圧力測定用グロープラグ

专利摘要:
本発明は、一端でプラグベースから突出する少なくとも１つの基本的に棒状加熱要素（３）と少なくとも１つの測定要素（７）とを含み、加熱要素（３）と測定要素（７）とが一体的に固着され、および／または、力でロックされ、および／または、形状でロックされている少なくとも１つのプラグベースを備える、特に、自己着火内燃機関用のペンシル型グロープラグに関する。
公开号:JP2011516810A
申请号:JP2011502223
申请日:2009-03-30
公开日:2011-05-26
发明作者:ユエ チェン，；ペチホルド，フランク；ハンス ホウベン，；ベルンハルド ラスト，
申请人:ボルグワーナー ベルー システムズ ゲーエムベーハー；
IPC主号:F23Q7-00

专利说明:

[0001] 本発明は、特に、圧縮着火内燃機関用のペンシル型グロープラグに関する。]
背景技術

[0002] このようなグロープラグは、たとえば、特許文献１から知られている。]
[0003] 本設計では、測定要素は、燃焼室の高温から該測定要素を保護するためにシリンダヘッドの外側に配置されている。このタイプの設計は、低い固有振動数を生じ、そして、雑音および位相シフトを測定結果の中に生じさせる長い力伝達経路をもたらす。]
[0004] 筐体および力伝達コンポーネントが異なる材料で作られる場合、長い力伝達経路は、熱膨張により大きな差異を生じ、誤りのある結果となる原因となる。]
先行技術

[0005] 独国特許出願公開第１０３４６２９５号]
発明が解決しようとする課題

[0006] 本発明によって扱われる問題は、温度、熱膨張の影響、および、他の誤差発生源からほとんど独立している圧力値を記録するペンシル型グロープラグを作成する問題である。]
課題を解決するための手段

