JPWO2014024576A1 - 圧力センサ一体型グロープラグ - Google Patents

Abstract

ハウジングとヒータエレメントとの間隙に、カーボンやＳＯＦが堆積することを抑制し、長期間にわたってヒータエレメントが拘束されないようにする圧力センサ一体型グロープラグを提供する。内燃機関の気筒内に挿入されて用いられる圧力センサ一体型グロープラグであって、ハウジングと、前記ハウジングから先端を突出させて保持されたロッド状のヒータエレメントと、圧力センサと、を備え、前記ヒータエレメントが、可撓部材によって前記ハウジングに保持されて前記ハウジングに対する位置を変位可能にされており、前記圧力センサが前記ヒータエレメントの変位によって前記気筒内の圧力を受けられるようにされた圧力センサ一体型グロープラグにおいて、前記可撓部材よりも先端側の前記ハウジングと前記ヒータエレメントとの間隙に、酸化触媒成分を担持させた耐熱性ファイバー部材を備える。

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの始動補助用として使用されるシース型グロープラグに、筒内圧を検知するための圧力センサを一体化した圧力センサ一体型グロープラグに関する。

従来、自己着火式内燃機関であるディーゼルエンジンでは、気筒内にグロープラグが設けられている。また、近年では、筒内圧を検出するための圧力センサをグロープラグと一体化した圧力センサ一体型グロープラグが実用化されている。

例えば、圧力センサ一体型グロープラグは、シリンダ内に挿入するためのハウジングと、このハウジングから先端を突出させてハウジングに保持されたヒータエレメントと、このヒータエレメントとハウジングとの間に配置された圧力センサとを備えて構成されている。この圧力センサ一体型グロープラグは、ヒータエレメントが、ベローズやダイヤフラム等の可撓部材によってハウジングに保持され、筒内圧によってヒータエレメントがハウジング内を軸方向に変位し、この変位によって圧力センサが筒内圧を検出可能となっている。

このようなグロープラグにおいて、長期間にわたって圧力を安定的に検出可能にするためには、可撓部材の可撓性が維持されていなければならない。すなわち、ヒータエレメントが、可撓部材以外の部分において機械的に拘束されることを避けなければならない。しかしながら、グロープラグは、気筒内に露出させて使用されるものであり、気筒内で発生する未燃燃料成分等がヒータエレメントとハウジングとの間に堆積すると、ヒータエレメントがハウジングに拘束され、圧力センサに対して筒内圧を伝達できなくなるおそれがある。

そのために、ヒータエレメントとハウジングとの間に、流動性のシール材を充填したり、ヒータエレメントの表面に酸化触媒を塗布したりして、未燃燃料成分の堆積を防ぐようにすることが提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照）。

特開２００９−５２０９４１号公報 特開２００９−２０３９３９号公報

しかしながら、充填した流動性のシール材が長期間燃焼室近傍に位置していると、流動性が失われるおそれがあった。また、酸化触媒をヒータエレメント表面に塗布する場合には、その表面積を十分に確保することが困難であるため、触媒活性が不十分となって、堆積するカーボンやＳＯＦ（可溶性有機成分）の触媒燃焼を効率的に行うことができないおそれがあった。

したがって、本発明は、ハウジングとヒータエレメントとの間隙に、カーボンやＳＯＦが堆積することを抑制し、長期間にわたってヒータエレメントが拘束されないようにする圧力センサ一体型グロープラグを提供することを目的とする。

本発明によれば、内燃機関の気筒内に挿入されて用いられる圧力センサ一体型グロープラグであって、ハウジングと、前記ハウジングから先端を突出させて保持されたロッド状のヒータエレメントと、圧力センサと、を備え、前記ヒータエレメントが、可撓部材によって前記ハウジングに保持されて前記ハウジングに対する位置を変位可能にされており、前記圧力センサが前記ヒータエレメントの変位によって前記気筒内の圧力を受けられるようにされた圧力センサ一体型グロープラグにおいて、前記可撓部材よりも先端側の前記ハウジングと前記ヒータエレメントとの間隙に、酸化触媒成分を担持させた耐熱性ファイバー部材を備えることを特徴とする圧力センサ一体型グロープラグが提供され、上述した問題を解決することができる。

すなわち、本発明の圧力センサ一体型グロープラグによれば、ハウジングとヒータエレメントとの間へのカーボンやＳＯＦの侵入が阻止されるとともに、ファイバー部材に付着したカーボンやＳＯＦを、ファイバー表面に担持されている触媒成分によって酸化、分解させることができる。このとき、ファイバー部材に触媒を担持させることとしているために、触媒を担持させる表面積を大きく確保することができ、触媒活性を高めることができ、効率的にカーボンやＳＯＦを分解させることができる。したがって、ヒータエレメントがハウジングに拘束されることを長期間にわたって防ぐことができる。

