JP5783566B2 - 燃焼機関用の圧力測定プラグ - Google Patents

Description

本発明は、プラグボディ（本体）と感知構造とを含む燃焼機関用の圧力測定プラグに関し、プラグボディは、燃焼機関のシリンダーへプラグボディをネジ止めするために外側にネジを有するネジ付のプラグボディ部と、プラグの先端を形成しかつプラグと燃焼機関との間の封止を提供するよう構成された封止プラグボディ部とを含む。より具体的には、本発明は、燃焼機関用のピエゾ抵抗圧力測定プラグに関する。

将来におけるディーゼルエンジンおよびオットーエンジンのための進歩的な燃焼の方針は、全体のエンジンサイクル(圧縮‐燃焼‐排気サイクル)中の各シリンダーからの正確な圧力のフィードバックの存在に依存する。これらの方針は、ＨＣＣＩ燃焼を含むことも含まないこともでき、また、高速でかつ正確な圧力応答を要求する高い圧力放出速度（release rate）になり得る。

上記タイプの圧力測定プラグは、特許文献１により公知である。移動するロッドはプラグボディ内に配置される。感知構造は、感知構造がシリンダーの燃焼チャンバ内に広がる圧力によって作用されるように、ロッドとプラグボディとの間に配置され、これにより、ロッドはシリンダーの燃焼チャンバ内の圧力を感知構造へ伝える。ロッドは、プラグボディに対して軸方向に摺動する方法で変位できるようにプラグボディ内に配置され、燃焼チャンバ内の圧力は、プラグボディに対して加熱ロッドの軸方向の運動になり、その運動の結果として、感知構造は力により作用される。

ＥＰ２１３８８１９ Ａ１

本発明の目的は、上記の先行技術の制約の少なくともひとつを持たない、改良された圧力測定プラグを提供することである。本発明の別の目的は、信頼性が高く、より安価に製造でき、過酷な圧力媒体に対して長持ちしかつ／または堅牢であり、典型的な内燃機関エンジンの高温および振動に耐える、といったことの少なくともひとつを有する圧力測定プラグを提供することである。

本発明によれば、本目的は、請求項１の特徴を有する圧力測定プラグにより達成される。効果のある実施例および本発明を実施するさらなる方法は、従属クレームで言及される測定により達成され得る。

本発明によれば、プラグは、ネジ付きプラグボディ部と封止プラグボディ部との間に位置決めされた感知ボディ部を有するプラグボディを含む。感知ボディ部は、一体形成され、円筒状ボディ部、移動部および感知構造を含む。感知構造は、円筒状ボディ部と移動部との間の接続を形成し、燃焼チャンバの圧力または燃焼エンジンのシリンダーの圧力が変化したときに、円筒状ボディ部のシリンダー軸に沿って移動部が円筒状ボディ部に相対的に移動するのを可能にする。

これらの特徴により、より少ない部品で圧力測定プラグを製造することを可能にする。特許文献１に記載の装置と比較すると、感知構造は、プラグボディ部の部分の一体部分であり、感知構造をプラグボディへ結合するための環状の溶接を必要としない。さらに、移動ロッドを感知構造に結合するための溶接を必要としない。より少ない溶接が成されるので、処理工程の数が減少され、その結果、圧力測定装置の製造コストが低減される。プラグボディの一部と一体形成で結合される感知構造のさらなる利点は、ロッドに作用する圧力によりストレスされる溶接がもはやないことである。これは、プラグの製品寿命を改善する。プラグボディの封止部は、プラグボディとエンジンとの間に密封封止を形成することを必要とする。その結果、圧力感知部をネジ付きプラグボディ部およびプラグボディの封止部に結合するための溶接は、それぞれ、媒体の圧力によってストレスを受けない。プラグボディの圧力感知部は、ネジ付きプラグボディ部とプラグボディの封止部との間に締め付けされる（クランプされる）。

ある実施例では、感知ボディ部の円筒状ボディ部は、ネジ付きボディ部および／または封止プラグボディ部よりも厚みがある。これらの特徴により、本発明による圧力測定プラグは、搭載する荷重およびトルクの荷重の影響に対する感度を著しく低下させる。

