JPH10221195A - エンジンの筒内圧センサ - Google Patents

エンジンの筒内圧センサ

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JPH10221195A
JPH10221195A JP2022597A JP2022597A JPH10221195A JP H10221195 A JPH10221195 A JP H10221195A JP 2022597 A JP2022597 A JP 2022597A JP 2022597 A JP2022597 A JP 2022597A JP H10221195 A JPH10221195 A JP H10221195A
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gasket
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静久 渡辺
Tatsunori Sakaguchi
龍範 坂口
Takayuki Fumino
高之 文野
Takao Sasayama
隆生 笹山
Masami Masuda
正美 桝田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】エンジンの空燃比向上と排気ガス浄化のため
に、シリンダ内の燃焼状態を気筒別に検出,制御するた
めの筒内圧センサとその検出方法を提供する。 【解決手段】筒内圧センサは、シリンダヘッドとシリン
ダブロックの間に筒内圧センサを搭載したシリンダガス
ケットを、結合ボルトで所定の締め付け圧力で締結して
いる。光ファイバの曲げ曲率の変動による入力光に対す
る出力光の変化を電気信号として検出し、エンジン制御
用コンピュータに取り込み、適正な命令を出し、独立噴
射,独立ヘリカル吸気ポート,電子制御EGRバルブな
どを制御し、エンジンを正常な状態にしてトルク変動を
防止し、最適な空燃比を得、クリーンな排ガスを排出す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、エンジンの燃費向
上と排気ガス浄化を目的として、燃焼室内の圧力いわゆ
る筒内圧を検出する筒内圧センサと、筒内圧センサを用
いた筒内圧の検出方法、およびエンジンの燃焼状態を制
御する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】筒内圧センサは、一般的に、点火プラグ
の周辺に取り付けて燃焼圧を直接計測する方法が採られ
ており、この筒内圧センサからの検出信号により、エン
ジン本体の失火やノッキング発生状態を検出する方式が
開発されている。
【0003】しかし、エンジンを多弁化したり、シリン
ダ上部に複数の動弁機構(カムシャフト)を設けるな
ど、エンジンを高出力化する目的で、より複雑構造とな
っているシリンダヘッドに、このような筒内圧センサを
配置することが極めて難しくなっている。
【0004】この欠点を補うために、燃焼圧を間接的に
計測する方法として、特開平2−157631号公報
(平成2年6月18日出願)にみられるように、シリン
ダガスケット内に筒内圧センサ本体の装着部を設け、こ
の装着部に着脱可能な圧電素子を組み込んだ筒内圧セン
サが開発されている。しかしこの従来方法では、柔らか
いガスケット材からなる広い面積のシリンダガスケット
と、高剛性の狭い受圧面積をもつ圧電素子が並列に並ん
だ構成となっている。このため、シリンダヘッドとシリ
ンダブロックとの間に、この筒内圧センサを組み込んだ
シリンダガスケットを挾んで締結するとき、圧縮代は大
部の面積を占めるガスケット材によって決定されるの
で、圧電素子を最適な圧縮代で締結することが極めて困
難であった。そのため、圧縮代が不足の場合には、圧電
素子が両者間で振動するなどして精度の良い検出信号、
とくに高周波帯域での検出信号が得られない一方、締め
代が過大な場合には、圧電素子が破損してしまうといっ
た欠点があった。
【0005】さらにこの従来方式の筒内圧センサでは、 シリンダガスケットや圧電素子の厚さ寸法のばらつき
をある程度許容しなければならない、 とくに複数個の圧電素子を用いる多気筒エンジンの筒
内圧センサにあっては、圧電素子相互間の厚さばらつき
