JP2000034969A - スパークプラグを用いた燃焼状態検出装置 - Google Patents
スパークプラグを用いた燃焼状態検出装置Info
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Abstract
と相関性の高い測定値を得ることができるスパークプラ
グを用いた燃焼状態検出装置を提供する。 【解決手段】 中心電極の表面積が32mm2 以上であ
るスパークプラグ20を用い、燃焼時に中心電極に電圧
を印加する電圧印加手段C1、TR1、D1とイオン電
流検出手段R1と、イオン電流積分手段37とを持つよ
うにする。
Description
置として用いられるスパークプラグを用いてイオン電流
を検出し、燃焼室の燃焼状態を検出するのに適したスパ
ークプラグを用いた燃焼状態検出装置に関する。
気や酸素がイオン化することが知られていた。燃焼室の
混合気に火花放電により点火すると混合気が燃焼する過
程において混合気中の燃料や酸素がその反応過程で電離
しイオン化する。このため、燃焼室のイオン濃度が急激
に上昇する。この時、適度なギャップを持った一対の電
極を燃焼室に設け、電極間に数百ボルトの直流電圧を印
加すると、電極の周りに存在する陽イオンはマイナスに
帯電した電極に引き寄せられ、陽イオンはマイナス電極
から電子を受け取る。一方、電極の周りに存在する電子
はプラスに帯電した電極に引き寄せられプラス電極に吸
収される。この現象により、外からは電極間で電流が流
れたように見ることができる。これがイオン電流と呼ば
れているものである。このイオン電流を検出し解析する
ことにより、燃焼室内で確実に燃焼が行われたかを判断
する失火検出や、異常燃焼を判断するノッキング検出
や、空燃比A/Fを検出することができる。しかしこの
ためには、イオン電流を検出する電極に十分な検出分解
能が要求される。
けることは、実験室ではともかく、実際のエンジンでは
イオン電流検出電極それ自体が燃焼状態を乱す原因にな
ることやコストの面からも実用的でない。このため、点
火に用いられるスパークプラグを点火だけではなくイオ
ン電流検出電極として利用しようとする動きが検討され
ている。スパークプラグをイオン電流検出電極として利
用できれば、基本的に内燃機関に特別の加工を加えるこ
となくイオン電流の検出が可能になり、コスト的にも技
術的にも非常に有効な方法となる。イオン電流検出の方
法は、スパークプラグに負極性の高電圧を印加して火花
放電させ、火花放電が終了した直後に中心電極に300
V程度の直流電圧を印加して中心電極と接地電極若しく
は主体金具との間に流れるイオン電流を検出するもので
ある。このような用途に用いるスパークプラグとして、
特開平4−134180号には、中心電極を接地電極よ
りも突出させたスパークプラグが提案されている。中心
電極を接地電極よりも突出させることにより、接地電極
が陽イオンからなる空間電流を物理的に阻害することを
避けたものである。
標準的なスパークプラグを用いてイオン電流の検出を行
うと、イオン電流と燃焼状態との相関が十分に取れない
という問題点を見い出した。イオン電流が必ずしも十分
に燃焼状態を反映しないのである。発明者は内燃機関の
燃焼室(シリンダ)に圧力検出器を取り付けて燃焼圧を
直接検出し、種々のスパークプラグにおいて燃焼圧とイ
オン電流の積分値との関係を多数調べた。その結果、ス
パークプラグの中心電極の表面積に着目すべきであり、
中心電極の表面積がある程度以上あると燃焼圧とイオン
電流の積分値との相関が明確になることを発見した。
なされたもので、燃焼状態との相関が高いイオン電流を
検出することができ燃焼状態を的確に検出することがで
きるスパークプラグを用いた燃焼状態検出装置を提供す
ることを目的とする。
め、本発明のうち請求項1記載の発明では、中心電極の
表面積が32mm2 以上であることを特徴とするスパー
クプラグと、前記中心電極に火花放電の終了直後に電圧
を印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段からの電
圧により前記中心電極と前記接地電極との間に流れるイ
