JP2009180157A - 点火プラグのギャップ長推定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の体積消耗量の増大に対して階段状に増大するギャップ長さを、エンジンの運転状態に応じて精度良く推定して、点火プラグの無駄な交換を回避する。
【解決手段】エンジンの回転速度と負荷に基づいて、各放電電圧毎及び各電極温度毎の放電回数を積算し、各積算値から放電電圧と電極温度に起因するそれぞれの電極消耗体積を算出し、両消耗体積を加算して全消耗体積を算出する（Ｓ１〜Ｓ１０）。算出した全消耗体積を、消耗体積の増加に応じて階段状に増加するギャップ長さに変換し、得られたギャップ長が閾値に到達したら、警告灯を点灯して、ドライバに知らせる（Ｓ１１〜Ｓ１４）。
【選択図】図３

Description

本発明は、点火プラグの中心電極と接地電極との間のギャップ長さを推定する点火プラグのギャップ長推定装置に関し、特に、エンジンの運転状態に応じてギャップ長を推定する技術に関する。

車両用エンジンにおける点火プラグは、特許文献１に記載されているように、碍子の貫通孔に挿入保持された中心電極と、碍子を取り囲む金属製ハウジングに取り付けた接地電極とを備え、前記中心電極と前記接地電極とをギャップを隔てて対向配置してある。そして、エンジンコントロールユニットからの点火信号によりパワートランジスタをＯＮ/ＯＦＦさせ、点火コイルで発生させた高電圧を中心電極と接地電極との間に印加して火花放電させ、燃焼室内の混合気に着火するものである。

ところで、点火プラグの電極は使用時間の増大に伴って消耗し、電極間のギャップ長が増大し火花が飛び難くなる。そのため、試験データや市場からの回収品の実績から点火プラグの交換時期をメーカーで設定し、定期的に点火プラグの交換を促すようにしている。交換時期の設定は、従来、走行距離の増大に伴ってギャップ長が直線的に漸次増大するものと仮定してギャップ長を推定し、点火コイルの発生電圧能力等から定めた閾値にギャップ長が到達する走行距離で定めている。
特開２００２−３１３５２３号公報

しかしながら、点火プラグにおける電極間の放電は、電極のエッジ部分で且つギャップ長が短い部分で行われる。このため、電極の消耗は、エッジ部から中心部に向かって進行し、中心部が消耗すると新たな電極面が形成されることでギャップ長が変化する。このような過程を繰返して点火プラグのギャップ長が変化する。即ち、点火プラグにおける電極の体積消耗量に関しては漸次増加するが、ギャップ長は階段状に変化するため、体積消耗量（走行距離）の増大に関係なくギャップ長が変化しない期間が存在すると考えられる。このため、走行距離（体積消耗量）の増大に伴ってギャップ長が直線的に漸次増大するものと仮定してギャップ長を推定する従来方法では、ギャップ長の変化がないにも拘わらず、閾値に到達した時点で、使用可能な点火プラグの交換を促すという問題がある。また、エンジンの機種や使用条件等によって点火プラグの消耗度合が異なるが、従来は、エンジンの機種等に関係なく一律に交換時期を設定していた。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、電極の消耗体積の増大に対して階段状に増大するギャップ長さを、エンジンの運転状態に応じて推定可能な点火プラグのギャップ長推定装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、点火プラグにおける中心電極と接地電極間のギャップ長さを推定する点火プラグのギャップ長推定装置であって、エンジン運転状態を検出するエンジン運転状態検出手段と、検出されたエンジン運転状態に基づいて点火プラグの前記電極の消耗体積を算出する消耗体積算出手段と、前記消耗体積の増加に応じて階段状に増加する前記ギャップ長さを、前記消耗体積算出手段で算出した消耗体積に基づいて推定するギャップ長さ推定手段と、を備えて構成したことを特徴とする。