も許容しなければならない、 筒内圧センサを装着したシリンダガスケットをシリン
ダブロックとシリンダヘッド間に組み立てるに際して、
結合ボルトの締め付けトルクを高精度に管理しなければ
ならない、 エンジンの温度上昇に伴う締め付け力の変化を吸収す
ることができず、検出信号の変動をきたしていた、な
ど、生産し実用化する上で大きな障害となっていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】「従来の技術」の項で
述べたように、従来技術による筒内圧センサでは、検出
性能を高めようとすると、生産上の障害をきたすとい
う、性能面と生産面が相入れないという問題を有してい
た。
【0007】すなわち、筒内圧センサ本体を、1mmない
し1.5mmといった薄さのシリンダガスケットに内蔵す
る場合に、筒内圧センサ本体およびガスケット材のわず
かな厚さのばらつきが、シリンダブロックとシリンダヘ
ッドの間にシリンダガスケットを締め付けるに際し、予
期しない締め付け力の大きな変動となって表れ、上述し
たような好ましからざる事態を引き起こしていた。
【0008】問題点を解決するために、本発明では、こ
れら厚さばらつきがあってもこれらを許容し、量産に適
した筒内圧センサの構造と検出システムを提供すること
を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】まず最初に、図2を用い
て本発明の原理図を説明する。上部にシリンダヘッド、
下部にシリンダブロック、この間にシリンダガスケット
が介在した状態で、ボルトが締結されている。一方この
シリンダガスケットの一部に光ファイバが図2のように
両端でシリンダブロックに、また、中央でシリンダヘッ
ドにばねを介して押し当てられている。
【0010】シリンダヘッドとシリンダブロック間、す
なわち、シリンダガスケットは、筒内圧の変動に伴い参
考文献(石垣匠,北川淳一,田中敦,谷内忠司;「メタ
ルヘッドガスケットの耐久性単体評価法」、自動車技術
49巻3号、1995,P19−24。)に記載されて
いるように、8〜12μmといった弾性変形を繰り返
す。このため、この光ファイバは、微小量だけ光ファイ
バの曲げの曲率が変動し、図3に示す光の減衰特性曲線
に従って入力光に対し出力光が変動する。
【0011】このように、光ファイバの透過光量の変動
から、筒内圧の測定が可能となる。
【0012】図3に、筒内圧センサを使用したエンジン
とその制御システムの構成を示し、図4に筒内圧センサ
を使用したときの効果を示す。燃焼室13内の燃焼圧の
変動を、シリンダガスケット内に装着している光ファイ
バと、ファイバ支持体により、光ファイバの曲げ曲率の
変動による入力光と出力光の変化を電気信号として検出
する。この得られる電気信号は、比較的高電圧であるが
電流値が小さいため、その信号を端子と導線を介して入
力インピーダンスの高いチャージアンプに伝え、インピ
ーダンス変換を行ってエンジン制御用コンピュータ(E
CU)に取り込む。
【0013】例えば、シリンダ内でノッキング発生など
の異常な圧力変動がある場合に、エンジン制御用コンピ
ュータから適切な指令を出し、燃料噴射のタイミング、
独立ヘリカル吸気ポートの開閉、電子制御EGRバルブ
などを制御し、エンジンの燃焼を正常な状態に維持して
トルク変動を防止し、最適な空燃比を確保して、燃料消
費量を最少にして、排ガスをクリーンにする。
【0014】ところで、本発明の筒内圧センサでは、燃
焼室内の圧力変動を、上述したようにエンジンのミクロ
な弾性変形を利用して、ファイバ支持体を介し、微小量
だけ光ファイバの曲げの曲率が変動し、光ファイバの透
過光量の変動から、筒内圧の測定が可能となる。
【0015】目的を達成するため、本発明の筒内圧セン
サは、 (1)光ファイバの支持において、光ファイバと、シリ
ンダヘッドあるいはシリンダブロックとの間が離れない
こと。特に、ノッキングなどの高周波数において、離脱
しないこと。
【0016】(2)光ファイバが押し当て力によって、
圧縮破壊を起こさないこと。
【0017】(3)ファイバ支持体が、ガスケットの圧
縮代のばらつきに対して、そのばらつき誤差を十分吸収
できること。
【0018】(4)光ファイバ及びファイバ支持体が温
度上昇に対して、熱膨張誤差を十分補正できること。
