(57)【要約】【課題】グロープラグ一体型筒内圧センサが装着された圧縮点火内燃機関においては、ＥＧＲガス中に含まれるＰＭの一部が発熱チューブとグロープラグ一体型筒内圧センサの装着孔の小径部との間に入り込み、発熱チューブの表面や小径部の内壁に付着堆積してグロープラグ一体型筒内圧センサによる検出操作に悪影響を与える。【解決手段】内燃機関の燃焼室１１内の圧力を検出するための筒内圧センサの受圧部がグロープラグのヒーターエレメントを内部に収容した発熱チューブ１７にて構成された本発明によるグロープラグ一体型筒内圧センサ１３は、発熱チューブ１７の表面にＰＭ酸化促進層３４を形成している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための筒内圧センサの受圧部がグロープラグのヒーターエレメントを内部に収容した発熱チューブにて構成されたグロープラグ一体型筒内圧センサであって、
前記発熱チューブの表面にＰＭ酸化促進層が形成されていることを特徴とするグロープラグ一体型筒内圧センサ。
【請求項２】
前記ＰＭ酸化促進層が前記発熱チューブの基端部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のグロープラグ一体型筒内圧センサ。
【請求項３】
前記ＰＭ酸化促進層が前記発熱チューブを加熱した場合に６００℃に満たない領域に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のグロープラグ一体型筒内圧センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内圧センサの受圧部をグロープラグの発熱チューブにて構成したグロープラグ一体型筒内圧センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮点火方式の内燃機関において、燃料のセタン価を推測したり、失火を検出したり、あるいは低ＮＯX燃焼を実現するため、筒内圧センサを用いて着火時期の制御を行うことが実用化されつつある。また、圧縮点火方式の内燃機関においては火花点火方式の内燃機関のような点火プラグが不要であるものの、代わりにグロープラグや直噴形式の燃料噴射弁を吸排気弁およびこれらの動弁機構などと共にシリンダヘッドに組み込む必要がある。このため、特に吸排気弁をそれぞれ複数本具えた多弁構造の圧縮点火方式の内燃機関においては、上述した筒内圧センサを取り付けるためのスペースを確保することが極めて困難となってしまう。
【０００３】
そこで、グロープラグと筒内圧センサとを一体化してグロープラグの装着位置をそのまま筒内圧センサの装着位置とすることにより、筒内圧センサの取り付けスペースに関する制約上の問題を克服した技術が特許文献１にて提案されている。このグロープラグ一体型筒内圧センサは、燃焼室に臨む筒内圧センサの受圧部をヒーターエレメントが内部に収容されたグロープラグの発熱チューブにて構成したものである。従って、受圧部であるグロープラグの発熱チューブは、燃焼室内の圧力変動に伴って変位し、この変位が圧電素子などを用いて検出されるようになっている。
【０００４】
グロープラグ一体型筒内圧センサを収容するためのシリンダヘッドに形成された装着孔は、細長い発熱チューブを取り囲んでこれを燃焼室に臨ませる小径部と、グロープラグ一体型筒内圧センサのケーシングを収容する大径部と、これら小径部と大径部とを接続する段部とを有する。この段部にはケーシングの先端部が緊密に当接し、これによって小径部および燃焼室側を密閉状態に保持している。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３９７９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
