力センサを配置した場合、グローピンはダイヤフラムに支えられており、このダイヤフラムはケーシングに堅固に結合されている。この場合、ダイヤフラムとケーシングとの結合は、例えば環状の溶接継ぎ目によって得られる。ダイヤフラムの後ろ側に圧力センサチップが設けられていて、この場合、グローピンから伝達されたガス力によって変形されるダイヤフラムの変形を測定する。組み付けのために、グローピンは有利には、ダイヤフラムと共にケーシング内に嵌め込まれ、次いで、シールするために必要なプリリード力が加えられ、次いでダイヤフラムがケーシングに結合される。このような形式で、プリロード力は維持され、しかもセンサの測定エラーが生じることはない。何故ならば、センサはダイヤフラムの組み付け後にダイヤフラムに取り付けられるからである。圧力センサを取り付けた後でセンサは調整される。

センサの接触は、ボンディングによってコンタクトパッドに、及びこのコンパクトパッドから４つの接点を介して、導体路が挿入されているプラスチック部分に、またプラグに対して行われる。挿入された導体路を有するプラスチック部分は、例えば固定部材である。

グローピンを加熱するためのグロー電流は、例えばプラスチック部分及び接点エレメントを通ってガイドされているリード線によって行われる。この接点エレメントはケーシングに対して絶縁されていて、グローピンに対して導電性である。

本発明によれば、ブロープラグのケーシングは圧力センサの後ろで分割されていて、ケーシングが開放された時に圧力センサにアクセスし易くなっている。ケーシングを分割することによって、圧力センサの組み付け及び、圧力センサの調整は簡単に行われる。

グローピンとケーシングとの間に収容されたシールエレメントは、例えば、グラファイトスリーブである。シール性を保証するために、組み付け時にグラファイトスリーブ及びグローピンがケーシング内に挿入され、次いでグローピンが、約１０００Ｎのプリロード力でグラファイトスリーブに押し付けられる。

有利な実施例では、グローピンとケーシングとの間に挿入されたシールエレメントは弾性的である。弾性的なシールエレメントを使用することによって、ヒステリシスを生ぜしめ、ひいては圧力測定時に調整不能なエラーを生ぜしめる、グローピンとケーシングとの間の摩擦は避けられる。圧力センサの全変位の数パーセントだけのヒステリシスでも既に、センサ信号は、得ようとするエンジン機能を制御するために使用できないものとなる。弾性的なシールエレメントの別の利点は、特性が耐用年数に亘って維持される、という点にある。何故ならば弾性に基づく摩耗作用又はスランプ作用が避けられるからである。このような理由により、シールエレメントの耐用年数作用例えば劣化に基づくセンサドリフトが生じることはない。

適当なシールエレメントは、例えば弾性的な金属リングである。この金属リングはグローピンに被せはめられ、グローピンと共に組み付けのためにケーシング内に嵌め込まれる。次いで、シール性を保証するために、グローピンにプリロード力が加えられる。弾性的な金属リングのために特に適した材料は、例えば銅等の柔軟な延性の金属である。

シールエレメントとして使用される弾性的な金属リングは、例えば、円形の中実な横断面を有しているか、又は中空横断面を有しているか、又は内方或いは外方に開放するＣ字形プロフィールをとして構成されているか、又は皿ばねとして構成されていてよい。弾性的な金属リングは、当業者に公知の別の横断面を有していてもよい。

以下に図面を用いて本発明を詳しく説明する。

図１は、参考例による、内部に圧力センサが収容（受容）されているグロープラグ、
図２は、本発明による、内部に圧力センサが収容されているグロープラグ、
図３は、内部に圧力センサ及び弾性的なシールエレメントが収容されているグロープラグ、
図４．１、図４．２、図４．３、図４．４、図４．５は、弾性的なシールエレメントの種々異なる実施例を示す。