また、本発明の圧力センサ一体型グロープラグにおいて、前記耐熱性ファイバー部材が、セラミックファイバーに酸化触媒成分を担持させたものであることが好ましい。
このようにセラミックファイバーを用いて耐熱性ファイバー部材を構成することにより、セラミック材料が有する保温性により、触媒活性を向上させて、カーボンやＳＯＦの酸化、分解をより効果的に行わせることができる。

また、本発明の圧力センサ一体型グロープラグにおいて、前記耐熱性ファイバー部材が、前記ハウジングと前記ヒータエレメントとの間隙よりもさらに前記ハウジング外部にはみ出して設けられることが好ましい。
このように耐熱性ファイバー部材を配置することにより、内燃機関の挿入孔とヒータエレメントとの間に侵入したカーボンやＳＯＦを酸化、分解して、それらが堆積することを防ぐことができる。

本発明の実施の形態にかかる圧力センサ一体型グロープラグの断面図である。 図１に示す圧力センサ一体型グロープラグの部分拡大図である。 圧力センサ一体型グロープラグの変形例を示す部分拡大図である。

以下、本発明にかかる圧力センサ一体型グロープラグに関する実施の形態について、図面に基づいて具体的に説明する。
なお、それぞれの図中において同じ符号が付されているものは、特に説明がない限り同一の構成要素を示しており、適宜説明が省略されている。

１．グロープラグの基本的構成
図１は、本発明の実施の形態にかかる圧力センサ一体型グロープラグ（以下、単に「グロープラグ」と称する。）１の断面図である。
図１に示すグロープラグ１は、シース型グロープラグとして構成されたものであって、例えば、ディーゼルエンジン等の自己着火型の内燃機関に用いられるグロープラグ１として構成されている。

このグロープラグ１は、ロッド状のヒータエレメント２を有しており、ヒータエレメント２は、予燃焼型の内燃機関の場合には予燃焼室に挿入され、直噴型の内燃機関の場合には内燃機関の燃焼室に挿入されて、固定される。ヒータエレメント２は、金属製又はセラミック製のヒータエレメント２として構成することができる。ただし、ヒータエレメント２は他の構成のものであっても構わない。

グロープラグ１は、ハウジング３を有している。このハウジング３は金属材料からなることが好ましい。ハウジング３は同心状の貫通孔を有しており、ヒータエレメント２の後端側は、部分的にハウジング３の内部に配置され、ハウジング３の先端側に設けられた開口４の箇所でハウジング３から内燃機関の燃焼室等の内部に突出可能になっている。さらに、ハウジング３は雄ねじ山５を有しており、この雄ねじ山５によって、グロープラグ１は、内燃機関のハウジングに設けられた挿入孔内にねじ込み可能となっている。このとき、円錐状シール６により、内燃機関に設けられた挿入孔内でグロープラグ１は気密に嵌合されている。

本実施形態において用いられているロッド状のヒータエレメント２は、発熱体７と支持管８とを有している。支持管８は発熱体７の外周面９に接しており、発熱体７に結合されている。支持管８の外面１０は、同時に、ヒータエレメント２の外面１０をも形成している。

グロープラグ１に設けられた同心状の貫通孔は、可撓部材としての鋼ダイヤフラム１５によって内室１６とシール室１７とに分割されている。鋼ダイヤフラム１５は一方ではハウジング３に、他方では円筒環状部１８においてヒータエレメント２の支持管８に、それぞれ結合されている。鋼ダイヤフラム１５は基部１９を有しており、この基部１９は、ヒータエレメント２が、グロープラグ１のハウジング３の軸線２０の方向において、ハウジング３に対して相対的に移動可能となるように、可撓性を有して形成されている。

内室１６には圧力センサ２１が配置されている。この圧力センサ２１は、例えば圧電式のセンサ素子として構成することができる。この圧電式のセンサ素子は機械的な負荷を受けると電荷を発生させ、この電荷は圧力センサ２１のコンタクト領域２２，２３において検出可能となっている。検出された電荷は電気配線２４，２５によってグロープラグ１のハウジング３から導出される。圧力センサ２１は、燃焼室等から遠い方の側のグロープラグ１の端部２６側においてハウジング３に結合されたスリーブ２７に支持されている。他方において、圧力センサ２１は力伝達スリーブ２８を介してヒータエレメント２に結合されている。この場合、ヒータエレメント２は主としてその支持管８の部分で力伝達スリーブ２８に支持されている。

