JP2005129398A - 内燃機関用点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジングと絶縁碍子との対向部分における容量及び抵抗に起因するダレノイズの発生を抑制し、イオン電流検出に好適に用いるようにすること。
【解決手段】点火プラグ１４は、金属製のハウジング４１、絶縁碍子４２、電極部材（中心電極４３、接地電極４４）、抵抗体４５及びステム４６等を主要な構成とする。絶縁碍子４２の中段部４２は微小なクリアランスＣＬにてハウジング４１に対向しており、その対向部分の空隙部は金属パッキン５１，５２により気密状態で保持されている。ハウジング４１と絶縁碍子４２の中段部４２ｂとの間のクリアランスＣＬを平均０．２ｍｍ程度としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関用点火プラグに係り、特にイオン電流検出に用いる点火プラグに関するものである。

従来より、内燃機関において混合気が燃焼する際には燃焼イオンが発生することに着目し、点火に伴う燃焼毎に点火プラグの対向電極間に流れるイオン電流を検出するイオン電流検出装置が各種提案されている。そして、この検出したイオン電流に基づいて失火判定や、ノッキング等の異常燃焼判定や、燃焼ラフネス等の燃焼状態判定などが実施されるようになっている。この場合、イオン電流の検出信号（以下、イオン電流信号ともいう）にノイズが重畳することでイオン電流の検出精度が低下することが懸念されており、そのノイズ対策技術が各種提案されている。例えば特許文献１では、イオン電流検出用の点火プラグにおいて、絶縁体（碍子部）の外周部と取付金具（金属ハウジング）との間に導電性被膜を形成し、この導電性被膜を取付金具に導通させるようにしている。これにより、スパイク状ノイズの発生を抑制するようにしていた。

一方、点火プラグを発生要因とするノイズとして、点火プラグの碍子部の容量成分と、碍子部周囲の金属ハウジングとの間の空隙部が有する抵抗成分とにより生じるＣＲダレノイズがある。つまり、碍子部と金属ハウジングとの間に形成される空隙部では、中心電極で電圧変動が発生する時に碍子部と金属ハウジング間の空気層を通じてこれら両者間（碍子部と金属ハウジング間）が一時的に導通状態になる。これにより、放電終了時には、碍子容量の電荷分が前記空気層の抵抗を介して遅れて抜けるため、信号ダレ（ＣＲダレノイズ）が発生する。本願発明者らによれば、例えば、本来の指定品でない別の型式の点火プラグや規格外れの点火プラグといった異種プラグを使用した場合、又は高出力化などを図るべく吸排気弁の多弁化や挟み角度の縮小化をした内燃機関において点火プラグの長さを延長した、いわゆるロングリーチプラグを使用する場合に、ＣＲダレノイズが発生しやすいことが確認されている。

こうしたＣＲダレノイズが発生する場合、既存の点火プラグではその対処がなされておらず、イオン電流の検出精度が低下するおそれがあった。
特開平１１−２１９７７２号公報

本発明は、ハウジングと絶縁碍子との対向部分における容量及び抵抗に起因するダレノイズの発生を抑制し、イオン電流検出に好適に用いるようにすることができる内燃機関用点火プラグを提供することを主たる目的とするものである。

点火プラグにおいて、ハウジングと絶縁碍子間のクリアランスは、ハウジング内に絶縁碍子を組み付ける上で不可欠なものであるが、無意味に大きくするとデッドスペースが増える等の不都合が生じるため、通常約０．１ｍｍ程度にされる。これに対し、請求項１に記載の発明では、ハウジングと絶縁碍子間のクリアランスを平均０．２ｍｍ以上とした。これにより、碍子周囲のハウジングとのクリアランスによる抵抗成分を極端に大きくすることができ、結果としてダレノイズ（ＣＲダレノイズ）の発生を抑制することができる。よって、イオン電流検出に好適に用いることができ、ひいてはイオン電流の検出精度を向上させることができるようになる。

請求項２に記載の発明では、ハウジングと絶縁碍子間に形成される空隙部を少なくとも２カ所の気密保持部により気密状態で保持すると共に、当該空隙部に固有抵抗が３００ＭΩ・ｃｍ以下の液状充填材を充填したため、前記空隙部における抵抗成分を殆ど０にすることができ、結果としてダレノイズ（ＣＲダレノイズ）の発生を抑制することができる。これにより、イオン電流検出に好適に用いることができ、ひいてはイオン電流の検出精度を向上させることができる。液状充填材としては、例えば防錆油、潤滑油等を用いる。防錆油を用いることにより前記空隙部における錆防止を図ることもできる。

