JP5021760B2 - 圧力測定装置 - Google Patents

Description

本発明はエンジンの室内に配置される圧力測定装置に関する。殊に、本発明は空気圧縮型自己着火式エンジンの予燃焼室式燃焼室、渦流室式燃焼室、または燃焼室内に配置される圧力測定グロープラグに関する。

従来の技術
WO 2006/072514 A1 明細書から圧力センサの組み込まれたグロープラグが公知である。この公知のグロープラグの圧力センサはグロープラグ内部で可動に収容されているロッド状に形成されたヒータ体に接続されている。このロッド状のヒータ体には放射対称に構成された鋼ダイアフラムが対応している。この鋼ダイアフラムは燃焼室の圧力センサの力測定素子を燃料ガスから遮へいにより保護し、幾何学的構造に応じたバネ弾性を有する。

ただし、WO 2006/072514 A1 明細書から公知のグロープラグは次のような欠点を有する。すなわち、作動サイクル毎に発生する高温の燃料ガスにより鋼ダイアフラムの加熱が生じ、この加熱に引き続いて鋼ダイアフラムの冷却が生じ、それによる鋼ダイアフラムにおける熱による長さの変化のため圧力測定精度が損なわれるという欠点である。殊に、圧力センサの組み込まれた公知のグロープラグは出力される圧力信号に歪みが現れるという欠点を有する。

発明の開示
請求項１の特徴を備える本発明による圧力測定装置は、圧力測定の精度が改善され、特に出力される圧力信号の歪みが低減されるという利点を有する。

従属請求項に記載される手段により、請求項１に記載される圧力測定装置の有利な実施形態が可能となる。

本発明による圧力測定装置の第１の実施例が概略的な部分断面図で示されている。 本発明による第２の実施例に応じた圧力測定装置のうち、図１においてＩＩを附した部分が示されている。 本発明による第３の実施例に応じた圧力測定装置のうち、図１においてＩＩＩを附した部分が示されている。

圧力測定装置の力伝達素子またはこの力伝達素子に接合されている別の素子に作用する圧力は、通常、力伝達経路にある素子の線形弾性のバネたわみを引き起こす。これによって、燃焼室内の圧力、つまり燃焼室圧と相関する力のインパルスが伝達される。こうして、力伝達経路においてプレバイアスされ、圧力センサを有する力測定モジュールが力伝達素子の力のインパルスを検出することによって検出の手段が得られる。

金属ダイアフラム、特に鋼ダイアフラムとして形成されているダイアフラムは圧力センサが配置されているハウジングの内室の燃焼室側の開口をシールしており、そのためこの燃焼室側の開口を介してハウジング内へ入り込む高温の燃料ガスは圧力センサおよびグロープラグの他の素子へ達しない。とはいっても、ダイアフラムを介してある程度の熱衝撃に対する感度は生じる。ここで、ダイアフラムは壁厚が薄いため比較的小さな質量しか有さないので、高温の燃焼室ガスによりダイアフラムの急激な温度上昇が生じ、また、相応した速度でこのダイアフラムの冷却が生じる。なぜなら、このダイアフラムは、例えば、力伝達部分、ハウジング部分、またはその他の素子に機械的に接合されているためである。１作動サイクルの間、つまり約５０回/s、通常の作動中にダイアフラムがそれぞれ加熱され、冷却される。ここで生じる熱による長さの変化が力測定モジュールのプレバイアスの周期的な変化を引き起こす。特に、ダイアフラムが加熱されるとプレバイアスされた力測定モジュールの応力をある程度脱離させてしまうため、圧力は一時的に測定できなくなり、圧力測定信号の歪みが現れる。

力伝達経路内にダイアフラムの力伝達部分を配置することによって、圧力測定信号の熱による作用が低減され、場合によっては少なくとも広範囲に相殺される。ここでこの力伝達部分は力伝達素子の軸方向、したがって力の作用する方向に配向されている。殊に、ダイアフラムの力伝達部分の長さの変化は力伝達素子のある程度相対的な圧力測定にとって重要ではないオフセットにのみ作用するのであり、圧力測定の脱バイアスの状態または付加的なプレバイアスの状態には作用しない。

