JPWO2012114721A1 - 燃焼圧力センサ付きグロープラグ - Google Patents

Abstract

燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、燃焼室との間の気密性を向上させる。グロープラグ１００は、軸線方向に延びる略円筒状の主体金具と、主体金具の先端に設けられ、主体金具よりも軸線方向に沿った長さが短く、先端に向けて縮径する略筒状のキャップ部と、を有するハウジングと、ヒータ部と、連結部材と、圧力センサと、を備えている。キャップ部は、主体金具の材料よりも、引張強度または耐力が大きい材料により形成されており、主体金具は、キャップ部の材料よりも、熱膨張率が大きい材料により形成されている。

Description

本発明は、グロープラグに関し、特に、燃焼圧力センサ付きのグロープラグに関する。

ディーゼルエンジン等の圧縮着火方式の内燃機関では、補助熱源としてグロープラグが使用される。例えば、特許文献１，２に記載されたグロープラグは、そのハウジングに設けられた雄ネジをエンジンヘッドのプラグ取付け孔に形成された雌ねじに螺合させるとともに、ハウジングの先端に設けられたテーパ状のシール面を、内燃機関のプラグ取付け孔に形成されたテーパ状の座面に接触させることで燃焼室からの気密性を確保している。

しかし、近年では、従来の拡散燃焼方式に加えて予混合燃焼方式等の新しい燃焼方式が提案されており、それに伴い、内燃機関の燃焼圧が上昇する傾向にある。そのため、従来のグロープラグでは、高圧化された燃焼圧に対して十分な気密性を確保することが困難な場合がある。特に、内燃機関内の燃焼圧力を検出するための圧力センサを備えるグロープラグでは、内部にセンサやヒータの可動構造（ハウジングに対する相対変位を可能にする構造）を組み込む必要があるため、ハウジングの厚みを厚くすることが難しい。よって、ハウジングの塑性変形等の可能性を考慮すると、単純にグロープラグの締め付け軸力を高めることによって燃焼室との間の気密性を向上させることが困難である。また、グロープラグが取り付けられるエンジンヘッドは、熱膨張率の高いアルミニウム等によって形成されていることが多い。そのため、内燃機関が高温になると、それに応じてエンジンヘッドが膨張し、グロープラグの軸力が低下してしまうという問題もある。

特開２００４−２０５１４８号公報 特開２００２−２７６９４２号公報

前述の問題を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃焼圧力センサ付きグロープラグにおいて、燃焼室との間の気密性を向上させることである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］軸線方向に延びる筒状の主体金具と、前記主体金具の先端に設けられ、前記主体金具よりも前記軸線方向に沿った長さが短く、先端に向けて縮径する筒状のキャップ部と、を有するハウジングと、後端部が前記ハウジング内に配置され、先端部が前記キャップ部の先端から突出し、前記軸線方向に沿って移動可能な棒状のヒータ部と、前記軸線方向に沿った前記ヒータ部の移動を可能としつつ、前記ヒータ部と前記ハウジングとを繋ぐ連結部材と、前記ヒータ部を介して伝達される荷重に応じて、燃焼圧の検出を行う圧力センサと、を備える燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、前記キャップ部は、前記主体金具の材料よりも、引張強度または耐力が大きい材料により形成されており、前記主体金具は、前記キャップ部の材料よりも、熱膨張率が大きい材料により形成されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

［適用例２］適用例１に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、前記キャップ部は、後端側に、円筒状の円筒部を備えており、前記主体金具の厚みは、前記円筒部の厚みよりも厚いことを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

［適用例３］適用例２に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、前記円筒部の内径は、前記主体金具の内径よりも大きく、前記連結部材が、前記円筒部内に配置されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

本発明は、上述した燃焼圧力センサ付きグロープラグとしての構成のほか、燃焼圧力センサ付きグロープラグの製造方法や、燃焼圧力センサ付きグロープラグを備える内燃機関などとしても構成することが可能である。

