(57)【要約】【課題】  燃焼室に対して特に付加的な作業を必要とせずとも取付けが可能な圧力センサを内蔵した点火プラグを提供する。【解決手段】  円筒状の碍子部と、碍子部を一方の端部側から部分的に収容して内燃機関外壁に対してねじ込み固定される導電性のソケットと、を有する点火プラグに対し、中空円筒形状を有し、中空円筒に前記碍子部が嵌合して碍子部における拡径部の端面とソケットに設けられた鍔部との間において軸方向において挟持される圧電素子を更に配する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に電極材料が貫通する円筒状の碍子部と、前記碍子部を一方の端部側から前記軸方向において部分的に収容して内燃機関外壁に対してねじ込み固定される導電性のソケットと、を有する点火プラグであって、
軸方向に圧電特性を有する中空円筒形状を有し、前記中空円筒に前記碍子部が嵌合し、前記碍子部における拡径部の前記軸方向の端面と前記ソケットに設けられた鍔部との間において前記軸方向において挟持される圧電素子を更に有することを特徴とする点火プラグ。
【請求項２】
前記圧電素子は前記軸方向に優先方位を有する単結晶から成ることを特徴とする請求項１に記載の点火プラグ。
【請求項３】
前記圧電素子は前記軸方向の一方の端面及び外周面に形成された第一の電極と、前記軸方向の他方の端面及び内周面に形成された第二の電極とを有し、前記碍子部に圧力が付加された際に前記第一の電極と前記第二の電極との間において電位を生成することを特徴とする請求項２に記載の点火プラグ。
【請求項４】
前記ソケットの前記一方の端部に向かう前記鍔部の面と前記碍子部において他方の端部に向かう前記受け面との間に、前記圧電素子が配置されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の点火プラグ。
【請求項５】
前記圧電素子と前記鍔部との間及び前記圧電素子と前記受け面との間の少なくとも何れかにおいて前記圧電素子における端面と当接するカラー部材を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の点火プラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエンジン等内燃機関における燃焼室の燃焼圧を検出する燃焼センサに関し、特に燃焼室内の圧力の変動を検出するためのセンサが付加されてエンジンのシリンダヘッドに固定されるプラグ式の燃焼センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばエンジンにおける燃費の向上が求められているが、その際に燃費向上性能の評価用として燃焼圧力を検出する燃焼センサが用いられる。ここで、公知の圧力センサを直接エンジンに取り付けようとした場合、取付け用のポートを付加する必要があること、該圧力センサは熱価による温度ドリフトが発生すること、圧力や熱の変動が大きいために耐久性において問題が生じ易いこと等により、現在はエンジンシリンダ内に直結する点火プラグに圧力センサを組み込む手法が検討されている。
【０００３】
当該手法に基づく具体的な構成として、例えば非特許文献１には、鍔状の部材に圧電素子を固定し、且つ該鍔状の部材を点火プラグに密着固定することによって圧力変化を測定する構成が開示されている。特許文献１には、点火プラグ内部において点火用の構成と平行して圧力測定用の素子を埋設し、燃焼室に直接コンタクトする構成が開示されている。特許文献２には、リング形状の圧電素子を形成し、該圧電素子をエンジンシリンダ外壁と点火プラグとの間で挟持固定する構成が開示されている。特許文献３には、点火プラグ内部にダイアフラム様式の圧力検出素子を配置し、これにより燃焼圧を測定する構成が開示されている。また、特許文献４には、点火プラグにおける中心電極の周囲に配置される絶縁体と該絶縁体の周囲に配置される所謂座金との間に環状溝部を配し、該環状溝部内圧電素子を配置する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−０９３６４６号公報
【特許文献２】特開平０５−２０３５２６号公報
【特許文献３】特開平０３−２１６９８３号公報
【特許文献４】特開平０４−０３４３２７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】実開昭６３−１８３５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述した非特許文献１に開示される構成の場合、エンジンシリンダに対して雄ネジ部を付加する必要があり、汎用性の点で課題がある。特許文献１に開示される構成の場合には点火プラグ自体が大径化してやはり汎用性の点での課題が解決しきれない。また、特許文献２に示される所謂座金タイプの圧力センサを用いる場合、教示する際の締め付け具合や傾きにより圧力センサが破損してしまう恐れがある。特許文献３に示される構成の場合には受圧部たるダイアフラムに燃焼時に生成するカーボン等の付着が生じて経時的に感度が低下する可能性が高い。更に特許文献４に示す構成の場合には、圧電素子自体が高温にさらされることから、耐久性に対する要求が非常に厳しくなってしまうという課題が存在した。