これにより、本発明の圧力測定装置は燃料噴射時間および燃料量に対して極めて敏感である燃焼室内での均質燃焼モードを制御する高精度の燃料噴射システムに適しており、圧力信号の経過から燃焼曲線における面積、したがってその燃焼熱が推論されるという利点が生じる。さらに、本発明の圧力測定装置は有利な手段では研究用実験室内で、新しいエンジンを検査する際に燃焼室圧の監視を全作動サイクルに亘って可能にするために利用されてもよい。

有利な手段では、ダイアフラムは軸方向に対して実質的に垂直に配向されているラジアル部分を含んでいる。これにより、ダイアフラムの有利な弾性のたわみが可能となる。

有利には、ダイアフラムはそのラジアル部分ひいては力伝達部分に接合されている固定部分を有しており、このダイアフラムはその固定部分の箇所で少なくとも間接的にハウジングに接合されている。ここで、このダイアフラムは固定部分の箇所でセンサケージに接合されるかまたは直接ハウジングに接合されてもよい。この接合は例えば溶接、特にレーザ溶接することによって形成されていてもよい。ここで、固定部分をハウジングに接合する場合には、接合プロセスを考慮した固定部分の最適な形態を実現できるという利点が存在する。例えば、この固定部分は信頼性の高い接合を可能とするために比較的大きな壁厚を有していてもよい。また、この固定部分は接合または接合場所の位置決め用のより大きな余裕部分を可能にするために、ある程度の延長部を、特に軸方向に有していてもよい。

有利な手段では、ダイアフラムはそのラジアル部分の箇所で少なくとも間接的にハウジングに接合されている。ここで、ダイアフラムはラジアル部分の箇所でセンサケージに接合されていてもよい。このことはダイアフラムの温度に起因して生じる長さの変化のうち、圧力測定に影響を与える成分が大幅に低減されるか、または完全に消去されるという利点を有する。そのために、特殊な適用状況、特に実験室での適用に際して圧力測定の精度が更に改善される。ただしこのことは、適用状況に応じて、ダイアフラムをハウジングに固定する形態では、固定部分を備える形態と比較して、場合によってはいくらか大きなコストがかかることがある。

有利な手段では、ラジアル部分の端部は力伝達部分の端部につながっており、ダイアフラムは近似にスリーブの形状として形成されている。このスリーブの形状とはラジアル部分にて放射状に広がる形状である。

また有利には、このラジアル部分の端部は力伝達部分の中央部につながっている。このことはダイアフラムの熱による長さの変化のうち、圧力測定に影響を与える成分が大幅に低減されるか、または完全に消去されるという利点を有する。ここでの調整は力伝達部分の形態によって可能となる。これらの利点は特にハウジングまたはその他の素子に金属ダイアフラムを接合させる固定部分に関連して得られる。

本発明による有利な実施例を、添付図面に即して以下に詳細に説明する。ここで、相応する素子には相応する参照記号を附してある。

本発明の実施例
図１には、圧力測定装置１の第１の実施例が概略的な軸方向の断面図で示されている。ここで、この圧力測定装置１は空気圧縮型自己着火式エンジン用の圧力測定グロープラグ１として構成されている。この圧力測定グロープラグ１のロッド状のヒータ素子２は予燃焼室式エンジンおよび渦流室式エンジンではエンジンの燃焼室内へ、また、直接燃料噴射部を備えるエンジンではエンジンの燃焼室内へ突出している。もっとも、本発明による圧力測定グロープラグ１は他の適用状況にも適している。さらになお、この圧力測定装置１は混合ガス圧縮型外部供給点火式エンジン用の圧力測定点弧プラグまたは圧力測定燃料噴射バルブとして構成されていてもよい。

この圧力測定グロープラグ１は円錐状シール４の付いたハウジング３を有する。ロッド状ヒータ素子２は部分的に力伝達素子５によって囲まれ、力伝達素子５に接合されている。ハウジング３は燃焼室側の開口６を有しており、そこでは力伝達素子５によって囲まれているヒータ素子２がハウジング３から突出している。この力伝達素子５はこの実施例ではヒータ素子２に対する支持管として構成されている。もっとも、この力伝達素子５は、例えばヒータ素子２が内部にヒートコイルの付いた金属製ヒータ管を有する場合には、このヒータ素子２の一部であってもよい。

