JP3785696B2

JP3785696B2 - グロープラグ

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Publication number: JP3785696B2
Application number: JP26367296A
Authority: JP
Inventors: 敦倉野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: JPH1089222A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，燃料の着火・燃焼を促進するためのグロープラグに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年，ガソリンエンジン，ディーゼルエンジンにおいては，環境保護の面から，排気ガスや排気煙をより一層低減させることが要望されている。そして，こうした要望に応えるべく，各種のエンジン改良や後処理（触媒浄化等）により排出ガス低減，燃料・潤滑油性状の改善，各種のエンジン燃焼制御システムの改善などが検討されている。
【０００３】
また，最近のエンジン燃焼制御システムにおいては，エンジンの燃焼状態を検出することが要請されており，筒内圧，燃焼光，イオン電流等を検出することによってエンジン燃焼状態を検出することが検討されている。特に，イオン電流によりエンジン燃焼状態を検出することは，燃焼に伴う化学反応を直接的に観察できることから極めて有用と考えられており，種々のイオン電流検出方法が提案されている。
【０００４】
例えば，特開平７−２５９５９７号公報には，燃料噴射ノズルの取り付け座部において，当該噴射ノズル及びエンジンのシリンダヘッドから絶縁されたスリーブ状のイオン検出用電極を装着し，これを外部の検出回路に接続することにより燃料の燃焼に伴うイオン電流を検出する方法が開示されている。
また，米国特許第４，７３９，７３１号では，セラミックグロープラグを用いたイオン電流検出用センサが開示されている。
【０００５】
これらの技術では，グロープラグのヒータ（通電発熱体）表面に白金製の導電層を取着すると共に，この導電層を燃焼室及びグロープラグ取付金具から絶縁している。そして，導電層に外部からイオン電流測定用電源（直流２５０Ｖ）を印加して燃料燃焼に伴うイオン電流を検出するようにしている。
【０００６】
【解決しようとする課題】
ところが，上記従来技術においては，いずれも以下に示す問題がある。
即ち，前者の技術（特開平７−２５９５９７号公報）では，イオン電流検出のために，他の部位より絶縁されたスリーブ状のイオン検出用電極を設置しなくてはならず，その材料の選択及びその加工において煩雑な作業が強いられる。
そのため，イオン検出用電極が非常に，高価な構成となるという問題がある。さらに，燃料噴射ノズルとイオン検出用電極との間，及びイオン検出用電極とシリンダヘッドとの間が燃焼室内にて発生するカーボンにより短絡し，早期に使用不能となるという欠点があった。
【０００７】
また，後者の技術（米国特許第４，７３９，７３１号）では，イオン検出用電極を通電発熱体とは別に設けると共に，両者を別々の電源に接続しているために構造が複雑になるという欠点があった。また，イオン検出用電極の耐熱性及び耐消耗性を確保するために，白金など高価な貴金属を多量に必要とすることから，グロープラグ自体が非常に高価なものとなる欠点があった。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので，カーボン付着の問題を解消でき，精度良くイオン電流を検出することができ，耐久性に優れたグロープラグを提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，ハウジングと該ハウジング内に支持された本体とよりなるグロープラグにおいて，
上記本体は，絶縁体と，
該絶縁体の内部に設けられた断面Ｕ字状の通電発熱体及び該通電発熱体の両端部に電気的に接続されて絶縁体の外部に導出された一対のリード線と，
上記通電発熱体の途中に電気的に接続されて上記絶縁体の内部に配設された，火炎中のイオン化の状態を検出するための，１つ又は複数のイオン検出用電極とよりなると共に