上記請求項２の発明では請求項３に記載したように、前記液状充填材を、前記空隙部の１／４以上の容積分充填すると良い。望ましくは、１／３以上の容積分充填すると良い。

請求項４に記載の発明では、ハウジングと絶縁碍子間に形成される空隙部を少なくとも２カ所の気密保持部により気密状態で保持すると共に、当該空隙部に、高絶縁性かつ比誘電率の大きな誘電材料を充填したため、前記空隙部における抵抗成分を殆ど０にすることができ、結果としてダレノイズ（ＣＲダレノイズ）の発生を抑制することができる。これにより、イオン電流検出に好適に用いることができ、ひいてはイオン電流の検出精度を向上させることができる。誘電材料としては、シリコン油、液状のシリコン樹脂、又はコンデンサ電極間に充填される電界材料等を用いる。

上記請求項４の発明では請求項５に記載したように、前記誘電材料を、前記空隙部の１／４以上の容積分充填すると良い。望ましくは、１／３以上の容積分充填すると良い。

請求項６に記載の発明では、絶縁碍子のうちハウジングから露出した露出部分にガラス釉薬を融着し、このガラス釉薬の融着範囲をハウジングから離間させたため、ハウジングと絶縁碍子との間にはガラス釉薬が融着されていないことになる。仮にハウジングと絶縁碍子との間にガラス釉薬が融着されていると、その部分で抵抗分を持ちやすくなり、ダレノイズ（ＣＲダレノイズ）が発生しやすくなるが、本発明によれば、ダレノイズの発生を抑制することができる。これにより、イオン電流の検出精度を向上させることができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態は、車両用ガソリン噴射エンジンの点火システムとして具体化されるものであり、同点火システムではエンジン制御用の電子制御装置（以下、ＥＣＵという）を中心に点火時期制御等が実施される。

まず、図１に基づいて点火制御系及びイオン電流検出系の回路構成を説明する。点火コイル１１の一次コイル１１ａの一端は電源（＋Ｂ）側に接続され、該一次コイル１１ａの他端は点火制御用のトランジスタ１２のコレクタに接続されている。トランジスタ１２のエミッタは接地され、ベースには、図示しないＥＣＵより点火信号が印加される。トランジスタ１２は点火制御用スイッチング素子として機能するものであり、勿論他のスイッチング素子であっても良い。

また、点火コイル１１の二次コイル１１ｂの一端は点火プラグ１４に接続され、該二次コイル１１ｂの他端は２つのツェナーダイオード１５，１６を介して接地されている。２つのツェナーダイオード１５，１６は互いに逆向きに直列接続され、一方のツェナーダイオード１５にコンデンサ１７が並列に接続され、他方のツェナーダイオード１６にイオン電流検出抵抗１８が並列に接続されている。コンデンサ１７とイオン電流検出抵抗１８との間の電位がイオン電流信号としてＥＣＵに出力される。これらツェナーダイオード１５，１６、コンデンサ１７及びイオン電流検出抵抗１８等により、イオン電流検出手段としてのイオン電流検出回路１９が構成されている。

エンジン運転中は、ＥＣＵから出力される点火信号の立ち上がり／立ち下がりでトランジスタ１２がオン／オフする。トランジスタ１２がオンすると、電源（＋Ｂ）から一次コイル１１ａに一次電流が流れ、その後、トランジスタ１２がオフすると、一次コイル１１ａの一次電流が遮断されて二次コイル１１ｂに高電圧が電磁誘導され、この高電圧によって点火プラグ１４の対向電極間に火花放電が発生する。この際、火花放電電流は図のＡ方向に（すなわち、点火プラグ１４の接地電極から中心電極に）流れ、二次コイル１１ｂを経てコンデンサ１７に充電されると共に、ツェナーダイオード１５，１６を経てグランド側に流れる。コンデンサ１７の充電後は、ツェナーダイオード１５のツェナー電圧によって規制されるコンデンサ１７の充電電圧を電源として、後述するようにイオン電流が検出される。

点火終了後は、コンデンサ１７の充電電圧によって点火プラグ１４の対向電極間に電圧が印加されるため、エンジン燃焼室内で混合気が燃焼する際に発生するイオン電流は、火花放電電流とは反対に図のＢ方向に（すなわち、点火プラグ１４の中心電極から接地電極に）流れ、更にグランド側からイオン電流検出抵抗１８を通ってコンデンサ１７に流れる。この際、イオン電流検出抵抗１８に流れるイオン電流の変化に応じてイオン電流信号が変化し、そのイオン電流信号がＥＣＵに取り込まれる。

