JP6404776B2 - 燃焼圧センサ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の気筒の内外を貫通する貫通孔に配置され、気筒の内部の圧力を検出する燃焼圧センサに関する。

内燃機関の気筒の内部の圧力を検出する機器として、下記特許文献１に記載された筒内圧検出装置が知られている。当該機器は、燃焼圧センサとも称され、気筒の内外を貫通する貫通孔（センサ装着穴）に配置されている。

当該燃焼圧センサは、貫通孔の内部であって気筒の内部側の端部に、ダイアフラムを有している。ダイアフラムは金属材料で形成されており、貫通孔を覆うとともに、気筒の内部の雰囲気に曝されるように設けられている。気筒の内部において燃料の燃焼が繰り返し行われ、その圧力（燃焼圧）が変動すると、ダイアフラムはこの燃焼圧の変動に伴って変位する。気筒の内部からダイアフラムに作用する力を、ダイアフラムと隣り合うように設けられる圧力伝達部材（ロッド、半球）を介して検出素子（圧縮荷重検出素子）に伝達させることで、燃焼圧の測定が可能となる。

特開２０１０−２４９６７５号公報

上記特許文献１に記載された燃焼圧センサのように、ダイアフラムを用いて燃焼圧を測定する構成においては、ダイアフラムの耐久性と検出精度との両立が課題となる。

この課題について詳述すると、まず、ダイアフラムは、燃焼圧の変動に応じて変位を生じさせるように、弾性を有する金属材料によって薄肉状に形成される。一方で、気筒の内部の高温高圧の燃焼ガスに曝されるため、ダイアフラムには耐熱性と耐圧性が要求される。耐熱性と耐圧性とが高い金属材料を選定しようとすると、それに応じて剛性も高くなりやすい（弾性が小さくなり易い）傾向がある。このため、ダイアフラムを高温高圧に耐え得るものにしようとすると、燃焼圧の変動に基づく変位の量が不十分となり、燃焼圧の検出精度が低下するというおそれがあった。

また、上記特許文献１に記載された燃焼圧センサでは、その構成部品の多くが貫通孔の内部に配置されている。気筒の内部では燃料の燃焼（爆発）が行われることから、気筒の内外を貫通する貫通孔を大型化することは困難である。このため、小さい貫通孔の内部に多数の構成部品を配置する必要があり、燃焼圧センサの設計の自由度が低いものになるという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、耐久性と検出精度とを両立させるとともに、設計の自由度を向上させることが可能な燃焼圧センサを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃焼圧センサは、内燃機関（１０）の気筒（１１）の内外を貫通する貫通孔（１３）に配置され、前記気筒の内部（１２）の圧力を検出する燃焼圧センサ（１００，１００Ａ）であって、前記貫通孔の内部に配置され、一端部（２２）が前記気筒の内部の雰囲気に曝され、他端部（２３）が前記気筒の外部に配置された圧力伝達部材（２０，２０Ａ）と、前記気筒の外部に配置され、前記圧力伝達部材の他端部を固定する固定部材（３０）と、取付対象の変形に応じて電気的特性が変化する検出素子（４０）と、を備える。前記検出素子は、前記固定部材のうち前記圧力伝達部材の変位に基づいて変形する部分に取り付けられている。

本発明では、検出素子は、固定部材のうち圧力伝達部材の変位に基づいて変形する部分に取り付けられている。そして、固定部材は、気筒の外部に配置されている。すなわち、本発明によれば、気筒の内部の圧力の変動に基づいて変形する部位を気筒の外部に設けることで、当該変形部位が高温高圧の燃焼ガスに曝されることがないため、耐久性と検出精度とを両立させることが可能となる。また、固定部材を気筒の外部に配置したことによって、貫通孔の内部に配置した場合と比べて、設計の自由度を向上させることが可能となる。

本発明によれば、耐久性と検出精度とを両立させるとともに、設計の自由度を向上させることが可能な燃焼圧センサを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る燃焼圧センサを示す断面図である。 図１のクランプ部材及び検出素子を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る燃焼圧センサを示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