[0007] 本発明によれば、上記の問題は、一端でプラグ本体（ｐｌｕｇ ｂｏｄｙ）から延びる少なくとも１つの実質的に棒状の加熱要素（ｈｅａｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）と少なくとも１つの測定要素（ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）とを含み、加熱要素と測定要素とが一体的に固着されている少なくとも１つのプラグ本体を備えるグロープラグによって解決される。このようにして、熱伝導経路が最小限に制限されたままであるのが有利である。有利な実施形態によれば、プラグ本体は、実質的に管状に設計されている。これによって、製造が簡略化され、したがって、コストが削減可能であるので有利である。]
[0008] 別の有利な実施形態によれば、プラグ本体は、少なくとも２つのピースで作られ、少なくとも１つの上側本体部品（ｕｐｐｅｒ ｂｏｄｙ ｐａｒｔ）と少なくとも１つの下側本体部品（ｌｏｗｅｒ ｂｏｄｙ ｐａｒｔ）とを備える。製造がより有利であることが利点である。]
[0009] さらなる有利な実施形態によれば、プラグ本体は、少なくとも１つの中央プラグ部品（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｌｕｇ ｐａｒｔ、中央本体部品）を含む。中央プラグ部品を設ける利点は、加熱ロッド（ｈｅａｔｉｎｇ ｒｏｄ、加熱要素）が、中央プラグ部品から見て燃焼室と全く反対側で、一体的に固着される方法で測定要素の端面の一方に連結され、測定要素が、もう一方の端面で、リング（ｒｉｎｇ）と測定要素のジャケット表面とを溶接することにより上側本体部品および中央本体部品（ｃｅｎｔｒａｌ ｂｏｄｙ ｐａｒｔ）連結できることである。セラミック加熱ロッドは、この剛性連結を介して圧力を測定要素へ直接的に伝達し、力伝達要素を一緒に保持するために予荷重を加える必要がない。]
[0010] 有利な発展によれば、下側本体部品はシーリングコーン（ｓｅａｌｉｎｇ ｃｏｎｅ）を含む。加熱要素が保護管（ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ ｔｕｂｅ）の中に実質的に封入されることは同様に有利である。この保護管は加熱要素を潜在的な破損から保護する。]
[0011] 有利な成果によれば、ペンシル型グロープラグは少なくとも１つのシーリング要素（ｓｅａｌｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）を含む。このシーリング要素は、高感度の測定要素が腐食性の燃焼室ガスから保護されるので有利である。]
[0012] さらに有利な実施形態によれば、シーリング要素は、軸方向に低剛性（ｌｏｗ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を有し、半径方向に比較的高剛性（ｇｒｅａｔ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を有する。シーリング要素は、外部誤差発生源、たとえば、シリンダヘッドの熱膨張および変形が軸方向に柔らかいシーリング要素によってほとんど隔離され、力伝達要素が半径方向に堅い（ｓｔｉｆｆ）シーリング要素によってほとんど保護され、したがって、駆動周波数が半径方向で増大されるので有利である。]
[0013] さらに有利な実施形態によれば、加熱要素および／または保護管および／またはシーリング要素は、一体的に固着され、および／または、形状でロック（ｆｏｒｍ−ｌｏｃｋｅｄ）される。利点は、カーマイン加熱要素および高感度測定機器が燃焼室ガスから保護されることである。有利な実施形態によれば、シーリング要素および保護管はシングルピース型に設計されている。保護管およびシーリング要素を単一部品に減らすことにより、製造およびコストの優位性が実現される。この理由は、溶接部が設けられていないので通気性を有する可能性がなく、シーリング要素としての役目を果たす非通気性保護管が腐食性燃焼室ガスから高感度部品を保護するからである。]
[0014] 別の有利な実施形態によれば、測定要素は、圧力を判定する少なくとも１つのセンサおよび／または温度を判定する少なくとも１つのセンサを含む。利点は、温度変動によって引き起こされる可能性があるどのような測定誤差でも補償できることである。]
[0015] たとえば、温度を判定する測定ストリップ（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｔｒｉｐ）としてのセンサが応力および応力の変化によってほとんど影響を受けないままに保たれている測定要素の領域に位置している場合、この温度センサは、基準値トランスミッタとして使用可能であり、全測定結果を校正するのに役立てるため使用可能である。]
[0016] 別の有利な実施形態によれば、測定要素は、動作温度範囲内で温度からほとんど独立した圧電効果を有する材料、たとえば、水晶（ｑｕａｒｔｚ）またはＧａＰＯ４で作られている。]
[0017] 発明の特に有利な実施形態は、添付図面を参照してより詳細に後述されている。]
図面の簡単な説明

[0018] ペンシル型グロープラグを示す図である。
図１に表されたグロープラグを通る断面図である。
図２に表された測定要素の平面図である。] 図１ 図２
実施例