図示しないＥＣＵでは、その都度のエンジン運転状態に基づいて点火信号が生成される。この点火信号により、前述したようにトランジスタ１２がオン／オフされ、その際火花放電により正常に着火されると、燃焼室内に導入された混合気が燃焼に供される。また、前記イオン電流検出回路１９より出力されるイオン電流信号に基づいて失火判定やノイズ判定が適宜行われるようになっている。

ここで、点火プラグ１４の要部構成を図２の半断面図を用いて説明する。

点火プラグ１４は、金属製のハウジング４１、絶縁碍子４２、電極部材（中心電極４３、接地電極４４）、抵抗体４５及びステム４６等を主要な構成とするものであり、ハウジング４１により絶縁碍子４２の支持及び点火プラグ１４のエンジンへの取り付けが行われ、絶縁碍子４２によりハウジング４１と中心電極４３とが絶縁される構成となっている。なお、ハウジング４１にはその外周にネジ部４１ａが設けられており、このネジ部４１ａにより本点火プラグ１４がエンジンのシリンダヘッド等に装着される。

絶縁碍子４２にはその中心に貫通孔４８が設けられており、その貫通孔４８に中心電極４３、抵抗体４５及びステム４６が収容保持されている。中心電極４３と抵抗体４５との間、抵抗体４５とステム４６との間には導電性ガラスからなるガラスシール層４９ａ，４９ｂがそれぞれ設けられている。中心電極４３は絶縁碍子４２の先端部（図の下端部）より一部突出している。図示を略すが、ステム４６の上端部には端子が接続されている。

絶縁碍子４２は軸線方向に見てその外径が大小異なるように形成されており、ここでは、絶縁碍子４２を上段部４２ａ、中段部４２ｂ及び下段部４２ｃに大別して説明を行うこととする。この場合、中段部４２ｂは微小なクリアランスＣＬにてハウジング４１に対向する部位であり、その上端テーパ部（上段部４２ａとの連結部）及び下端テーパ部（下段部４２ｃとの連結部）にはそれぞれ金属パッキン５１，５２が配設されている。この金属パッキン５１，５２により、ハウジング４１と絶縁碍子４２の中段部４２ｂとの間の空隙部が気密状態で保持される。以下、上側の金属パッキン５１による気密保持部分を上側パッキン部、下側の金属パッキン５２による気密保持部分を下側パッキン部と言う。そして、ハウジング４１の上端部が全周にわたってカシメ変形されることで、ハウジング４１内に絶縁碍子４２が固定されるようになっている。下段部４２ｃは中段部４２ｂよりも細く、先端に近づくほどより細くなるよう構成されている。この下段部４２ｃが脚部に相当する。ハウジング４１の図の下端部には、中心電極４３と所定の放電ギャップを隔てるようにして接地電極４４が溶接固定されている。

次に、イオン電流信号に基づいて実施される失火判定処理の概要を図３のタイムチャートを用いて説明する。図３において、（ａ）は点火信号を、（ｂ）は失火検出区間を、（ｃ）は正常燃焼した時の燃焼時イオン電流信号を、（ｄ）は失火時における失火時イオン電流信号を、それぞれ示す。ここでははじめに、（ｃ）の燃焼時イオン電流信号を用いて正常燃焼時の動作を説明する。

点火信号の立ち上がりに伴う通電開始時には通電ノイズが発生する。その後、点火信号の立ち下がりに伴い点火プラグ１４の対向電極間に高電圧が印加され、点火プラグ１４の対向電極間で火花放電が発生する。

点火プラグ１４の火花放電直後には、点火コイル１１の二次側の浮遊容量に残った電荷がＬＣ共振により振動減衰し、イオン電流信号にＬＣ共振波形の残留磁気ノイズが重畳する。その後、点火プラグ１４の火花放電により着火し火炎が拡散する過程で燃焼室内に燃焼イオンが発生するため、ＬＣ共振後に点火プラグ１４の対向電極間にイオン電流が流れ始める。

失火検出区間では、イオン電流信号が所定のしきい値電圧Ｖｔｈ以上となる信号出力時間Ｔｉが求められると共に、同イオン電流信号が最大となる信号ピーク値Ｉｐが求められる。そして、この信号出力時間Ｔｉと信号ピーク値Ｉｐとに基づいて失火判定が行われる。