ある実施例では、ピエゾ抵抗素子は、感知構造の環状の面に取り付けられ、当該環状の面は、シリンダー軸に対して垂直な平面である。特に、感知構造は、環状の面を形成するための穴を含み、当該穴は、移動部に整列して配置される。さらに、穴は、感知構造の中央に配置される。ある実施例では、感知構造の中央は、プラグボディのシリンダー軸と一致する。これらの特徴は、ピエゾ抵抗素子が取り付けられる面の応力分布を改善し、感知構造の圧力を測定するための感度を改善させる。

ある実施例では、感知構造の穴は、シリンダー軸に沿って感知構造および移動部を介して延在する貫通孔である。この特徴により、種々のアプリケーションに使用するのに適した感知ボディ部を製造することが可能にある。例えば、貫通孔内にダミーロッドを取り付けることによって、感知ボディ部は、圧力だけを測定するプラグに使用され得る。貫通孔内にグローロッドを取り付けることによって、感知ボディ部は、圧力測定およびグロープラグの組合せに使用され得る。貫通孔内に温度センサを取り付けることによって、感知ボディ部は、圧力／温度を測定するプラグの組合せに使用され得る。

ある実施例では、感知ボディ部は、ネジ付きボディ部の端部を受け取り、感知構造をネジ付きボディ部内に位置決めし、かつ感知構造とネジ付きボディ部との間に環状の空間を提供するよう構成された環状の窪み（凹部）を含む。これらの特徴は、ネジ付きボディ部を感知ボディ部に溶接することによる熱衝撃に対する感度の低い感知ボディ部を提供する。

さらにある実施例では、環状の窪みはさらに、円筒状ボディ部と感知構造との間の感知ボディ部内に分離溝を提供する。これらの特徴は、プラグボディ部内の搭載力およびトルク力に対する圧量測定プラグの感度をさらに低減させる。

ある実施例では、感知ボディ部は、プラグボディのシリンダー軸に沿った同軸の部材である。この特徴により、環状の面の応力がシリンダー軸回りに均等に分配されて、ピエゾ抵抗素子の配置の重要性を少なくさせる。

ある実施例では、感知ボディ部は、金属射出成型部である。この方法では、感知ボディ部は、高い正確性で容易に製造されることができる。さらに、射出成型におり感知ボディ部を製造するための材料は、金属切断法によりステンレス鋼の一体から製造されるときよりも安価である。

ある実施例では、プラグはさらに、外側の第１のリムと内側の第２のリムとを有する環状のメンブランを有する。第１のリムは、円筒状ボディ部の外縁に溶接される。第２のリムは、移動ボディ部に溶接される。環状のメンブランは、円筒状ボディ部と移動ボディ部との間の封止を提供する。メンブランは、感知構造の移動部が円筒状のプラグボディ部の軸方向に摩擦なく移動することができることを保証し、かつ、感知構造を燃焼プロセスから生じる極端な温度から保護する。メンブランはまた、圧力感知エリアを規定する。

本特許出願で言及されるさまざまな態様は組み合わせることができ、また、分割特許出願のために各々が別個に考慮され得ることが明らかである。本発明のその他の特徴や利点は、本発明の好ましい実施例のさまざまな特徴を一例として例示した添付の図面と併せて以下の詳細な記載から明らかとなる。

これらのまたはその他の形態、性質および利点と本発明の詳細とは、図面を参照して、例示的な実施例の下記の詳細な記述に基づいて以下で説明される。図中の類似の参照番号は、類似のまたは同等の部分を表す。
図１は、本発明の第１の実施例に係る圧力測定プラグの断面図である。 図２は、図１で表された検知ボディ部および膜の斜視図である。 図３は、本発明の第２の実施例に係る圧力測定プラグの断面図である。

図の参照において、図１は本発明に従って成された、第１の実施例に係る改良された圧力測定プラグ１を例示する。プラグのネジ部から先端までの圧力測定プラグの一部のみが表されている。ネジ部からコネクタまでのプラグ部分は、本発明がその部分には関係していないので示されていない。同様に、プラグボディ内のＰＷＢ上に設けられるセンサの電子部品も示されていない。

図１に表された実施例の一例では、プラグボディ（本体）２は、ねじ付きボディ部２ａと、感知ボディ部２ｃと、封止ボディ部２ｂとを含み、それらは溶接によって機械的に互いに接続されている。封止ボディ部２ｂには封止円錐部２ｂ１が設けられ、封止ボディ部２ｂは、圧力測定プラグがシリンダーヘッドで燃焼圧力を密封するやり方で、燃焼チャンバ側に設けられる。ネジ付きボディ部２ａは、圧力測定プラグ１を、燃焼エンジン内の燃焼チャンバへの開口部へネジ止めするための外側のネジを含む。

