JPS6363060B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 圧力の作用に基づいて抵抗値が変化する電気
導体を用いて媒体の圧力を検出するセンサにおい
て、電気導体は線材５として形成されておりかつ
中央電極８とおねじ９との間に存在する、点火プ
ラグの呼吸室１０に配置されていることを特徴と
するセンサ。

２ 線材５は、コイル、ミアンダ等の形状におい
て呼吸室１０内に挿入され、その際線材装置の部
分５ａは耐圧被覆を有しておりかつ残りの部分５
ｂとともにそれぞれ、ブリツジ装置のアームを形
成する請求の範囲第１項記載のセンサ。

３ 線材５は２本巻きに巻付けられている請求の
範囲第１項記載のセンサ。

４ 内燃機関の燃焼室の圧力の影響に基づいて抵
抗値が変化する電気導体と該電気導体の抵抗値の
変化を検出する回路２６とを使用して内燃機関の
燃焼室における圧力を検出するセンサにおいて、 圧力の作用により変化する抵抗として予熱のた
めに用いられる、予熱プラグの電気導体２１を用
いることを特徴とするセンサ。

５ 導体２１は、セラミツク予熱ピンプラグ３０
の導体路２４，２６，２７として形成されている
請求の範囲第４項記載のセンサ装置。

６ 導体路２４，２６，２７は実質的に、空の内
室４２を有する、予熱ピンを形成するセラミツク
管４０の燃焼室の側の底部の領域に限定され、層
状に形成されかつ有利には電気絶縁性の、気密の
保護層４５によつて被覆されている請求の範囲第
５項記載のセンサ装置。

７ セラミツク管底部４１上の導体路４４は、実
質的に波状の形態を有する請求の範囲第６項記載
のセンサ装置。

８ プラグ３０は更に光検出器５２を有する請求
の範囲第５項から第７項までのいずれか１項に記
載のセンサ装置。

技術水準 本発明は、請求範囲第１項の上位概念および請
求範囲第４項の上位概念に記載のセンサから出発
する。

媒体中の圧力を、媒体中に配置されているセン
サに作用する力を検出することによつて測定する
ための種々異なつた装置が既に公知である。この
ために、センサとして圧電セラミツク装置が適し
ているが、便覧F.X.Eder“モデルネ・メスメソー
デン・デア・フイジーク”（第１巻、ヴイツセン
シヤフトVEB−社刊、1968年、第259頁）に記載
されているように、圧力の作用に基づいてその抵
抗値を変える線材を有する装置も使用される。感
圧線として殊に、マンガニン線が適している。

しかしこの形式の公知のセンサは、コストが高
いということの他に、温度が異なるとその特性が
著しく変わるから、内燃機関の燃焼室または燃焼
室に関連する装置内の圧力を測定するという特殊
な課題には適していないという欠点を有する。

内部燃焼される内燃機関は見かけ上だけが連続
動作する機関である。つまりトルクおよび回転数
は準連続的な出力量であり、個別過程の迅速な連
続によつて発生される。

従つて内燃機関の作動を、殊に燃料消費量の低
減を考慮して最適化する過程において、全過程を
個別過程の制御を介して制御することが必要であ
る。燃焼経過は実質的に、燃料と、例えば回転数
数、圧力、温度、負荷、空気過剰率または空気不
足のような作動状態と、例えば圧縮比、シリンダ
の大きさ、燃焼室壁の材料のような管関の形態に
よつて左右される。個別過程が全体の過程にどの
ように影響しているかを精確に検出すればする
程、内燃機関を一層最適に作動させることができ
る。そこでこれらの個別過程が全体の過程にどの
ように影響を及ぼすかは自動車技術書に示された
ダイヤグラムから読取ることができる。例えば燃
焼速度は、回転数が高いときに最大であり、濃厚
混合気および希薄混合気において、また回転数が
低いときは乱流が比較的大きくなるので低減され
る。炎の伝播速度は点火プラグにおいて緩慢に始
まり、燃焼最高圧（30ないし40bar）および燃焼
最高温度（2000℃ないし2500℃）において最高値
に達し、それから燃焼の終了の頃酸素の不足およ
び炎フロントの、比較的冷たいシリンダ壁への接
近により再び緩慢になる。その際燃焼の個別フア
クタそれぞれが、多かれ少なかれ影響が及ぼすこ
とがある。