【0019】が必要となる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、本発明の筒内圧センサの一
実施例を図1に、図1のA−A断面を図6に、図5に筒
内圧センサのファイバ支持体1を示す。
【0021】(実施例1)シリンダガスケット5には、
図1に示すようにシリンダ7に対応する部分にシリンダ
7の内径寸法と略同径の筒穴(シリンダ用開口部)が形
成されているとともに、シリンダヘッド3に図示しない
結合ボルト11の挿入穴および冷却水や潤滑油の流通穴
がそれぞれ形成されている。また、シリンダガスケット
5には、ファイバ支持体1や光ファイバ2の図示してい
ない装着穴や通り溝があり、ファイバ支持体1と光ファ
イバ2を装着している。光ファイバ2は、光源の発光素
子9から中央凸起部12と押し当て端部13からなるフ
ァイバ支持体1を通って受光器10につながっている。
【0022】図17に示すように、シリンダガスケット
5のファイバ支持体装着位置25は、エンジンのシリン
ダヘッド3及びシリンダブロック4取付け用結合ボルト
穴24と穴の中心に配置し、シリンダ略同径の筒穴23
に近づけることにより、筒内圧センサ本体での変位を大
きくとれるようにしている。
【0023】エンジン稼動時には、シリンダヘッド3,
シリンダブロック4及びシリンダガスケット5の温度は
燃焼室6から伝導してくる熱により、250℃から30
0℃近くまで上昇する。そのため、光ファイバ2および
ファイバ支持体1は温度上昇に対して熱膨張誤差を十分
に補正できるようにしている。
【0024】図6より光ファイバ2がシリンダブロック
4側及びシリンダヘッド3側に押されている様子がわか
る。ここで、押し当て端部13によって、S字状および
逆S字状の断面をしているのは、シリンダガスケット5
が、製作工程上、シリンダヘッド3締め付け力によりそ
の厚さがばらつくために、この厚さ変動を吸収するため
である。また、ファイバ支持体1とシリンダブロック4
とは、ほぼ平衡になるようにする。
【0025】中央凸起部12の厚さ方向の剛性に比べ
て、押し当て端部13の剛性は大きくとってあり、中央
凸起部12の支持条件が正確に獲得できるようにしてい
る。
【0026】実際には、光ファイバ2を適切な応力範囲
で、シリンダヘッド3や、シリンダブロック4に押し当
てることは極めて難しい。押し当て力が大きすぎると、
光ファイバ2が圧縮破壊を起こし、また押し当て力が小
さすぎると、測定周波数帯域の上限が制限され、ノッキ
ングなどの測定ができなくなる。このため、図4に示す
ような、光ファイバ2の取り付けへの配慮が必要であ
る。
【0027】すなわち、中央凸起部12は、シリンダヘ
ッド3に押し当て、この中央凸起部12に設けた溝深さ
dgと、光ファイバ2の直径dfとの間に
【0028】
【数1】dg>df …(数1) なるようにして、この中央凸起部12の曲率半径Rの溝
の底に、光ファイバ2の曲げ剛性を利用して押し当てて
いる。
【0029】両端でのシリンダブロック4との押し当て
端部13についても、全く同様にこの箇所に曲率半径
R′の溝を設けているが、この箇所における溝深さd
g′と光ファイバ2の直径dfとの間には、
【0030】
【数2】dg′>df …(数2) なるようにして、この溝の底に光ファイバ2の曲げ剛性
を利用して押し当てている。
【0031】次に、構成のエンジンシステムと作用につ
いて図14から図16において説明する。エンジン本体
18の組立時に、シリンダガスケット5は結合ボルト1
1によって所定の締め付け圧力状態でシリンダヘッド3
とシリンダブロック4の間に挾んで固定されている。こ
の場合には、シリンダガスケット5内のファイバ支持体
1と光ファイバ2を用いた筒内圧センサ本体18の光フ
ァイバ2は通常の締め付け圧力状態で押圧された基準状
態で保持されている。
【0032】また、エンジン本体18の動作中は各シリ
ンダ7内の燃焼室6で、爆発による燃焼によって、シリ
ンダヘッド3にはシリンダブロック4側より離間する方
向に押圧力が発生する。そして、この押圧力によって、
シリンダヘッド3とシリンダブロック4との間のシリン
ダガスケット3のシールしている面に面圧変動が生じ
る。筒内圧センサ17は筒内圧の変動に伴い参考文献