このロッド状ヒータ素子２は適切な手段で制御装置またはその他の素子と接続状態にあるグロー電流線路８に接続されている。また、このヒータ素子２は直接的または間接的にハウジング３と電気的に接触接続されているため、ハウジング３を介して圧力測定グロープラグ１を据え付けた状態で電気的アース９との接続が形成される。グロー電流線路８をとおって比較的大きな電流、例えば数アンペアの電流が流れ、その結果ヒータ素子２を加熱するために必要とされるエネルギをヒータ素子２へ案内する。ここで有利には、この加熱はヒータ素子２のグロープラグの先端９の領域で発生するのである。

ハウジング３の中に、ハウジング３の内室１１の燃焼室側の開口６をシールする金属ダイアフラム１０が設けられている。このシールによって、燃焼室側の開口６を介してハウジング３の中に入り込む高温の燃焼ガスが内室１１の中に達することが防止される。金属ダイアフラム１０は力伝達素子５がこの金属ダイアフラム１０に接している第１の接合表面１２を端部に有する。また、この金属ダイアフラム１０は第１の力伝達スリーブ１４が接している第２の接合表面１３も有する。さらに、この金属ダイアフラム１０は、例えばレーザ溶接によって形成されている第１の溶接シーム１５によってハウジング３に接合されている。そのうえ、この金属ダイアフラム１０は、同様にレーザ溶接によって形成されている第２の溶接シーム１６によってセンサケージ１７にも接合されている。少なくとも、実質的にセンサケージ１７の中に第１の力伝達スリーブ１４が配置されている。さらに、第１の力伝達スリーブ１４に接する第２の力伝達スリーブ１８もまたセンサケージ１７の中に配置されている。また、このセンサケージ１７の中には圧力センサ１９も配置されている。この圧力センサ１９は一方で第２の力伝達スリーブ１８に接している。また、この圧力センサ１９は、第３の溶接シーム２１によってセンサケージ１７に接合されている固定素子２０に支えられている。このセンサケージ１７は第４の溶接シーム２２によってハウジング３に接合されている。この第４の溶接シーム２２は場合によっては省略してもよい。

圧力センサ１９は第２の力伝達スリーブ１８、第１の力伝達スリーブ１４および金属ダイアフラム１０の力伝達部分２３を介して力伝達素子５に作用の点で接続されている。ここで、金属ダイアフラム１０の力伝達部分２３の端部に、相互に離間している２つの接合表面１２，１３が構成されている。燃焼室内の圧力、つまりエンジンの室内の圧力により、グロープラグの先端９の表面に対して、圧力センサ１９に配向されている力伝達素子５の軸線２５の方向に力２４が生じる。有利には、この圧力センサ１９はセンサケージ１７の中で、加圧されていない状態、つまり力２４のない時に、圧力センサ１９のある程度のプレバイアスが得られるように据え付けられている。力２４がバイアスを増大させるため、結果として生じる圧力センサ１９の加圧状態からエンジンの室内の瞬時の圧力が求められる。開口６を介してハウジング３に入り込む高温の燃焼ガスにより引き起こされる金属ダイアフラム１０の加熱によって、金属ダイアフラム１０の力伝達部分２３におけるある程度の熱による長さの変化が生じる。この力伝達部分２３の長さの変化は軸方向で、つまり軸線２５に沿って力伝達素子５のある程度のオフセットに作用する。ただし、金属ダイアフラム１０の力伝達部分２３の第２の接合表面１３の位置には、この長さの変化が関与しないため、圧力センサ１９の加圧状態、それに伴う圧力測定は影響されないのである。

また、金属ダイアフラム１０は少なくとも実質的に軸方向に対して垂直、つまり軸線２５に対して垂直に配向されているラジアル部分２６を有する。ラジアル部分２６の熱による伸長は第２の接合表面１３の軸上の位置に作用しないため、圧力センサ１９による圧力測定にはどんな影響も生じないのである。図１に示されている本発明の実施例では、金属ダイアフラム１０をハウジング３に固定することはラジアル部分２６のすぐ近傍で行われる。それゆえ、金属ダイアフラム１０の熱に起因する長さの変化は少なくとも実質的に圧力測定に作用しない。これによって、圧力センサ１９による圧力測定、特に歪みのない圧力測定の際にきわめて高い精度を達成することができるのである。