このためにまず行うべきことは、内燃機関の内
部における状態の検出である。この際典型的な状
態量は圧力および温度である。圧力および温度は
理想の気体の場合には状態全体を示す。しかし内
部燃焼される機関の作動は燃焼環境および燃料の
組成の変化によつても著しく影響されるので、内
燃機関の作動について圧力および温度だけでその
全体を掌握できない。しかしながら圧力および温
度を観察することで機関サイクルに関する状態量
の変化について一応満足できる情報が得られる。

そこで内燃機関の燃焼室における燃焼過程の時
間および空間的な伝播の検出、点火時期の検出、
噴射過程の検出並びに不規則的な燃焼の測定を行
うことが知られている。

不規則な燃焼には、内燃機関において所定の動
作条件下で発生する所謂“ノツク”がある。即ち
衝撃波によつて惹起される、圧縮された燃焼−空
気−混合気の音声周波振動である。この振動の間
内燃機関のピストンおよびシリンダ壁への熱伝導
が著しく高められる。この結果これらの壁面にお
いて障害となる熱的な過負荷が生じるので、ノツ
クは基本的に回避すべきである。しかし他方にお
いて、内燃機関の使用できる動作領域を出来るだ
け大幅に利用することが所望されるので、ノツク
を早期にかつ確実に指示し、これにより内燃機関
が常時ノツク限界値の直下で作動されるように内
燃機関の調整を行うことができるようにする手段
を講じる必要がある。

米国特許公開第2879450号公報から既に、請求
の範囲第１項および第４項の上位概念に記載のセ
ンサが公知であるが、このセンサでは内燃機関の
燃焼室における圧力が変化するとその抵抗値を変
える電気導体は直接感圧性のものではない。電気
導体はその抵抗値をむしろ、引張り応力に依存し
て変えかつそれは、点火栓のまわりの環状の中空
室を気密に取囲むフレキシブルな、シリンダ状の
壁に被着されており、その際中空室は点火栓のね
じ山領域におけるチヤネルを介して点火栓の呼吸
室に接続されている。呼吸室は点火栓の中心電極
とおねじとの間にありかつ内燃機関の燃焼室まで
延びている。燃焼室における圧力変化によりシリ
ンダ状の壁に引張り応力が生じ、このためにこの
壁に取付けられている電気導体の抵抗値が変化す
る。この公知の装置は特に繁雑でありしかも高価
である。

発明の利点 これに対して請求の範囲第１項に記載の特徴を
有する本発明のセンサは、内燃機関の燃焼室にお
ける測定が極めて簡単な手段によつて可能になる
という利点を有し、その際支持体として市販の点
火プラグを使用でき、点火プラグは外部に通じる
孔を備える必要がないという利点が生じる。

同じ利点では、請求の範囲第４項記載の特徴に
よつて得られ、その際予熱のために使用される既
存の予熱プラグの電気導体が感圧部材として用い
られる。

その際更に、請求の範囲第５項に記載のように
圧力の作用に基づいてその抵抗値を変える導体と
して、予熱のために用いられる、セラミツク予熱
ピンプラグ上の導体路を使用することによつて特
別良好な作用効果が得られる。請求の範囲第６項
記載のようにこの導体路を気密の保護層によつて
取囲むことによつて、導体路材料の選択の幅が広
くなるので、圧力および／または温度による抵抗
値の変化が所望のように生ずる材料を選択するこ
とができる。

図面 本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細
に説明する。その際第１図は公知のセンサの１実
施例を示し、第２図は線材が部分的に被覆され
た、第１図に図示のセンサ装置の個別部分の実施
例を示し、第３図は点火プラグに納められた本発
明のセンサ装置を示し、第４図は別の本発明のセ
ンサ装置の略図を示し、第５ａ図はセラミツク予
熱ピンプラグを第４図の装置にどのように使用で
きるかを示すセラミツク予熱ピンプラグの断面図
であり、第５ｂ図は第５ａ図の平面図である。

