(57)【要約】【課題】内燃機関に装着され、噴射燃料を加熱して着火を補助すると共に燃焼圧を高精度に検出する燃焼圧検出機能付グロープラグを提供する。【解決手段】シリンダヘッド５０を燃焼室５００の室壁の一部とする内燃機関５に装着され、電源からの通電により発熱する発熱部２を燃焼室５００内に露出せしめて噴射燃料を加熱し着火を補助すると共に、発熱部２に作用する燃焼室５００内の圧力ＰＣＹＬを検出する燃焼圧検出手段３を備えた燃焼圧検出機能付グロープラグ１であって、電源６０と発熱部２との間に無線給電手段（１次コイル）４１と無線受電手段（２次コイル）２４とからなる無線送電手段を設けて電源から発熱部２への送電を無線で行うと共に、無線給電手段（１次コイル）４１と無線受電手段（２次コイル）２４との間に燃焼圧検出手段３を挟持せしめる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドを燃焼室の室壁の一部とする内燃機関に装着され、電源からの通電により発熱する発熱部を上記燃焼室内に露出せしめて噴射燃料を加熱し着火を補助すると共に、上記発熱部に作用する上記燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧検出部を備えた燃焼圧検出機能付グロープラグであって、
上記電源と上記発熱部との間に無線給電手段と無線受電手段とからなる無線送電手段を設けて上記電源から上記発熱部への送電を無線で行うと共に、
上記無線給電手段と上記無線受電手段との間に上記燃焼圧検出手段を挟持せしめたことを特徴とする燃焼圧検出機能付グロープラグ。
【請求項２】
上記無線給電手段と上記燃焼圧検出手段とを収納する略筒状に形成したハウジングの先端にハウジングシール面を形成し、上記シリンダヘッドに穿設した貫通穴の一部を縮径せしめて貫通穴シール面を形成し、上記ハウジングシール面と上記貫通穴シール面とを密接せしめた状態で、上記ハウジングを上記シリンダヘッドに固定すると共に、
上記発熱部と上記無線受電手段とを収納する有底筒状に形成した発熱ロッドの基端側端面を上記燃焼圧検出手段に当接せしめ、
さらに、上記発熱ロッドの基端側と上記ハウジングの先端側とを弾性的に接続可能な弾性部材を介して連結して、該弾性部材により上記燃焼室と上記燃焼圧検出手段とを気密に隔離すると共に、上記発熱ロッドを上記貫通穴内で上記燃焼圧に対して応動可能に保持せしめたことを特徴とする請求項１に記載の燃焼圧検出機能付グロープラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に装着され、噴射燃料を加熱して該内燃機関の着火を補助すると共に、その燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧検出機能付グロープラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、ノッキングや失火等の燃焼異常を抑制すべく、シリンダヘッドを室壁の一部として区画した燃焼室内の圧力（以下、燃焼圧と称す。）を検出して燃焼状態を判断し、機関の制御を行っている。
また、ディーゼルエンジン等の自着火燃焼機関には、燃焼室内に噴射された燃料を加熱し、着火を補助するグロープラグが設けられている。
従来、このようなグロープラグに燃焼圧検出機能を付加した燃焼圧検出機能付グロープラグについて種々提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３０８２４５号公報
【特許文献２】特開２００７−１３９３９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、特許文献１の図１にあるような従来の燃焼圧検出機能付グロープラグでは、本体金具の基端側で、多角形部と押圧部材との間に燃焼圧検知センサが挟持されている。このような構造では、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタの開閉により発生する振動がノイズとしてシリンダヘッドを介して燃焼圧検知センサに伝播され圧力検出精度の低下を招く虞がある。
