JP7428462B2 - エンジンの高温部測定装置 - Google Patents

Description

本願発明は、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンのシリンダヘッドやシリンダブロックなどに装着して、燃焼室等の高温部の温度を測定する装置に関するものである。

レシプロエンジンにおいて、燃焼時に燃焼室内（筒内）の温度（或いは温度変化）を知ることは、燃焼状態を解析したり改良を施したりする上で必須の事項である。例えば、シリンダブロックとシリンダヘッド（及びピストン）で構成される燃焼室からの放熱を抑制するために、燃焼室の内面に遮熱膜を設けることが提案されているが、遮熱膜の効果を確認するためには、燃焼室の内面（壁面）の温度を把握することが必要不可欠である。

このように、エンジンの筒内温度の測定技術について強い要請があり、この要請に応えるための筒内温度測定技術が提案されている。その例として特許文献１には、気筒に設けた測定用穴に装着される温度センサが開示されている。この温度センサは、センサ本体の先端面に検出素子部と温度補償素子部とを配置した構造になっており、検出素子部では赤外線の強さから温度を検知するようになっている。

特開平４－３１０８２９号公報

特許文献１の温度センサは一種の接触式であり、筒内の温度をダイレクトに検知するものであるため、測定の精度と応答性とに優れていると思料される。また、燃焼室の壁面温度の検知にも効果を発揮すると思料される。しかし、特許文献１では、検出素子は燃焼室に露出していて高温の燃焼ガスに直接晒されるため、繰り返し使用することは難しいと推測される。

エンジンについては、熱効率改善や排気ガス無害化等の観点からリーンバーン化などの研究が各メーカー・機関で成されており、そこで、燃焼状態解析の必需品として温度センサが使用されているが、従来は高価な温度センサを使い捨てしているのが実情であり、そこで、低コストで筒内温度を測定できる技術が要請されていた。

本願発明はかかる要請に応えるものであり、温度の測定精度と応答性とを許容しうる範囲での低下に抑え耐久性に優れた測定装置を提供せんとするものである。

本願発明は、エンジンの高温部の温度を測定する装置に係るもので、この装置は、
「エンジンの構成部材に空けられた測定用穴に挿入されるホルダー本体と、前記ホルダー本体に先端側から装着されたキャップとを備えており、前記ホルダー本体の先端部に配置された温度センサが前記キャップによって抜け不能に保持されている」
という基本構成になっている。

そして、上記基本構成において、
「前記キャップは、ねじ込み又は他の手段で前記本体に取り付く筒体と、前記筒体の先端面に重ねて溶接された端板とから成っており、
少なくとも前記端板は、銅又はこれと同等かそれ以上の熱伝導率を有する金属板から成っていて、前記キャップの端板が前記温度センサの先端面と密接又は当接するように設定されており、
かつ、前記端板の外径を前記筒体の外径よりも小径に設定することにより、前記筒体の先端面と前記端板の外周面とによって溶接用段部が形成されている」
という特徴を備えている。

本願発明において、ホルダー本体は、ステンレス鋼等の鋼製としたりセラミック製としたりすることができる。他方、キャップはその全体を銅のような伝熱性が高い材料で形成することも可能であるが、強度の点からは筒体をステンレス鋼製として、その先端に銅製等の高伝熱性金属板製端板を溶接で固定するのが好ましい。

端板は、筒内の熱を瞬時に温度センサに伝えるような高い伝熱性を有すると共に筒内の圧力に耐える強度の金属材料であればよく、コストと強度の点からは銅が好適であるが、銀や金又はこれらの合金（銅合金も含む）なども使用可能である。

本願発明において、温度センサを安定的に保持するセンサ収納部が必要であるが、センサ収納部はホルダー本体に形成してもよいし、キャップに形成してもよい。或いは、ホルダー本体とキャップとの両方に跨がった状態に形成することも可能である。