適用例１のような構成のグロープラグであれば、キャップ部が、主体金具の材料よりも、引張強度または耐力が大きい材料により形成されているため、締め付けの際の応力が集中するキャップ部の剛性を高めることが可能になる。また、キャップ部よりも長さの長い主体金具が、キャップ部の材料よりも、熱膨張率が大きい材料により形成されているため、エンジンヘッドの熱膨張にグロープラグの熱膨張を追従させることが可能になる。これらの結果、燃焼室内の燃焼圧が高い場合や、エンジンヘッドの熱膨張率が大きい場合であっても、初期の締め付け軸力を過度に高めることなく、燃焼室とグロープラグとの間の気密性を確保することが可能になる。

適用例２のような構成であれば、主体金具の厚みがキャップ部の後端側に設けられた円筒部よりも厚いため、キャップ部よりも引張強度あるいは耐力が小さい主体金具の剛性を高めることができる。

適用例３のような構成であれば、主体金具よりも内径が大きく、かつ、厚みが薄いキャップ部の円筒部内に連結部材を配置するので、連結部材を主体金具内に配置するよりも、連結部材の面積を広げることができる。そのため、ヒータ部の可動範囲を大きくすることが可能になり、圧力センサの性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態としてのグロープラグの構成を示す説明図である。 キャップ部近傍の拡大断面図である。

図１は、本発明の一実施形態としてのグロープラグ１００の構成を示す説明図である。図１（ａ）は、グロープラグ１００の全体構成を示し、図１（ｂ）は、部分的な断面構成を示している。また、図２は、後述するキャップ部１２０近傍の拡大断面図である。以下では、図１，２におけるグロープラグ１００の軸線Ｏの下方をグロープラグ１００の先端側とし、上方を後端側として説明する。また、グロープラグ１００の軸線Ｏに沿った下向きの方向を軸線方向ＯＤとする。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、グロープラグ１００は、主体金具１１０とキャップ部１２０とを有するハウジング１３０と、ヒータ部１５０と、を備えている。

主体金具１１０は、略円筒状の金属部材である。本実施形態では、主体金具１１０は、高熱膨張金属によって形成されている。本実施形態において、高熱膨張金属とは、−４０〜１５０℃の温度領域における引張強度が６００ＭＰａ以下で且つ熱膨張率が１４ｐｐｍ／℃以上の金属をいい、例えば、オーステナイト系のステンレス鋼であるＳＵＳ３０４やＳＵＳ３０３、ＳＵＳ３１６等を用いることができる。主体金具１１０の軸線方向ＯＤに沿った長さＬ１は、キャップ部１２０の長さＬ２よりも長く、例えば、４０ｍｍ以上とすることができる。

主体金具１１０の後端部には、グロープラグ１００を内燃機関に取り付けるための工具が係合する工具係合部１１２が形成されている。また、工具係合部１１２よりも先端側には、グロープラグ１００をエンジンヘッドに固定するためのネジ溝（図示せず）が形成されたネジ部１１４が備えられている。工具係合部１１２の後端部には、ハウジング１３０内の集積回路１６６（後述）や中軸１７０（後述）に電気的に接続される複数の配線１１６が挿入されている。

主体金具１１０の先端には、環状の金属部材であるキャップ部１２０が配置されている。図２に示すように、キャップ部１２０の後端側には、外径がほぼ一定の円筒部１２２が形成され、先端側には、先端に向かって縮径するテーパ部１２４が形成されている。キャップ部１２０の軸線方向ＯＤに沿った長さＬ２は、主体金具１１０の長さＬ１よりも短く、例えば、１５ｍｍ以下とすることができる。本実施形態では、キャップ部１２０は、高い引張強度（または耐力）を有する高強度金属によって形成されている。本実施例において、高強度金属とは、−４０〜３００℃の温度領域における熱膨張率が１４ｐｐｍ／℃未満で且つ引張強度が８００ＭＰａ以上の金属をいい、例えば、析出硬化系のステンレス鋼であるＳＵＳ６３０や、ＩＮＣＯＮＥＬ（登録商標）７１８、マルエージング鋼等を用いることができる。また、本実施形態では、キャップ部１２０の円筒部１２２における厚みＴ１は、ネジ部１１４よりも先端側の主体金具１１０の厚みＴ２よりも薄くなっており、円筒部１２２の内径Ｂ１は、主体金具１１０の内径Ｂ２よりも大きくなっている。厚みＴ１は、例えば、０．５〜１．０ｍｍとすることができ、厚みＴ２は、０．７〜１．２ｍｍとすることができる。グロープラグ１００は、内燃機関に取り付けられた際に、キャップ部１２０の最外周の角部１２６において、エンジンヘッドのプラグ取り付け孔２００の座面２１０に接触する。この角部１２６の座面２１０への接触（線接触）により、燃焼室から外部への気密が保持される。