(石垣匠,北川淳一,田中敦,谷内忠司;「メタルヘッ
ドガスケットの耐久性単体評価法」、自動車技術49巻
3号、1995,P19−24。)に記載されているよ
うに、8〜12μmといった弾性変形を繰り返す。この
ため、ファイバ支持体1により光ファイバ2は、微小量
だけ光ファイバ2の曲げの曲率が変動し、図3に示す光
の減衰特性曲線に従って入力光に対し出力光が変動す
る。光ファイバ2の透過光量の変動を電気信号に変換
し、インジェクション信号やイグニション信号等で、各
気筒の燃焼サイクルと筒内圧変動のタイミングが同じに
なるように電気信号を処理してエンジン制御用コンピュ
ータ(ECU)19に入力される。このエンジン制御コ
ンピュータ19により各気筒ごとの燃焼圧変動が個別に
検出できる。
【0033】例えば、シリンダ7内の燃焼室13におい
て、ノッキング発生などの異常な圧力変動がある場合
に、エンジン制御用コンピュータ19から適正な命令を
出し、EFI(独立噴射)20,独立ヘリカル吸気ポー
ト21,電子制御EGRバルブ22などを制御し、エン
ジンの燃焼圧を正常な状態にしてトルク変動を防止し、
図16に示す最適な空燃比にする。
【0034】(実施例2)上述した実施例では、光ファ
イバ2を組立てたときに、ファイバ支持体1の中央凸起
部12と押し当て端部13に設けた穴の中をくぐらせる
必要があり、組立て工数がかかる。
【0035】図6は押し当て端部13及び中央凸起部1
2の結合箇所を一方向だけにしたもので、光ファイバ2
を特に小さな穴の中を通すことなく安易に組立てること
ができる。図6の、中央凸起部12の光ファイバ2の曲
率半径Rと押し当て端部13での光ファイバ2の曲率半
径Rは同じで、光ファイバの曲率半径Rは、光ファイバ
2が曲げによる破壊を起こさない範囲でなければならな
い。
【0036】(実施例3)一般に、シリンダブロック4
やシリンダヘッド3のシリンダガスケット5に接する面
は、それほど高精度に仕上げられている訳ではない。
【0037】そのため、ファイバ支持体1がこれら両者
に精度よく押し当てられ、両者の相対変位量を高精度に
測定できないことがある。
【0038】この場合には、図7に示すように、押し当
て端部13とシリンダブロック4あるいは中央凸起部1
2とシリンダヘッド3間に平滑な面をもつシム14を介
在させ、上述した懸念を払拭することができる。また、
シム14には燃料のガス漏れを防止する効果もある。
【0039】(実施例4)実施例1〜3に記載の筒内圧
センサにおいて、シリンダヘッド3とシリンダブロック
4の間が、メタルガスケット5a内にファイバ支持体
1′と光ファイバ2を介して、締結される構造の場合、
ファイバ支持体1′がシリンダガスケット5内で自由に
動くと、光ファイバ2が破断してしまうので、メタルガ
スケット5aの本体との位置がある程度決まるような構
造にする必要がある。その方法として、図9に示すよう
に、ファイバ支持体1′を動かないようにするために、
ファイバ支持体1′と上シール板14aおよび下シール
板14bを溶接で固定し、光ファイバ2の破断による破
壊を防止する。
【0040】この方法は、メタルガスケット5aに限る
ものではなく、カーボンガスケット5bでもよい。
【0041】(実施例5)実施例1〜3に記載の筒内圧
センサにおいて、シリンダヘッド3とシリンダブロック
4の間が、カーボンガスケット5b内にファイバ支持体
1′と光ファイバ2を介して締結される構造の場合、フ
ァイバ支持体1′がシリンダガスケット5内で自由に動
くと、光ファイバ2が破断してしまうので、カーボンガ
スケット5bの本体との位置がある程度決まるような構
造にする必要がある。その方法として図10に示すよう
に、ファイバ支持体1′とカーボンガスケット5bを板
ばね15などのある程度自由度のあるものにより、溶接
で固定し、光ファイバ2の破断による破壊を防止する。
また、光ファイバ2がカーボンガスケット5bとシリン
ダブロック4ないしシリンダヘッド3によって圧縮破壊
しないように、カーボン16などの緩衝材によりそれを
防止する。
【0042】また、同じ目的で、図18に示す光ファイ
バ2の保護溝を設けた中間板26と、ファイバ支持体
1′とを溶接で固定し、光ファイバ2の破断による破壊
を防止する。
【0043】この方法は、カーボンガスケット5bに限