実施例の説明 まず第１図に図示の公知のセンサの１例におい
て、容器の壁部は１で示されており、容器内には
圧力媒体２が存在する。壁部１にシリンダねじ３
が取付けられており、このねじは圧力室の側にお
いて、線材５が巻付けられている支持体４を支持
している。線材は物理的に、この線材に作用する
圧力に依存して抵抗値が変わるような状態にあ
る。このためには特にマンガニン、イサークロー
ム（ISA−Chrom）、イサーオーム線等が適して
いる。その際線材５は、コイル、ミアンダ等の形
状に形成されており、その結果小さな空間に大き
な線長が得られ、従つて圧力の変化の際に大きな
抵抗変化が生じる。線材５は、耐圧構造で外へ導
かれているリード６を介して、第１図には図示さ
れていない測定装置に接続されている。この測定
装置において公知の方法で線材５の抵抗値が監視
される。この際壁部１は例えばシリンダ壁または
噴射ポンプのケーシング壁であり、その結果第１
図の装置を用いて燃焼室圧力または噴射ポンプ内
の圧力を測定することができる。しかし勿論、既
述の装置によつて、別の、有利には高い圧力を測
定することもできる。第２図に図示の公知の別の
例では、コイル状装置の例においてブリツジ接続
用のものが図示されている。その際線材５はこの
場合も支持体４にコイル形式に巻付けられている
が、線材の第１の部分５ａは耐圧の被覆部７によ
つて取囲まれておりまた線材の別の部分５ｂは被
覆されずに圧力媒体中に在る。線材の部分５ａ，
５ｂは３線のリード６′を介して外室に導かれて
いる。外室において部分５ａ，５ｂは例えば２つ
の別の抵抗とともにホイートストーンブリツジ回
路として接続形成される。その際有利には合成樹
脂または金属層によつて被覆される、線材の部分
５ａは、温度の影響を補償する基準抵抗として用
いられる。

勿論、コイルまたはミアンダ状の装置は例とし
て挙げたにすぎず、小さな空間に線材の長さを長
くとれる、多数の別の幾何学形状を有する線材も
使用することができる。

本発明のセンサの、第３図に図示の実施例で
は、中心添極とおねじ９との間に所謂呼吸室
（Atmungs raum）１０を有する点火プラグが使
用される。この呼吸室は、例えばおねじ９の内側
に線材から成るコイル５を挿入することによつて
本発明のセンサ装置を収容するのに適しており、
その際線材から成るコイルは有利には保護層１１
および−必要の場合には−電気的な遮へい層１２
を具備している。リード６はこの場合プラグ内室
を介して外へ導かれる。この装置によつて、内燃
機関の燃焼室における圧力を監視することができ
る。というのは燃焼ガスの圧力はコイル５に伝達
されるからである。勿論コイル５を、第２図に図
示されかつ既に詳しく記述されているように、分
割することもできる。

第４図において、電気導体２１が自己点火内燃
機関、例えばデイーゼル機関における予熱のため
の予熱プラグにおいてどのように使用されるかが
示されている。予熱プラグのこの形式の導体２１
は、公知技術から非常に種々異なつた形態におい
て公知である。予熱プラグの導体２１は、端子２
２，２３に導かれており、これら端子を介して導
体は一方において予熱に必要な電流が図示されて
いない電流源から供給されるが、他方において本
発明によれば導体の抵抗値が検出される。このこ
とは、第４図の実施例によれば、電気導線２１と
の共働において抵抗２４および２５から成る半ブ
リツジ回路を用いて行なわれる。抵抗２４および
２５は直列に接続されており、その際この直列回
路の一方の端点並びに真中の点は回路装置２６に
導かれておりかつ他方の端点は端子２２に接続さ
れている。端子２３は同様回路装置２６に接続さ
れている。回路装置２６は第１に、小さな電気信
号に対するそれ自体公知の増幅器、有利にはスト
レンゲージ素子の信号を評価するために使用され
るような増幅器を有する。更に回路装置２６は、
例えばドイツ連邦共和国特許出願第3010324.5号
明細書に記載されているような、ノツク信号用評
価回路を含むことができる。

勿論導体２１は、燃焼室において形成される圧
力の作用のみならず、燃焼室において生じる温度
の作用によつてもその電気特性を変える。従つて
第４図に図示の装置は、導線２１としてどの材料
が使用されるかに応じて同じ方法で、燃焼室温度
を測定するため乃至燃焼過程の測定を考慮して温
度経過を分析するために使用される。