感知ボディ部２ｃは、一体形成され、円筒状ボディ部２ｃ１と、感知構造４と、移動部２ｃ２とを含む。感知構造４は、ネジ付きボディ部２ａと直面する側で移動部２ｃ２を円筒状ボディ部２ｃ１に結合する。円筒状ボディ部２ｃ１の外側の直面する面は、プラグボディの外側の部分を形成する。ピエゾ抵抗素子１０は、感知ボディ部２ｃの感知構造４の環状の面４ａに取り付けられる。環状の面４ａは、シリンダーの軸６に対して垂直な平坦な面である。

感知構造４は、穴４ｂを含み、環状の面に中央の開口部を形成する。穴４ｂは、移動部２ｃの軸６と一致して配置される。感知ボディ部２ｃの軸対称６は、移動部２ｃ２のボディの軸および円筒状ボディ部２ｃ１のボディの軸に一致するということに留意すべきである。

感知ボディ部２ｃは、ネジ付きボディ部２ａの端部を受け取るように構成された環状の窪み２ｄを有する。ネジ付きボディ部の端部が環状の窪みに受け取られるとき、感知構造４は、ネジ付きボディ部２ａ内に位置決めされる。感知構造４とネジ付きボディ部２ａの内側との間の環状の空間は、測定プラグの測定特性を改善させる。

環状の窪み２ｄはさらに、円筒状ボディ部２ｃ１と感知構造４との間で感知ボディ部２ｃ内に分離（デカップリング）溝２ｅを提供する。この方法で、感知構造４と円筒状ボディ部２ｃ１との間の材料の剛性が低減される。これは、搭載する力に対する圧力測定プラグの感度を減少させる。２つの部分が溶接されたとき、冷却後に、ある応力が溶接領域内に発生する。この応力は、分離溝２ｅによって、および／または感知構造４を溶接領域から離れた場所に位置決めすることにより低減され得る。

図１から理解され得るのは、感知ボディ部２ｃの円筒状ボディ部２ｃ１は、ネジ付きボディ部および／または封止プラグボディ部の環状の壁の厚さよりも厚いということである。

感知ボディ部２ｃは、金属射出成形ＭＩＭ工程もしくは金属切断工程により作られることができる。ＭＩＭ工程は、製造コストを削減するには費用効率の高いプロセスであることが分かっている。

感知ボディ部は、プラグボディ２の封止ボディ部２ｂを受け取るための別の環状の窪み２ｆを含む。環状の窪み２ｆはさらに、感知ボディ部２ｃの外側の端部を形成するよう構成され、フレキシブルな環状の膜（メンブラン）１２を受け取る。環状の膜１２は、Ｓ字形状のメンブランであり、第１のリム１２ａと第２のリム１２ｂとを有する。第１のリム１２ａの輪郭は、第２のリム１２ｂの輪郭を取り囲む。第１のリム１２ａは、円筒状ボディ部２ｃの外縁に溶接される。第２のリム１２ｂは、移動ボディ部２ｃに溶接される。環状の膜１２は、円筒状ボディ部２ｃ１と移動ボディ部２ｃ２との間の封止を提供し、感知構造４を燃焼チャンバ内の過酷な環境から保護する。特に、感知構造上に搭載された感知素子１０を熱い燃焼ガスから保護する。膜１２はさらに、移動部の先端の半径方向の移動を減少させ、感知構造４の測定特性を改良させる。

図２は、図１で示された感知ボディ部２ｃと膜１２の斜視図を表す。感知ボディ部２ｃと膜１２との双方は、同心（同軸）の部分である。感知ボディ部２ｃを得るためにＭＩＭ工程を用いることによって、感知ボディ部２ｃの同心性を改善されることができる。

図中に表された圧力測定グロープラグは、以下の方法で動作する。燃焼圧力もしくはピストンの圧縮圧力の結果として、移動部２ｃ２は、感知ボディ部２ｃの円筒状ボディ部２ｃ１対して軸方向６に変位される。感知構造４の環状の面４ａは、変形して表面応力となる。面４ａに取り付けられた、ピエゾ抵抗センサ、ワイヤ歪みゲージ、もしくは類似の測定素子１０は、応力の大きさを感知し、センサ電子部品は、プラグに作用する圧力を表す値を決定する。