るものではなく、メタルガスケット5aでもよい。
【0044】(実施例6)実施例1〜5に記載の筒内圧
センサにおいて、筒内圧を高精度に計測する方法の一例
を図13に示す。図11にそのファイバ支持体1″の断
面図と、図12に図11の矢印Aからみたファイバ支持
体1″の構造を示す。図11は、押し当て端部13と中
央凸起部12を1個ずつ組み合わせたファイバ支持体
1″を用いた方法である。図13は、図11のファイバ
支持体1″を用いて、押し当て端部13と中央凸起部1
2を複数個組み合わせた構造で、筒内圧を高精度かつ信
頼性の高い計測することができる。
【0045】
【発明の効果】本発明によれば、燃焼室内にセンサまた
はセンサの一部を取り付けることなく、またシリンダブ
ロックやシリンダヘッドに特別な細工を施すことなく、
シリンダ内の燃焼圧を検出することができるので、セン
サ実装部のスペースが十分でないエンジン環境で複雑な
構造にしなくてよい。
【0046】とくに寸法ばらつきがあっても、十分に感
度よく燃焼圧が検出できる特徴があり、安定した性能の
筒内圧センサが生産できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の筒内圧センサの一実施例を示すエンジ
ンのシリンダ部の分解図。
【図2】本発明の筒内圧センサの原理図。
【図3】本発明の筒内圧センサを使用したときの中央凸
起部の曲率半径と光ファイバの減衰特性図。
【図4】図1の筒内圧センサの中央凸起部の説明図。
【図5】本発明の筒内圧センサのばね機構の一例を示す
斜視図。
【図6】本発明の筒内圧センサで、燃焼圧を検出する一
実施例の説明図。
【図7】本発明の筒内圧センサの押し当て端部を変形し
た一実施例の説明図。
【図8】本発明の筒内圧センサのばね機構を変形した一
実施例の斜視図。
【図9】メタルガスケットの場合の本発明の筒内圧セン
サを使用した一実施例の説明図。
【図10】カーボンガスケットの場合の本発明の筒内圧
センサを使用した一実施例の説明図。
【図11】本発明の筒内圧センサのばね機構を変形した
一実施例の説明図。
【図12】図11の筒内圧センサのA部矢視図。
【図13】本発明の筒内圧センサのばね機構を複数個使
用した一実施例の説明図。
【図14】本発明の筒内圧センサを用いたエンジンの一
例の説明図。
【図15】図14の制御システムのフローチャート。
【図16】図14の制御を行ったときの効果の特性図。
【図17】ファイバ支持体の装着位置を示す説明図。
【図18】カーボンガスケットの場合の本発明の筒内圧
センサを使用した一実施例の説明図。
【符号の説明】
1…ファイバ支持体、2…光ファイバ、3…シリンダヘ
ッド、4…シリンダブロック、5…シリンダガスケッ
ト、6…燃焼室、7…シリンダ、8…ピストン、9…発
光素子、10…受光器、11…結合ボルト。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI G02B 6/00 G02B 6/00 B (72)発明者 文野 高之 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式 会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 笹山 隆生 茨城県ひたちなか市大字高場2520番地株式 会社日立製作所自動車機器事業部内 (72)発明者 桝田 正美 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式 会社日立製作所生産技術研究所内

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリンダヘッドとシリンダブロックの間に
    筒内圧センサ本体の装着部を設けたシリンダガスケット
    と、燃焼室内の筒内圧変化を伝えるためのファイバ支持
    体と、それを光量の変化として伝播するための光ファイ
    バと受発光素子から構成される筒内圧センサにおいて、
    上記シリンダヘッドと上記シリンダブロック間の弾性変
    形を、上記ファイバ支持体と上記光ファイバ内を伝播す
    る光量の変化、すなわち入射光量に対する出射光量の比
    の値の変化として検出し、この光量の変化から筒内圧を
