JP5339898B2 - 一体化された圧力センサを備えたグロープラグ及びグロープラグのボディ - Google Patents

Description

本発明は、一体化された圧力センサを備えたグロープラグ、及びこのようなグロープラグのボディに関する。

内燃機関、特にディーゼルエンジンにおいて、各シリンダは、特にエンジンを始動させるときに対応する燃焼室の内部を加熱するためのグロープラグを有する。このグロープラグは、エンジンのシリンダヘッドを貫通したねじ穴に配置されている。したがって、このグロープラグは、シリンダヘッドの対応するボアに嵌合させられるねじ山付ボディと、予熱電極が収容されたフィンガとを有する。

このようなグロープラグに圧力センサを組み込むことも知られている。実際には、各シリンダ内の圧力の値を知ることはエンジンにおける燃焼の進行の制御を改良することを可能にすることが分かっている。この情報は次に各シリンダへの燃料噴射を調整するために使用される。この形式では、エンジンからの汚染物質の排出を低減し、燃料消費量を最適化することができる。

一体化された圧力センサを備えた従来のグロープラグにおいては、圧力センサは、グロープラグヘッドと呼ばれるグロープラグのボディの部分に収容されているか又はグロープラグヘッドに取り付けられている。グロープラグヘッドは、シリンダの外側に位置するグロープラグのボディの部分である。欧州特許第１０９６１４１号明細書は例えば１つのこのようなグロープラグを開示している。

これらのグロープラグにおいて、エンジンの対応するシリンダにおける圧力を、エンジンの外側か、グロープラグヘッド内か又はグロープラグヘッド上に配置された圧力センサに伝達する必要がある。シリンダ内に配置されたグロープラグのフィンガに加えられる力が圧力センサに再伝達されるようになっている様々なアセンブリが記載されている。様々な機械的部材が圧力センサとグロープラグのフィンガとの間に挿入されている。これらの様々な介在する部材は、行われる測定に影響する。

さらに、このようなグロープラグの圧力センサは、その位置のために、外部振動をも受ける。シリンダヘッドにおける応力も、このようなグロープラグの圧力センサによって行われる測定に干渉するおそれがある。

したがって、従来のグロープラグは、グロープラグを組み立てるときに精密な機械的な嵌め合いを必要とし、このことが高い単位原価を生じるという欠点を有している。さらに、機械的な組立てに注意が払われるにもかかわらず、望ましくない力が、圧力センサによって行われる測定に干渉する。

したがって、本発明の目的は、特にシリンダヘッドにおける変形及び応力、膨張及び温度変化によって生ぜしめられる力等によって影響されることなく、内燃機関のシリンダ内の圧力の最適な測定のための手段を提供することである。圧力測定は、過酷な環境（高温、高圧、粒子の存在等）においても行われなければならないが、信頼できるものでなければならない。

このために、本発明は、一方の端部においてグロープラグヘッド及び、グロープラグヘッドをボアに固定するための手段を有する固定領域、を有する管状ボディと、グロープラグヘッドとは反対側の端部においてグロープラグのボディに取り付けられたフィンガと、圧力センサとを含むグロープラグを提案する。

このようなグロープラグの場合に、本発明では、フィンガは、結合領域においてグロープラグボディに固定されるようにこのグロープラグボディに固定されており、グロープラグボディは、フィンガに結合された領域と、ボアに固定するための領域との間において、弾性変形可能な部分を有しており、これにより、前記結合領域が、可動でありかつ、固定されると仮定されるボアにおいて固定領域に対して長手方向に移動させられることができ、圧力センサが、結合領域に固定されたエレメントと、グロープラグの固定されたエレメントとの間に配置されている。

この形式において、弾性変形可能な部分は、グロープラグのボディを２つの部分、すなわち、シリンダヘッドに取り付けられる固定された部分と、対応するエンジンのシリンダ内の圧力に曝される可動な部分と、に分割する膜として働く。この膜は変形させられることができ、可動な部分は長手方向に移動させられることができる。圧力の関数であるこの移動は次に圧力センサに伝達され、圧力センサはこれにより、グロープラグのフィンガに加えられた圧力を示すことができる。この新規の構成により、圧力センサによる測定はもはや、例えば対応するシリンダヘッドへのグロープラグの螺入によって生ぜしめられる望ましくない振動又は応力によって妨害されることがない。実際には、膜の移動は、シリンダヘッド又はグロープラグのボディの残りの部分における応力によって影響されない。