こうして、感知構造４は、移動部２ｃ２の軸方向の移動を半径方向の表面応力に変換する。移動部２ｃ２が対称の軸６に沿って軸方向に移動されたとき、感知構造４の環状の面に搭載されたピエゾ抵抗素子１０は、半径方向の表面歪みを表す抵抗変化を提供する。

膜１２は、好ましくは金属材料から構成され、例えば、半径方向の周辺の隅肉溶接または半径方向の周辺の全体（スルー）溶接によって、移動部２ｃ２およびボディ部２ｃ１に機械的に接続される。この接続は、レーザー溶接、クリンピング、スエージング、はんだ付け、圧入等によっても成し得ることができる。膜１２は、図１もしくは図３で示された、もしくはベローのような封止（図示しない）の形態であることができる。

図３は、本発明の第２の実施例に係る圧力測定プラグを示し、これは、図１および図２で表された第１の実施例との多くの共通点を有する。第１の実施例における中実の移動部２ｃ２は、細長いインターフェースボディ２ｃ２’に置き換えられ、当該スボディ２ｃ２’は、ロッドに位置決めするための長手方向の貫通孔８を含む。ロッドは、ダミーロッド、グローロッド、温度感知ロッド、スパークプラグであることができる。貫通孔８は、感知構造４の中央の穴４ｂの側で終了する。

第２の実施例は、プラグが完成される前、すなわち、加熱ロッド、温度測定ロッドもしくはダミーロッドが中空の移動部２ｃ２’に溶接される前に、圧力測定プラグのキャリンブレーション（校正）を可能にする。これにより、キャリブレーションされた圧力測定プラグのサブアッセンブリを製造することが可能となり、また、他の製造業者が要求されるロッドをサブアッセンブリに搭載することによってプラグを完成させることができ、すなわち、組み合わされた圧力測定／グロープラグ、組み合わされた圧力および温度測定プラグ、もしくはダミーロッドを有する圧力測定プラグを得ることが可能となる。細長いインターフェースボディへのロッドの搭載は、感知構造におけるオフセットや感度のシフトを引き起こさないので、余分のキャリブレーションは必要とされない。それゆえ、最終的なロッドをセンサへ溶接する前に、貫通孔８を閉じるための一時的な封止部材を用いることで圧力のキャリブレーションは容易に行うことができる。取り外し可能な封止部材が設けられたプラグは、圧力のキャリブレーションをすることができる。封止部材を取り除くことにより、キャリブレーションされた圧力測定プラグのサブアッセンブリが得られ、これは、第三者によって、最終的なロッドを細長いインターフェースボディ２ｃ２’の自由端に溶接することにより完成され、こうして、貫通孔８の必要な閉鎖が提供される。最終的なロッドの取り付けおよび完成されたプラグのエンジンへの搭載は、エンジン制御のためにプラグにより発生された圧力信号を使用する前に次のキャリブレーションが必要とされるような、プラグの圧力測定部分の特定に影響を及ぼさない。

細長いインターフェースボディ２ｃ２’は、２つもしくはそれ以上の部分から構成されることができ、それらは、レーザー溶接、クリンピング、スエージング、はんだ付け、圧入等の方法により機械的に接続されることに留意すべきである。この場合、感知ボディ部２ｃは、ボディ部２ｃ１と、感知構造４と、短い移動部とを含む。細長い中空のインターフェースボディは、図３で示された実施例と同等の特性を有する構造を得るために、むしろ、感知構造４から離れて直面する端部で短い中空の移動部に取り付けられる。

本発明によれば、燃焼圧力は、ロッドの外側表面に作用する。ロッドおよび膜１２に作用する圧力は、中空の管状移動部２ｃ２’により感知構造４へ伝えられ、このようにして、感知構造４に作用する力へと変換される。移動部２ｃ２’は、圧力変化により長手方向の軸６に沿って移動する。

ネジ付きボディ部２ａおよび封止部２ｂは、好ましくは、例えば、高い強度および硬度を有し、耐食性が高く熱処理が容易な析出硬化ステンレスのような、高抵抗のステンレス鋼から形成される。