本発明の点火プラグのギャップ長推定装置によれば、エンジン運転状態に応じて点火プラグの電極の消耗体積を算出し、算出した消耗体積に基づいて消耗体積の増加に応じて階段状に増加する電極間のギャップ長さを推定するので、点火プラグにおける電極間のギャップ長さを、エンジンの運転状態に応じて精度良く推定できる。従って、使用可能な点火プラグの交換を回避することができる。また、エンジンの機種や使用条件に応じて点火プラグを適切に交換できるようになる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る点火プラグのギャップ長推定装置の一実施形態を示す構成図であり、車両用エンジンに装着した点火プラグのギャップ長推定に適用した例を示す。

図１において、点火プラグ１は、中心電極部２と、該中心電極部２を覆う碍子３と、該碍子３を保持する金属製のハウジング４と、該ハウジング４に取付けた接地電極部５と、中心電極部２に電気的に接続した端子部６と、を含んで構成される。

前記中心電極部２は、図２に示すように、例えば、ニッケル（Ｎｉ）からなる電極基材２ａの先端に、イリジウム（Ｉｒ）からなる電極チップ２ｂを備えて構成されている。前記接地電極部５は、電極基材５ａの先端側に例えば白金の電極チップ５ｂを備えている。前記両電極チップ２ｂ、５ｂは、ギャップＧを隔てて互いに対向している。

点火コイル１の端子部６は、パワートランジスタと点火コイルを備えた点火回路１１に接続する。前記点火回路１１は、エンジンコントロールユニット１２（以下、ＥＣＵ１２とする）からの点火信号によりパワートランジスタがＯＮ/ＯＦＦし、点火コイルの２次側コイルに高電圧を発生する。点火プラグ１は、点火回路１１からの高電圧を受けて、両電極チップ２ｂ、５ｂ間で火花放電し、燃焼室内の混合気に着火する。

前記ＥＣＵ１２は、エンジンの回転速度を検出するクランク角センサ１３からの信号と、スロットル弁開度を検出するスロットルセンサ１４からの信号と、に基づいてエンジンの運転状態を検出する。また、検出したエンジン運転状態に基づいて、予め記憶したマップデータを用い、後述のフローチャートに示すように、点火プラグ１の電極間のギャップ長さを推定する機能を備える。更に、ＥＣＵ１２は、ギャップ長さが閾値以上になったと判定したときに、車内に設けた警告手段としての警告灯１５を点灯制御する。

次に、図３のフローチャートを参照しながら、本実施形態によるギャップ長推定動作を説明する。尚、図３のフローチャートは、ＥＣＵ１２を車両に搭載した時点から開始されるものである。

ステップＳ１では、クランク角センサ１３からの信号と、スロットルセンサ１４からの信号に基づいてエンジン回転速度とエンジン負荷の各情報を読込む。尚、エンジン負荷情報は、アクセルペダル開度センサからの信号を用いてもよい。

ステップＳ２では、読込んだエンジン回転速度と負荷とに基づき、点火プラグ１の放電に要求される放電電圧を図４の放電電圧マップから求め、その放電電圧で放電が行われたものと推定する。図４の放電電圧マップは、その時のエンジン運転状態において点火プラグ１の放電に要求される放電電圧を示すもので、この要求電圧は、低回転、高負荷側で低く、高回転、高負側で高い。尚、図４の放電電圧マップは、実験等によりエンジン機種毎に測定して予めＥＣＵ１２に格納してある。

ステップＳ３では、ステップＳ１で読込んだエンジン運転状態での放電回数をカウントし、図５の電圧履歴マップの対応箇所に書込む。放電回数は、エンジン回転速度から算出する。電圧履歴マップは、図６の棒グラフで示すように、各放電電圧毎の放電回数を示すもので、マップ内の数値は積算値で逐次更新される。即ち、図５の電圧履歴マップから、動作開始から現在までに点火プラグ１に供給された放電エネルギを推定することができる。