１つの好適な実施形態において、弾性変形可能な部分は、グロープラグのボディに対して垂直な平面に延びた環状領域である。この形式において、弾性変形可能な部分の膨張を生ぜしめる温度変化は、グロープラグの可動な部分の長手方向移動に影響しない。

本発明によるグロープラグにおいて、弾性変形可能な部分は、例えば材料を薄くすることによって得られることができる。

本発明によるグロープラグのコンパクトな実施形態において、管状ボディは、外面において、グロープラグとシリンダヘッドとの間にシールを提供するためのシーリングコーンを有しており、弾性変形可能な部分が前記シーリングコーンの近くに位置している。

本発明の１つの実施形態において、圧力センサは、このセンサが、固定領域に関して固定された軸受部分と、結合領域と共に可動な、フィンガに固定された部分との間に取り付けられるように、組み立てられる。この変化実施例において、固定された軸受部分は、弾性変形可能な部分と圧力センサとの間に配置されていることができ、センサにおけるプレロードされたコアに固定されたフィンガに固定された部分が、フィンガに電力を供給する。フィンガに固定された前記部分は、例えばコアに溶接されたリングである。前記部分は、例えば、場合によってロックナットによって保持された、コアに螺合させられたナットであることもできる。

本発明によるグロープラグにおける圧力センサとして使用するのに、圧電センサが特に適している。

本発明によるグロープラグにおいて、圧力センサは好適には、グロープラグをボアに固定するための領域において管状ボディに配置されている。センサは次いでシリンダに極めて接近していることができ、このことは、良好な圧力測定を助ける。

本発明は、一方の端部においてグロープラグヘッドと、ボアに固定するための手段を有する固定領域とを有するグロープラグボディにも関し、このグロープラグボディは、フィンガに結合された領域と、ボアに固定するための領域との間において、弾性変形可能な部分を有しており、これにより、前記結合領域は、可動でありかつ、固定されると仮定されるボアにおいて固定領域に関して長手方向に移動させられることができることを特徴とする。このようなグロープラグボディにおいて、弾性変形可能な部分は好適には、グロープラグのボディに対して垂直な平面に延びた環状領域である。

本発明は最後に、前述のようなグロープラグを有する、内燃機関、特にディーゼルエンジンに関する。

本発明の詳細及び利点は添付の概略的な図面を参照してなされた以下の説明からより明らかになるであろう。

図１は、本発明のグロープラグの外側図である。

図２は、図１に示された圧力センサの下側部分の縦断面図である。

図３は、本発明のグロープラグの膜と、圧力センサとの詳細図である。

図１及び図２には、当業者に知られた形式でボディ２と、フィンガ４と、コア６と、圧力センサ８とを有するグロープラグが示されている。

ボディ２は、管状であり、複数の円筒状セグメントを備えている。グロープラグヘッド１０と呼ばれる第１の端部において、グロープラグボディは、六角形の断面の外面を備えた掴み領域を有している。この掴み領域は、ねじ込んだり緩めたりすることによってグロープラグを取り付けたり取り外したりするために使用される。グロープラグを取り付けるために、グロープラグヘッド１０に隣接して、ねじ山付領域１２が設けられている。ねじ山付領域１２と協働するために、エンジンのシリンダヘッドには、対応するねじ山が設けられている。シリンダヘッドとグロープラグとの間にシールを生ぜしめるために、ボディ２にはシーリングコーン１４も形成されている。このコーンは、シリンダヘッドに形成された相補的な円錐面と協働し、嵌り合う形状によって２つの部材の間に優れたシールを提供する。

グロープラグヘッドとは反対の側において、グロープラグボディ２はフィンガ４を有している。このフィンガは、対応するエンジンの燃焼室に配置される。このフィンガ４はグロープラグの加熱エレメントを形成している。

図示したように、フィンガ４は好適にはセラミックフィンガである。このタイプのフィンガは当業者に知られており、ここではさらに詳しく説明しない。これは、小さな加熱エレメントを提供する。このフィンガ４は、グロープラグのボディ２の全体を貫通したコア６によって電流が供給される。グロープラグヘッド１０の領域において、コア６を電流源に接続するための接続部（図示せず）が設けられている。