自己点火式内燃機関において、始動のために必要な温度を得るために、電気的に加熱可能なグローピン２を備えたグロープラグ１が用いられる。グロープラグ２は、例えば種々異なる電気的な特性を有する、耐腐食性及び耐燃料ガス性の２種類のセラミック材料より製造されている。第１のセラミック材料は、電気的に絶縁されていて、中間層を形成している。第２のセラミック材料は、低い電気抵抗を有していて、中央の層をＵ字形に包囲している。この場合、Ｕ字形のセラミック層の脚はグロープラグの軸方向に延在している。加熱するために、電流が導電性のセラミック材料によって伝導される。この場合、電流は、Ｕ字形のセラミック材料の第１の脚に沿って流れ、グロープラグの先端を巡り、第２の脚に沿って再び戻る。２つ脚が互いに結合されているグロープラグの先端における、Ｕ字形のセラミック材料の厚さは、横断面が小さいことに基づいて発生した電気抵抗によって、電流が流れるとグロープラグの先端が熱せられる程度に僅かである。

グローピン２はケーシング４内に受容されている。燃焼室内に高い圧力が発生した場合でもグロープラグにおける非気密な箇所を介して燃料・空気混合気が周囲に達することがないように、ケーシング４とグローピン２との間にシールエレメント３が配置されている。図１に示した参考例では、シールエレメント３はグラファイトスリーブである。ケーシング４とグローピン２との間にシールエレメント３が押し込まれると、グローピン２とケーシング４との間の気密な結合が得られる。このために、グローピン２に段状の拡張部５が形成されている。この段状の拡張部５は、例えばグローピン自体によって又は、グローピン２に結合された部材例えばグローピン２を包囲する金属スリーブによって形成される。段状の拡張部５の端面側６は、シールエレメント３の端面側７に当接している。シールエレメント３は第２の端面側８で以て、ケーシング４内の当接面９に押し付けられる。段状の拡張部５の第２の端面側１０に、グロープラグ２のグロー先端１１に向かって力が作用すると直ちに、ストッパ面９と段状の拡張部の第１の端面側６との間のシールエレメント３が押し付けられる。これによって、グローピン２とケーシング４との間の室はシールされる。

グローピン２をシールエレメント３に対して押し付けるプリロード力（予備荷重）は、有利には約１０００Ｎである。

グロー先端１１とは反対側で、グローピン２の段状の拡張部に続いて中間リング１４が設けられており、この中間リング１４を介してグローピン２に、加熱するために必要な電流が供給される。

電流は、プラグ１４からリード線１６を介して中間リング１４に供給される。リード線１６は、固定部材１７を貫通して延在している。固定部材１７は、有利な形式で金属挿入体が挿入されているプラスチック部分として構成されており、この場合、金属挿入体は、グローピン２に電流を供給するために、及び圧力センサ１８の測定信号を伝達するために用いられる。

図１に示した参考例では、圧力センサ１８は燃焼室に向いた側に組み付けられている。このために圧力センサ１８は支持体１９に取り付けられている。支持体１９は、グローピン１を組み付ける際にケーシング４に堅固に結合される金属又はセラミック支持体である。

グローピン２は、燃焼室とは反対側で半球状のピン２０によって閉鎖されている。ピン２０は、非作業状態において既に、規定された一定の力で圧力センサ１８を押し付けている。

圧力センサ１８の測定値は、有利な形式で同様にプラスチック部分として構成された固定部材１７内に金属挿入体として受容されているデータライン２１を介してプラグ１５に伝達される。プラグ１５によって測定値が取り出される。

圧力センサ１８からデータライン２１への測定値の伝達は、有利な形式で支持体１９を通る貫流接続によって行われる。支持体１９が金属より成っていれば、貫流接続は有利な形式でガラス引き込み線によって実現される。セラミックより成る支持体１９において、有利には金属製の導体（例えば標準ハイブリッド）が支持体１９内に挿入されている。