オン電流を検出するイオン電流検出手段と、を備えるこ
とを特徴とするスパークプラグを用いた燃焼状態検出装
置が提供される。ここで、中心電極の表面積が32mm
2 以上とするためには、中心電極を軸方向に延長する方
法と中心電極の径を太くする方法の両者を含むものとす
る。このように形成すると、中心電極に数百Vの電圧を
印加して得られるイオン電流と燃焼状態との相関が高い
ものになり、燃焼室での燃焼状態に良く対応したイオン
電流値を得ることができる。
は、上記の特徴に加え、一回の燃焼毎に前記イオン電流
積分手段で検出されたイオン電流を積分してイオン電流
積分値を出力するイオン電流積分手段を備えることを特
徴とする。このように形成すると、燃焼室での燃焼圧に
良く対応した測定値としてイオン電流積分値を得ること
ができる。
を参照し説明する。図1は本発明に係るスパークプラグ
20の部分断面図である。周知のように、アルミナ等か
らなる絶縁碍子1は、その上部に沿面距離を稼ぐための
コルゲーション1Aを、下部に内燃機関の燃焼室に曝さ
れる脚長部1Bを備え、その軸中心には中心貫通孔1C
を備えている。中心貫通孔1Cの下端には、インコネル
等のニッケル合金からなる中心電極2が保持され、中心
電極2は絶縁碍子1の下端面から下方に突出している。
中心電極2は中心貫通孔1Cの内部に設けられたセラミ
ック抵抗3を経由して上方の端子ナット4に電気的に接
続されている。端子ナット4には図示しない高耐圧ケー
ブルが接続され高電圧が印加される。上記絶縁碍子1は
主体金具5に囲まれ支持されている。
ークプラグレンチと嵌合する6角形部5Aと、ねじ部5
Bとを備えている。主体金具5はそのかしめ部5C、5
Dにより絶縁碍子1にかしめられ、主体金具5と絶縁碍
子1が一体にされる。かしめによる密閉を完全なものと
するため、主体金具5の内周段部5Eと絶縁碍子1との
間に板状のパッキング部材6を介在して燃焼室に曝され
る脚長部1Bと絶縁碍子1の上部とのシールを完全にし
ている。また、かしめ部5C、5Dと絶縁碍子1との間
にワイヤ状のシール部材7、8を介在し、シール部材
7、8の間にタルク(滑石)9の粉末を充填して弾性的
にシールをし主体金具5と絶縁碍子1との固定を完全に
している。また、ねじ部5Bの上端にはガスケット10
が嵌挿されている。主体金具5の下端にニッケル合金か
らなる接地電極11が溶接により接合されている。接地
電極11は中心電極2の先端面と軸方向に対向し、中心
電極2と接地電極11とで放電ギャップを構成してい
る。中心電極2の露出した部分の表面積はその軸長を長
くして標準より大きくしてある。
クプラグの発火部近傍を拡大して示す正面図である。図
2のスパークプラグは中心電極2の先端面と軸方向に対
向して接地電極11が設けられた最もオーソドックスな
型のものである。中心電極2の径をA(単位はmm、以
下同じ)、中心電極2と接地電極11との間の放電ギャ
ップをB、中心電極2の絶縁碍子1からの突き出し量を
C、絶縁碍子1の主体金具5からの突き出し量をDとす
る。図3のスパークプラグは中心電極2の側周面と径方
向に対向して接地電極11が設けられ、接地電極11が
絶縁碍子1に近接して設けられた型のものである。Aか
らDまでは図3のものと同じである。接地電極11と絶
縁碍子1との間の碍子ギャップをEとする。碍子ギャッ
プEが小さいと、絶縁碍子1の表面が汚損してくすぶっ
たときに、汚損した絶縁碍子1の表面で火花放電が起こ
り、スパークプラグに絶縁碍子表面の清浄作用を持たせ
ることができる。これにより、安定したイオン電流を検
出できる。図4のスパークプラグは中心電極2の先端近
傍で中心電極2の側周面と径方向に対向して接地電極1
1が設けられた型のものである。図2ないし図4のスパ
ークプラグは中心電極2の軸長に応じて選択される。
検出装置の回路図である。バッテリ31は点火コイル3
4の1次側コイルに接続されている。エンジン制御コン
ピュータユニット(ECU)32は適切なタイミングで
パルス信号をイグナイタ33に送り、点火コイル34の
1次側コイルに数mSの間電流を通電させた後、遮断す
る。この結果、点火コイル34の2次側コイルの一端に
負極性の高電圧が発生する。点火コイル34の2次側は