まず、図１及び図２を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る燃焼圧センサ１００について説明する。

図１に示されるように、燃焼圧センサ１００は、内燃機関１０の気筒１１に設けられる。内燃機関１０の気筒１１には、気筒１１の内外を貫通する貫通孔１３が形成されている。貫通孔１３は、軸線ＡＬを中心軸とする円柱形状を呈しており、気筒１１の内部に形成された燃焼室１２と、気筒１１の外部とを連通している。

尚、本第１実施形態では、内燃機関１０としてガソリンを燃料とするガソリンエンジンを想定しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、軽油を燃料とするディーゼルエンジン等にも適用可能である。

また、図１では１つの気筒１１及び燃焼圧センサ１００を図示しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、内燃機関１０が複数の気筒１１を有している場合、各気筒１１に１つずつ燃焼圧センサ１００を適用することも可能である。

燃焼圧センサ１００は、その一部が貫通孔１３の内部に配置されている。燃焼圧センサ１００は、圧力伝達部材２０と、クランプ部材３０と、検出素子４０と、を有している。

圧力伝達部材２０は、金属材料によって形成された部材であり、その大部分が気筒１１の貫通孔１３の内部に配置されている。圧力伝達部材２０は、軸部２１と、受圧部２２と、頭部２３と、を有している。

軸部２１は、円柱形状を呈しており、貫通孔１３の内部に配置されている。軸部２１は、その中心軸が貫通孔１３の中心軸である軸線ＡＬと一致するとともに、軸部２１の外側面と貫通孔１３の内側面との間に若干の隙間が形成されるように、貫通孔１３の内部に配置されている。

受圧部２２は、軸部２１の燃焼室１２側の一端部である。受圧部２２は、気筒１１の内壁面と略面一となるとともに、燃焼室１２の雰囲気に曝されるように配置されている。

頭部２３は、軸部２１の他端部に形成されている。頭部２３は、気筒１１の外部に配置されており、その外形が軸部２１及び貫通孔１３よりも大きく形成されている。

また、圧力伝達部材２０の軸部２１のうち、燃焼室１２寄りの一部には、燃焼室１２側に向かって径が漸次小さくなるテーパ部２４が形成されている。このテーパ部２４の外側面には、シール部材６１が設けられている。シール部材６１は、テーパ部２４の外側面と貫通孔１３の内側面との間を気密としながらも、貫通孔１３の内側面に対し摺動可能となっている。

また、圧力伝達部材２０の頭部２３と、気筒１１の外側面１１Ｓとの間には、ガスケット６２が設けられている。ガスケット６２は、弾性を有する金属材料で形成された部材であり、弾性変形させた状態で頭部２３と外側面１１Ｓとの間に設けられている。これにより、ガスケット６２は、頭部２３に対して気筒１１の外方に力を作用させている。

クランプ部材３０は、弾性を有する金属材料によって形成された部材である。クランプ部材３０は、気筒１１の外部に配置されている。また、クランプ部材３０は、台座部３１と、腕部３３と、作用部３５と、頭部固定部３７Ｒ，３７Ｌと、を有している。

台座部３１は、板状を呈する部分であり、その厚さ方向に貫通する固定孔３２が形成されている。台座部３１は、その固定孔３２に、雄螺子６４を有する固定ボルト６３が挿通されている。一方、気筒１１の外側面１１Ｓには、雌螺子１６を有する固定孔１５が形成されている。台座部３１は、固定ボルト６３の雄螺子６４と固定孔１５の雌螺子１６とが螺合することによって、気筒１１の外側面１１Ｓと当接して固定されている。

腕部３３は、台座部３１と一体的に形成されるとともに、台座部３１から気筒１１の外方に向かって延びるように形成された部分である。また、腕部３３は、圧力伝達部材２０の側方から上方に回り込むように曲折形成された被取付部３４を有している。図２に示されるように、被取付部３４には貫通する穴３６，３６が形成されている。また、被取付部３４は、その厚さ寸法ｔ４が、台座部３１の厚さ寸法ｔ１と比べて小さくなるように形成されている。

