JP5114480B2 - 圧力センサを組み込んだスパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、圧力センサを組み込んだスパークプラグに関する。

内燃機関のシリンダの内側の圧力を知ることは重要である。これを知ることによってエンジン内の燃焼のより良い制御を維持することが可能になる。より良い制御はまた、燃料消費を制限し、さらに、より少ない汚染物質しか発生させないエンジンを設けることを可能にする。ガソリンエンジンでは、シリンダ内における圧力を測定する圧力センサはさらに、ノッキング検出器の必要性を排除することを可能にしている。

ガソリンエンジンのシリンダ内の圧力の測定を可能にするためのセンサを組み込むためには、公知先行技術においていくつかの解決方法がある。たとえば、圧力センサはシリンダ内に配置されていてよい。しかしこのことはセンサを貫通させるためのシリンダヘッドの変更を必要とする。シリンダヘッドの変形を測定することによりシリンダ内の圧力を測定することも知られている。この解決方法も、エンジンのシリンダヘッドを適応させることを要求し、さらに較正が極めて困難であるという欠点を有している。

スパークプラグにセンサを取り付けることも公知であり、たとえば米国特許第６７５６７２２号明細書に開示されている。この明細書中に提案された解決方法の欠点は、センサの寸法と、提案された組立てが複雑であるということである。さらに上記明細書に開示されたセンサは、圧縮力で動作する。

本発明の目的は、上記の種々の問題を排除することである。したがって本発明の目的は、対応するシリンダの内側の圧力を測定するための圧力センサが設けられたスパークプラグを提供することであり、このセンサは、全体的な寸法が小さく、好適には組付けができるだけ簡単である。さらにこのセンサが引張力センサであると好適である。

この目的のために、本発明によって、中心電極と、該中心電極を支持する絶縁碍子と、外側ボディと、力センサとが設けられているスパークプラグであって、外側ボディの内側に絶縁碍子が取り付けられていて、外側ボディが、絶縁碍子上に圧着された領域を有している形式のものが提案される。

本発明によれば、力センサは、（一方では）外側ボディの第１の外周領域に取り付けられた支持エレメントと、（他方では）外側ボディの第２の外周領域との間において、外側ボディの外周面に取り付けられている。外側ボディの第２の外周領域は、第１の外周領域よりも圧着領域（crimping region）から離れており、支持エレメントには、力センサに向かって予荷重がかけられている。

この形式により、特許請求の範囲に記載のスパークプラグに対応する燃焼室の内側の圧力は、スパークプラグの外側においてボディの変形によって測定される。絶縁碍子は、圧着領域の高さにおいて、外側ボディに燃焼室の内側の圧力に比例した拘束力を加える。本発明によるスパークプラグは、この圧着領域にかかる力の測定を可能にする。

本発明によるスパークプラグの１つの好適な実施形態（これはスパークプラグの簡単な１実施形態である）によれば、スパークプラグの外側ボディの第２の外周領域の高さに、外側ショルダが設けられており、この外側ショルダには力センサの面が載置されている。この実施形態では、外側ショルダと力センサとの間にアダプタ（中間部材）が配置されていてよい。

支持エレメントと、外側ボディの第１の外周領域との間の良好な結合を得るために、支持エレメントが、外側ボディの第１の外周領域に溶接によって取り付けられていると有利である。

圧着領域における応力をより良好に測定するために、第１の外周領域が、圧着領域の近傍の区域内にあるか、または圧着領域に移行していると有利である。

いくつかのタイプの力センサが使用され得る。たとえば、使用される力センサは、圧電式センサであってよい。圧電抵抗式センサも当該用途に使用することができる。

好適な実施形態の択一的な実施形態では、力センサを保護する外側の外周キャップが設けられていてもよい。外側ボディの外側ショルダと力センサとの間にアダプタを設けようとする場合、外周キャップは、たとえばアダプタと支持エレメントとの間に取り付けられる。

圧力測定装置の存在による全体的な長手方向寸法を制限することを可能にする択一的な実施形態では、外面において六角形の横断面を有する支持エレメントが設けられている。

本発明はさらに、少なくとも１つの、上述のようなスパークプラグを有することを特徴とする内燃機関に関する。

本発明の詳細および利点を、添付した概略的な図面を参照しながら、以下の説明により明らかにする。

スパークプラグの長手方向の断面図である。

この図面には、スパークプラグに通常設けられている構成部分が示されている。このスパークプラグは、従来の形式の中心電極２と、接地電極４と、絶縁碍子６と、スパークプラグシェルとも呼ばれる外側ボディ８とを有している。