高耐圧ケーブル35によりスパークプラグ20に接続さ
れている。点火コイル34の2次側コイルの他端は定格
300VのツェナーダイオードZDに接続され、ツェナ
ーダイオードZDを経由して接地されている。ツェナー
ダイオードZDに並列にコンデンサーC1と抵抗R1
が、第1のダイオードD1及びスイッチングトランジス
タTR1または第2のダイオードD2を介して接続され
ている。スイッチングトランジスタTR1はECU32
により制御されるタイミング回路36により駆動され
る。抵抗R1の一端は接地されコンデンサーC1と接続
する他端は積分回路37に入力される。積分回路37は
ECU32からの信号により制御される。積分回路37
の出力が燃焼室での燃焼状態を示す信号になる。ま
た、バイパス用の第3のダイオードD3が抵抗R1に並
列に接続されている。
ZDとコンデンサーC1とトランジスタTR1は中心電
極に火花放電の終了直後に電圧を印加する電圧印加手段
を構成する。抵抗R1は電圧印加手段からの電圧により
中心電極と接地電極との間に流れるイオン電流を検出す
るイオン電流検出手段を構成する。積分回路37は一回
の燃焼毎に前記イオン電流を積分してイオン電流積分値
を出力するイオン電流積分手段を構成する。
ある。はECU32の出力波形を、はタイミング回
路36の出力波形を、はスパークプラグ20の中心電
極2の電圧波形を、は抵抗R1の一端に現れるイオン
電流波形を、は積分回路37の出力波形をそれぞれ示
している。
U)32は適切なタイミングでで示すパルス信号10
1をイグナイタ33に送り、イグナイタ33をして点火
コイル34の1次側コイルに数mSの間電流を通電させ
た後、遮断する。イグナイタ33が点火コイル34への
通電を遮断すると、で示す負極性の高電圧(十数KV
〜数十KV)がスパークプラグ20に印加される(図6
の102)。この高電圧102により中心電極2と接地
電極11との間の放電ギャップが絶縁破壊し、略一定の
火花放電電圧103で火花放電が数mSの間続く。この
間に、スパークプラグ20から点火コイル34、第2の
ダイオードD2、コンデンサーC1、第3のダイオード
D3と放電電流が流れ、コンデンサーC1にプラスの電
圧が充電される。コンデンサーC1が+300Vに充電
されるとツェナーダイオードZDがブレークダウンしツ
ェナーダイオードZDを経由して放電電流が流れる。
る若干のエネルギーにより中心電極2の電圧は若干の振
動波形104を示した後収束する。振動波形104が収
束した頃を見計らってで示すタイミング回路36から
信号106がスイッチングトランジスタTR1に出力さ
れ、コンデンサーC1の電圧がスパークプラグ20の中
心電極2に印加されイオン電流の測定が開始される。コ
ンデンサーC1の電圧は300Vと点火電圧に比べて小
さいのでの電圧波形では見えない。イオン電流は抵抗
R1、コンデンサーC1、スイッチングトランジスタT
R1、第1のダイオードD1、点火コイル34を経由し
てスパークプラグ20に流れる。このとき、抵抗R1の
一端に電圧信号としてで示すイオン電流波形107が
現れる。このイオン電流波形を積分回路37で反転し積
分してで示す積分値の波形108が得られる。積分値
はECU32からの次の信号101でリセットされる。
関の断面図である。シリンダブロック41、シリンダヘ
ッド42、ピストン43に囲まれて燃焼室44を構成し
ている。シリンダヘッド42にはスパークプラグ20が
取り付けられ中心電極2及び接地電極11を燃焼室44
に露出している。また、シリンダヘッド42にはインレ
ットバルブ45やエキゾーストバルブ46が配設されて
いる。そして、シリンダブロック41の上部に小孔が開
けられ圧力検出器47が取り付けられ、燃焼室44の圧
力を直接測定できるようにしている。なお、圧力検出器
47はシリンダヘッド42に取り付けても良い。
きる内燃機関を用いて、下表に示す6種類のスパークプ
ラグでの燃焼圧とイオン電流積分値との関係を示すデー
タを多数収集した。
及び絶縁碍子突き出し量Dの単位はmmである。また、
各スパークプラグ(♯1〜♯6)において中心電極2の
径Aは共に2.5mmとし、放電ギャップBは共に1.
