JP6845731B2 - 圧力検出装置 - Google Patents

Description

内燃機関の燃焼室内の燃焼圧を検知する圧力検出装置であって、特に、燃焼室内に臨む挿入孔に挿入配置される圧力検出装置の燃焼ガスシール構造に関する。

従来の圧力検出装置は、燃焼室の壁に設けられた挿入孔に挿入される円筒形状の前端部を有し、その前端部は、燃焼圧を検知するセンサ部と、圧力検出装置と挿入孔の隙間から燃焼ガスが漏れるのを防止するガスシール部で形成されている。センサ部は、ダイヤフラムと圧電素子からなり、燃焼圧によるダイヤフラムの変位を圧電素子に伝達し、圧電素子で電気信号に変換し出力する。ガスシール部は、円筒状前端部の外周に沿ってリング状に形成された溝と、その溝に嵌め合わされて前端部の径方向に突出するリング状のシール部材で形成され、そのシール部材を挿入孔の内壁面に圧接させて、燃焼ガスのシールを行うものである。

ダイヤフラムを圧力検出装置の前端部の最先端に配置して、高精度の圧力計測を可能とし、ガスシール部を最先端のダイヤフラムの直ぐ近くに形成して、前端部の加熱を防ぎ、燃焼ガスの漏れを防止する構成とし、そして更に、このガスシール部を二重に配置し、燃焼ガス漏れをより確実に防止する例が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、他の従来技術として、特許文献１と同様に、圧力検出装置のガスシール部を前端部の円筒外周に形成したリング状の溝とシール部材で形成し、その溝において、溝の両側面のうち燃焼室とは反対側に位置する側面が、溝の底面から開口側に向かって燃焼室より離れる方向に傾いたテーパ面で形成されている。従って、燃焼室で燃焼ガス圧力が発生すると、溝に嵌め合わされたシール部材が圧力によって押され、挿入孔の内壁面と溝のテーパ面に倣ってクサビ状に潰れ変形し、シールを確実にする例が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００８−１９１０５９号公報（第７頁、図７） 特許第５６２５３６６号公報（第１１頁、図２）

しかしながら、特許文献１に示す従来の圧力検出装置のガスシールは、燃焼室の挿入孔内壁と断面矩形状の溝との間で断面円形のシール部材を圧接してシールする構造であり、シール部材と溝部が直接接触するシール箇所の接触面は小さく、圧力検出装置と挿入孔との間のシール性が不安定であり確実性に欠けるという欠点を有している。特に−４０℃程の極低温環境下にあっては、シール箇所の不安定さに加え、内燃機関の燃焼室壁と圧力検出装置との熱膨張率や熱伝導率の相違とにより燃焼ガスの漏れが発生しやすい。

さらに、特許文献１に示す従来の圧力検出装置はシールを二重に形成しているが、ガスシール部は同じ構造のシール部材と溝で形成されたガスシール部であるから、同じ傾向の欠点を有し、一方が極低温環境下でシール漏れを起こすと、他方でも発生しやすく、折角二重に構成してあっても燃焼ガスの漏れが発生しやすい。

次に、特許文献２に示した従来技術を、図５を用いて説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、特許文献２に示した従来技術を本願の理解をしやすくするために、発明の趣旨を逸脱しない範囲で修正した圧力検出装置の前端部の部分拡大断面図である。

図５（ａ）に示すように、圧力検出装置２００の前端部２１１は燃焼室壁３００の挿入孔３２１に挿入される。圧力検出装置２００の前端部２１１は、ダイヤフラム２１３と圧電素子２１４そして電極２１５からなるセンサ部と、前端部２１１の円筒状外周にリング状に形成された溝２４０、及び溝２４０に嵌め込まれ、断面矩形状のリング状シール部材２１２からなるガスシール部とを備えている。

溝２４０の断面形状は、台形形状であって、溝の底面２４１と溝の側面２４２，２４３からなり、燃焼室２０に近い側の側面２４３は前端部２１１の円筒中心軸Ｚに垂直な面で形成され、他方の側面２４２は、底面２４１から開口部側に燃焼室２０より離れる方向に開いたテーパ面で形成されている。