スパークプラグは、内燃機関の燃焼室内で火花を発生させるために設計されている。この火花は、上記の２つの電極の間で発生させられる。中心電極２は、絶縁碍子６の一方の端部の内側に取り付けられている。この中心電極２には、ロッド１０を通じて高圧電流が供給される。このロッド１０も、絶縁碍子６の内側に取り付けられていて、絶縁碍子６を貫通して、中心電極２とは反対側の端部から突出している。ロッド１０の、中心電極２とは反対側の端部には、接続ナット（図示せず）を受容するためのねじ山１２が設けられている。

通常はセラミック材料から製作されている絶縁碍子６は、外側ボディ８の内側に取り付けられている。外側ボディ８は、概して円筒状かつ円形チューブの形を有している。外側ボディ８の一方の端部（以下、「下端部」と呼ぶ）は、接地電極４を支持している。接地電極４は、中心電極２と向かい合っている。

絶縁碍子６は、円錐状領域１４により外側ボディ８内で位置決めされている。絶縁碍子６は圧着により外側ボディ８内に保持されている。外側ボディ８の上端部は絶縁碍子６のショルダ１６に当て付けられており、これにより外側ボディ８の内側での絶縁碍子６の圧着部を形成している。圧着領域１８はこのように、外側ボディ８の上端部に形成されており、これにより絶縁碍子６を外側ボディ８内に拘束しかつ円錐状領域１４に載置させながら保持している。

通常の形式では、外側ボディ８の下端部の側方の外面には、ねじ山２０が設けられている。このねじ山２０の下に、プラグワッシャとも呼ばれるワッシャ（図示せず）を収容する凹所２２が設けられている。

外側ボディ８は、凹所２２の上方に拡大領域２４を有しており、この拡大領域２４は、スパークプラグをシリンダヘッドに螺入する際の当接部を形成する。拡大領域２４の上部はショルダを有していて、このショルダ上に支持リング２６が適応されている。支持リング２６の半径方向の下面は、外側ボディ８の拡大領域２４に載置されている。この支持リングの半径方向の上面２８は、力センサ３０のための支持部として働く。図示の実施例では、圧電素子３２と、２つの電極３４とを含む１つの圧電式センサが設けられており、２つの電極３４は絶縁ワッシャ３６により絶縁されている。

力センサ３０には、支持された状態において、本実施例では支持ケーシング３８により構成された支持エレメントによって予荷重がかけられている。支持ケーシング３８は、外側ボディ８の上部の形状に適応するように成形されている。この支持ケーシング３８は、力センサ３０から圧着領域１８にまで延びている。支持ケーシング３８は、外側ボディ８に溶接されている。溶接された領域は、図面では矢印３９により示されている。

したがって力センサ３０は、外側ボディ８の拡大領域２４（支持リング２６を介して）と、支持ケーシング３８との間に取り付けられている。したがって支持ケーシング３８は、圧着領域１８の近傍に溶接されており、力センサ３０は、スパークプラグの、外側ボディ８の圧着領域１８と拡大領域２４との間の応力を測定する。

支持ケーシング３８の上部区域、つまり力センサ３０とは反対の側の円筒状の外面は、六角形の横断面を有している。上述のシリンダヘッドへのスパークプラグの螺入は、この支持ケーシング３８において行われる。

圧着領域１８は、対応する燃焼室内で燃焼が起こると、上方に向かって押圧される。シリンダヘッドの近傍に配置されて該シリンダヘッドに螺入された拡大領域２４は、押圧されないものと仮定される。外側ボディ８の拡大領域２４と圧着領域１８との間は、フレキシブルかつ変形可能な領域である。

力センサ３０によって行われる測定は、力センサ３０の信号を処理した後に、フレキシブルかつ変形可能な区域における応力を知ることを可能にする。その後の較正は、対応する内燃機関内の圧力を知ることを可能にする。

図面から判るように、電極３４は、スパークプラグまで長手方向に延びた接続リード線４０を有している。この接続リード線４０はつまり、支持ケーシング３８に対して平行に延びている。力センサ３０を覆う外周キャップ４２は、接続リード線４０を外的損傷から保護している。この接続リード線４０は好適には金属から製造されていて、力センサ３０を電気ノイズから遮断することをも可能にする。

本発明は、スパークプラグの大きな変更を要求することなく、従来の形式のスパークプラグに圧力センサを取り付けることを可能にするという利点を提供する。圧力センサ３０は、スパークプラグの外側ボディ８の外周面に取り付けられている。このセンサの寸法は、半径方向および長手方向の寸法に関して著しく減じられている。さらに組み込まれる部品の数は、極めて限られている。さらにセンサの組立ても簡単である。実際には、種々多様な構成要素が、スパークプラグの外側ボディ８の上部の外周面に積み重ねられる。次いで較正された応力が支持ケーシング３８に加えられ、これにより力センサ３０に予荷重がかけられる。次いで応力が維持され、支持ケーシング３８は融着される。