グロープラグ一体型筒内圧センサが装着される圧縮点火方式の内燃機関においては、ＥＧＲガス中に含まれる炭素微粒子や炭化水素などの炭素化合物に代表されるＰＭ(Particulate Matter)が燃焼室内に混入するため、このＰＭの一部が発熱チューブと装着孔の小径部との間にも入り込み、発熱チューブの表面や小径部の内壁に付着堆積する可能性がある。ＰＭが発熱チューブの表面や小径部の内壁に付着堆積すると、発熱チューブの熱がＰＭを介してシリンダヘッドに伝わりやすくなるため、筒内圧センサとしての特性が変化してしまい、燃焼室の圧力変化を正確に検出することができなくなる。しかも、燃焼室内の圧力変動に伴う発熱チューブの円滑な変位をＰＭが阻害するため、検出される圧力変化にヒステリシスが生ずることとなり、種々の問題が生ずる。
【０００７】
圧縮点火内燃機関においては、アクセル開度が０となる車両の減速中に燃料の供給を停止するため、この時にグロープラグに通電して発熱チューブを加熱することにより、発熱チューブの表面に付着したＰＭを酸化させて除去することも可能である。この場合、ＰＭを酸化させてこれを除去するためには、発熱チューブの表面を６００℃以上に加熱する必要がある。しかしながら、発熱チューブの表面が６００℃以上となるのは、発熱チューブの長手方向中央部分よりも燃焼室に臨む先端側の部分であり、装着孔の段部に近い発熱チューブの基端側は３００℃〜５００℃程度までしか昇温しない。このため、発熱チューブの基端側やこれと対向する小径部の内壁に付着したＰＭが発熱チューブの加熱により硬化してしまい、より一層深刻な事態を招く可能性があった。
【０００８】
本発明の目的は、ＰＭの付着堆積による悪影響を受けにくくしたグロープラグ一体型筒内圧センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によるグロープラグ一体型筒内圧センサは、内燃機関の燃焼室内の圧力を検出するための筒内圧センサの受圧部がグロープラグのヒーターエレメントを内部に収容した発熱チューブにて構成されたグロープラグ一体型筒内圧センサであって、前記発熱チューブの表面にＰＭ酸化促進層が形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明においては、ＰＭ酸化促進層が発熱チューブの表面に形成されているため、発熱チューブに付着したＰＭがＰＭ酸化促進層によって酸化除去されることとなる。
【００１１】
本発明によるグロープラグ一体型筒内圧センサにおいて、ＰＭ酸化促進層は、発熱チューブの少なくとも基端部に形成されていることが好ましい。この明細書における発熱チューブの基端部とは、シリンダヘッドに形成されたセンサ装着孔の座面にシール状態で当接するグロープラグ一体型筒内圧センサのケーシング先端部から、発熱チューブを囲むセンサ装着孔の燃焼室の開口端側へ向けた所定範囲を指す。より具体的には、センサ装着孔の燃焼室の開口端よりも内側、つまりグロープラグ一体型筒内圧センサのケーシング先端部側の領域である。
【００１２】
同様に、発熱チューブを加熱した場合に６００℃に満たない領域にＰＭ酸化促進層を形成することが有効である。この領域は、燃焼室内に供給される空気中の酸素によってＰＭの酸化反応が見込めない領域である。
【００１３】
発熱チューブが酸化アルミニウムからなり、ＰＭ酸化促進層が白金を含む貴金属からなるものであってよい。あるいは、発熱チューブが窒化ケイ素からなり、ＰＭ酸化促進層が酸化イットリウムと酸化ジルコニウムとの混合物などの酸素イオン導電性セラミックスからなる内側層と、この内側層を覆い、かつアルミン酸カルシウムなどの酸素ラジカル発生セラミックスからなる外側層とを有するものであってよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のグロープラグ一体型筒内圧センサによると、ＰＭ酸化促進層が発熱チューブの表面に形成されているので、発熱チューブの表面に付着するＰＭを酸化除去することができ、グロープラグ一体型筒内圧センサを用いた圧縮点火内燃機関の燃焼制御を高い信頼性を以て行うことが可能となる。