加えて、細長い通電用軸部材の先端側に設けられたヒータに作用する燃焼圧を通電用軸部材の基端側に設けた燃焼圧検知センサで検出しているので、通電用軸部材の撓みや摺動摩擦によって燃焼圧に誤差を生じたり、応答時間の遅れを招いたりする虞もある。
【０００５】
また、特許文献２の図１にあるような従来の燃焼圧検出機能付グロープラグでは、細長いフロントハウジングの内周と電極棒の先端部の外周との間の極めて狭い空間に、環状に形成した燃焼圧センサを配設している。このような構造によれば、燃焼圧を受けるヒータの近くに燃焼圧検出センサを載置することができるので、上述のようなインジェクタからのノイズの影響を小さくしたり、応答性を速くしたりできると期待されるが、発熱体に通電を行うべく電極棒の先端部が燃焼圧センサの中心を貫通しているため、燃焼圧センサの受圧面積が小さくなり検知精度の低下を招く虞がある。
さらに、細い長いフロントハウジングの内周と電極棒の先端部との間の極めて狭い間隙において、フロントハウジングと燃焼圧センサと電極棒との絶縁を確保しつつ燃焼圧センサからの出力を取り出す必要があり、構造が極めて複雑となるので製造コストの増大を招く虞もある。
特に、近年、グロープラグの低定格化により昇温速度が向上し、小型化が進み、さらにフロントハウジングの内径が細くなっているため、従来のような構造では燃焼圧検出機能付グロープラグの実現が困難となっている。
【０００６】
そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、内燃機関に装着され、燃焼室内に噴射された燃料を加熱して着火を補助すると共に、燃焼圧を検出する燃焼圧検出機能付グロープラグの応答性向上と精度向上とを簡易な構成で実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明では、シリンダヘッドを燃焼室の室壁の一部とする内燃機関に装着され、電源からの通電により発熱する発熱部を上記燃焼室内に露出せしめて噴射燃料を加熱し着火を補助すると共に、上記発熱部に作用する上記燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧検出手段を備えた燃焼圧検出機能付グロープラグであって、上記電源と上記発熱部との間に無線給電手段と無線受電手段とからなる無線送電手段を設けて上記電源から上記発熱部への送電を無線で行うと共に、上記無線給電手段と上記無線受電手段との間に上記燃焼圧検出手段を挟持せしめる。
【０００８】
請求項１の発明によれば、上記無線給電手段から上記無線受電手段に無線送電されるので、発熱部に通電するための通電線が上記燃焼圧検出手段を貫通することなく、上記発熱部に通電可能となるので、上記燃焼圧検出手段を簡素な構造とすることができる。
加えて、上記燃焼圧検出手段の受圧面積を最大限広くして検出精度を高くすることも可能となる。
また、燃焼圧を直接受ける上記発熱部と上記電源との間に上記燃焼圧検出手段が挟持されているため、上記燃焼圧検出手段を受圧部に近づけて圧力伝達部をできるだけ短縮することが可能となり、圧力伝達部の機械振動によるノイズの低減が期待され、圧力伝達部の共振周波数も高くできるので、より高周波まで検出可能となる。
さらに、圧力伝達部の幾何公差の振れを小さくできるので加工精度を上げ易くなり、軸振れに起因するヒステリシスなどの誤差を抑制することも可能となる。
したがって、内燃機関の着火を補助すると共に燃焼圧を検出する燃焼圧検知機能付グロープラグの応答性向上と精度向上とを簡易な構成で実現することが可能となる。
【０００９】