1mmとした。また、中心電極突き出し量Cと絶縁碍子
突き出し量Dとを加えた中心電極2の主体金属5からの
突き出し量(C+D)は、♯1のスパークプラグで5.
0mm、♯2で5.0mm、♯3で6.0mm、♯6で
4.5mmとなり、図2の型式のスパークプラグでは
(C+D)を5.0mm前後とした。これは飛火位置と
なる放電ギャップの位置をできるだけ同じ位置に持って
きて着火条件を同じにしようとしたことと、イオン電流
検出時の中心電極2の位置をできるだけ同じにし、位置
の違いによる検出されるイオン電流の相違を無くそうと
したからである。これに対して図3の型式のスパークプ
ラグでは、(C+D)は♯4では7.0mm、♯5では
9.5mmとなり、大きく異なっている。
6の6個のスパークプラグで多数回燃焼実験をし、その
時の燃焼圧とイオン電流積分値とをプロットしたグラフ
図である。燃焼圧は圧力検出器47で直接検出し図示平
均有効圧力(PMI)で表した。燃焼状態を最も直接的
に示すものと考えられるからである。使用したエンジン
は直列6気筒、2リッター、DOHCのものを用いた。
テスト条件は2000rpm、吸気圧−350mmHg
とし、点火タイミングを53°BTDC(上死点前)と
した。そして、空燃比(A/F)を♯1と♯2のスパー
クプラグではA/F=22.8〜22.9、♯3から♯
6のスパークプラグではA/F=23.3〜23.4と
いう極端にリーンな条件で行った。この空燃比はリーン
リミット空燃比であり、500発の平均値に対して50
%以下の図示平均有効圧力(PMI)が発生しない最も
リーンな条件である。このようなリーンな条件での燃焼
で測定したのは燃焼圧の変動の多いところで評価したか
ったからである。また、イオン電流のピーク値ではなく
積分値で測定したのは、最初のイオン解離によるピーク
値ではなく、燃焼圧に関連した熱解離等によるイオン電
流は積分値で判断するのがより適切であると判断したか
らである。
を示す。♯1のスパークプラグは中心電極の表面積が2
3.5mm2 のものである。図8から明らかなように、
プロットされた測定値はおおよそのまとまりを示し、プ
ロット群は右肩上がりの直線を示している。しかしなが
ら、その直線の幅が広く、また、同じ燃焼圧の場合でも
イオン電流積分値のデータが大きく異なるプロットが散
見される。このため、このスパークプラグをイオン電流
検出電極として利用することは、やや不適切である。
を示す。♯2のスパークプラグは白金チップのスパーク
プラグであり、中心電極突き出し量Cが短く中心電極の
表面積が16.7mm2 と小さなものである。このスパ
ークプラグによる測定値は図9に示すように大きく分散
し、イオン電流積分値と燃焼圧との明確な相関性を全く
と言って良いほど認めることができなかった。従って、
このスパークプラグをイオン電流検出電極として利用す
ることは、全く不適切である。ここで、♯2のスパーク
プラグは中心電極突き出し量Cは短いがその分だけ絶縁
碍子突き出し量Dを長くしているので、中心電極の燃焼
室への突き出し量(C+D)は♯1と同じである。従っ
て、♯1と♯2とで接地電極11が空間電流を阻害する
程度にそれほど大きな差は無いと考えられ、前述した先
行文献(特開平4−134180号)が指摘する空間電
流の問題より中心電極の表面積の問題に着目すべきであ
ると発明者は想到した。
値を示す。♯3のスパークプラグは中心電極突き出し量
Cを3.5mmと長くし、その結果、中心電極の表面積
を32.4mm2 と大きくしたものである。図10から
明らかなように、測定値のプロット群は右肩上がりの直
線を示し、ただ一つのプロットを除いて、比較的幅の狭
い直線上に乗っている。その一つのプロットを例外的な
測定エラーと考えれば、イオン電流積分値と燃焼圧との
相関性を明確に示している。従って、発明者は中心電極
の表面積が32mm2 以上あればイオン電流と燃焼状態
との相関がさらに高いものになると考える。
値を示す。♯4のスパークプラグは中心電極突き出し量
Cを4.5mmと長くし、その結果、中心電極の表面積
を40.3mm2 と大きくしたものである。中心電極を
長くしたため発火部の形式は図3に示す側方接地電極の
形式としている。図11から明らかなように、測定値の