圧力検出装置２００の内燃機関への装着直後のガスシール部は、溝２４０に嵌め込まれたシール部材２１２が底面２４１と側面２４３、そして、挿入孔３２１の内壁３２２とにより圧接され、燃焼ガスをシールする。そして、内燃機関が駆動されると、燃焼室２０内の燃焼圧によって矢印Ｄに示すようにシール部材２１２が燃焼室２０側より圧力を受ける。

その結果、図５（ｂ）に示すように、シール部材２１２は、側面２４２のテーパ形状に倣って潰れてクサビ状に変形し、挿入孔の内壁３２２と強く密着しシール性がより強く確保される。従って、極低温等の環境化においても、燃焼ガスの漏れを確実に防止することが可能となる。

しかしながら、シール部材２１２が高圧の燃焼圧でテーパ状の側面２４２にならって潰れると、側面２４３とシール部材２１２の間に空隙部２５０が形成されることとなる。そして、この空隙部２５０には、矢印Ｅで示すように、高温高圧の燃焼ガスが侵入する。

空隙部２５０の内周部である溝２４０の底面２４１は、ダイヤフラム２１３を支える基部２５１を形成しており、この空隙部２５０が高温の燃焼ガスに曝され基部２５１が熱変形すると、ダイヤフラム２１３に歪みが生じ、その変位に影響されて、正確な燃焼圧計測が不可能となる問題があった。

また、空隙部２５０に燃焼ガスが進入すると空隙部２５０に未燃焼ガスが留まることがあり、プレイグニッション発生の原因となる場合がある。図６は、プレイグニッションを説明する公知のグラフであって、燃焼室内のプレイグニッション発生時の燃焼圧と正常時の燃焼圧を示し、Ｘ軸がクランク角度、Ｙ軸が燃焼圧である。図中、実線で示す曲線ａは、正常時の燃焼圧を示す曲線であり、点線で示す曲線ｂは、プレイグニッション発生時の燃焼圧の曲線である。このグラフから明らかなように、正常時の燃焼圧に対しプレイグニッション発生時の燃焼圧は、急峻な変化を伴い、燃焼圧のピーク値も３倍程度となり、エンジンにダメージを与えかねないことは明らかである。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、燃焼ガスの漏れを効果的に防止し、高精度の圧力計測が可能な圧力検出装置を提供することを目的とするものである。

本発明の圧力検出装置は、上記目的を達成するために、下記記載の構成を採用するものである。

内燃機関の燃焼室内に臨む挿入孔に挿入配置される圧力検出装置において、圧力検出装置の外周面に挿入孔の内壁面と圧力検出装置との間をシールするガスシール部を備え、ガスシール部は、圧力検出装置の燃焼室側である先端側に配置される第１のシール部と、第１のシール部材より後端側に配置される第２のシール部からなり、第１のシール部は、圧力検出装置の外周面に形成された第１の溝部と、第１の溝部に配置された第１のシール部材で形成され、第２のシール部は、圧力検出装置の外周面に形成された第２の溝部と、第２の溝部に配置された第２のシール部材で形成され、第１の溝部と第２の溝部は、異なる断面形状を有することを特徴とする。

本発明に係る圧力検出装置は、上記構成に加えて、第１の溝部の底面には、突起部が形成されていてもよい。

本発明に係る圧力検出装置は、上記構成に加えて、第１の溝部の底面に形成された突起部は、第１の溝部の底面から挿入孔の内壁面に向かって突出してもよい。

本発明に係る圧力検出装置は、上記構成に加えて、第２の溝部の側面は、圧力検出装置に直交する面に対して傾斜したテーパ面であってもよい。

本発明に係る圧力検出装置は、上記構成に加えて、第２の溝部の後端側の側面は、第２の溝部の底面から後端側へ向かって傾斜したテーパ部であってもよい。

本発明に係る圧力検出装置は、上記構成に加えて、第１のシール部材と第２のシール部材は、断面が矩形形状であってもよい。

本発明に係る圧力検出装置は、上記構成に加えて、第１のシール部材と前記第２のシール部材は、高分子材料であってもよい。

本発明の圧力検出装置によれば、第１のシール部材を配置する第１の溝部と、第２のシール部材を配置する第２の溝部とを異なる断面形状とすることで、第１のシール部と第２のシール部とを異なる機能を持つシール部とすることができ、燃焼ガスの漏れを効果的に防止し、高精度の圧力計測が可能な圧力検出装置を提供することが可能となる。

