JP6714698B2 - 内燃機関の圧力センサ用の抗共鳴キャビテーションかつ抗煤のエンドピース - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のエンジンブロックの燃焼室内に組み込まれる圧力センサの分野に関する。本発明はさらに、自動車のエンジンブロックに設けるのに適したエンドピースを備えたこのようなセンサに関する。

自動車の燃焼機関は、シリンダと、シリンダ内を摺動するピストンと、ピストンに面するシリンダヘッドとの間に形成される少なくとも１つの燃焼室を有している。このようなシリンダヘッドは、少なくとも１つの弁、およびガソリンエンジン用の少なくとも1つのスパークプラグ、またはディーゼルエンジン用のグロープラグを有する。エンジンのこのようなシリンダヘッドには、エンジン内の燃焼の進行をより良好に制御する目的で、各シリンダ内部の圧力値を検知するために圧力センサを設けることもできる。この情報は、各シリンダ内への燃料の噴射をより精密に制御するために使用される。したがって、エンジンの燃費を最適化することができ、汚染物質の排出を低減することができる。

国際公開第２０１０／０２６３１６号には、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等におけるシリンダヘッド内に組み込まれたこのような形式の圧力センサが記載されており、このセンサは、グロープラグやインジェクタ等に完全にまたは部分的に組み込むことができる。

さらに、シリンダヘッド内を穿孔してハウジングを設け、このハウジング内に圧力センサを挿入し、圧力センサを燃焼室へと接近させることが公知である。したがって、圧力センサは、小さな管状キャビティを通して燃焼室に連通している。このような管状キャビティは、振動する高調波音波の形成を促進する。このような音波は、管内の圧力波の伝搬に起因し、センサによる実際の圧力の読み出しを妨げる。特に、音波は管内を伝搬し、センサの測定素子に衝突することによって反射されて、その結果キャビテーション現象が生じる。これらの音波は、前述の測定素子への衝撃を通して、実際の燃焼圧に重畳し、測定にノイズを生じさせる。

さらに、エンジンの燃焼の化学反応は、一般に「煤」と呼ばれる様々な残留物を生成する。この煤は、燃焼の乱流によって伝播されて、燃焼室のあらゆる金属表面に堆積する恐れがあり、これはエンジンのカーボン付着につながる。したがって、煤は測定センサにも堆積し、特に燃焼室に面して位置するセンサの部分に堆積する。このような堆積物は、センサの測定特性を変化させる、または乱すクラストの生成を促す。特にこのようなクラストは硬質であるのでセンサの測定感度を変化させる。なぜならば、センサの感知素子は、クラストによって吸収される圧力の作用に対してあまりさらされないからである。

さらには、測定センサ上に黒色のクラストが存在することにより、センサのエンドピース上の燃焼温度の作用が変化し、これによりセンサ上で熱的じょう乱が生じ、変形、応力、歪み等が生じる。したがってセンサは燃焼サイクル中の熱衝撃および圧力変動に対してより敏感になり、このことは時間の経過と共に、センサの読み取り精度と耐用期間に影響を与える。

したがって、圧力測定センサにおける煤堆積および／または寄生音波の伝搬を阻止する必要がある。

本発明は、従来技術の欠点を解決することを課題としており、したがって、内燃機関用の圧力センサであって、
ダイヤフラムを有する圧力測定手段と、機関のシリンダヘッドに固定するための手段と、を含むボディと、
実質的にボディの軸方向の延長上に延びるエンドピースと、を有しており、
エンドピースは、細長い部分と、細長い部分の末端部に位置するほぼ半球状の凸部と、を有していることを特徴とする圧力センサに関する。

細長い部分、およびそれを延長した末端部は、エンドピースの基部に接続されており、これらが、エンジンシリンダの管状キャビティのポートと、圧力測定手段との間の直接の連通を少なくとも部分的に回避するようになっている。したがって、堆積および寄生音波が著しく減少する。