グロープラグヘッドとは反対側のグロープラグボディ２の端部は、フィンガ４を支持している。この端部は円筒状区分の領域であり、この領域の内径は、フィンガ４の外径に適合させられている。フィンガ４は、例えばグロープラグボディ２の端部１６にろう付けされている。ろう付けは、端部１６の高さ全体に亘って提供されることができ、この端部の直径はフィンガ４の直径に適合させられている。ろう付けはフィンガ４をグロープラグボディ２の端部１６に固定する。フィンガ４をボディ２の端部１６に固定するためにここではその他の技術が用いられることができる。端部１６を含むグロープラグボディ２の下側部分は、ろう付けに適した材料から形成されていることができる。この材料は好適には、フィンガ４を製造するために使用されるセラミックの膨張係数に近い膨張係数を有している。すなわちグロープラグボディ２は複数の部分の集合体であることができる。図３に示されたボディ２は、ボディ２を形成するために互いに溶接された２つの部分の集合体に対応する接合面を有する。

グロープラグボディ２の端部１６は、グロープラグボディ２とフィンガ４との結合領域を形成している。この結合領域は、ボディの弾性変形可能な部分によってグロープラグボディ２の残りの部分に接続されており、この弾性的な部分は以下では膜１８と呼ばれる。グロープラグボディ２の残りの部分への端部１６の接続は、シーリングコーン１４の領域において、膜１８の介在によって行われている。

膜１８は、グロープラグボディ２の軸線に対して垂直な平面に配置された環状ワッシャの形態を取っている。（長手方向で測定された）膜の厚さは例えば０．３ｍｍのオーダである。この厚さはボディ２の壁部の厚さよりも小さい。この壁部の厚さは例えば０．５ｍｍ〜１ｍｍであることができる。この膜１８の幅は０．５ｍｍのオーダである。この数値の例において、これは、膜１８の外側半径と、膜の内側半径との差が０．５ｍｍであることを意味する。

図３に示したように、膜１８の大きな直径の外側縁部は、シーリングコーン１４に接続されている。シーリングコーン１４とねじ山付領域１２との間に配置されたグロープラグ２の部分は、そのねじ山付領域１２を含んで、剛性の領域である。この領域は対応するシリンダヘッドに取り付けられ、この領域が固定されることが仮定される。軸方向の力がフィンガ４に加えられると、膜１８がたわみ、フィンガ４及び同様にボディ２の端部１６は長手方向に移動させられる。すなわち、膜１８の一方の側においては、固定されることが仮定されるグロープラグボディ２の領域が存在し、他方の側には可動な領域が存在する。すなわち膜１８はこれらの２つの領域を分断している。

圧力が対応するシリンダ内に生ぜしめられると、この圧力はフィンガ４に力を加え、この力は、フィンガをグロープラグボディ２内へ移動させる傾向がある。この圧力は圧力センサ８によって測定される。これは圧電センサである。

圧力センサ８は、グロープラグボディ２の不動の部分に固定された、固定された部分と、フィンガ４に固定された可動な部分との間に取り付けられている。

固定された部分は以下ではインタフェース２０と呼ばれる。インタフェースは、円筒状の管状エレメントである。インタフェースの形状及び寸法は、管状ボディ２内に収容されることができるように、及びコア６のための通路を提供するように適合されている。このインタフェース２０はシーリングコーン１４のすぐ上方でグロープラグボディ２内に配置されている。したがって、この部分はフィンガ４に極めて近い。インタフェース２０を受け止めるために、グロープラグボディ２の内面にはシート２２が設けられている。

圧力センサ８は、インタフェース２０に、すなわちグロープラグヘッド１０と同じ側に配置されている。慣用の形式では、インタフェース２０と圧電センサ８との間には、電気的に絶縁性のエレメント２４が配置されている。このセンサは、導電性の材料の２つの接触エレメント２８の間に配置された圧電素子２６を含む。これらの接触エレメント２８のそれぞれに、接触エレメント上に成形されかつ円筒の部分の形状の接続グリッド（一般的にリードフレームとして知られている）が設けられている。これらの接続グリッドは図示されていない。ここで、より慣用的な接続端子が設けられることもできる。