ヒータ部１５０は、シース管１５２と発熱コイル１５４と絶縁粉末１５５とを備えている。シース管１５２は、耐熱・耐食性に優れたステンレス鋼等によって形成されており、図１に示すように、先端部が半球状に閉塞し、後端が主体金具１１０内において開口している。発熱コイル１５４は、巻線型抵抗であり、シース管１５２の先端側内部に配置されている。ヒータ部１５０には、金属製の棒状部材である中軸１７０が挿入され、発熱コイル１５４の後端は、この中軸１７０の先端に固定される。発熱コイル１５４には、配線１１６および中軸１７０を通じて、外部から電力が供給される。シース管１５２内には、発熱コイル１５４との隙間に、耐熱性を有する酸化マグネシウム等の絶縁粉末１５５が充填されている。シース管１５２の開口された後端と中軸１７０との間には、絶縁粉末１５５をシース管１５２内に密封するためのシール部材１５６が挿入されている。シース管１５２には、スウェージング加工が施されており、これにより、内部に充填された絶縁粉末１５５の緻密性が高められ、熱伝導効率を向上させている。このような構成のヒータ部１５０は、後端側が主体金具１１０内に配置され、先端側が、キャップ部１２０の開口部１２５から軸線方向ＯＤに向かって突出するように配置されている。

ハウジング１３０内には、ヒータ部１５０よりも後端側に配置された環状の圧力センサ１６０と、圧力センサ１６０をハウジング１３０内に固定するためのセンサ固定部材１３２と、ヒータ部１５０の軸線Ｏに沿った変位によって発生する荷重又はヒータ部１５０の軸線Ｏに沿った変位を圧力センサ１６０に伝達するための伝達スリーブ１３４と、ヒータ部１５０の外周をハウジング１３０の内部に連結するための連結部材１８０と、が設けられている。

センサ固定部材１３２は、ステンレス鋼等によって形成された略円筒形状の部材である。センサ固定部材１３２は、主体金具１１０の内周に沿って配置されており、その先端部には、鍔状のフランジ部１３３が形成されている。このフランジ部１３３は、主体金具１１０の先端面に溶接されている。また、センサ固定部材１３２の後端には、圧力センサ１６０の外周部が溶接されている。本実施形態では、このセンサ固定部材１３２によって、圧力センサ１６０がハウジング１３０内の中央部付近に固定されている。

伝達スリーブ１３４は、ステンレス鋼等によって形成された略円筒状の部材である。伝達スリーブ１３４は、センサ固定部材１３２とヒータ部１５０との間に配置されている。伝達スリーブ１３４の先端は、センサ固定部材１３２のフランジ部１３３が形成されている位置付近において、ヒータ部１５０の外周に溶接されている。また、伝達スリーブ１３４の後端は、環状の圧力センサ１６０の内周部に溶接されている。ヒータ部１５０の軸線Ｏに沿った変位によって発生する荷重又はヒータ部１５０の軸線Ｏに沿った変位は、この伝達スリーブ１３４によって圧力センサ１６０の内周部に伝達される。

連結部材１８０（図２参照）は、ステンレス鋼やニッケル合金等によって形成された弾性を有する環状の部材である。連結部材１８０は、後端側に設けられた鍔状のフランジ部１８２と、先端側に設けられた薄膜状の平面部１８３と、フランジ部１８２と平面部１８３とを接続する円筒部１８４とを有する。フランジ部１８２は、その上面（後端側の面）が、センサ固定部材１３２のフランジ部１３３に溶接され、その下面（先端側の面）が、キャップ部１２０の後端面に溶接されている。図２に示すように、平面部１８３は、その内周部分に、先端側に向かって折り返された折り返し部１８５を有している。連結部材１８０は、この折り返し部１８５において、ヒータ部１５０の外周に溶接されている。本実施形態では、連結部材１８０の平面部１８３は、キャップ部１２０の円筒部１２２内に配置されている。ヒータ部１５０は、この連結部材１８０によって、ハウジング１３０に連結されるとともに、この連結部材１８０の弾性力によって、軸線Ｏに沿った変位が許容されている。なお、この連結部材１８０は、ヒータ部１５０とハウジング１３０とを連結することで、燃焼室から主体金具１１０内への気密を確保する役割も果たす。