振動及び衝撃の際にプラグ１５が不意に外れるのを阻止するために、プラグ１５に溝２２が形成されている。この溝２２内に、有利には弾性的な材料より成るシールリング３３例えばＯリングが嵌め込まれる。溝２２の位置において、ケーシング４内に狭窄部２４が形成されている。この狭窄部２４は、溝２２に係合し、それによってプラグ１５をケーシング４に堅固に固定する。

自己点火式内燃機関の図示していない燃焼室内の圧力が高くなると、グローピン２に圧力が作用する。グロープラグ１は、燃焼室壁に堅固に結合されている。グロープラグ１と燃焼室壁との結合は、有利な形式でねじ込みによって摩擦接続式に行われる。グローピン２に圧力が作用することによって、グローピン２はプラグ１５に向かって押し付けられる。これによって、ピン２０から圧力センサ１８に作用する力が増大する。この力は、燃焼室内の圧力に比例し、圧力センサ１８によって検出される。

データラインに誘導された外部電流、例えば不都合な磁界又はオーバーラップ周波数によって測定エラーが発生するのを避けるために、圧力センサ１８内に評価ユニットが組み込まれている。この評価ユニット内で同時に信号が増幅され、それによって圧力センサ１８から、既に増幅された信号がプラグ１５に伝達される。この増幅された信号は、増幅されていない信号よりも妨害を受けにくい。

圧力センサ１８は、例えば圧電抵抗式のシリコン圧力センサチップである。このような本来的に低圧範囲のために構成された圧力センサチップは、高圧範囲にも使用することができる。有利な形式で、圧電抵抗式のシリコン圧力センサチップは安価に製造することができ、全体的なエラー発生率は耐用年数に亘って１％よりも低い。圧電抵抗式のシリコン圧力センサチップにおいて評価回路は測定チップに既に組み込まれている。従って、評価回路を有する付加的な回路支持体が省かれることによってセンサ構造は簡略化され、グロープラグ１の後ろの領域の構造的寸法は減少される。

参考例では、グロープラグ１のケーシング４は、プラグ１５に向いた側の支持体１９のすぐ後ろで、下部ケーシング２５と上部ケーシング２６とに分割されている。分割部は符号２７で示されている。この分割部２７で、下部ケーシング２５と上部ケーシング２６とは、摩擦結合（摩擦による束縛）又は素材結合（素材同士の結合）によって互いに結合されている。参考例では、この結合は溶接によって素材結合式に行われる。

図２には本発明によるグロープラグが示されている。

図２に示した本発明の実施例では、圧力センサ１８は、グロープラグ１の、グローピン２とは反対側でグロープラグ１に組み込まれている。この実施例においても、ケーシング４は上部ケーシング２５と下部ケーシング２６とに分割されている。組み付ける際に、まずグローピン２がシールエレメント３と一緒に下部ケーシング２５内に挿入される。有利には約１０００Ｎのプリロード力によって、シールリング３が、下部ケーシング２５とグローピン２の段状の拡張部５との間に押し込まれる。このような形式で、気密で圧力に対してシールされた結合が得られる。グロープラグ１の、燃焼室とは反対側でグローピン２に、図１に示した参考例と同様にピン２０が形成されている。グローピン２の電流供給は、図２に示した本発明の実施例でも中間リング１４及びリード線１６を介して行われる。

図２に示した本発明の実施例では、前記図１に示した参考例とは異なり、ダイヤフラム２８が下部ケーシング２５内に設けられていて、このダイヤフラム２８に対してグローピン２が付加部２０で支えられている。ダイヤフラム２８は下部ケーシング２５に堅固に結合されている。この結合は有利な形式で、例えば溶接によって素材結合式に行われる。ダイヤフラム２８を組み付けた後で、グローピン２とは反対側の、ダイヤフラム２８の側に圧力センサ１８が取り付けられる。グローピン２に圧力が作用すると直ちに、このグローピン２は下部ケーシング２５内に移動し、そのピン２０で以てダイヤフラム２８に力を作用させる。これによってダイヤフラム２８は変形する。この変形は圧力センサ１９によって測定される。圧力センサには前もって評価回路が組み込まれている。このような形式で、増幅された信号がグロープラグ１から伝達され、伝達された測定値の妨害は減少される。