【０００７】
本発明は以上の状況に鑑みて為されたものであり、燃焼室に対して特に付加的な作業を必要とせずとも取付けが可能となり、且つ耐久性に優れて温度ドリフト等の影響を抑制し得るプラグ式の燃焼センサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る点火プラグは、軸方向に電極材料が貫通する円筒状の碍子部と、碍子部を一方の端部側から軸方向において部分的に収容して内燃機関外壁に対してねじ込み固定される導電性のソケットと、を有する点火プラグであって、軸方向に圧電特性を有する中空円筒形状を有し、中空円筒に碍子部が嵌合し、碍子部における拡径部の軸方向の端面とソケットに設けられた鍔部との間において軸方向において挟持される圧電素子を更に有することを特徴とする。
【０００９】
なお、前述した点火プラグにおいて、圧電素子は軸方向に優先方位を有する単結晶から成ることが好ましい。更にこの場合、該圧電素子は軸方向の一方の端面及び外周面に形成された第一の電極と、軸方向の他方の端面及び内周面に形成された第二の電極とを有し、碍子部に圧力が付加された際に第一の電極と第二の電極との間において電位を生成することが好ましい。また、ソケットの一方の端部に向かう鍔部の面と碍子部において他方の端部に向かう受け面との間に、圧電素子が配置されることがより好ましい。更には、圧電素子と鍔部との間及び圧電素子と受け面との間の少なくとも何れかにおいて圧電素子における端面と当接するカラー部材を有することがより好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るプラグ式燃焼センサによれば、燃焼室に対して特に付加的な作業を必要とせずとも取付けが可能となるように汎用性に優れ、且つ高い耐久性を維持して温度ドリフト等の影響を抑制した上での燃焼圧力の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る点火プラグの軸方向断面の構造を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す実施形態において用いた圧電素子２１の構造を示す図であって、図２（ａ）は軸方向断面の構造を、図２（ｂ）は図２（ａ）における矢印Ａ方向から見た状態を、図２（ｃ）は図２（ａ）における矢印Ｂ方向から見た状態を、各々模式的に示す図である。
【図３】図１に示す点火プラグにおいて、圧電素子２１から燃焼圧に対応した電圧値を得る構成を模式的に示す説明図である。
【図４】本発明の第二の実施形態に係る点火プラグの構造を示す図であって、図４（ａ）は軸方向断面の構造を、図４（ｂ）は該点火プラグの構成要素を個別に分解した状態を各々示している。
【図５】本発明の第三の実施形態における点火プラグの軸方向断面の構造を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施形態について、以下に図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るプラグ式燃焼センサについて、これを軸方向に切断した場合の断面構造を模式的に示している。本実施形態に係る点火プラグ１００は、一方の端部より軸方向に他方の端部に向かって、基本的な構成であるターミナル１１、碍子部１３、ソケット１５、電極部１７が配置される。碍子部１３は中心を貫通する軸穴１３ａを有し、該軸穴１３ａ内にはターミナル１１と電極部１７とを電気的に接続する中心電極１９が配置される。即ち、該碍子部１３、点火プラグ１００の軸方向に来て電極材料からなる中心電極１９等が貫通する円筒状の形状を有する。
【００１３】
ソケット１５も軸方向に貫通する碍子用穴１５ａを有し、ターミナル１１とは軸方向における反対の側で碍子部１３が該碍子用穴１５ａに嵌め込まれて固定される。ソケット１５は、他方側の端部より外周に雄ネジ部１５ｃを有し、該雄ネジ部１５ｃを不図示のエンジンシリンダに螺合させることによってエンジンに対して固定される。即ち、該ソケット１５は、碍子部１３をその一方の端部側から点火プラグ１００の軸方向において部分的に収容し、且つ内燃機関外壁たるエンジンシリンダに対してねじ込み固定される。
【００１４】
本形態では、圧力センサとして機能する圧電素子２１をソケット１５と碍子部１３との間にて挟持する構造としている。具体的には、碍子部１３において碍子用穴１５ａ内に配置される領域に軸方向の一方の端部に向かう受け面１３ｂを配置し、且つソケット１５の碍子用穴１５ａにおける一方の端部側の開口に内方に張り出す鍔部１５ｄを配置し、これら受け面１３ｂと鍔部１５ｄとの間にて圧電素子２１を挟持固定している。なお、本実施形態では、受け面１３ｂに対して後述する圧電素子２１の一端面を好適に当接させるために、鍔部１５ｄと圧電素子２１との間にカラー部材２３を配置し、鍔部１５ｄの張り出した領域よりも広い範囲にて圧電素子２１に対する受け面１３ｂ方向に付勢することを可能としている。
