JP2007303285A - イオン電流検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼時に発生するイオンや電子を点火プラグの電極で捕集して検出するイオン電流検出装置において、イオン電流の検出レベルを安定して向上させる。
【解決手段】点火プラグ１０を燃焼室２５の中心から偏心した位置に取り付けると共に、点火プラグ１０における接地電極１５の位置が中心電極１１よりも燃焼室２５の中心から離れた位置（中心電極１１側から見て接地電極１５が燃焼室２５の中心側とは反対側の位置）となるように該点火プラグ１０の取付方向を所定方向に規制する。これにより、中心電極１１側から見て接地電極１５の裏側の領域が燃焼室２５の内壁面付近の電子（燃焼イオン）の発生が少ない領域となるため、接地電極１５の遮蔽効果によって中心電極１１に捕集できない電子が少なくなり、接地電極１５の遮蔽効果によるイオン電流の検出レベルの低下を少なくすることができて、安定したイオン電流の検出が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内の混合気が燃焼する際に発生するイオンや電子を点火プラグの電極を用いて検出するイオン電流検出装置に関する発明である。

近年、内燃機関の燃焼状態を検出するために、例えば特許文献１（特許第３１００４２６号公報）に示すように、点火プラグの火花放電直後（又は直前）に中心電極と接地電極との間に電圧を印加して両電極間に流れるイオン電流を検出し、そのイオン電流信号に基づいて失火、ノッキング、プレイグニッション等を検出する技術が開発されている。この場合、イオン電流の検出レベルが低いと、イオン電流とノイズとの判別が困難になって、燃焼状態の判定精度が悪くなるため、特許文献１では、中心電極の露出部（碍子から突出する部分）の表面積を２５ｍｍ² 以上に設定することで、イオン電流の検出レベルを高めるようにしている。
特許第３１００４２６号公報（第１頁〜第２頁等）

ところで、イオン検出時には、点火プラグの中心電極と接地電極との間に電圧を印加することで燃焼室内にイオン検出電界を生じさせ、このイオン検出電界が加わる領域内で発生したイオンを検出するようにしている。このとき、プラス電圧が印加される中心電極には、イオン検出電界が加わる領域内で燃焼ガスのイオン化により発生した電子（ｅ^- ）が捕集されるため、中心電極の露出部の表面積が大きくなるほど、イオン電流の検出レベルが高くなる。

しかし、最近の本発明者らの研究結果によれば、中心電極の露出部の表面積を大きくしても、点火プラグの接地電極の向きによってはイオン電流の検出レベルが低下する場合があることが判明した。図３に示すように、従来の一般的な点火プラグ３０の構成は、１本の接地電極３２の先端部が中心電極３１に対してその延長方向に所定のギャップを持って対向するように構成されているが、中心電極３１側から見て接地電極３２の裏側の領域はイオン検出電界が遮蔽されるため、混合気の燃焼時に接地電極３２の裏側の領域で発生した電子が中心電極３１に捕集されにくくなり、接地電極３２で遮蔽されない領域で発生した電子のみが中心電極３１に捕集されるようになる。

従来の点火プラグの取付方法では、中心電極３１側から見て接地電極３２の位置がどの方向になるか不明であるため、燃焼室３３内（図４参照）で電子の発生が多い領域と中心電極３１との間に接地電極３２が位置する場合がある。一般に、燃焼室３３の中心側で電子の発生が多くなるが、例えば、点火プラグ３０が燃焼室３３の中心から偏心した位置に取り付けられている場合は、電子の発生が多い領域（燃焼室３３中心側の領域）と中心電極３１との間に接地電極３２が位置する場合がある。この場合は、中心電極３１側から見て接地電極３２の裏側に燃焼室３３の中心側の領域が位置するため、燃焼室３３の中心側の領域で発生した電子が中心電極３１に捕集されにくくなってしまい、イオン電流の検出レベルが低下してしまうという問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、イオン電流の検出レベルを安定して向上させることができるイオン電流検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、点火プラグを内燃機関のシリンダヘッドのうちの燃焼室の中心から偏心した位置に取り付け、前記点火プラグの中心電極と接地電極との間に所定電圧を印加して燃焼室内の混合気の燃焼時に発生するイオンや電子を該電極で捕集して検出するイオン電流検出装置において、前記点火プラグにおける前記接地電極の位置が前記中心電極よりも前記燃焼室の中心から離れた位置（中心電極側から見て接地電極が燃焼室の中心側とは反対側の位置）となるように該点火プラグの取付方向が所定方向に規制されていることを特徴とするものである。