圧力センサ１８を燃焼室側に設けるのに対して、圧力センサ１８を燃焼室とは反対側に設ける場合、圧力センサ１８はダイヤフラム２８を組み付けた後で設けられる、という利点がある。これによって、プリロード力は維持され、しかもこのプリロード力が圧力センサ１８に作用することはない。圧力センサ１８を設けた後で圧力センサは調整される。

圧力センサ１８の接触は、例えばコンタクトパッドに対してボンディングによって行われ、またこのコンタクトパッドからばね接点によって、金属路が挿入されているプラスチック部分として構成された固定部材１７に対して行われる。固定部材１７内に挿入された金属路を介してセンサ信号がプラグ１５に伝達される。プラグ１５を受容するために、図示の実施例では、上部ケーシング２６に切欠２９が形成されている。

グローピン２に電流を伝達するために、中間リング１４は有利な形式で下部ケーシング２５に対して絶縁されていて、グローピン２に対して導電接続されている。

図３には、第３実施例によるグロープラグの下部が概略的に示されている。

図３に示した実施例は、図１及び図２に示した実施例に対して、シールエレメント３の幾何学形状が異なっている。このように幾何学的形状が変えられたシールエレメント３は、圧力センサ１８の燃焼室に向いた側にも、また燃焼室とは反対側にも組み付けることができる。

燃焼室内の圧力を測定するために、グローピン２は圧力センサ１８に向かって移動する。これによって、グローピン２と下部ケーシング２５との間の相対運動が行われる。この運動に基づいて、シールエレメント３として使用されたグラファイトスリーブに摩擦作用が生じ、この摩擦作用は、圧力測定の際にヒステリシスを生ぜしめ、ひいては圧力信号を使用できなくする。

ヒステリシスに基づいてセンサ信号が使用できなくなるのを避けるために、図３に示した実施例に応じて、弾性的なシールエレメント３１が使用される。弾性的なシールエレメント３１は例えば弾性的な金属リングである。グローピン２に弾性的なシールエレメント３１を取り付けることは、シールエレメント３としてのグラファイトスリーブを取り付けるのと同様に行われる。取り付けの際に、下部ケーシング２５とグローピン２との間に３０ｍｍのギャップが形成される。このギャップ３０を介して、燃焼室から燃焼ガスがグロープラグ１に達する。弾性的なシールエレメント３１によるグロープラグ１の内室のシールは、下部ケーシング２５における当接面９、及び段状の拡張部５の端面側６を介して行われる。この端面側６で弾性的なシールエレメント３１が支えられる。グローピン２にプリロード力を作用させることによって、気密で圧力に対してシールされた結合が得られる。

図４．１及び図４．２には、弾性的なシールエレメント３１の種々異なる実施例が示されている。

図４．１に示した実施例では、弾性的なシールエレメント３１が円形の中実な横断面を有している。シールエレメント３１の弾性作用は、弾性的なシールエレメント３１が製造されている材料の弾性に基づいている。弾性的な材料として、有利には、燃焼室から発生する圧力に耐えられる金属が適している。これに適した金属は、ケーシング材料よりも柔軟な金属である。ケーシング４は、有利な形式で鋼より製造されている。シールエレメント３１のための適した材料は、例えば銅又は黄銅である。

図４．２は、中空横断面を有する弾性的なシールエレメント３１を示している。図４．１に示した実施例とは異なり、弾性的なシールエレメント３１の横断面は中実ではない。中空横断面に基づいて、弾性的なシールエレメント３１は、中実な横断面を有する弾性的なシールエレメントよりも大きく変形する。