ステップＳ４では、放電電圧の任意の１つを基準放電電圧（例えば図６におけるｘｋＶ）とし、その他の放電電圧の放電回数を、基準放電電圧ｘｋＶでの放電回数に等価変換する。即ち、基準放電電圧ｘｋＶの時の電極消耗体積を１とし、図７の特性を用いて、基準放電電圧ｘｋＶに対する他の放電電圧での消耗体積の割合（消耗倍率）を算出する。次いで、算出した消耗倍率を、その放電回数に乗算して等価放電回数を算出する。例えば、図７に示すように、放電電圧ｙｋＶの消耗倍率が０．５であれば、図６のｙｋＶの放電回数に消耗倍率０．５を乗算する。また、放電電圧ｚｋＶの消耗倍率が２であれば、図６のｚｋＶの放電回数に消耗倍率２を乗算する。このようにして、全放電電圧の放電回数を基準放電電圧での放電回数に等価変換し、図８のような等価放電回数データを算出する。尚、図７の特性は、点火プラグ種別毎に実験等により測定して予めＥＣＵ１２に格納してある。

ステップＳ５では、図９に示すような、基準放電電圧ｘｋＶにおける放電回数と電極チップ２ｂの消耗体積との関係マップを用いて、ステップＳ４で算出した等価放電回数における基準放電電圧ｘｋＶでの消耗体積Ａを算出する。尚、図９のマップも、点火プラグ種別毎に実験等により測定して予めＥＣＵ１２に格納してある。

放電電圧に起因する電極チップ２ｂの消耗体積を算出する上述のステップＳ２〜ステップＳ５の動作と同様にして、ステップＳ６〜ステップＳ９により、電極温度に起因する電極チップ２ｂの消耗体積を算出する。

ステップＳ６では、実験等によりエンジン機種毎に測定して予めＥＣＵ１２に格納した図１０の電極温度マップから、エンジンの回転速度と負荷情報に基づいて電極温度を求める。図１０の電極温度マップは、その時のエンジン運転状態における点火プラグ１の電極温度を示すもので、この電極温度は、低回転、高負荷側で低く、高回転、高負側で高い。これにより、その電極温度で放電が行われたものと推定する。

ステップＳ７では、ステップＳ３と同様に、その時のエンジン回転速度から放電回数をカウントし、図１１の温度履歴マップの対応箇所に書込む。温度履歴マップは、図１１の棒グラフで示すように、各電極温度毎の放電回数を示すもので、マップ内の数値は積算値で逐次更新される。図１１の温度履歴マップから、動作開始から現在までに、どのような電極温度で何回放電が行われたかを推定することができる。

ステップＳ８では、電極温度の任意の１つを基準電極温度（例えば図１２におけるｘ℃）とし、その他の電極温度の放電回数を、基準電極温度ｘ℃での放電回数に等価変換する。即ち、基準電極温度ｘ℃の時の電極消耗体積を１とし、図１３の特性を用いて、基準電極温度ｘ℃に対する他の電極温度での消耗体積の割合（消耗倍率）を算出する。次いで、算出した消耗倍率を、その放電回数に乗算して等価放電回数を算出する。例えば、図１３に示すように、電極温度ｙ℃の消耗倍率が０．５であれば、図１２のｙ℃の放電回数に消耗倍率０．５を乗算する。また、電極温度ｚ℃の消耗倍率が２であれば、図１２のｚ℃の放電回数に消耗倍率２を乗算する。このようにして、全電極温度の放電回数を基準電極温度での放電回数に等価変換し、図１４のような等価放電回数データを算出する。尚、図１３の特性は、点火プラグ種別毎に実験等により測定して予めＥＣＵ１２に格納してある。

ステップＳ９では、図１５に示すような、基準電極温度ｘ℃における放電回数と電極チップ２ｂの消耗体積との関係マップを用いて、ステップＳ８で算出した等価放電回数における基準電極温度ｘ℃での消耗体積Ｂを算出する。尚、図１５のマップも、点火プラグ種別毎に実験等により測定して予めＥＣＵ１２に格納してある。

ステップＳ１０では、ステップＳ５で算出した消耗体積ＡとステップＳ９で算出した消耗体積Ｂを加算して、電極チップ２ｂの全消耗体積を算出する。
以上のステップＳ２〜Ｓ１０までが消耗体積算出手段の機能に相当する。

ステップＳ１１では、図１６のギャップ長さと消耗体積の関係を示すマップから、ステップＳ１０で算出した消耗体積に対応するギャップ長さを求める。尚、図１６のマップも、点火プラグ種別毎に実験等により測定して予めＥＣＵ１２に格納してある。このステップＳ１１が、ギャップ長さ推定手段の機能に相当する。