グロープラグ１が組み付けられた状態では、内燃機関の燃焼室等の内部の圧力に基づいて、ヒータエレメント２に作用する力が発生する。この力は軸方向２９で、すなわち軸線２０に沿った方向で、ヒータエレメント２に作用する。この力は、矢印３０，３１，３２により示された力伝達経路に沿って圧力センサ２１に伝達される。この圧力センサ２１は伝達された力に応じて電気配線２４，２５を介して検出信号を導出し、この検出信号から、燃焼室等に形成された圧力が測定される。燃焼室等の内部に発生した圧力を精度よく測定するためには、ヒータエレメント２及び力伝達スリーブ２８がハウジング３に拘束されることなく、軸方向２９において自由に移動できる状態を確保することが必要となる。この場合、圧力センサ２１の検出信号に基づいて圧力を測定する際には、例えば鋼ダイヤフラム１５の弾性力により生じる、圧力センサ２１に伝達される力への影響であれば、あらかじめ考慮することができる。

ただし、グロープラグ１の作動時に生じる汚染の影響、特に先端側の開口４の近傍で生じる汚染は、その量及び影響に関してあらかじめ考慮することは困難であるため、このような汚染は燃焼室等に生じた圧力の誤測定を招く大きな原因となり得る。特に、燃焼室等の内部の圧力により生じた力の一部が、端部側の開口４の近傍において汚染によって堆積した異物の影響によって円錐状シール６の領域でハウジング３に伝達されてしまい、その結果、実際に圧力センサ２１に作用する力が減少するおそれがある。これにより、燃焼室等の内部に生じた圧力の検出精度の低下を招く。

このような問題を回避するために、本実施の形態にかかるグロープラグ１においては、シール室１７内に耐熱性ファイバー部材３５が配置されている。以下、図２に基づいて、シール室１７の構成並びに耐熱性ファイバー部材３５の特性及び作用について詳しく説明する。

図２には、図１に二点鎖線で示した領域ＩＩが詳細に図示されている。鋼ダイヤフラム１５の基部１９は環状の面４０を有しており、この環状の面４０はハウジング３に結合されている。さらに、鋼ダイヤフラム１５の基部１９は別の環状の面４１を有しており、この環状の面４１は環状の面４０とは逆方向に向けられていて、ハウジング３の円錐状シール６に結合されている。さらに、鋼ダイヤフラム１５の円筒環状部１８の内面４２は支持管８の外面１０に接合されており、この場合、鋼ダイヤフラム１５と支持管８とは、内面４２の範囲において、例えばレーザ溶接によって結合されている。これにより、シール室１７と内室１６との間の信頼性の良いシール性が確保されている。

ヒータエレメント２から力伝達スリーブ２８への力の伝達を良好なものとするために、支持管８における、力伝達スリーブ２８寄りの領域４３の肉厚が、力伝達スリーブ２８の肉厚に適合されており、この場合、支持管８の領域４３の範囲では、他の範囲よりも大きな肉厚に形成されている。

円錐状シール６が位置する領域において、ハウジング３とヒータエレメント２の外面１０との間には環状ギャップ４４が設けられている。この環状ギャップ４４は端部側の開口４を形成している。環状ギャップ４４は軸線２０に沿った方向におけるヒータエレメント２の移動を可能にしている。ただし、ヒータエレメント２は、鋼ダイヤフラム１５が有する弾性力の作用を受けるようになっている。この場合、鋼ダイヤフラム１５によって発生し、支持管８を介してヒータエレメント２に作用する弾性力は、あらかじめ測定され、燃焼室等の内部に生じた圧力の測定時には、この弾性力を考慮することができる。

さらに、シール室１７には耐熱性ファイバー部材３５が備えられている。この耐熱性ファイバー部材３５は環状ギャップ４４にも充填されている。耐熱性ファイバー部材３５は、例えば、セラミックファイバーや石英ファイバー等の耐熱性の高いファイバーに対して、酸化能の高い公知の触媒成分を担持させた部材からなっている。耐熱性ファイバー部材３５は、耐熱性ファイバーに直接触媒材料を担持させたものとすることができ、あるいは、耐熱性ファイバーに、触媒材料が担持された面積の大きなセラミック粒子等を保持させたものとすることができる。また、この耐熱性ファイバー部材３５は、成形されていない材料をシール室１７や環状ギャップ４４に充填するようになっていてもよいし、あらかじめシール室１７や環状ギャップ４４の形状に応じて成形して装着するようになっていてもよい。