圧力センサ１６０（図１参照）は、中軸１７０が通る開口部１６１が中央に設けられた環状の金属ダイアフラム１６２と、金属ダイアフラム１６２の上面（後端側の面）に接合されたピエゾ抵抗素子１６４と、を備えている。金属ダイアフラム１６２は、例えば、ステンレス鋼等によって形成されている。ピエゾ抵抗素子１６４には、ハウジング１３０内の所定の部位に設けられた集積回路１６６が電気的に接続されている。前述のように、金属ダイアフラム１６２の内周には、ヒータ部１５０に接続された伝達スリーブ１３４の後端が接合されている。そのため、燃焼圧の受圧によってヒータ部１５０が軸線Ｏに沿って変位すると、伝達スリーブ１３４によって、変位により発生する荷重又は変位量が金属ダイアフラム１６２に伝達され、金属ダイアフラム１６２を撓らせる。集積回路１６６は、この金属ダイアフラム１６２の変形をピエゾ抵抗素子１６４を用いて検出することで、内燃機関の燃焼圧を検出する。集積回路１６６は、こうして検出された燃焼圧を示す電気信号を、主体金具１１０の後端に挿入された配線１１６を通じて外部のＥＣＵ等に出力する。

以上で説明した本実施形態のグロープラグ１００では、キャップ部１２０を、主体金具１１０の材料よりも−４０〜３００℃の温度領域における引張強度（または耐力）の大きな高強度金属によって形成している。そのため、グロープラグ１００を締め付ける際の応力が集中するキャップ部１２０の剛性を高めることが可能になる。更に、本実施形態では、キャップ部１２０よりも長さの長い主たる金属部品である主体金具１１０を、キャップ部１２０の材料よりも−４０〜１５０℃の温度領域における熱膨張率の大きな高熱膨張金属によって形成している。そのため、エンジンヘッドの熱膨張に主体金具１１０の熱膨張を追従させることができる。これらの結果、燃焼室内の燃焼圧が高い場合や、エンジンヘッドの熱膨張率が大きい場合であっても、初期の締め付け軸力を必要以上に高めることなく、燃焼室とグロープラグ１００との間の気密性を確保することが可能になる。尚、キャップ部１２０は、−４０〜３００℃の温度領域における引張強度（または耐力）が９００ＭＰａ以上の材料によって形成されることが好ましい。これにより、キャップ部１２０の剛性を更に高めることが可能になる。また、−４０〜１５０℃の温度領域において、主体金具１１０の熱膨張率は、エンジンヘッドを構成する材料の熱膨張率の２／３以上の大きさを有した材料によって形成されることが好ましい。これにより、燃焼室とグロープラグ１００との間の気密性を十分に確保することが可能になる。

また、本実施形態では、高強度金属によりキャップ部１２０を形成しているため、円筒部１２２の厚みＴ１を主体金具１１０の厚みＴ２よりも薄くすることができる。よって、円筒部１２２の内径Ｂ１を主体金具１１０の内径Ｂ２よりも大きくすることが可能になり、これにより、連結部材１８０の平面部１８３の面積を大きくすることができる。この結果、ヒータ部１５０の軸線Ｏに沿った可動範囲を大きくすることができるので、圧力センサ１６０の性能（例えば、Ｓ／Ｎ比）を向上させることが可能になる。