より具体的には、請求項２の発明のように、上記無線給電手段と上記燃焼圧検出手段とを収納する略筒状に形成したハウジングの先端にハウジングシール面を形成し、上記シリンダヘッドに穿設した貫通穴の一部を縮径せしめて貫通穴シール面を形成し、上記ハウジングシール面と上記貫通穴シール面とを密接せしめた状態で、上記ハウジングを上記シリンダヘッドに固定すると共に、上記発熱部と上記無線受電手段とを収納する有底筒状に形成した発熱ロッドの基端側端面を上記燃焼圧検出手段に当接せしめ、さらに、上記発熱ロッドの基端側と上記ハウジングの先端側とを弾性的に接続可能な弾性部材を介して連結して、該弾性部材により上記燃焼室と上記燃焼圧検出手段とを気密に隔離すると共に、上記発熱ロッドを上記貫通穴内で上記燃焼圧に対して応動可能に保持せしめる。
【００１０】
請求項２の発明によれば、上記弾性部材によって燃焼室内の気体の漏れを防止すると共に、上記発熱部が燃焼圧に応じて軸方向に移動し、上記燃焼圧検出部に速やかに燃焼圧を伝達するので、極めて応答性に優れ、燃焼圧検出精度の高い燃焼圧検知機能付グロープラグが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の第１の実施形態における燃焼圧検出機能付グロープラグ１（以下、グロープラグ１と略す。）の概要について、図１を参照して説明する。なお、以下の説明において、図の上方に向かう側を基端側と称し、下方に向かう側を先端側と称する。
グロープラグ１は、先端側に設けた発熱部２と、基端側に設けた無線給電部４と、発熱部２と無線給電部４との間に設けた燃焼圧検出部３とによって構成されており、ディーゼルエンジン等の内燃機関５のシリンダヘッド５０に穿設した貫通孔に装着され、発熱部２の先端を内燃機関５の燃焼室５００内に露出している。
【００１２】
発熱部２は、少なくとも、長軸状に形成した発熱ロッド２０と、発熱ロッド２０に内蔵された発熱体２１と、無線受電手段として、一対の通電線２２、２３を介して発熱体２１に接続される２次コイル２４とを含んで構成されている。
発熱体２１は、窒化硅素Ｓｉ３Ｎ４を主成分とし、炭化タングステンＷＣ、モリブデンＭｏ、二硅化モリブデンＭｏＳｉ２、イットリアＹ２Ｏ３、炭化硅素ＳｉＣ、レニウムＲｅのいずれか１種以上を含む導電性セラミックスによって略Ｕ字上に形成してある。通電線２２、２３は、タングステンＷを用いてインサート成形等によって発熱体２１と一体に形成してある。
発熱ロッド２０は、窒化硅素Ｓｉ３Ｎ４、二硅化モリブデンＭｏＳｉ２、イットリアＹ２Ｏ３等からなる絶縁性セラミックスによって形成し、通電線２２、２３の一部が絶縁体２０から露出させつつ、発熱体２１と通電線２２、２３をその内部に一体的に封入している。
【００１３】
無線給電手段である２次コイル２４は、絶縁性被覆を施した金属線が筒状に巻回され、その両端部がそれぞれ通電線２２、２３に接続されている。なお、２次コイル２４の周内に金属製のコアを配設しても良い。
さらに発熱部２は、少なくとも発熱ロッド２０の基端側の一部を覆うように金属スリーブ２５内に嵌着され、金属スリーブ２５に固着された弾性部材からなるダイヤフラム２６を介して燃焼圧検出部３を構成する燃焼圧検出素子収納部３０の先端側に弾性的に接続されている。また、発熱体２１は、上述のように導電性セラミックスによって形成したものを用いても良いし、鉄Ｆｅ、コバルトＣｏ、ニッケルＮｉのいずれか１種以上を含む合金によって螺旋状に形成したものを用いても良い。
この場合、発熱ロッド２０としてステンレス等の金属を有底筒状に形成し、絶縁性のフィラーを充填したものを用いても良い。
【００１４】
燃焼圧検出部３は、燃焼圧検出手段として圧電素子を具備し、圧電素子を収納する圧電素子収納部３０と、発熱部２に負荷される燃焼圧を圧電素子に伝達する燃焼圧伝達部材３１とで構成されている。
燃焼圧検出素子収納部３０は、例えば、ステンレス等の金属材料を用いて略筒状に形成され、基端側で後述する無線給電部４に固定され、その先端側には、収納部シール面３１０が形成されている。
圧電素子は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴ等の圧電材料を略平板状に形成したた圧電層３３とその基端側表面に形成した出力電極層３４と先端側表面に形成した接地電極層３２とによって構成されている。