図４．３及び図４．４では、弾性的なシールエレメント３１はＣ字形プロフィールを有している。図４．３に示した実施例では、Ｃ字形プロフィールは内方に向かって開放していて、図４．４に示した実施例では、Ｃ字形プロフィールは外方に向かって開放している。中空横断面を有する弾性的なシールエレメント３１におけるのと同様に、Ｃ字形プロフィールを有する弾性的なシールエレメント３１においても、中空横断面を有する弾性的なシールエレメント３１におけるよりもより大きく弾性変形する。

図４．５に示した実施例では、弾性的なシールエレメント３１は皿ばねとして構成されている。皿ばねとして構成された弾性的なシールエレメント３１を組み付ける際に、プリロードは、弾性的なシールエレメント３１が面３２及び３３で以て当接面９に、及び段状の拡張部５の端面側６に当接する程度に大きく選定されているのではなく、縁部３４及び３５だけで当接する程度に選定されている。

参考例による、内部に圧力センサが収容（受容）されているグロープラグを示す部分断面図である。 本発明による、内部に圧力センサが収容されているグロープラグを示す部分断面図である。 内部に圧力センサ及び弾性的なシールエレメントが収容されているグロープラグの部分断面図である。 図４．１、図４．２、図４．３、図４．４、図４．５は、それぞれ、弾性的なシールエレメントの種々異なる実施例を示す断面図である。

符号の説明

１ グロープラグ
２ グローピン
３ シールエレメント
４ ケーシング
５ 段状の拡張部
６ 段状の拡張部５の端面側
７ シールエレメント３の端面側
８ シールエレメント３の第２の端面側
９ 当接面
１０ 段状の拡張部５の端面側
１１ グロー先端
１２ シールエレメント３の外周面
１３ シールエレメント３の内周面
１４ 中間リング
１５ プラグ
１６ リード線
１７ 固定部材
１８ 圧力センサ
１９ 支持体
２０ ピン
２１ データライン
２２ コネクタ１５の溝
２３ シールリング
２４ 狭窄部
２５ 下部ケーシング
２６ 上部ケーシング
２７ 分割部
２８ ダイヤフラム
２９ 切欠
３０ ギャップ
３１ 弾性的なシールエレメント
３２，３３ 面
３４，３５ 縁部

Claims (4)

1. 自己点火式内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための装置であって、グロープラグ（１）内に受容された圧力センサ（１８）と、グローピン（２）と、ケーシング（４）内に配置された固定部材（１７）とを有している形式のものにおいて、
   前記圧力センサ（１８）内に評価回路が組み込まれており、燃焼室とは反対側で前記グローピン（２）を支えるダイヤフラム（２８）がケーシング（４）内に設けられており、前記グロープラグ（１）のケーシング（４）が、グローピン（２）とは反対側において前記ダイヤフラム（２８）の後ろで下部ケーシング（２５）と上部ケーシング（２６）とに分割されており、前記下部ケーシング（２５）にダイヤフラム（２８）が堅固に結合されており、前記グローピン（２）が前記下部ケーシング（２５）内に挿入されていて、付加部（２０）で以て前記ダイヤフラム（２８）に支えられており、前記圧力センサ（１８）が、前記グローピン（２）とは反対側の、ダイヤフラム（２８）の端部に取り付けられていて、グローピン（２）に圧力が作用すると、この圧力がグローピン（２）の前記付加部（２０）を介してダイヤフラム（２８）に伝達され、ひいては圧力センサ（１８）によって測定されるようになっており、またケーシング（４）が開放された状態で圧力センサ（１８）にアクセス可能となっていることを特徴とする、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための装置。
2. 前記圧力センサ（１８）が圧電抵抗式のシリコン圧力センサチップである、請求項１記載の装置。
3. グローピン（２）とグロープラグ（１）のケーシング（４）との間に弾性的なシールエレメント（３１）が配置されている、請求項１記載の装置。
4. 前記弾性的なシールエレメント（３１）が弾性的な金属リングである、請求項３記載の装置。

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