【００１５】
ＰＭ酸化促進層を発熱チューブの基端部に形成した場合、あるいは発熱チューブを加熱した場合に６００℃に満たない領域にＰＭ酸化促進層を形成した場合、発熱チューブを加熱しても酸化除去が困難な領域に付着したＰＭをより確実に酸化除去することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明によるグロープラグ一体型筒内圧センサを圧縮点火式内燃機関に組み込んだ一実施形態について、図１および図２を参照しながら詳細に説明する。しかしながら、本発明はこのような実施形態のみに限らず、必要に応じて本発明の精神に帰属する他の任意の技術にも応用することができる。
【００１７】
本実施形態によるグロープラグ一体型筒内圧センサの概略構造を図１に示し、その先端部を抽出拡大して図２に示す。本実施形態におけるエンジンは、燃料である軽油を図示しない燃料噴射弁から圧縮状態にある燃焼室１１内に直接噴射することにより、自然着火させる圧縮点火式の多気筒内燃機関であるが、多気筒である必然性はない。このエンジンには、排気通路内を流れる排気の一部を吸気通路内に導く排気還流（ＥＧＲ）装置や、排気通路内を流れる排気の運動エネルギーを利用して燃焼室１１への過給を行うターボ過給機なども組み込まれている。
【００１８】
燃焼室１１にそれぞれ臨む吸気ポートおよび排気ポートが形成されたシリンダヘッド１２には、吸気ポートを開閉する吸気弁および排気ポートを開閉する排気弁を含む動弁機構と、これら吸気弁および排気弁に挟まれるように燃焼室１１の上端中央に臨む先の燃料噴射弁と、グロープラグ一体型筒内圧センサ（以下、単に筒内圧センサと略称する場合がある）１３とが組み込まれている。このため、シリンダヘッド１２には、筒内圧センサ１３を取り付けるための装着孔１４が形成されている。この装着孔１４は、筒内圧センサ１３のケーシング１５が収容される大径部１６と、筒内圧センサ１３の受圧部となる発熱チューブ１７が収容される小径部１８と、これら大径部１６と小径部１８との境界を画成する段部１９とを有する。大径部１６の開口端側にはケーシング１５を装着孔１４に対して固定するための雌ねじ部２０が形成されている。この雌ねじ部２０を利用してケーシング１５を装着孔１４内にねじ込むことにより、段部１９にはケーシング１５のチューブ保持部２１の先端部が緊密に当接し、これによって燃焼室１１に続く小径部１８側が大径部１６側に対してシールされた状態となる。
【００１９】
本実施形態における筒内圧センサ１３は、例えば特許文献１や特開２００６−１０３０６号公報などに開示されたような基本構造を有し、発熱チューブ１７がその長手方向（図１中、上下方向）に沿ってケーシング１５のチューブ保持部２１に対し摺動可能に支持されている。しかしながら、可撓性のベローズやダイヤフラムなどを介して発熱チューブ１７とケーシング１５のチューブ保持部２１とを一体に接合したグロープラグ一体型筒内圧センサも本発明の筒内圧センサに含まれることに注意されたい。
【００２０】
ケーシング１５は、発熱チューブ１７を摺動自在に保持するチューブ保持部２１と、大径部１６の雌ねじ部２０に対応した雄ねじ部２２が形成されたベース部２３と、圧力センサ２４を収容するセンサ収容部２５とを有し、これらチューブ保持部２１とベース部２３とセンサ収容部２５とが一体的に連結された状態となっている。ベース部２３の基端側にはチャージアンプ回路基板２６が組み込まれ、基端のコネクタ２７に接続している。
【００２１】
ケーシング１５のチューブ保持部２１を摺動自在に貫通する発熱チューブ１７の先端側は、燃焼室１５内に突出した状態となっている。この発熱チューブ２０の先端部にはグロープラグの図示しないヒーターエレメントが組み込まれ、このヒーターエレメントに電気的に導通するリード線２８がセンサ収容部２５から引き出されてチャージアンプ回路基板２６に接続している。
【００２２】