[0019] 図１に表されたペンシル型グロープラグは、上側本体部品１と、中央本体部品２と、セラミック加熱ロッド３と、下側本体部品４とを含む。シーリングコーン５は下側部品４に配置されている。内部ポール１１は燃焼室１２から離れる方に向いている加熱ロッド３の端面に配置され、測定要素７および溶接リング６は内部ポール１１の周りに配置されている。] 図１
[0020] 図２は図１に表されたグロープラグの断面を示している。グロープラグは、中央本体部品２の上方に配置された上側本体部品１を含む。セラミック加熱ロッド３は、特に、燃焼室１２から離れる方に向いている側で測定要素７に挿入されるように、中央本体部品２および下側本体部品４の領域に配置され、内部ポール１１に材料的に固着され、および／または、力でロック（ｆｏｒｃｅ−ｌｏｃｋｅｄ）され、または、形状でロック（ｆｏｒｍ−ｌｏｃｋｅｄ）される。シーリングコーン５は下側本体部品４に配置されている。内部ポール１１は、測定要素７および溶接リング６が実質的に同心円状に内部ポール１１の周りに配置されるように、燃焼室１２から離れる方向に向いている加熱ロッド３の端面に配置されている。測定要素７と溶接リング６は、力でロックされ、および／または、形状でロックされ、および／または一体的に固着される。溶接リング６は上側本体部品１および／または中央本体部品２に、力でロックされ、および／または形状でロックされ、および／または一体的に固着される。保護管１３の中へ移行し、シングルピース型に設計されているダイヤフラム１０は、中央本体部品２と下側本体部品４との間に配置されている。代替的な実施形態では、ダイヤフラム１０は保護管１３と一緒に溶接される。保護管１３は、燃焼室１２の中へ延びる加熱ロッド３の部品を実質的に封入し、加熱ロッドの部品および本体部品１、２、４の内部領域を燃焼室ガスから保護する。] 図１ 図２
[0021] 環状かつ変形可能である管状測定要素７は、２００バールおよび摂氏２００度の値まで伸縮自在であり、一定の弾性率を有する材料で作られている。測定要素７は、たとえば、セラミックで作られている。発明による一実施形態では、測定要素は、実質的にＺｒＯ２で作られている。弾性センシング要素８は測定要素７のジャケット表面に配置されている。特殊な実施形態では、弾性センシング要素８は、燃焼室１２の中の状態を推定する基礎となる測定要素７の変形を判定するストレインゲージを含む。]
[0022] 図３は弾性要素７の描写を示している。ストレインゲージ８、９の電気抵抗（ＤＭＳ）は僅かな変形に応答して変化する。ストレインゲージ８、９は、特殊な接着剤を使用して、これらを荷重下で最小限の程度まで変形する部品に固着することによりストレインセンサとして使用される。結果として得られるストレインゲージ８の変形または膨脹は、ストレインゲージの抵抗を変化させる。ストレインゲージを使用して実行される測定は、たとえば、ブリッジ回路、特に、クォータブリッジ、ハーフブリッジ、および、フルブリッジを使用して変換される。ストレインゲージは、実施形態において、ワイヤ・ストレインゲージ、フィルム・ストレインゲージ、半導体ストレインゲージ、または、円形ストレインゲージとして使用される。弾性要素７は、溶接リング６とセラミック加熱ロッド３との間に配置され、温度を補償するため、ストレインゲージ９は、ほとんど無負荷になるように設計された弾性要素７の領域に配置されている。ストレインゲージは、コンポーネントの表面上の膨脹または圧縮の形状の変化を検出するために使用可能である。ストレインゲージは、実験によって荷重を判定し、ストレインゲージの実際の応用の範囲における材料上の荷重に関する要求を定式化することを可能にする。ストレインゲージ８は、たとえば、フィルム・ストレインゲージで作られ、測定用グリッドフィルム（ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｇｒｉｄ ｆｉｌｍ）は、およそ３〜８μｍ厚さの抵抗ワイヤで作られている。測定用グリッドフィルムは、積層され、薄いプラスチック担体上でエッチング除去され、電気接点を備えている。特殊な実施形態では、ストレインゲージ８は、一番上の側に第２の薄いプラスチックフィルム（ｓｅｃｏｎｄ ｔｈｉｎ ｐｌａｓｔｉｃ ｆｉｌｍ）を含む。第２のプラスチックフィルムは、測定用グリッドを機械的に保護するために担体に確実に固着されている。さらなる実施形態では、複数のストレインゲージは限定された幾何学形状で１つの担体に配置されている。] 図３
[0023] コンスタンタン（ｃｏｎｓｔａｎｔａｎ）またはＮｉＣｒ化合物はフィルム・ストレインゲージで使用される。測定用グリッドの形状は、測定用グリッドの使用法に依存し、特定の用途に適応させられている。測定用グリッドの長さはおよそ０．２〜１５０ｍｍである。ストレインゲージ８、９の担体フィルムは、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、または、ポリアミドで作られている。特殊な実施形態では、圧電方式、応力光方式、または、容量方式で機能するストレインゲージが使用される。実際に、ストレインゲージは特殊な用途で使用される。容量式に作用するストレインゲージは、１０００℃を上回る高温範囲で使用される。ストレインゲージ８、９は、膨脹するときに抵抗を変化させる金属導体または半導体で作られている。ストレインゲージ８、９が膨脹するとき、その抵抗は増加する。ストレインゲージが圧縮するとき、その抵抗は減少する。半導体は、金属導体よりおよそ５０〜８０倍の広い範囲まで抵抗を変化させる。]