該イオン検出用電極の先端は上記火炎に曝されるように上記絶縁体から露出しており，
かつ，上記通電発熱体に加熱用の直流電流を流すときにプラス側となる通電発熱体のプラス端から最初の上記イオン検出用電極が接続されている最初の接続部分の中心部までの，通電発熱体における第１発熱部の電気抵抗をＲ１，上記通電発熱体とイオン検出用電極との上記最初の接続部分の中心部から通電発熱体のマイナス端までの，通電発熱体における第２発熱部の電気抵抗をＲ２，上記イオン検出用電極における上記最初の接続部分から先端までの電気抵抗をｒとしたとき，
Ｒ２＞ｒの関係が満足されることを特徴とするグロープラグにある。
【００１０】
本発明において最も注目すべきことは，上記絶縁体の内部に通電発熱体とイオン検出用電極が配設されており，上記通電発熱体の上記第２発熱部の電気抵抗Ｒ２が，上記最初の接続部分の電気抵抗ｒよりも大きいことである。
【００１１】
本発明において，上記通電発熱体は，上記プラス端から上記最初のイオン検出用電極との最初の接続部分の中心部までを第１発熱部，該最初の接続部分の中心部からマイナス端までを第２発熱部により構成してある。そして，上記第１発熱部の電気抵抗はＲ１，第２発熱部の電気抵抗はＲ２である（図４）。
【００１２】
また，上記最初の接続部分とは，上記通電発熱体においてプラス端からマイナス端までの経路において，最初にイオン検出用電極が接続されている部分をいう。
このように定義するのは，イオン検出用電極は通電発熱体に対して，１個（図４）又は複数個（図１０）を設ける場合があるからである。
それ故，複数個のイオン検出用電極を設けた場合には，プラス端とそれに最も近い位置にある近隣イオン検出用電極との間が第１発熱部となり，該近隣イオン検出用電極とマイナス端との間が第２発熱部となる（図１０）。そのため，第２発熱部には１又は複数個のイオン検出用電極が接続されることがある。
【００１３】
次に，上記通電発熱体の第２発熱部の電気抵抗Ｒ２とイオン検出用電極の電気抵抗とを，上記のごとく，Ｒ２＞ｒに構成するに当たっては，両者の材料，或いは通電経路の太さ，厚み，長さ等を変えることにより達成する。
例えば，材料変化による手段としては，導電性セラミック粉末と絶縁性セラミック材料との混合割合が，第２発熱部とイオン検出用電極とで異なるように作製する。
【００１４】
上記通電発熱体とイオン検出用電極の原料としては，例えばＭｏＳｉ₂，Ｍｏ₅Ｓｉ₃，Ｍｏ_XＳｉ₃Ｃ_Y（_X＝４〜５，_Y＝０〜１），ＭｏＢ，ＷＣ，ＴｉＮなどの金属の珪化物，炭化物，窒化物，硼化物などの導電性セラミックを少なくとも一種用いる。また絶縁性セラミックとしては，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，ＢＮなどを用いる。また，焼結助材として希土類元素の酸化物を少なくとも一種以上添加する。
【００１５】
以下に，導電性セラミックとしてＭｏＳｉ₂を，絶縁性セラミックとしてＳｉ₃Ｎ₄を，また焼結助材として，Ｙ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃を用いた場合について例示説明する。
即ち，ここで，Ｓｉ₃Ｎ₄の粒径をＭｏＳｉ₂の粒径よりも大きくすることにより，絶縁性のＳｉ₃Ｎ₄粒子が，互いに連続する導電性のＭｏＳｉ₂粒子で包まれた組織となり，導電性を発現する。
【００１６】
具体的には，平均粒径１μｍのＭｏＳｉ₂と平均粒径１５μｍのＳｉ₃Ｎ₄を用いた。焼結助材も同様に平均粒径１μｍとした。ＭｏＳｉ₂とＳｉ₃Ｎ₄の配合割合は１０〜６０：９０〜４０（重量％）の範囲で適宜選択される。
通電発熱体の第２発熱部は，ＭｏＳｉ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄＝２０：８０とし，イオン検出用電極は，ＭｏＳｉ₂：Ｓｉ₃Ｎ₄＝４０：６０とすれば，Ｒ２＞ｒとなる。
また，焼結助材は，Ｙ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃の合計１０ｗｔ％を外部添加した。焼結助材としては，Ｙ₂Ｏ₃以外の希土類元素の酸化物，Ｙｂ₂Ｏ₃，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃などでも良く，これらから選ばれる１種以上を使用する。