これに対し、図３（ｄ）に示す失火時イオン電流信号では、火花放電に伴い残留磁気ノイズが発生した後、それに引き続いてＣＲダレノイズが発生しており、イオン電流信号にＣＲダレノイズ波形が現れる。このＣＲダレノイズは、点火プラグ１４において絶縁碍子４２の中段部４２ｂ（図２参照）の容量成分（Ｃ１）と抵抗成分（Ｒｐ）とに起因して発生するノイズであり、電気的構成からすると、図１に示すように容量Ｃ１と抵抗Ｒｐとが直列接続されることで生じると考えられる。すなわち、絶縁碍子４２の中段部４２ｂでは、ハウジング４１と絶縁碍子４２間のクリアランスＣＬが通常約０．１ｍｍと小さいために、中心電極４３で電圧変動が発生する時、前記クリアランスＣＬにより形成される空気層を通じて容量Ｃ１とグランド（ハウジング）間が一時的に導通状態になる。Ｒｐは導通状態時の空気層の抵抗成分である。放電終了時には、容量Ｃ１の電荷分が抵抗Ｒｐを介して時定数を持って遅れて抜けるため、残留磁気ノイズ発生後に信号ダレが発生する。

図４は、点火プラグ１４の模式回路図である。図４に示すように、絶縁碍子４２はハウジング４１や碍子表面等との間に容量成分を有しており、それは、例えばプラグギャップ部、脚部（下段部４２ｃ）、下側パッキン部、中段部（中段部４２ｂ）、上側パッキン部等の各容量として模式化できる。この場合、中段部４２ｂでは、前述のとおり容量Ｃ１と抵抗Ｒｐとが直列接続された状態となる。

本願発明者らによれば、点火プラグ１４の型式やメーカ毎の設計製造方法差などによりＣＲダレノイズ発生に差異があることが確認されており、本来指定されていない別の型式の点火プラグ１４や規格外れの点火プラグ１４などの異種プラグを使用した場合においてＣＲダレノイズが発生することが分かっている。本実施の形態は、ＣＲダレノイズによる失火の誤判定などを防止する目的でそのノイズ対策を講じる。特に本実施の形態では、点火プラグ１４について以下の技術的改良を加えることとする。

ハウジング４１と絶縁碍子４２の中段部４２ｂとの間のクリアランスＣＬを拡張し、それにより前記抵抗Ｒｐを大きくする。この場合、既存の点火プラグでは、一般に０．１ｍｍ程度であるクリアランスＣＬを平均０．２ｍｍ程度とする。こうしてクリアランスＣＬを拡張することにより、前記抵抗Ｒｐを極端に大きくすることができ、ＣＲダレノイズの低減が可能となる。なお、前記クリアランスＣＬが平均０．２ｍｍ以上であれば同様の効果が得られ、クリアランスＣＬの規定を、ＣＬ≧０．２５ｍｍ、又はＣＬ≧０．３ｍｍとしても良い。

以上のように、本実施の形態の点火プラグ１４によれば、ＣＲダレノイズの発生を抑制することができるため、イオン電流検出に好適に用いることができ、ひいてはイオン電流の検出精度を向上させることができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

ハウジング４１と絶縁碍子４２の中段部４２ｂとの間に形成される空隙部に、固有抵抗が約３００ＭΩ・ｃｍ以下の液状充填材を充填する。これにより、前記抵抗Ｒｐを０にする方向で小さくすることができ、ＣＲダレノイズの低減が可能となる。かかる場合、液状充填材を、空隙部の１／４以上の容積分、望ましくは１／３以上の容積分充填すると良い。なお、その充填量はプラグ仕様や充填材特性により調整されると良い。液状充填材としては、例えば防錆油、潤滑油等を用いる。防錆油を用いることにより前記空隙部における錆防止を図ることもできる。

ハウジング４１と絶縁碍子４２の中段部４２ｂとの間に形成される空隙部に、高絶縁性かつ比誘電率の大きな誘電材料を充填し、それによりＣＲダレノイズの低減を図るようにしても良い。かかる構成における模式回路図を図５に示す。本構成では、前記抵抗Ｒｐ（図４参照）が容量成分に置き換わるため、抵抗成分がなくなり、結果としてＣＲダレノイズの発生を抑制することができる。かかる場合、誘電材料を、空隙部の１／４以上の容積分、望ましくは１／３以上の容積分充填すると良い。なお、その充填量はプラグ仕様や充填材特性により調整されると良い。誘電材料としては、シリコン油、液状のシリコン樹脂、又はコンデンサ電極間に充填される電界材料等を用いる。シリコン油として、寒冷地向け仕様のプラグくすぶり防止用として碍子脚部に塗布しているシリコン油を用いても良い。