このように、点火プラグの取付方向を規制すれば、点火プラグにおける接地電極の位置が常に中心電極よりも燃焼室の中心から離れた位置となるように点火プラグをシリンダヘッドに取り付けることが可能となる。これにより、中心電極側から見て接地電極の裏側の領域が燃焼室の内壁面付近の電子（燃焼イオン）の発生が少ない領域となるため、接地電極の遮蔽効果によって中心電極に捕集できない電子が少なくなり、接地電極の遮蔽効果によるイオン電流の検出レベルの低下を少なくすることができて、安定したイオン電流の検出が可能となる。

一般に、点火プラグは、接地電極が溶接された金属ハウジングの外周面に形成された雄ねじ部を内燃機関のシリンダヘッドのプラグ取付穴に形成された雌ねじ部に締め込むことで該シリンダヘッドに取り付けられるようになっている。

この点を考慮して、請求項２のように、点火プラグにおける接地電極の溶接位置と雄ねじ部のねじ切り開始位置及びシリンダヘッドにおけるプラグ取付穴の雌ねじ部のねじ切り開始位置を、該点火プラグの取付完了時の状態において接地電極の位置が中心電極よりも燃焼室の中心から離れた位置となるように設定するようにすれば良い。ここで、「点火プラグの取付完了時の状態」とは、点火プラグの雄ねじ部をプラグ取付穴の雌ねじ部に適正な締め付けトルクで最後まで締め付けた状態のことを意味する。このようにすれば、接地電極の溶接位置や雄ねじ部・雌ねじ部のねじ切り開始位置を特定の位置に設定するだけで、点火プラグの取付工程において、常に接地電極の位置が中心電極よりも燃焼室の中心から離れた位置となるように点火プラグを取り付けることが可能となり、ほとんどコストアップすることなく、上記実施例１に係る発明を極めて簡単に実施することができる。

また、請求項３のように、筒内噴射式の内燃機関においては、点火プラグにおける接地電極の位置が中心電極の位置から見て燃焼室内の成層混合気の流動領域の中心側とは反対側の位置となるように該点火プラグの取付方向を規制するようにすれば良い。要するに、筒内噴射式の内燃機関では、燃焼室内の成層混合気の流動領域で電子（燃焼イオン）の発生が多くなるため、接地電極の位置が中心電極の位置から見て燃焼室内の成層混合気の流動領域の中心側とは反対側の位置となるように該点火プラグの取付方向を規制すれば、中心電極側から見て接地電極の裏側の領域が電子（燃焼イオン）の発生が少ない領域となるため、接地電極の遮蔽効果によるイオン電流の検出レベルの低下が少なくなり、イオン電流の検出レベルを安定して向上させることができる。

この場合も、前記請求項２と同様に、点火プラグにおける接地電極の溶接位置と雄ねじ部のねじ切り開始位置及びシリンダヘッドにおけるプラグ取付穴の雌ねじ部のねじ切り開始位置を、該点火プラグの取付完了時の状態において接地電極の位置が中心電極の位置から見て燃焼室内の成層混合気の流動領域の中心側とは反対側の位置となるように設定するようにすれば良い。

また、吸気ポート噴射式、筒内噴射式のいずれの方式の内燃機関においても、請求項４のように、接地電極の先端部の形状を先細形状に形成することで、該接地電極の周辺領域から中心電極への電子の移動が該接地電極により遮られる領域を減らすようにしても良い。このようにすれば、中心電極で電子を捕集できる領域（中心電極側から見て接地電極で遮蔽されない領域）を拡大することができ、イオン電流の検出レベルを安定して向上させることができる。