圧電素子は、燃焼圧検出素子収納部３０内に燃焼圧検出素子収納部３０との絶縁を確保して載置されている。
圧電素子の基端側には、アルミナ等の絶縁材料を略環状に形成して、出力電極層３４と無線給電部４と間に配設せしめて、出力電極層３４と無線給電部４との絶縁を図りつつ、燃焼圧検出部３の基端側を封止固定する固定部材３５が配設されている。
圧電素子の先端側には、アルミナ等の絶縁材料を略平板状に形成して、接地電極層３２の先端側に配設せしめて、接地電極層３２と発熱部２との絶縁を図りつつ、発熱部２に作用する燃焼圧を圧電層３３に伝達する圧力伝達部材３１が配設されている。
出力電極層３３には、外部に出力信号を取り出す出力信号線３６が接続されている。
接地電極層３２は、燃焼圧検出素子収納部３０を介してシリンダヘッド５０と接地状態となるよう燃焼圧検出素子収納部３０に短絡せしめても良いし、接地電極得層３２と燃焼圧検出素子収納部３０との絶縁を確保しつつ、接地信号線を接続し外部に引き出すようにしても良い。  
【００１５】
無線給電部４は、外部の電源から入力された電気エネルギを非接触状態の発熱部２へ給電するための無線給電手段として１次コイル４１と１次コイル４１と外部の電源とを接続する一対の通電線４２、４３と、一対の通電端子４５、４６と、燃焼圧検出部３からの出力を伝達する出力信号線３６と、回路部３７、４４と、出力端子３８と、これらを収納するハウジング４０とコネクタ部４７とによって構成されている。
無線給電手段である１次コイル４１は、絶縁性被覆を施した金属線が筒状に巻回され、その両端部がそれぞれ通電線４２、４３に接続されている。なお、１次コイル４１の周内に金属製のコアを配設しても良い。
回路部３７、４４には、信号線３６から送信された燃焼圧検出部３からの信号を増幅処理する信号処理回路３７と、１次コイル４１に入力される交流電流を増幅する増幅回路４４とが設けられている。
【００１６】
ハウジング４０はステンレス等の金属を略筒状に形成し、外周面にシリンダヘッド５０に螺結するためのネジ部４０１が形成され、先端には燃焼圧検出部３が固着され、基端側外周にはネジ部４０１を締め付けるための六角部４０２が形成され、さらに基端側には出力端子３８と通電端子４５、４６とを外部の制御装置に接続するためのコネクタ部４７が加締め固定されている。
コネクタ部４７は樹脂等の絶縁材料によって形成され、通電端子４５、４６と出力端子３８とがインサート成型されている。
グロープラグ１をシリンダヘッド５０に穿設された貫通穴に挿入しつつ、ハウジング４０に設けられたネジ部４０１を締め付けると、発熱ロッド２０の先端が燃焼室５００に露出した状態となると共に、収納部シール面３１０と貫通孔シール面５１０とが密接した状態となり、燃焼室５００内の高圧気体の漏れが防止されている。
【００１７】
図２を参照して、本発明の第１の実施形態におけるグロープラグ１に適用されるグロープラグ制御装置１０の概要について説明する。
図２に示すようにグロープラグ制御装置１０は、本発明の要部であるグロープラグ１と、バッテリ等の電源６０と、グロースイッチ６１と、交流発生回路６２と、燃焼機関５の運転状況に応じて交流発生回路６２を制御する電子制御装置ＥＣＵ７とによって構成されている。
交流発生装置６２は、公知の交流発生装置を適宜採用することが可能であり、少なくとも、電源６０から入力された直流電流を交流電流に変換するコンバータを含み、グロースイッチ６１が閉じられると、ＥＣＵ７からの通電信号ＳＩに従って、無線給電部４に交流電流を供給するものである。
燃焼圧検出部３は信号処理回路３７を含み、圧電層３３の圧電効果により発生した電位を増幅してＥＣＵ７に伝達し、ＥＣＵ７に設けた演算回路によって燃焼圧ＰＣＹＬを正確に算出し、内燃機関５の燃焼を最適な状態に制御するために利用することができる。
２次コイル２４と発熱体２１との間に、誘導電流を整流する整流素子２５や、２次コイル２４と共振回路を構成するコンデンサ２６等を介装しても良い。
【００１８】