測定装置の使用態様としては、例えば燃焼室の壁面の温度を測定する場合は、キャップの端板が燃焼室の壁面と略同一面を成すようにシリンダヘッドやシリンダブロックに取り付けたらよいし、燃焼室の内部温度を検出する場合は、端板を燃焼室の内部方向に突出させたらよい。更に、本願発明の温度測定装置は、排気系に取り付けて排気ガスの温度測定にも使用できる。

本願発明の装置は、端板の熱を介して温度センサで温度を検知する間接計測方式であるが、端板は熱伝導率が極めて高いため、燃焼室等の温度（熱）を瞬時かつ正確に温度センサに伝達できる。従って、逆算することで温度センサの素子部を燃焼室等に露出させた場合と同等の高い精度・応答性で温度を測定できる。

従って、例えば燃焼室の温度測定に使用すると、吸気から排気までの温度変化を、実際の数値として高い精度で応答性良く測定することができる。これにより、燃焼の解析を大幅に促進して改良に結びつけることができる。そして、温度センサは燃焼ガスには晒されないため、繰り返し使用できる。従って、精度と応答性に優れた筒内温度測定を低コストで実現できる。

なお、端板の厚さなどによっては、端板から温度センサへの伝熱量に若干の低下があるかもしれないが、この場合は、逆算することで実際の温度と本願装置における測定温度との乖離率を検知しておき、この乖離率に基づいて測定温度を補正したらよい。

測定装置を示す図で、（Ａ）は取り付け状態を示す断面図、（Ｂ）は軸心と直交した方向から見た側面図、（Ｃ）は分離状態での第１実施形態の縦断側面図である。 第１実施形態の組み込み状態での縦断側面図である。 第２実施形態の縦断側面図である。

(1).第１実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１，２に示す第１実施形態を説明する。図１（Ａ）（Ｂ）において測定装置１の外観を示している。測定装置１は、円形で細長い棒状のホルダー本体２と、その先端に装着したキャップ３とを備えており、本実施形態では、図１（Ａ）に示すように、シリンダヘッド４に設けた測定用穴５に装着している。

図１（Ａ）は、クランク軸線方向と直交すると共にシリンダボア軸心を通る平面で切断した断面図であり、測定用穴５はシリンダヘッド４に形成された凹所６に開口して、測定装置１は、キャップ３の先端面が凹所６の壁面（内周面）７と略同一面を成すようにして配置されている。

具体的に述べると、測定用穴５の基部に雌ねじが形成されている一方、ホルダー本体２の基端部には雄ねじ部８が形成されており、雄ねじ部８を測定用穴５の雌ねじにねじ込むと共に、ロックナット９によって所定深さに保持している。

なお、図１（Ａ）において符号１０で示すのは吸気ポート、符号１１で示すのは排気ポート、符号１１ａで示すのは点火プラグ装着用のイグニッションホールである。図示のシリンダヘッド４は、上下分離方式になったタイプの下部であり、カム軸は、図示したシリンダヘッド４の上面に固定された上部分に回転自在に保持される。

敢えて述べるまでもないが、測定装置１の配置態様は測定の目的に応じて任意に設定できる。例えば凹所６の内周部の複数箇所に測定装置１を配置することも可能であるし、凹所６の内周面に加えて又はこれに代えて、凹所６の上面部に配置することも可能である。シリンダブロック（図示せず）の外周部の１箇所又は複数箇所に配置することも可能である。

ホルダー本体２はステンレス鋼製で中空に形成されており、先端側に、温度センサ１２を格納するセンサ収納部１３が前向きに開口するように形成されている。センサ収納部１３は、温度センサ１２を位置決めする底面１３ａを備えており、温度センサ１２に設けたケーブル１４は、ホルダー本体２に形成された中心穴１５から外部に引き出されている。

ホルダー本体２のうちセンサ収納部１３を設けた部位は小径に設定されており、この小径部の外周面に雄ねじ１６が形成されている。一方、キャップ３は、センサ収納部１３の雄ねじ１６に螺合する雌ねじを有する筒体１７と、その先端に溶接で固定された端板１８とから成っており、筒体１７をホルダー本体２の雄ねじ１６にねじ込みきると、端板１８が温度センサ１２の先端面に密接又は当接するように設定している。