また、請求項５のように、点火プラグの金属ハウジングに、接地電極の他に、くすぶり時に中心電極から沿面放電させる補助電極を設けた構成のものにおいては、補助電極の先端部の形状を先細形状に形成することで、該補助電極の周辺領域から中心電極への電子の移動が該補助電極により遮られる領域を減らすようにしても良い。このようにすれば、補助電極付きの点火プラグを取り付けた内燃機関でも、中心電極で電子を捕集できる領域（中心電極側から見て補助電極で遮蔽されない領域）を拡大することができ、イオン電流の検出レベルを安定して向上させることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体化した幾つかの実施例を説明する。

本発明を２バルブ式の内燃機関に適用した実施例１を図１乃至図４に基づいて説明する。まず、図２に基づいて点火プラグ１０の構成とその取付構造を説明する。

点火プラグ１０は、中心電極１１と金属ハウジング１２との間が碍子部１３で絶縁され、金属ハウジング１２の外周面に雄ねじ部１４が形成されている。金属ハウジング１２の下端には、略Ｌ字形の接地電極１５が溶接されている。この接地電極１５の先端部と中心電極１１の先端部には、それぞれ細径化されたＰｔ，Ｉｒ等の貴金属チップ１６，１７が溶接され、接地電極１５の先端部（貴金属チップ１６）が中心電極１１の先端部（貴金属チップ１７）に対して点火プラグ１０の径方向から所定のギャップを持って対向するように構成されている。

内燃機関のシリンダヘッド１８には、各気筒毎にプラグ取付穴１９が形成され、各プラグ取付穴１９の底部に雌ねじ部２０が形成されている。そして、このプラグ取付穴１９内に点火プラグ１０を挿入して、この点火プラグ１０の雄ねじ部１４をプラグ取付穴１９の雌ねじ部２０に締め込むことで、点火プラグ１０がシリンダヘッド１８に取り付けられている。点火プラグ１０の取付完了時の状態において、金属ハウジング１２の雄ねじ部１４の上側の径大部２１とプラグ取付穴１９の底部との間に金属製のパッキン２２が挟み込まれて固定された状態となっている。

図１に示すように、２バルブ式の内燃機関の燃焼室２５の上部には、点火プラグ１０の他に、比較的大きな吸気バルブ２３と排気バルブ２４が接近して設けられているため、吸気バルブ２３と排気バルブ２４との間には点火プラグ１０を設けるスペースの余裕が無い。このため、点火プラグ１０は、シリンダヘッド１８のうちの燃焼室２５の中心から偏心した位置に取り付けられている。

この点火プラグ１０の取付構造において、点火プラグ１０における接地電極１５の位置が中心電極１１よりも燃焼室２５の中心から離れた位置（中心電極１１側から見て接地電極１５が燃焼室２５の中心側とは反対側の位置）となるように該点火プラグ１０の取付方向が所定方向に規制されている。

この構成を実現するために、本実施例１では、点火プラグ１０における接地電極１５の溶接位置と雄ねじ部１４のねじ切り開始位置及びシリンダヘッド１８におけるプラグ取付穴１９の雌ねじ部２０のねじ切り開始位置を、該点火プラグ１０の取付完了時の状態において接地電極１５の位置が中心電極１１よりも燃焼室２５の中心から離れた位置となるように設定している。ここで、「点火プラグ１０の取付完了時の状態」とは、点火プラグ１０の雄ねじ部１４をプラグ取付穴１９の雌ねじ部２０に適正な締め付けトルクで最後まで締め付けた状態のことを意味する。

内燃機関の運転中は、点火プラグ１０の火花放電直後（又は直前）に中心電極１１と接地電極１５との間に電圧を印加して両電極１１，１５間に流れるイオン電流を検出し、そのイオン電流信号に基づいて失火、ノッキング、プレイグニッション等を検出する。このとき、プラス電圧が印加される中心電極１１には、イオン検出電界が加わる領域内で燃焼ガスのイオン化により発生した電子（ｅ^- ）が捕集される。