【００１５】
ここで、本実施形態において用いた圧電素子２１について説明する。図２（ａ）は圧電素子２１の軸方向断面を示す図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）における矢印Ａ方向から該圧電素子２１を見た場合の構造を示す図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）における矢印Ｂ方向から該圧電素子２１を見た場合の構造を示す図である。圧電素子２１は、ＣＮＧＳ単結晶３１、第一の電極３３、及び第二の電極３５を有する。ＣＮＧＳ単結晶３１は、厚さを有する中空リング（円筒）形状を有し、且つ厚さ方向に優先方位を有する。第一の電極３３は、リング形状の一方の端面と外周面とを覆うように形成される。第二の電極３５は、リング形状の他方の端面と内周面とを覆うように形成される。
【００１６】
図３に、当該圧電素子２１を用いた場合の燃焼圧測定の原理を模式的に示す。中空形状の圧電素子２１の一方の端部を固定し、他方端部から厚さ方向即ち軸方向に燃焼圧力が付加されるように配置する。即ち、軸方向に圧電特性を好適に提示するように、優先方位をこれと一致させることが好ましい。燃焼圧に起因する圧力が圧電素子２１の軸方向に加えられることにより、第一の電極３３と第二の電極３５との間に電位が発生する。この電位を測定することよって、圧電素子２１に加えられた圧力を知ることが可能となる。当該圧電素子２１は、ここで述べように軸方向に圧電特性を有する中空円筒形状を有し、その中空円筒に対して碍子部１３が嵌合される。
【００１７】
なお、圧電素子２１にて付加圧力を測定する場合、引張り側に圧力を作用させる場合には予め圧電素子２１に対して与圧を付与することを要して材料上の制約が生じる可能性があることから、受圧方向は圧縮側とすることが好ましい。点火プラグ１００では電極部１７を介して碍子部１３に対して加えられる燃焼圧を測定することが好ましいことから、圧電素子２１は不図示のエンジンシリンダに固定されるソケット１５に対して固定されることが好ましい。しかしながら、本発明は当該形態に限定されず、後述する第三の実施形態等、圧電素子２１が碍子部１３における拡径部に設けられた受け面１３ｂとソケット１５に設けられた鍔部１５ｄとの間に挟持されれば好適な出力電圧値が得られる。従って、圧電素子２１の配置は、当該条件を満たせば、求める特性に応じて点火プラグ１００の軸方向における種々の位置に配置することも可能である。
【００１８】
本発明によれば、点火プラグ１００に上述した構成からなる圧電素子２１を配置することにより、高温抵抗率の高い圧電材料からなる素子を用いることが可能となり、燃焼室より直接的な圧力の検出が可能となる。また、圧力検出のための圧電素子２１を点火プラグ１００内に直接搭載する構成とすることにより、センサ取り付けのための付加的構成をエンジンシリンダに配する必要がなくなり、高い汎用性が得られる。また、簡易な構成であることから、点火プラグ１００を大径化等する必要がなく、エンジンにおける気筒毎にこれを配してその燃焼状態を検出し制御することが可能となる。従って、各気筒の直接的な燃焼の制御を行うことも可能となる。また、本点火プラグ１００では素子自体の形状が単純であることから、センサとして安価で高い剛性を有したものの提供が可能となる。
【００１９】
また、本発明によれば、圧電素子搭載の自由度が高いことから、ダイアフラム等を用いた場合の用にセンサ保護のための構成を必要とせず、従って信頼性も容易に向上できる。また、圧電素子の適用範囲が広く、５００度以上の環境下でも使用するセンサとすることが容易であり、冷却回路が不要となり、特別の機構を配する必要性もない。更に構成が単純であることからノイズ対策も容易であり、高電圧環境下であっても微弱な電荷を正確に検出できるような、シールド、更には温度校正のための構造も容易に取り得る。更に、プラグに付加される圧力を直接的に検出することで応答性に優れ、エンジン動作時の角度位相と圧力変動とをリアルタイムで検出できることから、異常燃焼や微弱なトルク変動を検出出来て高効率な燃焼を実現できる。更には、思想的な燃焼システムの構築にも寄与することが可能である。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施形態について述べる。なお、図１に示した実施形態における構成要素度同様のものに関しては同じ参照番号を用いてこれを示すこととし、詳細な説明は省略する。図４（ａ）は図１と同様の様式にて本実施形態に係る点火プラグ２００を示す模式図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示された点火プラグ２００を構成物ごとに分解した状態を示している。本実施形態では、圧電素子２１をカラー部材２３及び第二のカラー部材２５により軸方向において挟持し、これらをキャップ２７によってソケット１５に固定している。なお、キャップ２７はネジ止めによってソケット１５に固定されている。本形態によれば、一組のカラー部材によって圧電素子２１を挟持固定することにより、軸方向における碍子部１３と圧電素子２１との位置関係と姿勢とを一定に保持することが可能となる。