感知ボディ部２ｃは、金属射出成形ＭＩＭ工程により製造されることができる。歪みゲージは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）工程により製造されたマイクロフューズドシリコン歪みゲージ（Microfused Silicon Stain Gauge）であることができ、また、感知構造４にガラス結合されることができる。膜１２は、好ましくは、非常に厳しい環境での使用に適した、酸化および腐食に耐性のある材料から形成される。インコネル合金は、そのような材料の例である。

本発明を実施するための以上で記述された方法は、当然、単独で、あるいは並行して、あるいは異なった組み合わせで、あるいは適切な場合はさらなる方法が追加されて、実施されることができる；この場合、実施は、装置が適用される分野に依存することが望ましい。本発明の特定の実施例が本発明の例示によって記載されたが、本発明は、あらゆる変更、および添付の特許請求の範囲内となる均等物を含むことが理解されるべきである。

Claims (11)

1. プラグボディ（２）と、感知構造（４）とを含む燃焼エンジンのための圧力測定プラグ（１）であって、プラグボディが、プラグボディ（２）を燃焼エンジンのシリンダーにネジ止めするための外側のネジを含むネジ付きプラグボディ部（２ａ）と、プラグ（１）の先端を形成し、かつプラグと燃焼エンジンとの間に封止を提供するよう構成された封止プラグボディ部（２ｂ）とを含む、圧力測定プラグにおいて、
   前記プラグボディはさらに、ネジ付きプラグボディ部（２ａ）と封止プラグボディ部（２ｂ）との間に位置決めされた感知ボディ部（２ｃ）を含み、
   感知ボディ部（２ｃ）は、一体形成であり、かつ円筒状ボディ部（２ｃ１）と、移動部（２ｃ２）と、感知構造（４）とを含み、
   感知構造（４）は、円筒状ボディ部（２ｃ１）と移動部（２ｃ２）との間の接続を形成し、かつ移動部（２ｃ２）が円筒状ボディ部（２ｃ１）のシリンダー軸（６）に沿って円筒状ボディ部（２ｃ１）に対して相対的に移動することを可能にする、圧力測定プラグ。
2. ピエゾ抵抗素子（１０）が感知構造（４）の環状の面（４ａ）に取り付けられ、環状の面（４ａ）は、シリンダー軸（６）に対して垂直な平坦な面である、請求項１に記載の圧力測定プラグ。
3. 感知構造（４）は、前記環状の面を形成するための穴（４ｂ）を含み、穴（４ｂ）は、移動部（２ｃ２）の線上に配置される、請求項２に記載の圧力測定プラグ。
4. 穴（４ｂ）は、シリンダー軸（６）に沿って、感知構造（４）および移動部（２ｃ２）を介して延在する貫通孔（８）である、請求項３に記載の圧力測定プラグ。
5. 感知ボディ部（２ｃ）は、ネジ付きボディ部（２ａ）の端部を受け取り、ネジ付きボディ部（２ａ）内に感知構造を位置決めし、かつ感知構造（４）とネジ付きボディ部（２ａ）との間に環状の空間を提供するように構成された環状の窪み（２ｄ）を含む、請求項１に記載の圧力測定プラグ。
6. 環状の窪み（２ｄ）はさらに、円筒状ボディ部（２ｃ１）と感知構造（４）との間の感知ボディ部（２ｃ）に分離溝（２ｅ）を提供する、請求項５に記載の圧力測定プラグ。
7. 感知ボディ部の円筒状ボディ部は、ネジ付きボディ部および／または封止プラグボディ部よりも厚い、請求項１に記載の圧力測定プラグ。
8. 感知ボディ部（２ｃ）は、シリンダー軸（６）に沿った同心の部材である、請求項１に記載の圧力測定プラグ。
9. 感知ボディ部（２ｃ）は、金属射出成型された部分である、請求項１に記載の圧力測定プラグ。
10. プラグはさらに、環状の膜（１２）を含み、環状の膜の第１のリムは、円筒状ボディ部（２ｃ１）の外縁に溶接され、第２のリムは、移動部（２ｃ２）に溶接されて円筒状ボディ部（２ｃ１）と移動部（２ｃ２）との間に封止を提供する、請求項１に記載の圧力測定プラグ。
11. 請求項１に記載の感知ボディ部（２ｃ）の技術的な特徴を含む圧力感知素子。
    

Images