発熱チューブ２０の基端とセンサ収容部２５との間に組み込まれる本実施形態の圧力センサ２４は、圧電効果を利用したものであり、圧電素子２９と、この圧電素子２９を挟むように配される一対の絶縁部材３０，３１とを有する。圧電素子２９は、センサ収容部２５と一体をなす一方の絶縁部材３０に接合され、ここから引き出された一対の信号線３２，３３がセンサ収容部２５を通ってチャージアンプ回路基板２６に接続している。他方の絶縁部材３１は、圧電素子２９と発熱チューブ２０の基端面との間に組み込まれ、発熱チューブ２０からの力を圧電素子２９に伝達するための機能を有する。この圧力センサ２４は、発熱チューブ２０の摺動方向に沿って一直線状に並ぶように配されている。
【００２３】
本実施形態における発熱チューブ１７はアルミナ(Ａl2Ｏ3)にて形成されており、上述したように、その内部にはヒーターエレメントが組み込まれ、このヒーターエレメントに通電することにより、アルミナで形成された発熱チューブ１７が発熱するようになっている。この場合、燃焼室１１に臨む発熱チューブ１７の先端側が１２００℃程度まで加熱されるのに対し、基端側は３００〜５００℃程度に止まるのが一般的である。
【００２４】
以下に説明するように、本発明は発熱チューブ１７の表面にその構造的特徴を有するものであり、それ以外の筒内圧センサ１３自体の構造や材質などに関しては、如何なるものであってもよいことに注意されたい。
【００２５】
チューブ保持部２１から突出する部分の発熱チューブ１７の表面には、この発熱チューブ１７の表面に付着するＰＭを酸化除去させるためのＰＭ酸化促進層３４が形成されている。本実施形態におけるＰＭ酸化促進層３４は、白金またはこれに類する貴金属製の薄膜であり、発熱チューブ１７を加熱した場合に６００℃に満たない領域、つまり装着孔１４の小径部１８に臨むチューブ保持部２１の開口端およびこれに近接する発熱チューブ１７の基端部にのみ形成している。これにより、高価な白金の無駄遣いを回避することが可能となる。このＰＭ酸化促進層３４が形成される領域は、発熱チューブ１７を加熱しても燃焼室１１内に供給される空気中の酸素によってＰＭの酸化反応が見込めない領域であることが有効であり、センサ収容部２５で囲まれた領域にまで形成する必要はない。
【００２６】
ＰＭ酸化促進層３４によるＰＭの酸化は、以下のようにして進行する。すなわち、ＰＭ酸化促進層３４の表面近傍にて（１），（２）の一次反応が最初に起こる。
（１）  ２ＳＯ2＋２Ｈ2Ｏ＋Ｏ2→２Ｈ2ＳＯ4
（２）  ２ＮＯ＋Ｏ2→２ＮＯ2
そして、発熱チューブ１７の表面に付着したＰＭ（Ｃ）が先の（１）の反応により生成した硫酸を触媒として次の（３）の二次反応が起こる。
（３）  ２ＮＯ2＋２Ｃ→２ＣＯ2＋Ｎ2
この結果、ＰＭが二酸化炭素となって発熱チューブ１７の表面から除去され、燃焼室１１から排気通路を介して外部に排出される。この場合、ＰＭ酸化促進層３４が３００℃程度にまで加熱されてさえすれば、以上の（１）〜（３）の反応を継続させることが可能であることに注意されたい。
【００２７】
なお、上述したＰＭ酸化促進層３４として、比較的低温にてＰＭの酸化を促進させることができるような機能を有するものでありさえすれば、白金以外の貴金属や、白金を含む複数種の貴金属から構成することも当然可能である。
【００２８】
発熱チューブ１７の表面や小径部１８の内壁に付着したＰＭを酸化除去する必要が生じた場合、図示しないヒーターエレメントに通電して発熱チューブ１７を所定時間、例えば１分程度加熱する。この制御を行う場合、運転者がアクセルペダルを踏み込んでいない時、つまり燃焼室１１に燃料が供給されない燃料カット時が特に好ましい。その理由は、燃焼室１１に多量の酸化剤（空気中の酸素）が供給されるためである。これによって、ＰＭの酸化反応をさらに促進させることができる。発熱チューブ１７の表面温度が６００℃以上となる領域に付着したＰＭは、ＰＭ酸化促進層３４の如何によらず、発熱チューブ１７からの熱によって雰囲気中の酸素と反応し、二酸化炭素などに酸化して除去されることとなる。一方、発熱チューブ１７の表面温度が６００℃未満の発熱チューブ１７の基端部、つまりＰＭ酸化促進層３４が形成されている領域や小径部１８の内壁に付着したＰＭは、白金の触媒作用によりその酸化反応が促進される結果、二酸化炭素などに酸化または分解して発熱チューブ１７の表面や小径部１８の内壁から除去されることとなる。