ここで、点火プラグ１の放電は、電極のエッジ部分で発生している。従って、図１７に示すように、同図（ａ）のようにエッジ部分で放電が行われて、そのエッジ部分が消耗すると、同図（ｂ）のように、電極の消耗で生じた最も近いエッジ部分で放電が行われる。このとき、電極間のギャップ長さＧは変わらない。このようにして、電極の消耗は、エッジ部分から中心部に向かって進行する。そして、中心部が消耗すると、図１７（ｃ）のように新たな電極面が形成され、このときにギャップ長ＧはＧ′に増加する。図中の点線はそれまでの電極チップ面を示す。従って、点火プラグ１の電極の消耗体積は、経時的に漸次増加するが、電極チップ２ｂ、５ｂ間のギャップ長さは、図１６のように、電極の消耗体積の増加に対して階段状に増加する。

ステップＳ１２では、ギャップ長さをカウントするギャップカウンタの値を、ステップＳ１１で算出された値に更新する。言うまでもないが、ギャップ長さが前回と同じ値で変化がなければ、ギャップカウンタ値を前回値のまま保持する。

ステップＳ１３では、ギャップカウンタ値（ギャップ長さ）と閾値とを比較する。その結果、ギャップ長さが閾値未満であれば、ステップＳ１に戻りＳ１〜Ｓ１３の動作を繰返す。一方、ギャップ長さが閾値以上であれば、ステップＳ１４に進み、警告灯１５を点灯し、ドライバに点火プラグ１の交換時期であることを知らせる。これにより、適切な時期に点火プラグ１を交換できるので、失火等の不具合、整備不良、過剰整備を防止できる。

ここで、ギャップ長さが階段状に変化することが予めわかっているので、前記閾値は、本来の限界ギャップ値より若干大きい値に設定しておく。これにより、図１８の実線で示すように、ギャップ長さが階段状に増加するものとして推定する本発明によれば、ギャップ長さが限界値に到達した後、限界値に保たれている間は使用可能であり、限界値を超えたときに警告を発生するようになる。

かかる本発明のギャップ長推定装置によれば、図１８の点線で示すように、走行距離の増加に伴ってギャップ長が漸次増加するものとして点火プラグの交換時期を設定する従来と比較して、使用可能な点火プラグ１の交換時期を、同図にＬで示す走行距離分延ばすことができる。従って、点火プラグ１の無駄な交換を回避できる。そして、電極チップ２ｂとして、ニッケル系材料より消耗し難いイリジウムを用いた点火プラグの場合、ギャップ長さが変化しない期間（図１８の水平部分）が長く、同図の期間Ｌが長くなるので、より一層走行距離を延ばすことができ、効果が大きい。

また、エンジンの機種毎や個別の点火プラグ毎に、ギャップ長の推定が可能である。
尚、本実施形態では、各放電電圧毎の放電回数や各電極温度毎の放電回数を、それぞれ基準放電電圧や基準電極温度での放電回数に等価変換したが、各放電電圧毎や各電極温度毎に、図９や図１５の放電回数と消耗体積の関係マップを用いて消耗体積を算出し、算出した各消耗体積を加算することで、消耗体積ＡやＢを推定する構成としてもよい。ただ、本実施形態のように、基準放電電圧や基準電極温度での放電回数に等価変換すれば、図９や図１５の放電回数と消耗体積の関係マップを、各放電電圧毎や各電極温度毎に備える必要がなく、格納するデータ量を少なくできる利点がある。

また、本実施形態では、放電電圧に起因する電極の消耗体積と電極温度に起因する電極の消耗体積との両方を推定し、両消耗体積の加算値に基づいてギャップ長さを推定する構成としたが、どちらか一方の消耗体積に基づいてギャップ長さを推定する構成としてもよい。