圧力センサ８の上方には、上で言及された可動部分がある。この場合それはリング３０である。このリングも、電気的に絶縁性のエレメント２４によって圧力センサ８から電気的に絶縁されている。リング３０は例えばレーザ溶接によってコア６に溶接されている。

静止状態において、圧力がフィンガ４に加えられていないならば、圧力センサ９は荷重をかけられている。圧力がフィンガ４に加えられると、圧力センサに対する荷重が減じられ、圧力センサ８はこの荷重の変化を測定する。

この場合圧力センサは極めて燃焼室の近くに配置されていることがわかる。圧力センサは極めてフィンガ４の近くに配置されている。これはセンサの組立を簡単にする。センサにより行われる測定はこのためにより正確になる。グロープラグがエンジンに取り付けられると、圧力センサはシリンダヘッドの内部に配置される。グロープラグに関して、圧力センサは、グロープラグとシリンダヘッドとが結合されている固定領域（シーリングコーン１４とねじ山付領域１２との間）に配置されている。

上述のグロープラグの圧力センサ８はシリンダヘッドにおける応力に対して敏感ではない。したがって、これらの様々な応力はこのセンサによって行われる測定に影響しない。

圧力センサは対応する燃焼室における粒子及びその他の不純物からも隔離されている。端部１６とフィンガ４との結合部は完全にシールされており、これにより、圧力センサへの粒子の移入を阻止する。

上述のように、膜１８は完全にグロープラグボディ２に対して垂直な平面に配置されている。したがって、特にフィンガ４を含む可動なアセンブリは、フィンガ４に加えられる対応するシリンダ内の圧力に関して昇降させられることができる（ここではグロープラグのヘッドを頂点にしてグロープラグは垂直位置を占めていることが仮定されている）。膜のこの移動はグロープラグのコア６を介して圧電素子２６に伝達される。

示された実施形態において、インタフェース２０は極めてフィンガ４に近い。それにもかかわらずこれらの２つの部分の間にはギャップが存在する。このギャップはフィンガ４の移動を妨げないように十分な大きさである。すなわち、フィンガ４の移動の振幅よりも十分に大きなギャップがフィンガ４とインタフェース２０との間に設けられている。

行われる圧力測定は好適には温度から独立している。このために、膜１８は好適には合金から形成されており、この合金の弾性は、膜が曝される温度の範囲内では変化しない。

同様に、圧電素子２６は、その感度が温度から独立しているように選択されている。圧力センサが曝される比較的高い温度に耐えるために、圧電素子２６は例えば単結晶の形式を取っている。それにもかかわらず、例えば５００℃よりも高いキュリー温度を有する多結晶を使用することも同様に可能である。

膜が横方向に、すなわち圧力センサ８の測定方向に対して垂直な平面において延びているような、示された好適な実施形態において、膜１８の膨張は、圧電素子２６に加えられる荷重に対して影響しない。

本発明は、上述の実施形態及び言及された変化実施例に限定されない。本発明は、当業者にとって明白な全ての変化実施例にも関する。

したがって、例えば、提供された全ての数値データは、限定する例ではなく、単なる例として提供されているだけである。

前記実施形態においては、圧力センサは、グロープラグの加熱エレメントを形成するフィンガの極めて近くに配置されている。圧力センサをこのフィンガからさらに遠くに移動させることは、発明の範囲から逸脱しない。

前記圧力センサは、取り付けられたときに予め荷重をかけられている圧電センサである。例えば圧電素子が圧縮されることによって作動する別の実施形態も同様に考えられる。

前記膜は好適には材料を薄くすることによって得られる。しかしながら、グロープラグのボディの壁部が比較的薄いならば、長手方向移動を許容する弾性変形領域は、薄くすることなく得られることができる。この膜は、グロープラグのボディの適切な形状によって得られる。

弾性変形可能な膜の位置は、前述のものとは異なることができる。前記好適な実施形態は、グロープラグのコンパクトな構成を生じる。幾つかの場合には、よりコンパクトではない設計が考えられる。例えば、弾性変形可能な膜が配置されている領域における第１の肩部と、シーリングコーンを備えた第２の肩部とを有するグロープラグボディが提供されることができる。