耐熱性の高いファイバーは、結晶質ファイバー、非晶質ファイバー、ミネラルウール、グラスファイバー等の公知の耐熱性の高い無機質材料から選択されるものであり、プリフォームされたものでもよい。また、触媒成分は、一種又は二種以上の貴金属を含んで構成することができる。あるいは、貴金属を構成元素とする金属酸化物からなる触媒材料を使用することもできる。

この耐熱性ファイバー部材３５が設けられていることにより、ハウジング３とヒータエレメント２との間に、未燃焼物であるカーボンやＳＯＦが侵入することを物理的に阻止できる。さらに、耐熱性ファイバー部材３５に付着したカーボン等については、担持されている触媒成分によって酸化、分解され、ガス状になって、固体成分が堆積することを防ぐことができる。ここで、耐熱性ファイバー部材３５は、ファイバー上に触媒成分を担持させているために、触媒が担持された表面積が大きくなっており、触媒活性をより高めることができる。

また、特に、触媒成分を担持させるファイバーをセラミックファイバーや石英ファイバーとすれば、その保温効果によって、ヒータエレメント２が発生させる熱を利用して触媒活性がより高められ、カーボンやＳＯＦを効果的に酸化、分解させることができる。
さらに、耐熱性ファイバー部材３５はファイバーを利用したものであるために、充填密度が低く抑えられ、ヒータエレメント２を拘束するおそれがなく、ヒータエレメント２が受けた圧力を、効率的に圧力センサ２１に伝達することができる。さらには、耐熱性シール材３５は、鋼ダイヤフラム１５の保護、特に鋼ダイヤフラム１５の腐食を低減するという機能をも有している。

なお、上述した実施の形態において、耐熱性ファイバー部材３５を、ハウジング３とヒータエレメント２との間隙からはみ出した状態で設けてもよい。耐熱性ファイバー部材３５をこのように配置した場合には、内燃機関のハウジングに設けられた挿入孔とヒータエレメント２との間隙に侵入したカーボンやＳＯＦ等を酸化、分解して、それらが堆積することを防ぐことができる。

２．変形例
図３は、可撓部材として、鋼ダイヤフラムの代わりにベローズを用いたグロープラグの例の拡大図を示している。
このグロープラグの例において、ヒータエレメント５２にはベローズ６８が結合され、ベローズ６８は、その一端側においてハウジング５３に固定されている。ヒータエレメント５２は、ハウジング５３内で軸方向にスムーズに移動可能となっている。このベローズ６８は、好ましくは金属材料によって形成され、ベローズ６８とヒータエレメント５２との結合は、例えば、レーザ溶接やクリンピング、スエージング、はんだ付け、圧入等の方法によって行われる。

この変形例のグロープラグにおいても、ハウジング５３は、先端部に円筒状シール５６を備え、当該円筒状シール５６の先端部の領域において、ハウジング５３とヒータエレメント５２との間には環状ギャップ６４が設けられている。この環状ギャップ６４は、端部側の開口を形成している。この環状ギャップを含む、円筒状シール５６内部の先端側には、耐熱性ファイバー部材６５が備えられている。

このように、ヒータエレメント５２を保持する可撓部材としてベローズ６８を用いる場合であっても、先端側のハウジング５３とヒータエレメント５２との間隙に、酸化触媒成分を担持させた耐熱性ファイバー部材６５を備えることにより、上述した実施の形態のグロープラグと同様の効果を得ることができる。

Claims (3)

1. 内燃機関の気筒内に挿入されて用いられる圧力センサ一体型グロープラグであって、ハウジングと、前記ハウジングから先端を突出させて保持されたロッド状のヒータエレメントと、圧力センサと、を備え、前記ヒータエレメントが、可撓部材によって前記ハウジングに保持されて前記ハウジングに対する位置を変位可能にされており、前記圧力センサが前記ヒータエレメントの変位によって前記気筒内の圧力を受けられるようにされた圧力センサ一体型グロープラグにおいて、
   前記可撓部材よりも先端側の前記ハウジングと前記ヒータエレメントとの間隙に、酸化触媒成分を担持させた耐熱性ファイバー部材を備えることを特徴とする圧力センサ一体型グロープラグ。
2. 前記耐熱性ファイバー部材が、セラミックファイバーに酸化触媒成分を担持させたものであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ一体型グロープラグ。
3. 前記耐熱性ファイバー部材が、前記ハウジングと前記ヒータエレメントとの間隙よりもさらに前記ハウジング外部にはみ出して設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサ一体型グロープラグ。

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