絶縁碍子４２のうちハウジング４１から露出した露出部分にガラス釉薬を融着するようにした点火プラグにおいて、ガラス釉薬の融着範囲をハウジング４１から離間させることにより、ＣＲダレノイズの低減を図るようにしても良い。かかる構成における点火プラグ１４を図６に示す。つまり、図６に示すように、絶縁碍子４２の上段部４２ａには、ハウジング４１と接触しない範囲でガラス釉薬Ｙが融着されている。なお周知のとおり、ガラス釉薬Ｙは碍子表面の汚染防止等を目的として融着され、これにより碍子表面に印字された型式等の汚染が抑制される。仮にハウジング４１と絶縁碍子４２の中段部４２ｂとの間（特に上側パッキン部の碍子表面）にガラス釉薬Ｙが融着されていると、その部分で抵抗分を持ちやすくなり、ＣＲダレノイズが発生しやすくなるが、本構成によれば、ＣＲダレノイズの発生を抑制することができる。ガラス釉薬Ｙの管理が楽になるという効果も併せて得られる。

ガラス釉薬Ｙの融着範囲を規制する上記構成は、上述した絶縁碍子４２の中段部外周のクリアランスＣＬを拡張する構成、絶縁碍子４２の中段部外周の空隙部に液状充填材を充填する構成、又は絶縁碍子４２の中段部外周の空隙部に誘電材料を充填する構成の何れかと組合せて実施することも可能である。各構成を組合せることにより、ダレノイズ低減の効果をより高めることができる。

点火プラグの碍子部やハウジングの長さを延長した、いわゆるロングリーチプラグに本発明を適用しても良い。ロングリーチプラグの場合、碍子部や金属ハウジングが長くなることにより、前述したＣＲダレノイズ等の問題がより顕著になると考えられるが、かかる場合であっても前記同様優れた効果を得ることができる。

発明の実施の形態における点火制御システムの概略を示す構成図である。 点火プラグの構成を示す半断面図である。 点火時におけるイオン電流信号の波形図である。 点火プラグの模式回路図である。 点火プラグの模式回路図である。 点火プラグの構成を示す半断面図である。

符号の説明

１１…点火コイル、１４…点火プラグ、１９…イオン電流検出回路、４１…ハウジング、４２…絶縁碍子、４３…中心電極、４４…接地電極、４８…貫通孔、５１，５２…金属パッキン、Ｙ…ガラス釉薬。

Claims (6)

1. 金属製のハウジングと、
   該ハウジング内に所定のクリアランスを隔てて収容された中空状の絶縁碍子と、
   該絶縁碍子の貫通孔に収容保持された中心電極と、
   該中心電極と所定の放電ギャップを隔てるようにして前記ハウジングに固定された接地電極と、を有し、
   前記ハウジングと前記絶縁碍子間のクリアランスを平均０．２ｍｍ以上としたことを特徴とする内燃機関用点火プラグ。
2. 金属製のハウジングと、
   該ハウジング内に収容された中空状の絶縁碍子と、
   該絶縁碍子の貫通孔に収容保持された中心電極と、
   該中心電極と所定の放電ギャップを隔てるようにして前記ハウジングに固定された接地電極と、を有し、
   前記ハウジングと前記絶縁碍子間に形成される空隙部を少なくとも２カ所の気密保持部により気密状態で保持すると共に、当該空隙部に固有抵抗が３００ＭΩ・ｃｍ以下の液状充填材を充填したことを特徴とする内燃機関用点火プラグ。
3. 前記液状充填材を、前記空隙部の１／４以上の容積分充填した請求項２記載の内燃機関用点火プラグ。
4. 金属製のハウジングと、
   該ハウジング内に収容された中空状の絶縁碍子と、
   該絶縁碍子の貫通孔に収容保持された中心電極と、
   該中心電極と所定の放電ギャップを隔てるようにして前記ハウジングに固定された接地電極と、を有し、
   前記ハウジングと前記絶縁碍子間に形成される空隙部を少なくとも２カ所の気密保持部により気密状態で保持すると共に、当該空隙部に、高絶縁性かつ比誘電率の大きな誘電材料を充填したことを特徴とする内燃機関用点火プラグ。
5. 前記誘電材料を、前記空隙部の１／４以上の容積分充填した請求項４記載の内燃機関用点火プラグ。
6. 金属製のハウジングと、
   該ハウジング内に収容された中空状の絶縁碍子と、
   該絶縁碍子の貫通孔に収容保持された中心電極と、
   該中心電極と所定の放電ギャップを隔てるようにして前記ハウジングに固定された接地電極と、を有し、前記絶縁碍子のうち前記ハウジングから露出した露出部分にガラス釉薬を融着した内燃機関用点火プラグにおいて、
   前記ガラス釉薬の融着範囲を前記ハウジングから離間させたことを特徴とする内燃機関用点火プラグ。
   
   

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