[0024] ストレインゲージ８、９が機械的に荷重を加えられているときに観察される抵抗の変化は、測定用グリッドの幾何学的変形と、測定用グリッドを作っている材料の抵抗率の変化とによって引き起こされる。異なるストレインゲージ材料は、ストレインゲージの異なる感度の値、いわゆる、ｋ因子（ｋ−ｆａｃｔｏｒ）をもたらす。]
[0025] コンスタンタンは、ストレインゲージの低い温度依存性に起因して、かつ、ストレインゲージの低いｋ因子にかかわらず、標準的なストレインゲージ用途における使用のために選択される。より大きい温度範囲が必要とされるか、または、目的が−１５０℃未満の温度を測定することである場合、ＮｉＣｒは測定用グリッド材料として使用される。ストレインゲージ８、９の最大歪み可能性は、主に測定用グリッド材料の歪み可能性に依存する。さらなる依存性は、接着剤と、接着剤の歪み可能性および結合強度と、担体が作られている材料とに関する。室温でも最大歪み可能性の値は、半導体ストレインゲージの場合におよそ数千μｍ／ｍの範囲に入り、フィルム・ストレインゲージの場合に５００００μｍ／ｍまで達する。]
[0026] ストレインゲージの公称抵抗は、ストレインゲージに荷重を加えることなく端子間で測定された抵抗であり、たとえば、１２０、３５０、７００または１０００オームである。ストレインゲージが動作する最大電圧は、ストレインゲージのサイズおよびストレインゲージが固着された材料に依存する。ストレインゲージ抵抗器で発生する電力損失はストレインゲージの表面全体に亘って分散させられるべきである。良好な熱伝導性を有する材料が使用されるとき、典型的な値はおよそ５〜１０ボルトであり、小さいストレインゲージと不良熱伝導性を有する材料とが使用されるとき、たとえば、０．５ボルトが適用される。]
[0027] 半導体ストレインゲージは、非常に温度依存性が高いので、限定された用途で使用可能である。温度誤差は、ホイートストンブリッジ回路によって補償される。その上、４個すべてのブリッジ分岐が同じチップに形成されるので、個別のブリッジ分岐における効果は、４個の異なる半導体ストレインゲージが固着され、相互接続される場合より実際的である。コンスタンタンおよびＮｉＣｒのストレインゲージが使用されるとき、温度影響は最小限であり、１００℃より上で、コンスタンタンの信号は１％未満しか変化しない。測定されるべきあらゆる材料は温度が上昇すると共に膨脹する。この膨脹は、無制限に発生する場合、荷重に対応しない。誰もこの膨脹を測定したいとは思わない。膨脹の測定は、「適合した」ストレインゲージを使用することにより、ある種のアプローチにおいて主に実現され、すなわち、製造業者は、ストレインゲージが配置されている材料の温度変動によって誘発される膨脹効果の逆である信号を生じる付加的な温度効果をストレインゲージ８に加える。このタイプの補償は、ある種の温度範囲に限り機能し、不完全であり、あらゆる材料は、たとえば、アニール処理またはロール処理が行われた材料の前処理にも同様に依存する特定の熱膨張を有する。完全な補償は、能動的な測定を使用して、たとえば、ホイートストンブリッジ回路（ハーフブリッジ）またはプロセッサを使用して、無負荷のコンポーネント上でストレインゲージ９を使用して温度効果を同様に測定し、荷重が加えられたコンポーネント上の信号からこの温度効果を差し引くことにより実現される。ＮｉＣｒのストレインゲージは、温度差が１５０℃以上を上回るときに使用するために適している。抵抗の変化は、典型的に、電気回路、ホイートストーンブリッジ回路に統合することにより検出され、電圧信号として、表されていない増幅器に供給される。]
[0028] ストレインゲージのための３通りの測定手順が利用可能である。
１．搬送周波数として２００Ｈｚ〜５０ｋＨｚを利用する搬送周波数法
２．ＤＣ電圧法
３． 定電流法]
[0029] 定電流法を使用すると、信号が誤りを含むことなく個別のブリッジ回路のため長い線を使用することが可能である。ケーブル損失は、搬送周波数法およびＤＣ電圧法に対して、電子回路によって補償される。搬送周波数と直流電圧は、主に、市販されている増幅器によって達成できる信号帯域幅の点で違う。直流電圧に対して、最大でおよそ１００ｋＨｚが典型的であり、搬送波周波数に対して、通常は、ほんの数百Ｈｚから約３ｋＨｚまでが典型的である。さらなる違いは、特有の環境および用途にさらに依存するが干渉に対する感受性を有する点である。搬送周波数法は、熱電電圧、コモンモード干渉（ｃｏｍｍｏｎ−ｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｓ）（電気的干渉）、および、干渉周波数が搬送周波数±帯域幅の範囲外である場合に、接合接点干渉（磁気的干渉）に対し低感度である。しかし、複数の搬送波周波数増幅器が相互干渉を防止するために互いに同期させられるべきである。直流電圧増幅器は、実験室または最適条件下で使用可能である。搬送周波数測定用増幅器は、測定が多くの場合に強い干渉場の存在下で実行されなければならない工業条件下でより有利である。これは、迷放射線（ｓｔｒａｙ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）の周波数と関連する増幅器とに依存する。]
[0030] １本体部品
２ 中央本体部品
３セラミック加熱ロッド
４ 下側本体部品
５シーリングコーン
６溶接リング
７弾性要素／測定要素
８弾性センシング要素
９温度補償
１０ダイヤフラム（保護管付き）
１１ 内部ポール
１２燃焼室
１３ 保護管]