【００２１】
本実施形態によれば、キャップ２７はソケット１５と一体となり、圧電素子２１は碍子部１３の鍔部の受け面１３ｂとキャップ２７とに挟持された状態となる。エンジン内の燃焼圧が上昇すると碍子部１３は軸方向である図中右方向に圧力を伝達する。この場合ソケット１５は、不図示のエンジンシリンダに固定されていることから圧力を受けない。この差異によって、圧電素子２１に圧力がかかり、好適な出力電圧を発生することが可能となる。尚、前述したカラー部材に関しては、第一の実施形態或いは後述する第三の実施形態の如く、圧電素子２１と鍔部１５ｄとの間及び圧電素子２１と受け面１３ｂとの間の少なくとも何れかにおいて圧電素子２１における端面と当接する態様とすれば良い。両者に用いることが圧力付加方向に対する圧電素子２１の姿勢を好適に制御する上で好適であるが、圧力変動をより直接的に得る上では該カラー部の数を適宜調節することが好ましい。
【００２２】
次に、本発明の第三の実施形態について述べる。なお、図１に示した実施形態における構成要素度同様のものに関しては同じ参照番号を用いてこれを示すこととし、詳細な説明は省略する。図５は図１と同様の様式にて本実施形態に係る点火プラグ３００を示す模式図である。本実施形態では、第一の実施形態と比較して圧電素子２１をより点火プラグ３００の接地側電極の側に配置している。碍子部１３は基本的には円柱形状を有し、軸方向中央部近傍に拡径された領域を有する。拡径部の一方の端部側は、組立時にソケット１５に対して碍子部１３を差し込む際の開口或いはその近傍に位置し、他方の端部はソケット１５の奥部においてソケット１５の内壁に当接することでソケット１５との位置関係を規定している。
【００２３】
本形態ではこの当接部分に前述した第一の実施形態における受け面１３ｂと鍔部１５ｄに対応する領域を構成し、カラー部材２３を介して圧電素子２１を碍子部１３に対して当接固定している。本実施形態によれば、第一或いは第二の実施形態と比較して、より実際の圧力の付加部に近い位置に圧電素子２１を配置することが可能となる。従って燃焼による圧力変動をより詳細に感知することが可能となり、電荷からの電圧変換ロスを抑制し、圧力センサとしての感度を高めることが可能となる。
【００２４】
なお、本発明においては、圧電素子２１として、中空リング状の形状を有し、且つ厚さ方向に優先方位を有する例えばＣＮＧＳ等の圧電特性を有する単結晶からなる材料を用いている。公知の薄板状の部材を貼り合わせてなる圧電素子からなる加圧センサを用いた場合と比較して、例えば７Ｍｐａの加圧を行った際の出力電圧として倍以上の値が得られている。また、出力のばらつき自体も中空リング状のものを用いることで１/２以下に抑制できている。これは従来貼り合わせ品の場合、実際には変形撓み量が個々の薄板で異なるが、本形態の場合には円筒長さ方向での撓みの様式が形状的に安定し、出力地のばらつきを抑制することが考えられる。
【００２５】
以上述べたように、本発明によれば、現状用いている点火プラグを本発明に係るプラグ式圧力センサを降下することにより、エンジン等の燃焼圧力を測定することが可能となる。また、通常の点火プラグと大きさの上で異ならないことから、現状の点火プラグと同様に気筒毎にこれを配置することが可能となり、各々の気筒の燃焼圧力を独自制御することも可能となる。また、本発明によれば碍子部の変形を直接検出してこれを圧力値と対応させることが出来ることから、感度の高い測定を実施することが可能となる。また、同様の理由により圧力変化の所謂ピーク波形を好適に得ることが可能となり、燃料供給量や圧縮比等を改善する上で必要となるデータを得ることも可能となる。更に、簡易な構成であり且つ圧電素子自体も強度の高い構造のものを用いることが可能となり、センサとしての耐久性も得ることかが可能となる。
【符号の説明】
【００２６】
１００、２００、３００：点火プラグ、  １１：ターミナル、  １３：碍子部、  １３ａ：軸穴、  １３ｂ：受け面、  １５：ソケット、  １５ａ：碍子用穴、  １５ｂ：接地側電極、  １５ｃ：雄ネジ部、  １５ｄ：鍔部、  １７：電極部、  １９：中心電極、  ２１：圧電素子、  ２３：カラー部材、  ２５：第二のカラー部位材、  ２７：キャップ、  ３１：ＣＮＧＳ単結晶、  ３３：第一の電極、  ３５：第二の電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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