本発明のグロープラグの外側図である。 図１に示された圧力センサの下側部分の縦断面図である。 本発明のグロープラグの膜と、圧力センサとの詳細図である。

符号の説明

２ ボディ、 ４ フィンガ、 ６ コア、 ８ 圧力センサ、 １０ グロープラグヘッド、 １２ ねじ山付領域、 １４ シーリングコーン、 １６ 端部、 １８ 膜、 ２０ インタフェース、 ２２ シート、 ２４ 電気的に絶縁性のエレメント、 ２６ 圧電素子、 ２８ 接触エレメント、 ３０ リング

Claims (13)

1. グロープラグであって、
   管状のボディ（２）が設けられており、該ボディが、一方の端部において、グロープラグヘッド（１０）と、ボア内に固定且つシールするための手段（１２，１４）を有する固定領域とを有しており、
   前記グロープラグヘッド（１０）とは反対側の端部においてグロープラグの前記ボディ（２）に取り付けられたフィンガ（４）が設けられており、該フィンガ（４）が前記グロープラグのボディ（２）に固定されておりかつ該ボディに結合領域（１６）において固定されており、
   圧力センサ（８）が設けられている形式のものにおいて、
   前記グロープラグのボディ（２）が、前記結合領域（１６）と、前記固定領域との間において、弾性的に変形可能な部分（１８）を有しており、これにより、前記結合領域（１６）が、可動でありかつ、前記固定領域に対して長手方向に移動することができるようになっており、
   前記圧力センサ（８）が、前記結合領域（１６）に固定されたエレメント（３０）と、グロープラグの固定されたエレメント（２０）との間に配置されていることを特徴とする、グロープラグ。
2. 前記弾性的に変形可能な部分（１８）が、グロープラグの前記ボディ（２）の軸線に対して垂直な平面において延びた環状の領域である、請求項１記載のグロープラグ。
3. 前記弾性的に変形可能な部分（１８）が、材料を薄くすることによって得られる、請求項１又は２記載のグロープラグ。
4. 前記管状のボディ（２）が、外面において、グロープラグとシリンダヘッドとの間にシールを提供するためのシーリングコーン（１４）を有しており、前記弾性的に変形可能な部分（１８）が前記シーリングコーン（１４）の近くに設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載のグロープラグ。
5. 前記圧力センサ（８）が、前記固定領域に関して固定された軸受部分（２０）と、結合領域（１６）と一緒に可動な、フィンガ（４）に固定された部分（３０）との間に取り付けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のグロープラグ。
6. 前記固定された軸受部分（２０）が、弾性的に変形可能な部分（１８）と圧力センサ（８）との間に配置されており、フィンガ（４）に固定された部分（３０）が、フィンガ（４）にエネルギを供給するコア（６）に固定されておりかつセンサ（８）に対して予負荷をかけている、請求項５記載のグロープラグ。
7. フィンガ（４）に固定された部分が、前記コア（６）に螺合されたナット（３０）である、請求項６記載のグロープラグ。
8. 前記圧力センサ（８）が圧電センサである、請求項１から７までのいずれか１項記載のグロープラグ。
9. 前記圧力センサ（８）が、グロープラグをボアに固定するための前記固定領域の高さにおいて、管状のボディ（２）内に配置されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のグロープラグ。
10. グロープラグボディ（２）であって、一方の端部において、グロープラグヘッド（１０）と、ボア内に固定且つシールするための手段（１２，１４）を有する固定領域とが設けられている形式のものにおいて、前記グロープラグボディが、フィンガ（４）に結合された結合領域（１６）と、前記固定領域との間において、弾性的に変形可能な部分（１８）を有しており、これにより、前記結合領域（１６）が、可動でありかつ、前記固定領域に対して長手方向に移動することができるようになっていることを特徴とする、グロープラグボディ。
11. 前記弾性的に変形可能な部分（１８）が、グロープラグボディ（２）の軸線に対して垂直な平面において延びた環状の領域である、請求項１０記載のグロープラグボディ。
12. 請求項１から９までのいずれか１項記載のグロープラグが設けられていることを特徴とする、内燃機関。
13. 前記内燃機関がディーゼルエンジンである、請求項１２記載の内燃機関。

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