図３（ａ）に示すように、交流発生回路６２から１次コイル４１に交流電流が通電されると、１次コイルに磁界が発生し、電磁誘導によって、２次コイル２１に磁界が発生し、誘導電流が発熱体２１に流れ、発熱体２１が発熱する。
交流発生回路６２は、ＥＣＵ７によって開閉制御され、無線給電部４を介して、内燃機関５の運転状況に応じたエネルギを発熱体２１に供給することができる。
図３（ｂ）の中心線の左側に示すように、燃焼室５００内に燃焼圧力が発生していない場合には、発熱部２はダイヤフラム２６によって燃焼圧検出部３から離れる方向、即ち、先端側に向かって付勢されており、燃焼圧検出部３を押圧することなく、圧力伝達部材３２の下端面と金属スリーブ２５の基端側端面とが接している。
図３（ｂ）の中心線の右側に示すように、燃焼室５００内に燃焼圧ＰＣＹＬが発生している場合には、発熱部２が押圧され、ダイヤフラム２６が撓み、金属スリーブ２５の先端側端面によって圧力伝達部材３１を介して圧電層３３を圧縮する。このとき、圧電効果によって出力電極層３４と接地電極層３２との間に起電力が生じる。信号処理回路３７又はＥＣＵ７に設けられた電位差計７０によってこの電位差を測定することによって燃焼圧ＰＣＹＬを測定できる。また、燃焼圧ＰＣＹＬを直接受ける発熱部２の直近に燃焼圧検出部３が設けられているので、極めて応答性が高い。さらに、発熱部２への通電は無線給電部２から非接触状態で給電されるために、燃焼圧検出部３の受圧面積を最大限広くできるので検出精度も高い。燃焼圧ＰＣＹＬが低下するとダイヤフラム２６の弾性力によって発熱部２が先端側の原点位置に戻される。
このとき、電源６０から出力電極３４と接地電極３２との間に所定の電場を印加すると逆圧電効果によって圧電層３３が伸長し、燃焼圧検出部３と発熱部２とを原点位置に復帰させる構成としても良い。
さらに、交流発生回路６２から無線給電部４に供給する交流周波数を５ｋＨｚ以下とし、出力処理回路３７に３〜５ｋＨｚのローパスフィルター処理を施すことにより、燃焼圧検出部３に重畳する電磁波ノイズを抑制することができ、さらに精度よく燃焼圧ＰＣＹＬを検出することも可能となる。
【００１９】
なお、発熱ロッド２０と燃焼圧検出素子収納部３０とを接続する弾性部材は、発熱部２と燃焼圧検出部３とを気密に隔離しつつ弾性的に接続可能な構成のものであれば、適宜、変更し得るものであり、図４（ａ）に示すような、太鼓膜状の弾性変形部を有するダイヤフラム２６ａを用いても良いし、本図（ｂ）に示すような、蛇腹状の弾性変形部を有するベローズ２６ｂを用いても良い。
【００２０】
図５、図６を参照して本発明の第２の実施形態におけるグロープラグ１ａ及び、これを含むグロープラグ制御装置１０ａについて説明する。なお、本実施形態において、上記実施形態と同様な部分については同一の符号を付したので説明を省略し、特徴的な部分についてのみ説明する。
上記実施形態においては、燃焼圧検出部３として圧電効果によって燃焼圧を検出する構成を示したが、本実施形態においては、燃焼圧検出部３ａとして、歪みを検出する歪み計３３ａを用いた点が相異する。
本実施形態において、発熱部２ａの基端側に基端側に向かって突出しつつ先細りとなる略円錐状の圧力伝達部３３ａを形成し、圧力伝達部３３ａの基端側に歪み計３３ａを載置し、歪み計３３ａの基端側に略環状の固定部材３４ａを設けて歪み計３３ａを燃焼圧検出部３ａ内の所定位置に固定してある。
発熱部２ａが燃焼圧ＰＣＹＬによって押圧されると、圧力伝達部３３ａが歪み計３３ａを押圧し、歪み計３３ａが撓み変形する。
【００２１】
図６に示すように歪み計３３ａは、抵抗ブリッジを構成しており、歪み計３３ａの撓みに応じて抵抗値が変化する。出力信号線３７ａから出力された出力電圧の変化を測定することによって、正確に燃焼圧ＰＣＹＬを算出することができる。したがって、本実施形態においても上記実施形態と同様に、非接触状態で発熱部２ａへの給電を行うと同時に、燃焼圧ＰＣＹＬを正確に測定可能なグロープラグ１ａが実現できる。
【００２２】
図７、図８を参照して本発明の第３の実施形態におけるグロープラグ１ｂ及びグロープラグ制御装置１０ｂについて説明する。