【００１７】
なお，ここでは，導電体としては，導電性セラミックと絶縁性セラミックとの混合体としたが，導電性セラミックのみでも良い。また，混合体中の導電性セラミックの変わりに金属の粉末を用いて金属粉末と絶縁性セラミックの混合体でも良い。あるいは，金属の粉末のみ，または，金属線でも良い。
【００１８】
次に，絶縁体は，例えば導電性セラミックであるＭｏＳｉ₂と，絶縁性セラミックであるＳｉ₃Ｎ₄を基本成分とし，焼結助材としてＹ₂Ｏ₃，Ａｌ₂Ｏ₃を添加したセラミック焼結体よりなる。そして，Ｓｉ₃Ｎ₄の粒径を，ＭｏＳｉ₂と同じかやや小さくすることにより，導電性のＭｏＳｉ₂粒子が絶縁性のＳｉ₃Ｎ₄粒子で囲まれて分断された組織となり，絶縁性を発現する。具体的には，例えば，平均粒径０．９μｍのＭｏＳｉ₂と，平均粒径０．６μｍのＳｉ₃Ｎ₄を用いることができる。
【００１９】
通電発熱体，イオン検出用電極及び絶縁体は，同一またはそれに近い配合割合とすれば熱膨張係数等の差が小さくなるのでより好ましい。焼結助材としては，Ｙ₂Ｏ₃以外の希土類元素の酸化物，例えばイッテルビウム，ランタン，ネオジム等の酸化物を用いてもよく，これから選ばれる一種以上を使用する。
【００２０】
なお，上記第２発熱部の電気抵抗Ｒ２は０．１〜５Ω，イオン検出用電極の電気抵抗ｒは０．０５〜２．５Ωとすることが，グロープラグのヒータ特性の点より好ましい。
【００２１】
また，上記通電発熱体及びイオン検出用電極を絶縁体中に配設するに当たっては，例えば図３に示すごとく，予め両者の一体成形品を作製しておき，これを絶縁体の中に埋め込んで一体成形する。なお，成形と同時にリード線を接続する。リード線は，タングステン，モリブデン等の高融点金属又はその合金などを用いる。
【００２２】
或いは，予め別途作製しておいた２つ割の絶縁体成形体の間に上記通電発熱体とイオン検出用電極からなる一体成形品を挟持配設する。
これらの絶縁体成形品，或いは通電発熱体とイオン検出用電極との一体成形品は，例えば，これらの材料であるセラミック粉末とバインダーとしての樹脂材料を予混合し，その混合材料を射出成形することにより作製する。また，その後焼成する。
【００２３】
また，上記通電発熱体，イオン検出用電極は，上記絶縁体の内部に印刷形成により設けることもできる。
かかる印刷形成につき一例を示せば，例えば絶縁体を形成するためのセラミック材料の生成形体（グリーンシート）の表面に，スクリーン印刷，パッド印刷，ホットスタンプ等により，導電性材料よりなる通電発熱体，そのリード線，及びイオン検出用電極を印刷する。次いで，生成形体を巻回し，その後焼成する。
これにより，印刷形成された通電発熱体，リード線，イオン検出用電極を内蔵した絶縁体が得られる。
【００２４】
上記，射出成形品または印刷品の焼成は，ホットプレス法により焼結する。その条件は，例えば，アルゴンガス雰囲気下１気圧，加圧４００ｋｇ／ｃｍ²，焼成温度１８００℃，保持時間６０分で行なう。
【００２５】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
まず，本発明のグロープラグは，上記通電発熱体に電流を通すことにより発熱し，その加熱により燃焼室における着火及び燃焼を促進させる。
また，イオン検出用電極は，燃焼火炎中のイオン化の状態を検出する。即ち，イオン電流の検出時において，イオン検出用電極とそれに近接する燃焼室の内壁（シリンダヘッド）とは，両者間に存在する燃料燃焼時のプラスイオン及びマイナスイオンを捕獲するための２電極を形成する。
【００２６】
これにより，精度良くイオン電流を検出することができ，その情報を燃焼制御に有用に活用することが可能となる。また，グロープラグに，本来の燃焼室の加熱機能（グロー機能）とイオン電流検出機能とを付与しているので，構造がコンパクトで，かつ安価に製造できる。
【００２７】
また，本発明においては，上記第２発熱部の電気抵抗Ｒ２がイオン検出用電極の電気抵抗のｒよりも大きく形成してある。