本発明に係る圧力検出装置の一実施形態の外観を説明するための平面図である。 本発明に係る圧力検出装置の一実施形態の内燃機関へ挿入前の図１のＡ部に相当する前端部の断面図である。 本発明に係る圧力検出装置の一実施形態の内燃機関へ挿入後の図１のＡ部に示す前端部の断面図である。 本発明に係る圧力検出装置の一実施形態で第２のシール部の機能を説明するための図１のＡ部に示す前端部の断面図である。 特許文献２に示した従来技術を説明するための前端部の断面図である。 プレイグニッションを説明するグラフである。

本発明の圧力検出装置は、その前端部に少なくとも２つのガスシール部を備え、それぞれのガスシール部の溝部の断面形状が異なる点が特徴的な部分である。

以下、図面を用いて本発明の圧力検出装置について説明する。なお、以下に説明する実施形態については、内燃機関の燃焼室壁の挿入孔に挿入する圧力検出装置の例で説明する。

図１を用いて圧力検出装置の全体構成を説明し、図２から図４を用いて圧力検出装置の前端部のシール構造を説明する。なお、各図において同一の構成部材には同一の番号を付して、重複する説明は省略する。

［圧力検出装置の一実施形態の構成の説明：図１］
図１は、内燃機関の燃焼室壁の挿入孔にネジ止めによって配置固定された圧力検出装置の全体構成を説明するための平面図である。

図１に示すように、圧力検出装置１は、Ｚ軸を中心軸とするほぼ円筒形状であって、前端部１１、本体１０、雄ネジ部１０１、及び出力リード線１０２を有し、燃焼室壁２の挿入孔２１に挿入される。前端部１１はセンサ部とガスシール部とを有し、センサ部は前端部１１の先端にダイヤフラム３０と内部に圧電素子（不図示）とを備え、ガスシール部は、前端部１１の円筒外周に第１のシール部１２と第２のシール部１３が形成されている。

燃焼室壁２に圧力検出装置１を配置するための挿入孔２１は、雌ネジ部２２と先端孔２３とを有し、雌ネジ部２２は圧力検出装置１の雄ネジ部１０１と螺合して圧力検出装置１を挿入孔２１に挿入固定し、先端孔２３はその内壁と前端部１１の第１、第２のシール部１２、１３とにより燃焼室２０で発生する燃焼ガスの漏れを防止している。

そして圧力検出装置１は、前端部１１のダイヤフラム３０が燃焼室２０を臨む位置に設置され、燃焼圧によるダイヤフラム３０の変位を圧電素子（不図示）で電気信号に変換し、出力リード線１０２を介して内燃機関の制御回路（不図示）に出力するものである。

［圧力検出装置の一実施形態のガスシール部の説明：図２〜図４］
図２は、圧力検出装置を燃焼室壁の挿入孔に装着する前の図１のＡ部に相当する前端部の断面図であり、前端部のシール部の構造を説明するための図である。
図３は、図１のＡ部で示した前端部の断面図であり、燃焼室壁の挿入孔に装着された圧力検出装置の前端部のシール構造を説明するための図である。
図４は、図３と同様のＡ部の前端部の断面図であり、第２のシール部の機能を説明する図である。

図２に示すように、本発明の圧力検出装置１の前端部１１は、その先端の端面にダイヤフラム３０を備え、そのダイヤフラム３０の燃焼室２０と反対側に位置するブロック状端部が圧電素子３１の一方の面に当接し、圧電素子３１の他方の面に電極部３２が当接してセンサ部を構成し、センサ部で検知した圧力を圧電素子３０で電気信号に変換して出力リード線１０２（図１参照）を通して出力する。

円筒状の前端部１１の外周にはガスシール部として、第１のシール部１２と第２のシール部１３とが形成され、第１のシール部１２は第１の溝部１４と第１のシール部材１６、第２のシール部１３は第２の溝部１５と第２のシール部材１７で構成されている。

第１の溝部１４と第２の溝部１５は、前端部１１の中心軸Ｚと同軸でリング状に形成されている。ダイヤフラム３０に近い方の第１の溝部１４は、溝の両側面１４２，１４３が中心軸Ｚに垂直な面で形成され、その断面は矩形形状であり、そして、溝の底面１４１にはその全周にわたって突起部１４４が形成されている。