作用部３５は、腕部３３と一体的に形成された部分であり、その厚さ寸法ｔ５が、被取付部３４の厚さ寸法ｔ４と比べて大きくなるように形成されている。図１に示されるように、台座部３１が気筒１１の外側面１１Ｓと当接して固定された状態において、作用部３５は、圧力伝達部材２０の頭部２３と当接するように配置されている。これにより、作用部３５には、その当接部分３５１に、頭部２３から矢印Ｆ１で示される方向（気筒１１の外方に向かう方向）に力が作用する。また、作用部３５は、その反力として、矢印Ｆ２で示される方向（気筒１１の内方に向かう方向）の力を頭部２３に作用させる。前述した腕部３３の被取付部３４は、気筒１１の外側面１１Ｓに沿う方向において、当接部分３５１から距離Ｌ１だけオフセットした位置に配置されている。

頭部固定部３７Ｒ，３７Ｌは、図２に示されるように、台座部３１から互いに略対称に突出するように形成されている。頭部固定部３７Ｒ，３７Ｌは、台座部３１が気筒１１の外側面１１Ｓと当接して固定された状態において、それらの間に圧力伝達部材２０の頭部２３が配置されるように形成されている。この状態において、頭部固定部３７Ｒ，３７Ｌは、頭部２３を挟み込むように、その外側面と当接している。これにより、頭部固定部３７Ｒ，３７Ｌは、頭部２３が軸線ＡＬに沿う方向に移動することは妨げないものの、その移動の際にガタつくことがないように、気筒１１の外側面１１Ｓに沿う方向への頭部２３の移動を規制している。

検出素子４０は、クランプ部材３０の腕部３３に取り付けられている。詳細には、検出素子４０は、曲折形成された被取付部３４の外側面のうち外周側の部分に、接着することで取り付けられている。図２に示されるように、検出素子４０は、被取付部３４を貫通する穴３６，３６の間に配置され、この被取付部３４とともに変形するように取り付けられている。

検出素子４０は、所謂歪ゲージであって、取付対象の変形に伴って電気抵抗値が変化するように構成されている。すなわち、クランプ部材３０の被取付部３４が変形すると、それに伴って検出素子４０も変形し、その電気抵抗値が変化するように構成されている。具体的には、例えば検出素子４０に圧縮力が作用し、その外形が小さくなるように変形すると、それに伴って電気抵抗値が小さくなるように構成されている。

クランプ部材３０には、ケース５１が固定されている。ケース５１は、その一端部がクランプ部材３０の台座部３１及び腕部３３と接するように固定されている。また、このケース５１の他端部には、コネクタ５２が取り付けられている。コネクタ５２は、ケース５１の他端部と係合するように取り付けられている。すなわち、コネクタ５２は、ケース５１を介してクランプ部材３０に対して固定されている。

コネクタ５２は、検出素子４０と配線５４によって電気的に接続された信号処理回路５３を有している。また、コネクタ５２は、この信号処理回路５３と通信を行うための信号線５５を有している。

次に、以上のように構成された燃焼圧センサ１００による燃焼室１２の圧力（燃焼圧）の検出について説明する。

気筒１１の内部の燃焼室１２では、所謂吸気行程、圧縮行程、燃焼行程及び排気行程が繰り返し実行される。行程の移行に伴い、燃焼室１２の燃焼圧も変動する。すなわち、吸気行程や排気行程では燃焼圧が比較的小さくなる一方で、圧縮行程や燃焼行程では燃焼圧が比較的大きくなる。

この燃焼圧は、燃焼室１２の雰囲気に曝されている圧力伝達部材２０の受圧部２２に作用する。このため、圧力伝達部材２０は、燃焼圧の大きさに応じて、貫通孔１３の内部で軸線ＡＬに沿って移動（変位）する。すなわち、燃焼圧が比較的小さい場合は、圧力伝達部材２０は燃焼室１２寄りに位置する一方で、燃焼圧が比較的大きい場合は、圧力伝達部材２０は気筒１１の外方寄りに位置することになる。