以上説明した本実施例１によれば、点火プラグ１０における接地電極１５の位置が中心電極１１よりも燃焼室２５の中心から離れた位置（中心電極１１側から見て接地電極１５が燃焼室２５の中心側とは反対側の位置）となるように該点火プラグ１０の取付方向を所定方向に規制するようにしたので、中心電極１１側から見て接地電極１５の裏側の領域が燃焼室２５の内壁面付近の電子（燃焼イオン）の発生が少ない領域となる。これにより、接地電極１５の遮蔽効果によって中心電極１１に捕集できない電子が少なくなり、接地電極１５の遮蔽効果によるイオン電流の検出レベルの低下を少なくすることができて、安定したイオン電流の検出が可能となる。

しかも、本実施例１では、点火プラグ１０における接地電極１５の溶接位置と雄ねじ部１４のねじ切り開始位置及びシリンダヘッド１８におけるプラグ取付穴１９の雌ねじ部２０のねじ切り開始位置を、該点火プラグ１０の取付完了時の状態において接地電極１５の位置が中心電極１１よりも燃焼室２５の中心から離れた位置となるように設定しているため、接地電極１５の溶接位置や雄ねじ部１４と雌ねじ部２０のねじ切り開始位置を特定の位置に設定するだけで、点火プラグ１０の取付工程において、常に接地電極１５の位置が中心電極１１よりも燃焼室２５の中心から離れた位置となるように点火プラグ１０を取り付けることが可能となり、ほとんどコストアップすることなく、本発明を極めて簡単に実施することができる。

ところで、図３に示すように、従来の点火プラグ３０は、接地電極３２の先端部が中心電極３１に対してその延長方向に対向するように構成されているため、中心電極３１の延長方向のイオン検出電界が接地電極３２によって遮蔽されてしまう。このため、中心電極３１の延長方向の領域で発生した電子が中心電極３１に捕集されにくくなり、点火時期遅角時等の燃焼安定性低下時におけるイオン電流の検出レベルの低下度合が大きくなるという欠点がある。

これに対して、本実施例１では、接地電極１５の先端部（貴金属チップ１６）が中心電極１１の先端部（貴金属チップ１７）に対して点火プラグ１０の径方向から対向するように構成されているため、中心電極１１の延長方向には接地電極１５が存在しない構成となっている。これにより、イオン検出電界を中心電極１１の延長方向に拡大することができて、中心電極１１の延長方向の領域で発生した電子も中心電極１１に捕集することができ、点火時期遅角時等の燃焼安定性低下時におけるイオン電流の検出レベルの低下度合を少なくすることができる。

但し、本発明は、図３に示すように、接地電極３２の先端部が中心電極３１に対してその延長方向に対向するように構成された点火プラグ３０を用いても良い。

また、本実施例１では、接地電極１５の先端部に、細径化された貴金属チップ１６を設けるようにしたので、接地電極１５の先端部の形状が先細形状となっている。これにより、接地電極１５の周辺領域から中心電極１１への電子の移動が該接地電極１５により遮られる領域を減らすことができて、中心電極１１で電子を捕集できる領域（中心電極１１側から見て接地電極１５で遮蔽されない領域）を拡大することができ、イオン電流の検出レベルを安定して向上させることができる。

但し、本発明は、接地電極１５の先端部に、細径化された貴金属チップ１６を設けない構成としても良い。

以上説明した本実施例１は、吸気ポート噴射式、筒内噴射式のいずれの方式の内燃機関においても実施することができ、また、燃焼室２５の偏心位置に点火プラグ１０を２本以上設けた構成に適用して実施しても良い。

図５に示す本発明の実施例２は、筒内噴射式の内燃機関４０に限定した実施例である。筒内噴射式の内燃機関４０は、圧縮行程でピストン４２が上昇してきたところで燃料噴射弁（図示せず）から燃焼室４１内に燃料を噴射して成層燃焼させる成層燃焼運転を行う場合は、図５に矢印で示すように、燃焼室４１内に斜め下向きに噴射された燃料の噴霧の流れがピストン４２の上面部のキャビティ４３に沿ってＵターンするように流れ、点火プラグ１０の付近に成層混合気が形成される。