权利要求:

請求項1
一端でプラグ本体から延びる少なくとも１つの実質的に棒状の加熱要素（３）と少なくとも１つの測定要素（７）とを含み、加熱要素（３）と測定要素（７）とが一体的に固着され、および／または、形状でロックされている少なくとも１つのプラグ本体を備える、特に、圧縮着火内燃機関用のペンシル型グロープラグ。
請求項2
測定要素が燃焼室と全く反対側である加熱ロッドの側で加熱ロッドの端面に固着されていることを特徴とする、請求項１に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項3
プラグ本体が実質的に管状に設計されていることを特徴とする、請求項１に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項4
プラグ本体が少なくとも２つのピースで作られ、少なくとも１つの上側本体部品（１）および少なくとも１つの下側本体部品（４）を含むことを特徴とする、請求項１〜３に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項5
プラグ本体が少なくとも１つの中央プラグ部品（２）を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項6
下側本体部品（４）がシーリングコーン（５）を含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項7
加熱要素（３）が保護管（１３）によって実質的に封入されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項8
少なくとも１つのシーリング要素（１０）を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項9
加熱要素（３）および／または保護管（１３）および／またはシーリング要素（１０）が一体的に固着され、および／または、形状でロックされていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項以上に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項10
シーリング要素（１０）および保護管（１３）がシングルピース型で設計されていることを特徴とする、請求項１〜９の一項以上に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項11
測定要素（７）が圧力を判定する少なくとも１つのセンサ（８）および／または温度を判定する少なくとも１つのセンサ（９）を含むことを特徴とする、請求項１〜１０の一項以上に記載のペンシル型グロープラグ。
請求項12
測定要素（７）が動作温度範囲内で温度とほとんど独立した圧電効果を有する材料、たとえば、水晶またはＧａＰＯ４で作られていることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項以上に記載のペンシル型グロープラグ。