第１の溝部１４に対し燃焼室２０側から遠い方の後端側の第２の溝部１５は、台形形状であって、第１の溝部１４に近い側の一方の側面１５３は、第１の溝部１４の溝の側面１４２，１４３と同様に中心軸Ｚに垂直な面であり、他方の後端側の側面１５２は、第２の溝部１５の底面１５１から開口側に向かって側面１５３から離れる方向に傾斜した面、言い換えると、後端側へ向かって傾斜したテーパ部として形成されている。

第１、第２の溝部１４，１５それぞれに嵌め込まれている第１のシール部材１６、第２のシール部材１７は、同一の矩形形状の部材が好ましく、その材質は、高分子材料であって、例えば、パーフロロエラストマーが望ましい。そして、その弾力性によって、第１のシール部材１６は、第１の溝部１４の側面１４２、１４３、底面１４１にならって嵌め込まれ、底面１４１の突起部１４４によって径方向に凸形状部１６１が形成されている。第２のシール部材１７は、第２の溝部１５の側面１５３と底面１５１にならって嵌め込まれている。そして、前端部１１に嵌め込まれた第１、第２のシール部材１６、１７の外径は、ダイヤフラム３０の外径より大であって、燃焼室壁２の挿入孔２１に圧力検出装置１を挿入した際に、先端孔２３（図１参照）の内壁と底面１４１、１５１との間にて圧接されるような外径（先端孔２３の内径より大きな外径）に設定されている。

図３は、図１のＡ部の断面図であって、圧力検出装置１が燃焼室壁２の挿入孔の先端孔２３に挿入されている図である。

図３に示すように、前端部１１の第１、第２のシール部材１６、１７は、挿入孔２１（図１参照）の先端孔２３の内壁面２３１と底面１４１、１５１との間にて圧接されている。第１のシール部材１６は、上述したように、第１の溝部１４の底面に形成された突起部１４４によって外周方向に突出した凸部１６１（図２参照）が先端孔２３の内壁面２３１に強く圧接する。従って、第１のシール部材１６による実シール箇所は、圧力検出装置１の前端部１１においては第１の溝部１４の突起部１４４であり、燃焼室壁２の内壁面２３１においては突起部１４４により第１のシール部材１６の凸形状部１６１（図２参照）と、明確に実シール箇所が定まり、ガスシールが確実である。

また、燃焼室２に近い方に位置する第１のシール部１２は、第１の溝部１４に第１のシール部材１６が隙間なく嵌め込まれていることによって、第１のシール部材１６が燃焼室２０から燃焼ガスの圧力を受けて図中矢印Ｂのように押されても、第１の溝部１４の側面１４３と第１のシール部材１６の間に空隙部が生ずることがなく、高温の燃焼ガスや未燃焼ガスが第１の溝部１４の底面１４１に入り込むことがない。すなわち、ダイヤフラム３０を固定支持する基部３０１が高温燃焼ガスに曝されるこがなく、ダイヤフラム３０に歪が生ぜず正確な圧力計測が可能となる。

第２のシール部材１７は、第１のシール部材１６にシール漏れが発生した際にシールを確実とするために設けられたものであり、燃焼室壁２の先端孔２３の内壁２３１と前端部１１の第２の溝部の底面１５１との間で圧接されている。

図４は、第１のシール部材１６から燃焼ガスが漏れた状況があった場合の第２のシール部材１７の機能を説明する図である。

例えば極低温環境下等において第１のシール部材１６から燃焼ガスが漏れることがあった場合、燃焼室２０から燃焼ガスの圧力が矢印Ｃに示すように第２のシール部材１７に達する。第２のシール部材１７は、燃焼ガスの圧力を受けて矢印Ｃ方向に押されて、内壁２３１とテーパ形状の側面１５２に押し付けられてクサビ状に潰れて変形する。すなわち、第２のシール部材１７が側面１５２と内壁２３１のクサビ状の隙間が実シール箇所であり、第２のシール部材１７がそのクサビ状の隙間に変形して押し込まれることで、非常に優れたシール性を実現している。

そして、シール部材１７がクサビ状の隙間に押し込まれると、側面１５３とシール部材１７の間に空隙部１８が形成される。この結果、空隙部１８に矢印Ｃで示すように高温高圧の燃焼ガスや未燃焼ガスが侵入するが、第１のシール部１２が存在することで空隙部１８が高温の燃焼ガスや未燃焼ガスに曝されたとしても、ダイヤフラム３０を支える基部３０１と空隙部１８が離れており、また侵入する燃焼ガスや未燃焼ガスも少なくできるため、ダイヤフラム３０を支持する基部３０１の歪の影響やプレイグニッションの発生を抑制できる構成になっている。