また、円筒部１２２の厚みＴ１を主体金具１１０の厚みＴ２よりも薄くすることができるということは、換言すれば、主体金具１１０の厚みＴ２を円筒部１２２の厚みＴ１よりも厚くすることができるということである。そのため、エンジンヘッドの熱膨張に追従させるために高熱膨張金属によって形成した主体金具１１０の剛性を高めることが可能になる。よって、高熱膨張かつ高強度（高い引張強度あるいは大きな耐力）という特性を有する鋼を利用することができない場合であっても、主体金具１１０とキャップ部１２０とを本実施形態のように異なる特性の材料によって構成することで、グロープラグ１００全体の強度が低下することや内燃機関の運転時に締め付け軸力が低下することを抑制することができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができる。例えば、キャップ部１２０の厚みＴ１を、主体金具１１０の厚みＴ２よりも大きくしてもよい。また、連結部材１８０の平面部１８３を主体金具１１０内に設けることも可能である。その他、以下のような種々の態様を採ることが可能である。

上記実施形態では、ヒータ部１５０は、シース管１５２の中に発熱コイル１５４を埋設することで構成されているが、他の構成とすることも可能である。例えば、絶縁性セラミックの内部に導電性セラミックを埋設したセラミックヒータとしてヒータ部１５０を構成してもよい。

上記実施形態では、圧力センサ１６０は、環状の金属ダイアフラム１６２とピエゾ抵抗素子１６４によって構成することとした。しかし、圧力センサ１６０の構成はこれに限られず、燃焼圧力センサ付きのグロープラグで採用されている周知の圧力センサを適宜適用することが可能である。

上記実施形態では、薄膜状の平面部１８３を有する連結部材１８０によって、ハウジング１３０とヒータ部１５０とを連結することとした。これに対して、例えば、ベローズ（蛇腹）状の部材によって、ハウジング１３０とヒータ部１５０とを連結することとしてもよい。

上記実施形態では、ヒータ部１５０と圧力センサ１６０とが伝達スリーブ１３４を介して接続されることとしたが、ヒータ部１５０の後端部が、直接的に、圧力センサ１６０に接続される構成としてもよい。

上記実施形態では、中軸１７０を通じてヒータ部１５０に電力が供給されることとしたが、中軸１７０を省略し、配線１１６からヒータ部１５０に直接的に電力が供給されることとしてもよい。

１００…グロープラグ
１１０…主体金具
１１２…工具係合部
１１４…ネジ部
１１６…配線
１２０…キャップ部
１２２…円筒部
１２４…テーパ部
１２５…開口部
１２６…角部
１３０…ハウジング
１３２…センサ固定部材
１３３…フランジ部
１３４…伝達スリーブ
１５０…ヒータ部
１５２…シース管
１５４…発熱コイル
１５５…絶縁粉末
１５６…シール部材
１６０…圧力センサ
１６１…開口部
１６２…金属ダイアフラム
１６４…ピエゾ抵抗素子
１６６…集積回路
１７０…中軸
１８０…連結部材
１８２…フランジ部
１８３…平面部
１８４…円筒部
１８５…折り返し部
２００…プラグ取り付け孔
２１０…座面

Claims (3)

1. 軸線方向に延びる筒状の主体金具と、前記主体金具の先端に設けられ、前記主体金具よりも前記軸線方向に沿った長さが短く、先端に向けて縮径する筒状のキャップ部と、
   を有するハウジングと、
   後端部が前記ハウジング内に配置され、先端部が前記キャップ部の先端から突出し、前記軸線方向に沿って移動可能な棒状のヒータ部と、
   前記軸線方向に沿った前記ヒータ部の移動を可能としつつ、前記ヒータ部と前記ハウジングとを繋ぐ連結部材と、
   前記ヒータ部を介して伝達される荷重に応じて、燃焼圧の検出を行う圧力センサと、を備える燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記キャップ部は、前記主体金具の材料よりも、引張強度または耐力が大きい材料により形成されており、
   前記主体金具は、前記キャップ部の材料よりも、熱膨張率が大きい材料により形成されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
2. 請求項１に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記キャップ部は、後端側に、円筒状の円筒部を備えており、
   前記主体金具の厚みは、前記円筒部の厚みよりも厚いことを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。
3. 請求項２に記載の燃焼圧力センサ付きグロープラグであって、
   前記円筒部の内径は、前記主体金具の内径よりも大きく、
   前記連結部材が、前記円筒部内に配置されていることを特徴とする燃焼圧力センサ付きグロープラグ。

Images