本発明に係る点火プラグのギャップ長推定装置の一実施形態を示す構成図 点火プラグ先端部の拡大図 本実施形態のギャップ長推定動作を説明するフローチャート 放電電圧マップの一例を示す図 電圧履歴マップの一例を示す図 電圧履歴マップの内容を棒グラフで表した図 基準放電電圧を１とした時の各放電電圧と消耗倍率の関係を示す図 各放電電圧の基準放電電圧での等価放電回数を示す図 基準放電電圧での等価放電回数と電極チップの消耗体積との関係を示す図 電極温度マップの一例を示す図 温度履歴マップの一例を示す図 温度履歴マップの内容を棒グラフで表した図 基準電極温度を１とした時の各電極温度と消耗倍率の関係を示す図 各電極温度の基準電極温度での等価放電回数を示す図 基準電極温度での等価放電回数と電極チップの消耗体積との関係を示す図 電極チップ消耗体積とギャップ長さとの関係を示す図 点火プラグにおけるギャップ長さの変化の過程を説明する図 本発明の従来との相違を説明する図

符号の説明

１ 点火プラグ
２ 中心電極部
５ 接地電極部
１１ 点火回路
１２ ＥＣＵ
１３ クランク角センサ
１４ スロットルセンサ
１５ 警告灯

Claims (8)

1. 点火プラグにおける中心電極と接地電極間のギャップ長さを推定する点火プラグのギャップ長推定装置であって、
   エンジン運転状態を検出するエンジン運転状態検出手段と、
   検出されたエンジン運転状態に基づいて点火プラグの前記電極の消耗体積を算出する消耗体積算出手段と、
   前記消耗体積の増加に応じて階段状に増加する前記ギャップ長さを、前記消耗体積算出手段で算出した消耗体積に基づいて推定するギャップ長さ推定手段と、
   を備えて構成したことを特徴とする点火プラグのギャップ長推定装置。
2. 前記消耗体積算出手段は、電極温度及び前記放電電圧の少なくとも一方に基づいて、前記消耗体積を算出することを特徴とする請求項１に記載の点火プラグのギャップ長推定装置。
3. 前記消耗体積算出手段は、電極温度と前記放電電圧とに基づいてそれぞれ算出した各消耗体積を加算して電極の消耗体積を算出し、前記ギャップ長さ推定手段は、前記加算消耗体積に基づいて前記ギャップ長を推定することを特徴とする請求項２に記載の点火プラグのギャップ長推定装置。
4. 前記消耗体積算出手段は、放電電圧に基づいて消耗体積を算出するとき、エンジン回転速度とエンジン負荷に応じた前記放電電圧を予め定めた放電電圧マップと、エンジン運転状態検出手段の検出したエンジン回転数とエンジン負荷において行われた放電回数を記録更新可能な電圧履歴マップと、を用いて、各放電電圧毎の放電回数を算出し、算出した放電回数に基づいて前記消耗体積を算出することを特徴とする請求項２又は３に記載の点火プラグのギャップ長推定装置。
5. 前記消耗体積算出手段は、放電電圧値の１つを基準放電電圧とし、前記算出した各放電電圧毎の放電回数を、前記基準放電電圧における放電回数に換算して当該換算放電回数に基づいて前記消耗体積を算出することを特徴とする請求項４に記載の点火プラグのギャップ長推定装置。
6. 前記消耗体積算出手段は、電極温度に基づいて消耗体積を算出するとき、エンジン回転数とエンジン負荷に応じた電極温度を予め定めた電極温度マップと、エンジン運転状態検出手段の検出したエンジン回転数とエンジン負荷において行われた放電回数を記録更新可能な温度履歴マップと、を用いて、各電極温度毎の放電回数を算出し、算出した放電回数に基づいて前記消耗体積を算出することを特徴とする請求項２又は３に記載の点火プラグのギャップ長推定装置。
7. 前記消耗体積算出手段は、電極温度の１つを基準電極温度とし、前記算出した各電極温度毎の放電回数を、前記基準電極温度における放電回数に換算して当該換算放電回数に基づいて前記消耗体積を算出することを特徴とする請求項６に記載の点火プラグのギャップ長推定装置。
8. ギャップ長さ推定手段の推定したギャップ長さが、予め定めた閾値に到達したときに、点火プラグの交換時期であることを知らせる警告手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の点火プラグのギャップ長推定装置。

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