燃焼圧の変動に伴って圧力伝達部材２０が変位すると、クランプ部材３０がその当接部分３５１において受ける力も変動する。すなわち、燃焼圧が増加し、圧力伝達部材２０が貫通孔１３の内部で気筒１１の外方寄りに変位すると、当接部分３５１が図１に矢印Ｆ１で示される方向に受ける力が増加する。これにより、クランプ部材３０が圧力伝達部材２０から受ける力も増加する。

圧力伝達部材２０から力を受けると、クランプ部材３０にはその力の大きさに応じた変形が生じる。前述したように、クランプ部材３０の被取付部３４は曲折形成されている。また、被取付部３４は、その厚さ寸法ｔ４が、台座部３１の厚さ寸法ｔ１や、作用部３５の厚さ寸法ｔ５と比べて小さくなるように形成されている。さらに、穴３６，３６が形成されていることから、被取付部３４の断面積は、台座部３１や作用部３５の断面積と比べて小さい。

これにより、被取付部３４に応力集中が生じ、その結果、被取付部３４の変形量は、台座部３１や作用部３５の変形量よりも大きくなる。燃焼圧が増加し、圧力伝達部材２０が貫通孔１３の内部で気筒１１の外方寄りに変位すると、当接部分３５１において受ける力が増加し、被取付部３４の断面に生じる応力も増加する。

被取付部３４が応力集中によって変形すると、被取付部３４に取り付けられている検出素子４０にも変形が生じる。詳細には、燃焼圧が増加し、圧力伝達部材２０が貫通孔１３の内部で気筒１１の外方寄りに変位すると、検出素子４０は被取付部３４とともに圧縮される。検出素子４０が、その外形が小さくなるように変形すると、それに伴って検出素子４０の電気抵抗が小さくなる。

コネクタ５２が有する信号処理回路５３は、この検出素子４０に対して信号を送信するとともに、検出素子４０から戻ってきた信号を受信する。信号処理回路５３は、この送受信した信号に基づいて所定の処理を行うことで、検出素子４０の電気抵抗値を検出する。

また、信号処理回路５３は、検出した電気抵抗値に対応する信号を生成し、信号線５５を介して、内燃機関１０を制御する電子制御装置（不図示）に送信する。当該信号を受信した電子制御装置は、検出素子４０の電気抵抗値に基づいて燃焼圧を取得することで、燃焼圧を内燃機関１０の制御に反映させることが可能となる。

以上のように、燃焼圧センサ１００では、検出素子４０は、クランプ部材３０のうち圧力伝達部材２０の変位に基づいて変形する部分（被取付部３４）に取り付けられている。そして、クランプ部材３０は、気筒１１の外部に配置されている。

すなわち、燃焼圧センサ１００によれば、気筒１１の内部の圧力の変動に基づいて変形する部位を気筒１１の外部に設けることで、当該変形部位が高温高圧の燃焼ガスに曝されることがないため、耐久性と検出精度とを両立させることが可能となる。また、クランプ部材３０を気筒１１の外部に配置したことによって、貫通孔１３の内部に配置した場合と比べて、設計の自由度を向上させることが可能となる。

また、燃焼圧センサ１００では、クランプ部材３０は、気筒１１の外側面１１Ｓに対して固定される台座部３１と、圧力伝達部材２０の頭部２３と当接して相互に力を作用させる作用部３５と、検出素子４０が取り付けられる被取付部３４と、を有する。また、燃焼圧センサ１００は、圧力伝達部材２０の変位に基づく被取付部３４の変形量が、台座部３１及び作用部３５の変形量よりも大きくなるように形成されている。

これにより、燃焼圧センサ１００では、台座部３１及び作用部３５の剛性を高めることで、気筒１１の外側面１１Ｓに対する固定及び圧力伝達部材２０の頭部２３との力の作用を確実に行うことができる。さらに、作用部３５に作用する力によって被取付部３４を十分に変形させて、燃焼圧の変動を検出素子４０によって確実に検出することが可能となる。