本発明による圧力センサのエンドピースの細長い部分は、好適には、円錐台の形状の部分を有している。

燃焼室内に進入するのに適したセンサの端部のこのような円錐台の形状は、エンドピースの細長い部分における傾斜に破断部を形成している。エンドピースの傾斜におけるこのような破断部は、シリンダヘッドの管状キャビティとエンドピースとの間に残っているスペースのジオメトリにおける破断部となり、これは不規則的な形状である。発明者らは、これによりキャビテーション現象を回避することを可能にし、最終的に燃焼室内の圧力の信頼できる読み出しが保証されることを実証した。

細長い部分の全体は好適には、円錐台の形状であって、エンドピースの凸部に向かって広がっている。したがって、エンドピースは、乳首形の構造を有していて、この文脈では突出部とも呼ぶことができるそのニップルは、基部よりも広幅の横断面を有している。エンドピースの突出部のこのような構造により、圧力波の流れを加速するベンチュリ効果を生じさせることができ、または流れを非層状にもすることができる。さらに、この構成はバリアとして機能し、センサのボディを熱的に絶縁するガスポケットを、シリンダヘッド内に形成され、エンドピースによって横断される管状キャビティ内に形成することを可能にする。結果として、このガスポケットが熱変動を均してレベルを揃えるので、センサは燃焼による熱勾配にさらされない。さらに、このようなガスポケットは、燃焼室のその他の部分から実質的に絶縁されており、したがって、管状キャビティによって占められる死容積は、エンジン運転を妨げず、エンジンのパフォーマンスに影響を与えない。

好適には、圧力センサのエンドピースの細長い部分は、その基部において直径１〜３ｍｍの横断面を有しており、その末端部において直径２〜６ｍｍの横断面を有しており、５〜９ｍｍの軸方向長さを有している。圧力センサのエンドピースの細長い部分は、有利には、圧力を受けるセンサ素子の直径に対して、直径で２０〜５０％小さい基部の横断面と、シリンダヘッドの管状キャビティの直径よりも、直径で最小で１ｍｍ小さい末端部の横断面と、シリンダヘッドの管状キャビティの残りの長さにおいて発生する振動する高調波音波の周波数がセンサの通過帯域外にあり、シリンダヘッドの管状キャビティの長さの最大でも１００％に等しいような最小軸方向長さと、を有し、これら全ては、１４°〜６０°の円錐台形部分の総合的な角度を得るために組み合わされる（ベンチュリ効果、非層状流）。

好適には、エンドピースの細長い部分は、センサのボディに少なくとも１つの柔軟な固定手段によって取り付けられている。したがって、柔軟な接続部によりボディに取り付けられたエンドピースの細長い部分は、動きの自由度を有していて、したがって、エンジンの燃焼サイクルの間にボディ上で振動することができる。このような振動は煤を排除し、煤が堆積するのを阻止する。したがって、圧力センサにはもはやカーボン付着は生じない。好適には、センサの様々な部分は、鋳造型を使用して、または機械加工により製作される。好適には、ボディとエンドピースとは溶接によって接合される。

エンドピースの少なくとも１つの部分は、好適には、弾性的に変形可能な材料から成っている。したがって、エンドピースは圧力センサのボディ上で振動することができ、カーボン付着は阻止される。エンドピースは好適にはステンレス鋼から成っており、好適にはヤング率が１５０〜２５０ＧＰａであり、５００ＭＰａを超える降伏点Ｒｐ０．２を有するステンレス鋼から成っている。

圧力センサのボディの圧力測定手段は、好適には、圧力作用下で変形するようになっているダイヤフラムを有している。

圧力センサのボディをエンジンのシリンダヘッドに固定する手段は、好適には、ねじ山を有している。

本発明はさらに、本発明による圧力センサ用のエンドピースであって、円錐台の形状の部分を有する細長い部分と、細長い部分の末端部に位置するほぼ半球状の凸部と、を有している、圧力センサ用のエンドピースに関する。好適には、エンドピースの細長い部分の全体が、円錐台の形状であって、エンドピースの凸部に向かって広がっている。好適には、細長い部分は、その基部において直径１〜３ｍｍの横断面を有しており、その末端部において直径２〜６ｍｍの横断面を有しており、５〜９ｍｍの軸方向長さを有している。