プロット群は右肩上がりの直線を示し、イオン電流積分
値と燃焼圧との相関性を明確に示している。
値を示す。♯5のスパークプラグは中心電極突き出し量
Cを7.0mmと長くし、その結果、中心電極の表面積
を59.9mm2 と大きくしたものである。発火部の形
式は図3に示す側方接地電極の形式としている。図12
から明らかなように、測定値のプロット群は右肩上がり
の直線を示し、イオン電流積分値と燃焼圧との相関性を
明確に示している。図10、図11、図12を比較して
分かるように、♯3と♯4と♯5のスパークプラグで測
定値のプロット群のなす直線の幅に大きな差は認められ
ない。このことから中心電極の表面積が32.4mm2
以上では、表面積が大きくなってもイオン電流積分値と
燃焼圧との相関性の程度に有意の差が認められないと考
えられる。
値を示す。♯6のスパークプラグは中心電極突き出し量
Cを4.5mmと長くし、その結果、中心電極の表面積
を40.3mm2 と大きくしたものである。中心電極を
長くしても発火部の形式は図3に示す側方接地電極の形
式とせず図2に示す中心対向接地電極の形式とした。図
13から明らかなように、測定値のプロット群は右肩上
がりの直線を示し、イオン電流積分値と燃焼圧との相関
性を明確に示している。そして、同じ40.3mm2 の
表面積を持つ♯4のスパークプラグによる測定値(図1
1)と比べると、そのプロット群の形状に大きな差は認
められない。このことから、中心電極の表面積がある程
度大きければ、接地電極11が空間電荷の流れを阻害し
てイオン電流が不安定になるという考えは捨て去って良
く、中心電極の表面積のみに着目すれば良いと考えられ
る。
極の表面積が32mm2 以上であるスパークプラグを用
いて燃焼時のイオン電流を検出するようにしたものであ
るから、燃焼状態との相関性の高いイオン電流値を測定
することができるという優れた効果がある。
である。
である。
である。
である。
回路図である。
である。
積分値との関係をプロットしたグラフ図である。
積分値との関係をプロットしたグラフ図である。
流積分値との関係をプロットしたグラフ図である。
流積分値との関係をプロットしたグラフ図である。
流積分値との関係をプロットしたグラフ図である。
流積分値との関係をプロットしたグラフ図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 中心電極の表面積が32mm2 以上であ
ることを特徴とするスパークプラグと、 前記中心電極に火花放電の終了直後に電圧を印加する電
圧印加手段と、 前記電圧印加手段からの電圧により前記中心電極と前記
接地電極との間に流れるイオン電流を検出するイオン電
流検出手段と、を備えることを特徴とするスパークプラ
グを用いた燃焼状態検出装置 - 【請求項2】 一回の燃焼毎に前記イオン電流積分手段
で検出されたイオン電流を積分してイオン電流積分値を
出力するイオン電流積分手段を備えることを特徴とする
請求項1記載のスパークプラグを用いた燃焼状態検出装
置
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10218637A JP2000034969A (ja) | 1998-07-15 | 1998-07-15 | スパークプラグを用いた燃焼状態検出装置 |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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ID=16723077
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Country Status (1)
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-
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- 1998-07-15 JP JP10218637A patent/JP2000034969A/ja active Pending
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