また、燃焼圧センサ１００では、被取付部３４は、台座部３１と作用部３５との間に設けられ、曲折形成されている。これにより、作用部３５が圧力伝達部材２０から力を受けることで、曲折形成された被取付部３４に応力集中が生じる。これにより、被取付部３４が大きく変形するため、燃焼圧の変動を検出素子４０によって更に確実に検出することが可能となる。

また、燃焼圧センサ１００では、被取付部３４は、圧力伝達部材２０の頭部２３と作用部３５との当接部分３５１からオフセットして配置されている。これにより、クランプ部材３０の当接部分３５１に力が作用すると、被取付部３４にモーメントが作用し、被取付部３４に生じる応力を大きくすることが可能となる。したがって、圧力伝達部材２０の変位に基づいて被取付部３４が大きく変形するため、燃焼圧の変動を検出素子４０によって更に確実に検出することが可能となる。

また、燃焼圧センサ１００では、被取付部３４は、台座部３１及び前記作用部３５と比べて断面積が小さくなるように形成されている。これにより、圧力伝達部材２０の変位に基づいて被取付部３４に応力集中が生じ、被取付部３４が大きく変形するため、燃焼圧の変動を検出素子４０によって更に確実に検出することが可能となる。

ここで、圧力伝達部材２０は、貫通孔１３の内部において軸線ＡＬを中心として回転し、その向きが変化することがある。例えば、検出素子４０を圧力伝達部材２０に取り付けた場合、検出素子４０との電気的な接続作業を行う際に、圧力伝達部材２０の向きを考慮する必要が生じ得る。

これに対し、燃焼圧センサ１００では、検出素子４０と電気的に接続される信号処理回路５３を有するコネクタ５２を備えており、このコネクタ５２は、クランプ部材３０に対して固定される。このような構成とすることによって、圧力伝達部材２０の向きを考慮することなく、検出素子４０と信号処理回路５３とを電気的に接続することが可能となる。すなわち、検出素子４０と信号処理回路５３との接続作業を容易なものにすることが可能となる。

次に、図３を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る燃焼圧センサ１００Ａについて説明する。

燃焼圧センサ１００Ａは、その圧力伝達部材２０Ａ及びその周辺の構成が第１実施形態と異なるが、他の構成については概ね第１実施形態と共通している。したがって、以下の説明では、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を適宜省略する。

図３に示されるように、第２実施形態では、気筒１１の貫通孔１３の内側面のうち燃焼室１２側の端部に、雌螺子部１４が形成されている。また、燃焼圧センサ１００Ａの圧力伝達部材２０Ａの軸部２１の外側面のうち、受圧部２２側の一端部には、雄螺子部２５が形成されている。この圧力伝達部材２０Ａの雄螺子部２５と、貫通孔１３の雌螺子部１４とが螺合することにより、貫通孔１３に対する圧力伝達部材２０Ａの位置決めがなされている。

燃焼室１２において燃料の燃焼が行われると、圧力伝達部材２０Ａの受圧部２２に燃焼圧が作用する。圧力伝達部材２０Ａは、燃焼圧の大きさに応じて、軸線ＡＬに沿って変位する。このときの圧力伝達部材２０Ａの変位量は、雌螺子部１４と雄螺子部２５との間に形成される隙間（ガタ）の範囲内となる。

燃焼圧の変動に伴って圧力伝達部材２０Ａが変位すると、クランプ部材３０がその当接部分３５１において受ける力も変動する。すなわち、燃焼圧が増加し、圧力伝達部材２０Ａが貫通孔１３の内部で気筒１１の外方寄りに変位すると、当接部分３５１が図３に矢印Ｆ３で示される方向に受ける力が増加する。これにより、クランプ部材３０が圧力伝達部材２０Ａから受ける力も増加する。また、クランプ部材３０の作用部３５は、その反力として、矢印Ｆ４で示される方向（気筒１１の内方に向かう方向）の力を頭部２３に作用させる。