図２には、本発明による第２の実施例に応じた圧力測定グロープラグ１として構成される圧力測定装置のうち、図１においてＩＩを附した部分が示されている。この第２の実施例では、金属ダイアフラム１０は部分２３A、部分２３Bから成る力伝達部分２３を有している。ここで、第１の接合表面１２は力伝達部分２３の第１の部分２３Aに接して、また、第２の接合表面１３は力伝達部分２３の第２の部分２３Bに接して構成されている。これにより、放射対称に形成される金属ダイアフラム１０の実質的にT字形のアウトラインが生じる。金属ダイアフラム１０をセンサケージ１７に固定することは第５の溶接シーム２７によって行われる。また、このセンサケージ１７は第１の溶接シーム１５によってハウジング３にも接合されている。力伝達部分２３の部分２３Bは金属ダイアフラム１０からセンサケージ１７またはハウジング３への熱伝導経路には置かれていない。したがって、力伝達部分２３の部分２３Bの領域では短時間での周期的な加熱および冷却が生じず、圧力測定の機能は損なわれない。金属ダイアフラム１０をそのラジアル部分２６の箇所でセンサケージ１７に固定することによって、圧力測定に不利に作用し得る熱による長さの変化が軸線２５の方向に全く生じないか、または少なくとも実質的に無視できるほどしか生じない。それゆえ、圧力測定の高い精度が可能となる。

図３には、本発明による第３の実施例に応じた圧力測定グロープラグ１として構成される圧力測定装置のうち、図１においてＩＩＩを附した部分が示されている。この第３の実施例では、金属ダイアフラム１０はそのラジアル部分２６に接合された固定部分３０を有しており、ここで、金属ダイアフラム１０は固定部分３０からラジアル部分２６を介して力伝達部分２３へ移行している。この場合、この固定部分３０は少なくとも実質的に軸線２５に沿って軸方向に案内されており、また、軸方向の金属ダイアフラム１０の長さと軸線２５に沿った軸方向の固定部分３０の長さとが加算されて少なくとも実質的に金属ダイアフラム１０の軸方向の全長になっている。ここで、高温の燃料ガスまたはその他のものの影響によって、金属ダイアフラム１０の周期的な加熱および冷却が生じ、このことが熱に起因する長さの変化をもたらす。ただし、金属ダイアフラム１０の力伝達部分２３の長さの変化は圧力センサ１９のプレバイアスに作用しない。なぜなら、軸方向の固定部分３０の長さの熱による変化によって、圧力センサ１９のプレバイアスのある程度の周期的な脱離は生じるけれども、圧力センサ１９において、金属ダイアフラム１０の軸方向の熱による長さの変化に基づいて生じる周期的な負荷の脱離の全体が低減されるからである。これは、固定部分３０の長さのみが圧力測定に関与する負荷の脱離に影響するためである。また、固定部分３０は、レーザ溶接する時に溶接池の確保に関して金属ダイアフラムの十分な厚さを保証するために、比較的大きな壁厚を備える部分３１を有する。さらに、軸方向の部分３１の拡張部分によって、圧力測定グロープラグ１の製造を、特に大量生産の範囲において容易にするために、溶接シームの位置を決めるためのある程度の余裕部分が保証される。有利には、軸方向の固定部分３０の長さが可能な限り短くされる。

図１から図３に示されている圧力測定装置１は本発明の考えられる実施形態を例示している。この場合特に、金属ダイアフラム１０の壁厚はその時その時の適用状況に適合化され、様々に変わる。特に、この金属ダイアフラム１０の壁厚は、金属ダイアフラム１０のある程度のフレキシビリティが所望される箇所、特に力伝達部分２３からラジアル部分２６への移行領域、並びにラジアル部分２６から固定部分３０への移行領域内で比較的薄く構成される。また、金属ダイアフラム１０はL字形に形成されている。例えば、金属ダイアフラム１０は高強度の鋼（hochfester Stahl）製の原材料を旋削することによって製造される。有利には、この金属ダイアフラムは０．３ｍｍの壁厚を有する。特に、本発明による圧力測定装置１は排ガス値の低減を可能にする。殊に、変換される熱量が５％、５０％、または９５％の数値に達する所定の熱力学的なパーセンテージ変換点（thermodynamische Umsatzpunkte）が求められる。例えば、そのような値は有利には新規の状態で求められる。その場合には、所定の総伝播時間の後、制御装置による検査が行われる。ここでは、算出される値に従って制御パラメータの修正が可能となる。ピーク圧力を求めるために、１作動サイクルに亘る圧力経過の全体曲線の算出が必要である。この圧力経過から変換される熱量を推論できる。例えば、変換される熱量が５０％の数値に達するクランクシャフトの角度数が検出される。新規の状態または他の参照状態において求められるこのクランクシャフトの角度数に従って、燃料噴射量および／または燃料噴射時間の適合化が行われる。