このように取り付けられたこのタイプのセンサは、シリンダヘッドとスパークプラグのボディとの間に取り付けられた圧力センサよりも良好な信号を提供する。公知先行技術の場合、予荷重はスパークプラグをシリンダヘッドにねじ込む間に形成されていた。したがって一方では力センサに特定の応力をかけること、他方ではこの応力を長時間維持することは困難であった。

本発明は、非制限的な例として上に説明された好適な実施形態に限定されない。本発明は、当業者の範囲内における全ての様々な実施形態にも関連する。

たとえば、使用される力センサは、上述のセンサとは異なるタイプの圧電式センサであってよい。たとえば、圧電抵抗式のセンサまたは他のタイプの力センサであってよい。

上記の組立ては、１つの好適な組立てである。

したがって力センサの下面とスパークプラグの外側ボディとの間に支持リングを設けることは、必須ではない。

支持ケーシングを、圧着領域の極めて近傍において溶接すると好適であるが、外側ボディへの支持ケーシングの溶接は、圧着領域からより離して実行することもできる。

Claims (9)

1. 中心電極（２）と、
   該中心電極（２）を支持する絶縁碍子（６）と、
   外側ボディ（８）と、
   力センサ（３０）と
   が設けられているスパークプラグであって、
   外側ボディ（８）の内側に絶縁碍子（６）が取り付けられており、外側ボディ（８）が、絶縁碍子（６）に圧着された領域（１８）を有している形式のものにおいて、
   力センサ（３０）が、外側ボディ（８）の、前記圧着領域（１８）に移行する第１の外周領域に取り付けられた支持エレメント（３８）と、外側ボディ（８）の第２の外周領域（２４）との間で、外側ボディ（８）の外周面に取り付けられており、
   外側ボディ（８）の第２の外周領域（２４）が、第１の外周領域よりも圧着領域（１８）から離れており、
   外側ボディ（８）が、第２の外周領域（２４）の高さにおいて、外側ショルダ（２８）を有しており、該ショルダ（２８）に力センサ（３０）の面が載置していて、
   支持エレメント（３８）に、力センサ（３０）に向かって予荷重がかけられていることを特徴とするスパークプラグ。
2. アダプタ（２６）が、前記ショルダ（２８）と前記力センサ（３０）との間に配置されている、請求項１記載のスパークプラグ。
3. 支持エレメント（３８）が、外側ボディ（８）の第１の外周領域（１８）において、溶接によって取り付けられている、請求項１または２記載のスパークプラグ。
4. 力センサ（３０）が、圧電式センサである、請求項１から３までのいずれか１項記載のスパークプラグ。
5. さらに力センサ（３０）を保護する外側の金属製の外周キャップ（４２）が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載のスパークプラグ。
6. 前記外周キャップ（４２）が、アダプタ（２６）と支持エレメント（３８）との間に取り付けられている、請求項５記載のスパークプラグ。
7. 支持エレメント（３８）が、六角形の横断面を有する外面を有している、請求項１から６までのいずれか１項記載のスパークプラグ。
8. 中心電極（２）と、
   該中心電極（２）を支持する絶縁碍子（６）と、
   外側ボディ（８）と、
   圧電式センサである力センサ（３０）と
   が設けられているスパークプラグであって、
   外側ボディ（８）の内側に絶縁碍子（６）が取り付けられており、外側ボディ（８）が、絶縁碍子（６）に圧着された領域（１８）を有している形式のものにおいて、
   前記圧着領域（１８）が、外側ボディ（８）の上端部に形成されており、
   力センサ（３０）が、外側ボディ（８）の、前記圧着領域（１８）に移行する第１の外周領域に取り付けられた支持エレメント（３８）と、外側ボディ（８）の、第１の外周領域よりも圧着領域（１８）から離れた第２の外周領域（２４）との間で、外側ボディ（８）の外周面に取り付けられており、
   外側ボディ（８）が、第２の外周領域（２４）の高さにおいて、外側ショルダ（２８）を有しており、該ショルダ（２８）に力センサ（３０）の面が載置していて、
   支持エレメント（３８）に、力センサ（３０）に向かって予荷重がかけられていることを特徴とするスパークプラグ。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載の、少なくとも１つのスパークプラグが設けられていることを特徴とする内燃機関。

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