本実施例２では、点火プラグ１０における接地電極１５の位置が、中心電極１１の位置から見て燃焼室４１内の成層混合気の流動領域の中心側とは反対側の位置となるように該点火プラグ１０の取付方向が規制されている。この場合も、前記実施例１と同様に、点火プラグ１０における接地電極１５の溶接位置と雄ねじ部のねじ切り開始位置及びシリンダヘッド４４におけるプラグ取付穴の雌ねじ部のねじ切り開始位置を、該点火プラグ１０の取付完了時の状態において接地電極１５の位置が中心電極１１の位置から見て燃焼室４１内の成層混合気の流動領域の中心側とは反対側の位置となるように設定するようにすれば良い。また、点火プラグ１０は、前記実施例１で説明した図２の構成のものを使用しても良いし、図３の構成のものを使用しても良い。

筒内噴射式の内燃機関４０では、燃焼室４１内の成層混合気の流動領域で電子（燃焼イオン）の発生が多くなるため、本実施例２のように、接地電極１５の位置が中心電極１１の位置から見て燃焼室４１内の成層混合気の流動領域の中心側とは反対側の位置となるように該点火プラグ１０の取付方向を規制すれば、中心電極１１側から見て接地電極１５の裏側の領域が電子（燃焼イオン）の発生が少ない領域となるため、接地電極１５の遮蔽効果によるイオン電流の検出レベルの低下が少なくなり、イオン電流の検出レベルを安定して向上させることができる。

この場合も、接地電極１５の先端部（貴金属チップ１６）が中心電極１１の先端部（貴金属チップ１７）に対してその径方向から対向する点火プラグ１０を用いれば、中心電極１１の延長方向のイオン検出電界が接地電極１５で遮蔽されないため、中心電極１１の延長方向の領域で発生した電子も中心電極１１に捕集することができ、イオン電流の検出レベルを高めることができる。

図６及び図７に示す本発明の実施例３は、吸気ポート噴射式、筒内噴射式のいずれの方式の内燃機関においても実施することができる。

本実施例３で使用する点火プラグ５０は、金属ハウジング５１に、接地電極５２の他に、くすぶり時に中心電極５３から沿面放電させる略Ｌ字形の補助電極５４を例えば２本設けた構成となっている。この構成では、中心電極５３の外周囲を絶縁する碍子部５８の表面に付着したカーボンが多くなると、中心電極５３から碍子部５８の表面のカーボンを介して補助電極５４に向かって沿面放電が発生して、碍子部５８の表面のカーボンが焼け切られる。

この場合も、接地電極５２の先端部と中心電極５３の先端部には、それぞれ細径化されたＰｔ，Ｉｒ等の貴金属チップ５５，５６が溶接され、接地電極５２の先端部（貴金属チップ５５）が中心電極５３の先端部（貴金属チップ５６）に対して点火プラグ５０の径方向から所定のギャップを持って対向するように構成されている。

更に、本実施例３では、各補助電極５４の先端部の形状を先細形状に形成すると共に、接地電極５２の先端部の形状も先細形状に形成している。

尚、本実施例３では、点火プラグ５０の取付方向は、前記実施例１，２のように規制する必要はないが、前記実施例１，２と組み合わせて実施しても良い。

以上説明した本実施例３では、接地電極５２の先端部の形状を先細形状に形成することで、該接地電極５２の周辺領域から中心電極５３への電子の移動が該接地電極５３により遮られる領域を減らすようにしているので、中心電極５３で電子を捕集できる領域（中心電極５３側から見て接地電極５２で遮蔽されない領域）を拡大することができる。

しかも、本実施例３では、補助電極５４の先端部の形状を先細形状に形成することで、該補助電極５４の周辺領域から中心電極５３への電子の移動が該補助電極５４により遮られる領域を減らすようにしているので、補助電極５４付きの点火プラグ５０を取り付けた内燃機関でも、中心電極５３で電子を捕集できる領域（中心電極５３側から見て補助電極５４で遮蔽されない領域）を拡大することができ、イオン電流の検出レベルを安定して向上させることができる。

尚、本発明は、接地電極５２と補助電極５４のいずれか一方のみを先端部の形状が先細形状となるように形成しても良い。また、補助電極５４の本数も２本に限定されず、これを１本のみ又は３本以上としても良い。