さらに、トルクの均等化調整が内燃機関の複数の気筒に関して行われる。この均等化調整は平均燃焼圧力によって制御される。ここで、本発明によって可能となる圧力測定の非常に高い精度に基づいて、均等化調整の精度も高まる。

図２に示されている実施例では、ラジアル部分２６は力伝達部分２３の中央部３２につながっている。この力伝達部分２３の部分２３Aと部分２３Bは異なって、特に異なる長さに形成されていてもよい。

本発明は前述した実施例に限定されない。

Claims (10)

1. 空気圧縮型自己着火式エンジンの室内に配置される圧力測定グロープラグとしての圧力測定装置（１）であって、
   ハウジング（３）と、
   前記ハウジング（３）の燃焼室側の開口（６）にて少なくとも部分的に前記ハウジング（３）から突出している力伝達素子（５）と、
   前記ハウジング（３）の内室（１１）に配置されている圧力センサ（１９）と、
   前記圧力センサ（１９）が配置されている前記ハウジング（３）の前記内室（１１）の前記燃焼室側の開口（６）をシールしているダイアフラム（１０）とを備え、
   前記力伝達素子（５）から伝達される圧力に応じた作用を前記圧力センサ（１９）が検出するように構成され、
   前記ダイアフラム（１０）は少なくとも実質的に前記力伝達素子（５）の軸方向に配向されている力伝達部分（２３）を有し、
   前記圧力センサ（１９）と前記力伝達素子（５）との間の前記作用の伝達は、少なくとも前記ダイアフラム（１０）の前記力伝達部分（２３）を介して行われる、圧力測定装置において、
   前記力伝達部分（２３）は、前記力伝達素子（５）が前記ダイアフラム（１０）に接している第１の接合表面（１２）と、前記第１の接合表面（１２）から離れた第２の接合表面（１３）とを有し、前記第２の接合表面（１３）を介して力が前記圧力センサ（１９）に伝達される、ことを特徴とする圧力測定装置。
2. 前記ダイアフラム（１０）は少なくとも実質的に軸方向に対して垂直に配向されているラジアル部分（２６）を有する、請求項１記載の圧力測定装置。
3. 前記ダイアフラム（１０）は前記ラジアル部分（２６）を介して前記力伝達部分（２３）に接合されている固定部分（３０）を有しており、前記ダイアフラム（１０）は前記固定部分（３０）の箇所で少なくとも間接的に前記ハウジング（３）に接合されている、請求項２記載の圧力測定装置。
4. 前記ダイアフラム（１０）は前記固定部分（３０）の箇所でセンサケージ（１７）に接合されている、請求項３記載の圧力測定装置。
5. 前記ダイアフラム（１０）は前記ラジアル部分（２６）の箇所で少なくとも間接的に前記ハウジング（３）に接合されている、請求項２記載の圧力測定装置。
6. 前記ダイアフラム（１０）は前記ラジアル部分（２６）の箇所で前記センサケージ（１７）に接合されている、請求項５記載の圧力測定装置。
7. 前記ダイアフラム（１０）の前記ラジアル部分（２６）の端部は、前記力伝達部分（２３）の端部に結合している、請求項２から６までのいずれか１項記載の圧力測定装置。
8. 前記ダイアフラム（１０）の前記ラジアル部分（２６）の端部は、前記力伝達部分（２３）の中央部（３２）に結合している、請求項２，５または６のいずれか１項記載の圧力測定装置。
9. 前記ダイアフラム（１０）の前記第２の接合表面（１３）に接し、かつ、前記力伝達素子（５）と前記圧力センサ（１９）との間の前記作用の伝達に介在する力伝達スリーブ（１４）が少なくとも１つ設けられている、請求項１記載の圧力測定装置。
10. 前記ダイアフラム（１０）は金属ダイアフラムとして形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧力測定装置。

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