【００２９】
上述した実施形態では、発熱チューブ１７を加熱した場合に６００℃に満たない発熱チューブ１７の基端部にのみＰＭ酸化促進層３４を形成したが、このＰＭ酸化促進層３４を図３に示すように発熱チューブ１７の表面全体（ただし、ＰＭが付着する可能性がない圧力センサ２４側の領域には不要である）に形成しておくことも可能である。この場合、エンジンの熱特性などに拘らず、単一種類のグロープラグ一体型筒内圧センサをすべてのエンジンに対して共用させることが可能となる。同様な観点から、小径部１８の内壁や、ケーシング１５の先端面などにもＰＭ酸化促進層３４を形成しておくことが有効であろう。なお、図３において先の実施形態の図２に示した部材と同一機能の要素にはこれと同じ符号を記してある。
【００３０】
また、上述した実施形態では、発熱チューブ１７を酸化アルミニウムにて形成すると共にＰＭ酸化促進層３４を白金にて形成したが、発熱チューブ１７を窒化ケイ素(Ｓi3Ｎ4)や他のセラミックスあるいは金属にて形成することができ、複層構造のＰＭ酸化促進層３４を形成することも可能である。例えば、発熱チューブ１７を窒化ケイ素にて形成し、ＰＭ酸化促進層３４を酸化イットリウム(Ｙ2Ｏ3)と酸化ジルコニウム(ＺrＯ2)との混合物などの酸素イオン導電性セラミックスからなる内側層と、この内側層を覆い、かつアルミン酸カルシウム(Ｃa12Ａl14Ｏ33)などの酸素ラジカル発生セラミックスからなる外側層とで形成することができる。この場合においても、ＰＭ酸化促進層３４はＰＭ中の炭素成分などの酸化を促進させる触媒として機能し、ＰＭを二酸化炭素などへ酸化させて発熱チューブ１７の表面や小径部１８の内壁からの除去を促進させる。
【００３１】
なお、本発明はその特許請求の範囲に記載された事項のみから解釈されるべきものであり、上述した実施形態においても、本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が記載した事項以外に可能である。つまり、上述した実施形態におけるすべての事項は、本発明を限定するためのものではなく、本発明とは直接的に関係のないあらゆる構成を含め、その用途や目的などに応じて任意に変更し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明によるグロープラグ一体型筒内圧センサを圧縮点火式内燃機関に組み込んだ一実施形態の概略構造を模式的に表す断面図である。
【図２】図１に示した実施形態におけるグロープラグ型筒内圧センサの先端側の部分を抽出した拡大断面図である。
【図３】本発明によるグロープラグ型筒内圧センサの他の実施形態における先端側の部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１１  燃焼室
１２  シリンダヘッド
１３  筒内圧センサ（グロープラグ一体型筒内圧センサ）
１４  装着孔
１５  ケーシング
１６  大径部
１７  発熱チューブ
１８  小径部
１９  段部
２０  雌ねじ部
２１  チューブ保持部
２２  雄ねじ部
２３  ベース部
２４  圧力センサ
２５  センサ収容部
２６  チャージアンプ回路基板
２７  コネクタ
２８  リード線
２９  圧電素子
３０，３１  絶縁部材
３２，３３  信号線
３４  ＰＭ酸化促進層
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009203939.tif 000005