本実施例の圧力検出装置は、ダイヤフラムに近い先端側が第１のガスシール部で、そのシール部の溝断面形状が矩形形状であり、遠い後端側が第２のガスシール部で、そのシール部の溝断面形状が台形形状で形成され、それぞれの溝の形状が異なる点が特徴であり、２重のシール構成でありながら２つの溝の断面形状を変えていることにより、それぞれのシール部のシール特性を異ならせることによって、高精度の燃焼圧の計測が可能で、極低温等の環境下でも対応能力の高い圧力検出装置としている。

また、圧力検出装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、センサ部を有するものであればよく、センサ部としては、圧力を受けてそれに応じた信号を出力するものであればよい。例えば圧電素子にかわり、歪ゲージの抵抗値変化や二つの電極間に生じる静電容量の変化から圧力を測定する圧力検出装置としてもよい。

なお、本実施例においては、被測定体として、内燃機関の燃焼室を例に取り説明を行ったが、燃焼室の圧力測定用に限らず、排気圧や燃料噴射圧などの種々用途の圧力測定用として利用できることは言うまでもない。

なお、本発明は、上述した圧力検出装置の実施例に限定されることはなく、それらの全てを行う必要もなく、特許請求の範囲の各請求項に記載した内容の範囲で種々に変更や省略をすることが出来ることは言うまでもない。

１ 圧力検出装置
２ 燃焼室壁
１０ 本体
１１ 前端部
１２ 第１のシール部
１３ 第２のシール部
１４ 第１の溝部
１５ 第２の溝部
１６ 第１のシール部材
１７ 第２のシール部材
１８ 空隙部
２０ 燃焼室
２１ 挿入孔
２２ 雌ネジ部
２３ 先端孔
３０ ダイヤフラム
３１ 圧電素子
３２ 電極部
１０１ 雄ネジ部
１０２ 出力リード線
１４１、１５１ 底面
１４２，１４３、１５２，１５３ 側面
１４４ 突起部
１６１ 凸形状部
２３１ 内壁面
３０１ 基部

Claims (7)

1. 内燃機関の燃焼室内に臨む挿入孔に挿入配置される圧力検出装置において、
   該圧力検出装置の外周面に前記挿入孔の内壁面と前記圧力検出装置との間をシールするガスシール部を備え、
   前記ガスシール部は、前記圧力検出装置の前記燃焼室側である先端側に配置される第１のシール部と、前記第１のシール部材より後端側に配置される第２のシール部からなり、
   前記第１のシール部は、前記圧力検出装置の外周面に形成された第１の溝部と、該第１の溝部に配置された第１のシール部材で形成され、
   前記第２のシール部は、前記圧力検出装置の外周面に形成された第２の溝部と、前記第２の溝部に配置された第２のシール部材で形成され、
   前記第1の溝部と前記第２の溝部は、異なる断面形状を有し、
   前記第１の溝部の底面には、突起部が形成されていることを特徴とする圧力検出装置。
2. 前記第１の溝部の底面に形成された前記突起部は、前記第１の溝部の底面から前記挿入孔の内壁面に向かって突出することを特徴とする請求項１に記載の圧力検出装置。
3. 前記第２の溝部の側面は、前記圧力検出装置に直交する面に対して傾斜したテーパ面であることを特徴とする請求項１から請求項２いずれか一項記載の圧力検出装置。
4. 前記第２の溝部の前記後端側の側面は、前記第２の溝部の底面から前記後端側へ向かって傾斜した前記テーパ部であることを特徴とする請求項１から請求項３いずれか一項記載の圧力検出装置。
5. 前記第１のシール部材と前記第２のシール部材は、断面が矩形形状であることを特徴とする請求項１から請求項４いずれか一項記載の圧力検出装置。
6. 前記第１のシール部材と前記第２のシール部材は、高分子材料であることを特徴とする請求項１から請求項５いずれか一項記載の圧力検出装置。
7. 前記第１のシール部材は、前記第1の溝部に隙間なく嵌め込まれていることを特徴とする、請求項１から請求項６いずれか一項記載の圧力検出装置。
   
   

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