キャップ３を構成する筒体１７はステンレス鋼製である一方、端板１８は銅製であり、両者は、ファイバーレーザ溶接によって一体に接合されている。そこで、端板１８の外径を筒体１７の外径よりも小径に設定することにより、端板１８の外周の外側に溶接用段部を形成している。端板１８の厚さは、強度を確保できる状態でなるべく薄いのが好ましい。ホルダー本体２の外径が３ｍｍ前後の場合であると、端板１８の厚さは０．３ｍｍ程度でよいと云える。従って、薄い銅板を円形に打ち抜いて作ることが可能である。

図２において、測定装置１の使用状態を示している。燃料の燃焼による熱は端板１８を介して温度センサ１２に伝達され、温度センサ１２は端板１８の熱を検知するが、端板１８を構成する銅は熱伝導性が極めて高いため、筒内の温度を正確にかつ応答性良く検知できる。すなわち、間接測定方式でありながら、温度センサ１２を筒内に露出させたのと同等の測定精度と測定速度とを実現できる。

そして、温度センサ１２はキャップ３で保護されており、温度センサ１２に設けた素子（熱電対）が高圧の燃焼ガスに晒されることはないため、繰り返し使用することができる。従って、従来の使い捨て方式に比べて、測定精度を落とすことなく測定のランニングコストを大幅に低減できる。

なお、図２では、燃焼室の内面に遮熱膜１９を形成した状態を表示している。そして、端板１８の外面が燃焼室の内面と同一面を成すように測定装置１を配置することにより、遮熱膜１９の効果を確認することができる。燃焼室の温度は場所によって相違するため、温度分布を正確に知るには複数の測定装置１を使用することになるが、本実施形態の測定装置１では温度センサ１２を繰り返し使用できるため、高価な温度センサ１２を使用しつつ測定コストを大幅に低減できる。

(2).他の実施形態
次に、図３の実施形態を説明する。図３に示す第２実施形態は第１実施形態の変形例であり、センサ収納部１３の深さを第１実施形態よりも少し深くして、センサ収納部１３の底面１３ａに、耐熱性で弾性を有するリング状のガスケット２０を配置している。この実施形態では、ガスケット２０の弾性を利用して端板１８を温度センサ１２の先端面に密着させることができるため、温度センサ１２による測定精度と応答性とを更に向上できると云える。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えは、例えば、ホルダー本体をシリンダヘッドやシリンダブロック等の部材に固定する手段としては、ホルダー本体の基端にフランジを形成して、フランジをビスでシリンダヘッドやシリンダブロック等に固定することも可能である。また、本願発明の測定装置は、触媒ケース等の排気系部材に取り付けて排気ガスの温度を測定することにも利用できる。

本願発明は、エンジンの温度測定装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 測定装置
２ ホルダー本体
３ キャップ
４ シリンダヘッド
５ 測定用穴
１２ 温度センサ
１３ センサ収納部
１３ａ 底面
１５ 中心穴
１６ 雄ねじ
１７ 筒体（雌ねじ筒）
１８ 端板

Claims (1)

1. エンジンの構成部材に空けられた測定用穴に挿入されるホルダー本体と、前記ホルダー本体に先端側から装着されたキャップとを備えており、前記ホルダー本体の先端部に配置された温度センサが前記キャップによって抜け不能に保持されている構成であって、
   前記キャップは、ねじ込み又は他の手段で前記本体に取り付く筒体と、前記筒体の先端面に重ねて溶接された端板とから成っており、
   少なくとも前記端板は、銅又はこれと同等かそれ以上の熱伝導率を有する金属板から成っていて、前記キャップの端板が前記温度センサの先端面と密接又は当接するように設定されており、
   かつ、前記端板の外径を前記筒体の外径よりも小径に設定することにより、前記筒体の先端面と前記端板の外周面とによって溶接用段部が形成されている、
   エンジンの高温部測定装置。

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