    換算・測定できるようにしたことを特徴とする筒内圧セ
    ンサ。
  2. 【請求項2】請求項1において、上記ファイバ支持体が
    弾性構造をもち、上記シリンダガスケットの締め代のば
    らつきを吸収できるようにした筒内圧センサ。
  3. 【請求項3】請求項1または2において、上記ファイバ
    支持体が、両端で上記光ファイバを上記シリンダブロッ
    クないし上記シリンダヘッドに押し当てる押し当て端部
    と、中央において上記光ファイバを上記シリンダヘッド
    ないし上記シリンダブロックに押し当てる中央部から成
    り、中央部が押し当て端部に対して弾性支持され、その
    共振周波数が3〜20kHzの範囲にあり、ノッキング振
    動を増幅して検出できるようにした筒内圧センサ。
  4. 【請求項4】請求項1または2において、中央凸起部に
    設けた溝深さdgと光ファイバ直径dfとの間の関係が
    dg>dfを満足し、中央凸起の曲率半径Rの溝の底に
    光ファイバの曲げ剛性を利用して押し当てる筒内圧セン
    サ。
  5. 【請求項5】請求項1または2において、上記押し当て
    端部と上記シリンダブロック、および上記中央凸起部と
    上記シリンダヘッドの間に、平滑な面を持つシムを介在
    し、相対変位量を高精度に測定し、上記シムがメンタル
    ガスケットの上シール板ないし、下シール板である筒内
    圧センサ。
  6. 【請求項6】請求項1または2において、上記ファイバ
    支持体の押し当て端部と上記中央凸起部の結合箇所を一
    方だけにし、組立てことを平易にした筒内圧センサ。
  7. 【請求項7】請求項1,2または6において、上記シリ
    ンダヘッドと上記シリンダブロックの間が、上記メタル
    ガスケットを介して締結される構造の場合、上記メタル
    ガスケット内に光ファイバを通し、ファイバ支持体と上
    シール板および下シール板を溶接で固定し、光ファイバ
    の破断による破壊を防止する筒内圧センサ。
  8. 【請求項8】請求項1,2または6において、上記シリ
    ンダヘッドと上記シリンダブロックの間が、上記カーボ
    ンガスケットを介して締結される構造の場合、上記ファ
    イバ支持体と上記カーボンガスケットを板ばねなどのあ
    る程度自由度のある固定材により、溶接で固定し、光フ
    ァイバの破断による破壊を防止する筒内圧センサ。
  9. 【請求項9】請求項1,2または6において、上記光フ
    ァイバの保護溝を設けた上記シリンダガスケット内の中
    間板と、上記ファイバ支持体とを溶接で固定し、上記光
    ファイバの破断による破壊を防止する筒内圧センサ。
  10. 【請求項10】請求項1,2または6において、エンジ
    ンのヘッドブロック取付け用結合ボルト穴と穴の中心に
    上記ファイバ支持体を配置し、シリンダボアに近づける
    ことにより、筒内圧センサ本体での変位を大きくとれる
    筒内圧センサ。
  11. 【請求項11】請求項1,2または6において、筒内圧
    センサの出力がリニアな領域になる様セッティングし、
    温度変化によるシリンダヘッドとシリンダブロックの寸
    法変化の影響を少なくする筒内圧センサ。
  12. 【請求項12】請求項1,2または6において、押し当
    て端部と中央凸起部が複数個あるファイバ支持体で、筒
    内圧を高精度に計測する筒内圧センサ。
  13. 【請求項13】請求項1,2または6において、上記フ
    ァイバ支持体と上記シリンダブロックとをほぼ平衡にす
    る筒内圧センサ。
  14. 【請求項14】請求項1,2,3,4,5,6,7,
    8,9,10,11,12または13に記載の上記筒内
    圧センサと、各気筒の筒内圧からの出力信号を演算処理
    し、相互干渉量を除去する電気信号処理部と、トルク変
    動を防止するためのエンジン制御コンピュータと、上記
    エンジン制御用コンピュータからの命令により燃焼室内
    に送るための燃料を調整するEFIとからなるエンジン
    システム。
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