図７、図８に示すように、本実施形態では、発熱部２ｂに２次コイル２４０と２次共鳴コイル２４１とを設け、無線給電部４ｂに１次コイル４１０と１次共鳴コイル４１１とを設けて、非放射共鳴型のエネルギ転送を可能とした点が相異する。
１次共鳴コイル４１１と２次共鳴コイル２４１とは、共振周波数が等しくなるように、コイルの内外径、線径、巻回数を調整するのが望ましい。さらに、駆動周波数と共鳴周波数とを等しくするのが良い。
上記実施形態に示した電磁誘導型の無線給電では、伝送効率が７０〜８０％であるのに対して、非放射共鳴型のエネルギ転送による無線給電では９０〜９８％の極めて高い伝送効率を実現できる。
【００２３】
なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、発熱部に無線給電を行うことによって、燃焼圧検出部を貫通する発熱部への通電線を廃して燃焼圧検出部の応答性、検出精度の向上を図る本発明の趣旨に反しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、無線給電部として、上記実施形態以外にも、マイクロ波を利用した給電方法も適宜採用し得るものである。
また、上記実施形態においては、交流発生回路をグロープラグの外に設けた例を示したが、交流発生回路をグロープラグ内部に載置した構成としても良い。
さらに、上記実施形態においては、増幅回路や信号処理回路をグロープラグ内に載置した例を示したが、これらの回路をグロープラグの外に設けた構成としても良い。  
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態における燃焼圧検出機能付グロープラグ１の概要を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態における燃焼圧検出機能付グロープラグ１を制御するグロープラグ制御装置１０の概要を示す回路構成図。
【図３】本発明の第１の実施形態における燃焼圧検出機能付グロープラグ１の作動を示し、（ａ）は、給電状態を示す回路図、（ｂ）は燃焼圧検出原理を示す要部断面図。
【図４】本発明の第１の実施形態における燃焼圧検出機能付グロープラグ１に用いられる弾性部材の変形例として（ａ）は、ダイヤフラムを用いた場合を示し、（ｂ）は、ベローズを用いた場合を示す要部断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態における燃焼圧検出機能付グロープラグ１ａの概要を示す断面図。
【図６】本発明の第２の実施形態における燃焼圧検出機能付グロープラグ１ａを制御するグロープラグ制御装置１０ａの概要を示す回路構成図。
【図７】本発明の第３の実施形態における燃焼圧検出機能付グロープラグ１ｂの概要を示す断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態における燃焼圧検出機能付グロープラグ１ｂを制御するグロープラグ制御装置１０ｂの概要を示す回路構成図。
【符号の説明】
【００２５】
１  燃焼圧検出機能付グロープラグ
２  発熱部
２０  絶縁体
２１  発熱体
２２、２３  通電線
２４  無線受電手段（２次コイル）
３  燃焼圧検出部
３０  燃焼圧検出素子収納部
３１  燃焼圧伝達部材
３２  接地電極層
３３  圧電層
３４  出力電極層
３５  固定部材
４  無線給電部
４０  無線給電手段（１次コイル）
４１、４２  通電線
【図１】
2010133603.tif 000003
【図２】
2010133603.tif 000004
【図３】
2010133603.tif 000005
【図４】
2010133603.tif 000006
【図５】
2010133603.tif 000007
【図６】
2010133603.tif 000008
【図７】
2010133603.tif 000009
【図８】
2010133603.tif 000010