本発明はさらに、内燃機関のシリンダヘッドであって、一方では、ねじ山と管状キャビティとを備えた孔を有し、他方では、管状キャビティ内でエンドピースが起立するように、孔のねじ山によって固定された、本発明による圧力センサを有している、内燃機関のシリンダヘッドに関する。

本発明はさらに、自動車の内燃機関であって、本発明によるシリンダヘッドを有しており、シリンダヘッドの孔の管状キャビティは、内燃機関の燃焼室のポート内に開かれている、自動車の内燃機関に関する。

本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面に基づく以下の詳細な説明を考察することにより明らかとなろう。これらの例は限定的に示されるものではない。詳細な説明は添付の図面を参照しながら読まれたい。

従来技術による圧力センサを部分的に示す断面図である。 従来技術による圧力センサを部分的に示す断面図である。 本発明による圧力センサを部分的に示す断面図である。

従来技術により公知の内燃機関用の圧力センサは、燃焼機関のシリンダヘッド２内に形成された、図１に示した管状キャビティ１のような管形状のキャビティによって燃焼室に接続されている。従来技術によるこれらの圧力センサは、加えて、図２に示したような円筒形状のフィンガ３を有しており、このフィンガはこのような管状キャビティ１内に突入している。これらの圧力センサの圧力測定手段４は、この管状キャビティ１を通して燃焼に面するように配置されている。管状キャビティ１は、振動する高調波音波を発生させ、形成を促進し、かつ維持する。このような高調波音波は、その固有周波数が管の寸法に関係する正弦波である。これらの音波は管内で伝搬され、センサの測定素子に衝突することにより管状キャビティの壁で反射されて、キャビテーション現象を発生させる。したがって、これらの圧力センサは、ガスの燃焼により形成される圧力波に重畳するこれらの寄生音波を測定する。したがって、このような圧力波の読み出しは信頼できない。

図３には、内燃機関のシリンダヘッド２に取り付けられた本発明による圧力センサ５が示されている。この圧力センサ５はエンジンのシリンダヘッドの管状キャビティ１のポート内で延在するエンドピース６を有している。

図３に示した態様によれば、圧力センサ５のエンドピース６は細長い部分７から成っており、この部分はその基部から末端部へ向かって広がっていて、エンドピースの凸部８によって延長されている。この意味では、エンドピース６のこの部分は、広がった細長い部分７と、実質的に半球状の凸部８とから成る突出部を成している。凸部の構造は乳首のニップルの形状に類似している。エンドピースのこのようなジオメトリにより、キャビテーション現象は回避され、好適にはベンチュリ効果が得られる。したがって、燃焼サイクル中に発生する圧力波の信頼できる読み出しを圧力センサ５によって行うことができる。センサ５はシリンダヘッド２上に円錐状の接触部によって支持されており、エンドピース６の角度は、シールを保証するためにシリンダヘッドの角度に対して平均で３°だけ開いている。

特に好適な態様では、エンドピース６の細長い部分７は、その基部において直径２ｍｍの横断面を有しており、その末端部において直径４ｍｍの横断面を有しており、７ｍｍの軸方向長さを有している。

さらに、エンドピース６のこのような構成はバリアとして機能し、圧力センサ５のエンドピース６の細長い部分７の基部を熱的に絶縁するガスポケットを、管状キャビティ１内に形成することを可能にする。結果として、このガスポケットが熱変動を均してレベルを揃えるので、圧力センサ５は燃焼による熱勾配にさらされない。エンドピース６の細長い部分７の熱慣性も、温度変化による影響の低減に関与する。さらに、このようなガスポケットは、燃焼室のその他の部分から実質的に絶縁されており、したがって、管状キャビティ１によって占められる死容積は、エンジン運転を妨げず、エンジンのパフォーマンスに影響を与えない。

