JP2005129399A - 内燃機関用点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】吸気行程におけるスパイクノイズの発生を抑制し、ひいては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のうち内燃機関の燃焼室に露出する脚部（下段部４２ｃ）には、脚部表面に抵抗被膜６１が融着され、その抵抗被膜６１の端部がハウジング４１に電気的に導通されている。この抵抗被膜６１により、脚部における絶縁碍子４２の帯電量を低下させることができる。
【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。

上記特許文献１は、金属ハウジングの上端部（反電極側の端部）における局部的なコロナ放電を抑制し、それによりスパイクノイズの低減を図るものであるが、本願発明者らによれば、絶縁碍子のうち燃焼室に露出している脚部においてもスパイクノイズが発生することが確認されている。つまり、点火プラグの碍子脚部の表面に電荷が帯電している状態では、燃焼イオン消滅後の吸気行程において燃焼室に混合気が吸入された時に帯電状態が不安定になり、それに伴いスパイクノイズが発生する。この吸気行程で発生するスパイクノイズについては十分な対策が講じられていないという問題があった。
特開平１１−２１９７７２号号公報

本発明は、吸気行程におけるスパイクノイズの発生を抑制し、ひいては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。

請求項１に記載の発明では、絶縁碍子のうち内燃機関の燃焼室に露出する脚部には、脚部表面に抵抗被膜又は導電性被膜（導電ペースト等）を融着させ、その抵抗被膜又は導電性被膜の端部を前記ハウジングに電気的に導通させたため、脚部における絶縁碍子の帯電量を低下させることができる。従って、燃焼イオン消滅後の吸気行程において絶縁碍子の脚部表面に新たに燃料が付着しても、それに伴うスパイクノイズ（吸気行程スパイクノイズ）の発生が抑制できる。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ようになる。

上記請求項１の発明では請求項２に記載したように、絶縁碍子の脚部表面には、脚部付け根部分から１／４以上の範囲にわたって抵抗被膜又は導電性被膜を融着させると良い。望ましくは、脚部の付け根部分から１／３以上の範囲にわたって抵抗被膜又は導電性被膜を融着させると良い。例えば抵抗被膜の抵抗値は１０ＭΩ以下とする。

請求項３に記載の発明では、絶縁碍子のうち内燃機関の燃焼室に露出する脚部の周囲には、少なくとも一部がハウジングに接触した状態で高絶縁性且つ比誘電率の大きな誘電材料を塗布又は充填したため、脚部における絶縁碍子の帯電量を低下させることができる。従って、燃焼イオン消滅後の吸気行程において絶縁碍子の脚部表面に新たに燃料が付着しても、それに伴うスパイクノイズ（吸気行程スパイクノイズ）の発生が抑制できる。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ようになる。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３の発明では請求項４に記載したように、絶縁碍子の脚部とそれを囲むハウジングとの間には、その該当領域の１／４以上の容積分前記誘電材料を塗布又は充填すると良い。望ましくは、該当領域の１／３以上の容積分前記誘電材料を塗布又は充填すると良い。

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、イオン電流信号の詳細を図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）はイオン電流信号により失火の有無を検出する失火検出区間を、（ｃ）はイオン電流信号に含まれるプラグ漏れ電流を検出する漏れ電流検出区間を、（ｄ）は燃焼時イオン電流信号を、それぞれ示す。なお以下の説明では便宜上、圧縮ＴＤＣ（上死点）を基準として、排気ＴＤＣをＡＴＤＣ３６０°ＣＡとして記載する。

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、イオン電流信号が最大となる信号ピーク値Ｉｐが求められ、この信号ピーク値Ｉｐに基づいて失火判定が行われる。

ここで、燃焼イオンが発生する燃焼行程では、燃焼室内の圧力変化により、点火プラグ１４の碍子表面に帯電した電荷の帯電状態が不安定になり、当該電荷がグランド側にリークする。それに伴い単発的にスパイクノイズが発生する（図のＮ１）。また、燃焼行程後の排気・吸気行程では、燃料付着や付着状態の変化により、点火プラグ１４の碍子表面（特に燃焼室に露出した脚部表面）に帯電した電荷の帯電状態が不安定になり、当該電荷がグランド側にリークする。それに伴い単発的にスパイクノイズが発生する（図のＮ２）。上記２つのスパイクノイズを区別するため、特に後者を吸気行程スパイクノイズとも言う。

また、燃焼イオン消滅後に漏れ電流検出区間が設定されており、同検出区間において、プラグ漏れ電流が検出される。つまり、点火プラグ１４のくすぶり時には、くすぶりの発生により点火プラグ１４の対向電極間の絶縁抵抗値が低下し、漏れ電流が流れる（但し図示は略す）。この漏れ電流は失火誤検出の原因となるため、漏れ電流検出区間では漏れ電流値が検出されるようになっている。

図４は、点火プラグ１４の模式回路図である。図４（ａ）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、下側パッキン部において、点火放電時にはコロナ放電が生じ、それにより該下側パッキン部が帯電状態となる。