第５ａ図および第５ｂ図には、ドイツ連邦共和
国特許出願第3104401.8号明細書に詳細に記載さ
れているような、セラミツク予熱ピンプラグが図
示されている。予熱プラグ３０は、管状の金属ケ
ーシング３１を有し、このケーシングの長孔は３
２で示されており、またケーシングの外側はねじ
山３３、締付け用六角頭３４および焼室の側の端
面に設けられたシール座部３５を有する。ケーシ
ングの長孔３２の燃焼室側の端部は肩状成形部を
備えており、この肩状成形部に外方向を向いたフ
ランジ３８を有する予熱体３７が載着されてい
る。予熱プラグのフランジ３８と金属ケーシング
３１の長孔の肩状成形部３６との間に銅製の接触
リング３９が挿入されており、この接触リングは
同時に予熱体３７とケーシング３１との間のシー
ル部材として用いられる。

予熱体３７は支持体としてセラミツク管４０を
有し、このセラミツク管の燃焼室の側の端部は底
部４１によつて閉鎖されておりかつ金属ケーシン
グの燃焼室の側の端部から突出している。セラミ
ツク管４０は、電気絶縁性のセラミツク材料また
はガラスセラミツク、有利にはアルミナセラミツ
クから成りかつケーシング３１から突出する端部
は約0.5mmの壁厚を有するが、この種の予熱プラ
グ３０の適用に相応して0.3乃至0.8mmの間の厚さ
にすることもできる。予熱プラグ３７に出来るだ
け僅かな容量の熱しか加わらないように、セラミ
ツク管４０の壁厚は有利にはフランジ３８まで実
質的に同じ厚さを維持しかつセラミツク管内室４
２は実質的に充てんされないまゝである。底部４
１は、蓋として形成されているが、別の構成にす
ることもできる。

セラミツク管４０の底部４１は、外側を薄い、
多孔性の、電気絶縁性中間層４３によつて被覆さ
れており、有利にはアルミナから成るこの中間層
は熱膨脹を捕捉しかつ加熱素子４４からセラミツ
ク管４０への迅速すぎる熱伝導を妨げる。しかし
この中間層４３はセラミツク管４０上において更
にセラミツク管フランジ３８の方向に延長するこ
ともできる。

加熱素子４４は実質的にセラミツク管底部４１
の領域に限定されており、層状に形成されていて
かつ例えばアルミナのようなセラミツク材料が混
入されている白金−ロジウム合金から成る。白金
−ロジウム合金の代わりに、別の白金金属、白金
金属の合金または別の適当な導電材料（例えば
Ag−灰チタン石）を加熱素子４４として使用す
ることもできる。第５ｂ図から明らかなように、
加熱素子４４はこの実施例において波状の構成を
有し、このために高度なエネルギー密度が可能に
なる。加熱素子４４は、セラミツク管底部４１に
おいて中間層４３より小さな面積を占める。加熱
素子４４は、剥離、腐食および短絡からこの加熱
素子を保護する、セラミツク材料、例えばアルミ
ナから成る電気絶縁性の気密の保護層４５によつ
て被覆されている。

加熱素子４４の両端部は、第１の導体路４６乃
至第２の導体路４７に接続されており、これら導
体路は白金およびアルミナの混合物から成るが、
別の白金金属乃至白金金属の合金または別の適当
な電気絶縁材料（例えばAg−灰チタン石）およ
びセラミツク材料から形成することができる。第
１の導体路４６は、セラミツク管のフランジ３８
の端面４８まで導かれかつそこで接触部材５０と
接続されており、この接触部材は燃焼室に向いた
側において、端子２２に接続されている接続用ね
じ５１になる。これに対して第２の導体路４７は
フランジの燃焼室の側の背部で終わり、かつ銅製
の接触リング３９を介して、こちらは端子２３に
接続されている金属ケーシング３１に接続されて
いる。

ところで抵抗２４および２５から成る半ブリツ
ジ回路によつて、部分４４，４６，４７から成る
導体路の抵抗値が検出され−既に詳しく記述した
ように−回路装置２６において評価される。

第５ａ図および第５ｂ図の予熱プラグにおける
セラミツク管４０はその壁厚が僅かであるため透
明なので、本発明の有利な実施例において更に光
ガイドロツド５２の形状の光検出器が設けられて
おり、この光検出器は燃焼室からセラミツク管４
０を通つてその内室４２に入射する光を捕捉す
る。光ガイドロツド５２を介して検出された光
は、第５ａ図において光ガイドロツド５２を回路
装置２６に接続することによつて示されているよ
うに、それ自体は公知の方法で、更に導かれ、電
気信号に変換されかつ評価される。