圧力センサ５は、図３に一部が示されているボディ９を有していて、このボディ９は、シリンダヘッドに螺合するために、その外側シェルに形成されたねじ山を有している。センサ５の圧力測定手段４はボディ９上に位置しており、圧力作用下で変形して、圧力の測定を可能にするようになっているダイヤフラム１０を有している。上述したようなエンドピース６の構成により、ダイヤフラム１０は熱変動に対して保護されている。

センサのエンドピース６は、柔軟な固定手段を介してセンサのボディ９上に取り付けられている。この柔軟な固定手段は動きの自由度をセンサのエンドピース６に与え、エンドピース６は燃焼サイクルの間にエンジンによって発生された振動に応答して振動し始めることができる。このような振動は、煤の堆積を阻止し、センサ５上に既に形成された残留堆積物を排除することを可能にする。したがって、圧力の読み取りに影響を与える煤の蓄積が回避されるので、好適には圧力センサ５の読み出しは信頼できるものとなる。

Claims (10)

1. 内燃機関用の圧力センサ（５）であって、
   ダイヤフラム（１０）を有する圧力測定手段（４）と、前記内燃機関のシリンダヘッドに固定するための手段と、を含むボディ（９）と、
   実質的に前記ボディの軸方向の延長上に延びるエンドピース（６）と、を備える内燃機関用の圧力センサ（５）において、
   前記エンドピース（６）が、細長い部分（７）と、該細長い部分の末端部に位置するほぼ半球状の凸部（８）と、を有しており、
   前記センサは、前記エンドピース（６）の前記細長い部分（７）の全体が、円錐台の形状であって、前記エンドピースの前記凸部（８）に向かって広がっていることを特徴とする、内燃機関用の圧力センサ（５）。
2. 前記細長い部分（７）は、その基部において直径１〜３ｍｍの横断面を有しており、その末端部において直径２〜６ｍｍの横断面を有しており、５〜９ｍｍの軸方向長さを有している、請求項１記載の圧力センサ（５）。
3. 前記エンドピース（６）の前記細長い部分（７）は、前記センサの前記ボディ（９）に少なくとも１つの可撓性の固定手段によって取り付けられている、請求項１または２記載の圧力センサ（５）。
4. 前記ボディ（９）と前記エンドピース（６）とは溶接によって接合されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力センサ（５）。
5. 前記エンドピース（６）の少なくとも一部は、弾性的に変形可能な材料から成っている、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧力センサ（５）。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力センサ用のエンドピース（６）であって、円錐台の形状の部分を有する細長い部分（７）と、前記細長い部分の末端部に位置するほぼ半球状の凸部（８）と、を有している、圧力センサ用のエンドピース（６）。
7. 前記エンドピースの前記細長い部分（７）の全体が、円錐台の形状であって、前記エンドピースの前記凸部（８）に向かって広がっている、請求項６記載の圧力センサ用のエンドピース（６）。
8. 前記細長い部分（７）は、その基部において直径１〜３ｍｍの横断面を有しており、その末端部において直径２〜６ｍｍの横断面を有しており、５〜９ｍｍの軸方向長さを有している、請求項７記載のエンドピース（６）。
9. 内燃機関のシリンダヘッド（２）であって、一方では、ねじ山と管状キャビティ（１）とを備えた孔を有しており、他方では、前記管状キャビティ（１）内に前記エンドピース（６）が起立するように、前記孔の前記ねじ山によって固定された、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力センサ（５）を有している、内燃機関のシリンダヘッド（２）。
10. 自動車の内燃機関であって、請求項９記載のシリンダヘッド（２）を有しており、前記シリンダヘッド（２）の前記孔の前記管状キャビティ（１）は、前記機関の燃焼室のポートに開かれている、自動車の内燃機関。

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