クランプ部材３０が圧力伝達部材２０Ａから受ける力が増加すると、前述した第１実施形態同様に、クランプ部材３０の被取付部３４に取り付けられている検出素子４０にも変形が生じる。そして、この検出素子４０の電気抵抗値に基づいて、燃焼圧を取得することが可能となる。

以上のように、燃焼圧センサ１００Ａでは、圧力伝達部材２０Ａは、その外側面に雄螺子部２５が形成されている。また、圧力伝達部材２０Ａは、貫通孔１３の内側面に形成された雌螺子部１４と螺合することで貫通孔１３の内部に配置されている。これにより、圧力伝達部材２０Ａの外側面と貫通孔１３の内側面との間を気密とすることが可能となる。

燃料の燃焼に伴って燃焼室１２で異物（デポジット）が発生し、この異物が圧力伝達部材２０Ａの外側面と貫通孔１３の内側面との間に侵入すると、圧力伝達部材２０Ａの円滑な変位が阻害されるおそれがある。本第２実施形態のように気密とすることで、当該異物の侵入を抑制し、圧力伝達部材２０Ａが貫通孔１３の内部で円滑に変位できる状態を維持し、気筒１１の内部の圧力の検出精度を向上させることが可能となる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１０：内燃機関
１１：気筒
１１Ｓ：外側面
１２：燃焼室（気筒の内部）
１３：貫通孔
１４：雌螺子部
２０，２０Ａ：圧力伝達部材
２２：受圧部（圧力伝達部材の一端部）
２３：頭部（圧力伝達部材の他端部）
２５：雄螺子部
３０：クランプ部材（固定部材）
３１：台座部
３４：被取付部
３５：作用部
３６：穴
４０：検出素子
５２：コネクタ
５３：信号処理回路
５４：配線
１００，１００Ａ：燃焼圧センサ
ＡＬ：軸線

Claims (7)

1. 内燃機関（１０）の気筒（１１）の内外を貫通する貫通孔（１３）に配置され、前記気筒の内部（１２）の圧力を検出する燃焼圧センサ（１００，１００Ａ）であって、
   前記貫通孔の内部に配置され、一端部（２２）が前記気筒の内部の雰囲気に曝され、他端部（２３）が前記気筒の外部に配置された圧力伝達部材（２０，２０Ａ）と、
   前記気筒の外部に配置され、前記圧力伝達部材の他端部を固定する固定部材（３０）と、
   取付対象の変形に応じて電気的特性が変化する検出素子（４０）と、を備え、
   前記検出素子は、前記固定部材のうち前記圧力伝達部材の変位に基づいて変形する部分に取り付けられていることを特徴とする燃焼圧センサ。
2. 前記固定部材は、前記気筒の外側面（１１Ｓ）に対して固定される台座部（３１）と、前記圧力伝達部材の他端部と当接して相互に力を作用させる作用部（３５）と、前記検出素子が取り付けられる被取付部（３４）と、を有し、前記圧力伝達部材の変位に基づく前記被取付部の変形量が、前記台座部及び前記作用部の変形量よりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧センサ。
3. 前記被取付部は、前記台座部と前記作用部との間に設けられ、曲折形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃焼圧センサ。
4. 前記被取付部は、前記圧力伝達部材の他端部と前記作用部との当接部分からオフセットして配置されていることを特徴とする請求項３に記載の燃焼圧センサ。
5. 前記被取付部は、前記台座部及び前記作用部と比べて断面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃焼圧センサ。
6. 前記圧力伝達部材（２０Ａ）は、その外側面に雄螺子部（２５）が形成され、前記貫通孔の内側面に形成された雌螺子部（１４）と螺合することで前記貫通孔の内部に配置されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の燃焼圧センサ。
7. 前記検出素子と電気的に接続される信号処理回路（５３）を有するコネクタ（５２）を備え、
   前記コネクタは、前記固定部材に対して固定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃焼圧センサ。

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