本発明の実施例１における点火プラグの取付方向を説明する燃焼室の平面図である。 本発明の実施例１における点火プラグの取付構造を示す縦断面図である。 （ａ）は一般的な点火プラグの発火部の構成を説明する側面図、（ｂ）は同部分の下面図である。 従来例における点火プラグの取付方向を説明する燃焼室の平面図である。 本発明の実施例２における燃焼室とその周辺部分の縦断面図である。 本発明の実施例３における点火プラグの発火部の構成を説明する側面図である。 本発明の実施例３における点火プラグの発火部の構成を説明する下面図である。

符号の説明

１０…点火プラグ、１１…中心電極、１２…金属ハウジング、１３…碍子部、１４…雄ねじ部、１５…接地電極、１６，１７…貴金属チップ、１８…シリンダヘッド、１９…プラグ取付穴、２０…雌ねじ部、２３…吸気バルブ、２４…排気バルブ、２５…燃焼室、４０…筒内噴射式の内燃機関、４１…燃焼室、４２…ピストン、４３…キャビティ、５０…点火プラグ、５１…金属ハウジング、５２…接地電極、５３…中心電極、５４…補助電極、５５，５６…貴金属チップ、５８…碍子部

Claims (5)

1. 点火プラグを内燃機関のシリンダヘッドのうちの燃焼室の中心から偏心した位置に取り付け、前記点火プラグの中心電極と接地電極との間に所定電圧を印加して燃焼室内の混合気の燃焼時に発生するイオンや電子を該電極で捕集して検出するイオン電流検出装置において、
   前記点火プラグにおける前記接地電極の位置が前記中心電極よりも前記燃焼室の中心から離れた位置となるように該点火プラグの取付方向が所定方向に規制されていることを特徴とするイオン電流検出装置。
2. 前記点火プラグは、前記接地電極が溶接された金属ハウジングの外周面に形成された雄ねじ部を前記内燃機関のシリンダヘッドのプラグ取付穴に形成された雌ねじ部に締め込むことで該シリンダヘッドに取り付けられ、
   前記点火プラグにおける前記接地電極の溶接位置と前記雄ねじ部のねじ切り開始位置及び前記プラグ取付穴の雌ねじ部のねじ切り開始位置は、該点火プラグの取付完了時の状態において前記接地電極の位置が前記中心電極よりも前記燃焼室の中心から離れた位置となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のイオン電流検出装置。
3. 点火プラグを筒内噴射式の内燃機関のシリンダヘッドに取り付け、前記点火プラグの中心電極と接地電極との間に所定電圧を印加して燃焼室内の混合気の燃焼時に発生するイオンや電子を該電極で捕集して検出するイオン電流検出装置において、
   前記点火プラグにおける前記接地電極の位置が前記中心電極の位置から見て前記燃焼室内の成層混合気の流動領域の中心側とは反対側の位置となるように該点火プラグの取付方向が規制されていることを特徴とするイオン電流検出装置。
4. 点火プラグを内燃機関のシリンダヘッドに取り付け、前記点火プラグの中心電極と接地電極との間に所定電圧を印加して燃焼室内の混合気の燃焼時に発生するイオンや電子を該電極で捕集して検出するイオン電流検出装置において、
   前記接地電極の先端部の形状を先細形状に形成することで、該接地電極の周辺領域から前記中心電極への電子の移動が該接地電極により遮られる領域を減らすことを特徴とするイオン電流検出装置。
5. 点火プラグを内燃機関のシリンダヘッドに取り付け、前記点火プラグの中心電極と接地電極との間に所定電圧を印加して燃焼室内の混合気の燃焼時に発生するイオンや電子を該電極で捕集して検出するイオン電流検出装置において、
   前記点火プラグの金属ハウジングには、前記接地電極の他に、くすぶり時に前記中心電極から沿面放電させる補助電極が設けられ、
   前記補助電極の先端部の形状を先細形状に形成することで、該補助電極の周辺領域から前記中心電極への電子の移動が該補助電極により遮られる領域を減らすことを特徴とするイオン電流検出装置。

Images