そして、図４（ｂ）に示すように、前記帯電状態において、吸気行程で燃焼室内に吸入された燃料が碍子脚部に付着するか、又は燃料の付着状態が変化すると、碍子脚部の帯電電荷が不安定となってグランドにリークする。それに伴いノイズ電流ｉが流れる。本実施の形態では、吸気行程でのスパイクノイズの発生を抑制することを目的として、点火プラグ１４についてノイズ対策を講じることとする。

具体的には、図５に示すように、金属パッキン５２を含む下側パッキン部周辺において絶縁碍子４２の表面に抵抗被膜６１を融着させる。抵抗被膜６１の一部は金属パッキン５２を介してハウジング４１に電気的に導通されている。この場合、絶縁碍子４２の脚部表面（下段部４２ｃ表面）には、脚部付け根部分から１／４以上の範囲（望ましくは１／３以上の範囲）にわたって抵抗被膜６１が融着されている。抵抗被膜６１としては、例えば銀ペーストを用いる。抵抗被膜６１の抵抗値は１０ＭΩ以下であると良い。

図６は、図５のプラグ構成に対応する模式回路図である。図６では、碍子脚部と下側パッキン部とが抵抗Ｒを介して導通されるため、脚部における絶縁碍子４２の帯電量を低下させることができる。従って、燃焼イオン消滅後の吸気行程において絶縁碍子４２の脚部表面に新たに燃料が付着しても、それに伴う吸気行程スパイクノイズの発生が抑制できる。

以上のように、本実施の形態の点火プラグ１４によれば、吸気行程スパイク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。

吸気行程スパイクノイズの発生時期は漏れ電流検出区間と重なるが、上記のとおり吸気行程スパイクノイズの発生が抑制できるため、漏れ電流の検出も精度良く実施できる。故に、点火プラグ１４のくすぶり判定や失火判定の精度も向上する。

点火プラグ１４においては、絶縁碍子４２の中段部４２ｂの容量成分と、中段部４２ｂ周囲のハウジング４１との間の空隙部が有する抵抗成分（導通時の空気層を介しての抵抗成分）とによりＣＲダレノイズが生じるが、上記のとおり絶縁碍子４２の脚部表面（下段部４２ｃ表面）に抵抗被膜６１を融着させたことにより、ＣＲダレノイズの発生を抑制することもできる。

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。

上記実施の形態では、絶縁碍子４２の脚部表面（下段部４２ｃ表面）に銀ペースト等の抵抗被膜６１を融着させることでスパイクノイズ低減を図る構成としたが、抵抗被膜に代えて、ルテニウム酸化物（ＲｕＯ2）等の導電性被膜を融着させる構成としても良い。

絶縁碍子４２の脚部周囲（下段部４２ｃ周囲）に、少なくとも一部がハウジング４１に接触した状態で高絶縁性且つ比誘電率の大きな誘電材料を塗布又は充填し、それにより吸気行程スパイクノイズの低減を図るようにしても良い。かかる構成の点火プラグを図７に、模式回路図を図８に示す。図７に示すように、金属パッキン５２に接触するようにして脚部付け根部の周囲（脚部とハウジング４１とに挟まれた空間の奥部）に、高絶縁性且つ比誘電率の大きな誘電材料よりなる充填層６２が設けられている。この場合、脚部とハウジング４１とに挟まれた空間の１／４以上の容積分（望ましくは１／３以上の容積分）充填層６２が設けられると良い。図８では、碍子脚部と下側パッキン部とが容量Ｃを介して導通されるため、脚部における絶縁碍子４２の帯電量を低下させることができる。従って、燃焼イオン消滅後の吸気行程において絶縁碍子４２の脚部表面に新たに燃料が付着しても、それに伴う吸気行程スパイクノイズの発生が抑制できる。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。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。

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。 点火プラグの要部構成を示す半断面図である。 点火プラグの模式回路図である。 点火プラグの要部構成を示す半断面図である。 点火プラグの模式回路図である。

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、４２ｃ…下段部（脚部）、４３…中心電極、４４…接地電極、４８…貫通孔、５１，５２…金属パッキン、６１…抵抗被膜、６２…充填層。

Claims (4)

1. 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内燃機関の燃焼室に露出する脚部には、脚部表面に抵抗被膜又は導電性被膜を融着させ、その抵抗被膜又は導電性被膜の端部を前記ハウジングに電気的に導通させたことを特徴とする内燃機関用点火プラグ。
2. 前記絶縁碍子の脚部表面には、脚部付け根部分から１／４以上の範囲にわたって抵抗被膜又は導電性被膜を融着させた請求項１記載の内燃機関用点火プラグ。
3. 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内燃機関の燃焼室に露出する脚部の周囲には、少なくとも一部が前記ハウジングに接触した状態で高絶縁性且つ比誘電率の大きな誘電材料を塗布又は充填したことを特徴とする内燃機関用点火プラグ。
4. 前記絶縁碍子の脚部とそれを囲む前記ハウジングとの間には、その該当領域の１／４以上の容積分前記誘電材料を塗布又は充填した請求項３記載の内燃機関用点火プラグ。
   
   

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