そのため，グロープラグにおける上記絶縁体の表面にカーボンが付着し，上記のごとく該カーボンがイオン検出用電極とシリンダヘッドとの間を電気的に短絡した際（図４参照）に，上記通電発熱体に直流電流を，印加することにより，上記イオン検出用電極とシリンダヘッドとの間のカーボンを確実に焼き切ることができる。
【００２８】
即ち，本発明においては，上記カーボンの焼き切り時に，上記直流電流を印加すると，通電発熱体の上記第２発熱部の電気抵抗Ｒ２とイオン検出用電極の電気抵抗ｒとはＲ２＞ｒの関係があるため，直流電流はプラス端から第１発熱部，イオン検出用電極，上記付着カーボンを経てシリンダヘッドへ流れる。
そのため，絶縁体表面のカーボンが発熱し，その熱と燃焼室内の空気とによって，カーボンが燃焼し，焼き切られる。
そのため，カーボンの付着による短絡を容易に解消することができる。したがって，長時間にわたって正確にイオン電流を検出することができる。
【００２９】
また，通電発熱体は，絶縁体の内部に埋設されているため，燃焼火炎による腐触がなく，抵抗値の低下，発熱特性の変化を招くことがなく，長期にわたって高い発熱性能を発揮することができる。即ち，通電発熱体が酸化により消耗することがないため，その断面積が一定に保持されると共に，その抵抗値の変化を生ずることもない。さらに，燃焼室内での熱的衝撃等に起因して通電発熱体が破損する等の不具合も回避できる。
【００３０】
また，本発明のグロープラグは，上記通電発熱体，リード線及びイオン検出用電極を上記絶縁体の内部に設けているので，構造簡単である。
したがって，本発明によれば，カーボン付着の問題を解消でき，精度良くイオン電流を検出することができ，耐久性に優れたグロープラグを提供することができる。
【００３１】
次に，請求項２の発明のように，第２発熱部の電気抵抗Ｒ２は，イオン検出用電極の電気抵抗ｒの２倍以上の大きさを有することが好ましい。
この場合には，より確実に，上記カーボンを焼き切ることができる。
【００３２】
次に，請求項３の発明のように，上記イオン検出用電極は，主成分が金属の珪化物，炭化物，窒化物，硼化物の１種又は２種以上の導電性セラミック材料，または該導電性セラミック材料と絶縁性セラミック材料との混合材料により作製することができる。この場合には，耐熱性が向上し，かつ絶縁体との膨張係数を容易に調整，合わせ込みができるため耐熱衝撃性向上の効果が得られる。
【００３３】
次に，請求項４の発明のように，上記イオン検出用電極は，主成分が融点１２００℃以上の金属の１種又は２種以上の高融点金属材料，または該高融点金属材料と絶縁性セラミック材料との混合材料により作製することができる。
上記前者の金属の場合には，素材が線状で使用できるため，材料，加工，組付に関するコストの低減の効果が得られる。
【００３４】
また，後者の場合には，高温強度，耐酸化性が向上し，しかも発熱体と絶縁体との線膨張係数を容易に調整，合わせ込みができるため，耐久性に優れた効果が得られる。また，上記融点を１２００℃とした理由は，グロープラグの通電発熱体を１０００〜１１００℃に発熱させるため，イオン検出用電極の耐熱性を考慮したためである。
【００３５】
次に，請求項５の発明のように，上記絶縁体より露出しているイオン検出用電極の露出部には，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｄの１種又は２種以上の貴金属が設けてあることが好ましい。この場合には，検出用電極の耐消耗性，耐酸化性向上の効果が得られる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかるグロープラグにつき，図１〜図８を用いて説明する。
本例のグロープラグは，ディーゼルエンジンの始動補助装置として用いられる，セラミックグロープラグである。
本例のグロープラグ１は，図１に示すごとく，ハウジング４と該ハウジング４内に支持された本体１０とよりなる。
【００３７】
上記本体１０は，絶縁体１１と，該絶縁体１１の内部に設けられた断面Ｕ字状の通電発熱体２及び該通電発熱体２の両端部に電気的に接続されて絶縁体の外部に導出された一対のリード線２１，２２を有する。
また，上記通電発熱体２の途中に電気的に接続されて上記絶縁体１１の内部に配設された，火炎中のイオン化の状態を検出するための，１つのイオン検出用電極３とを有する。
上記イオン検出用電極３の先端は上記火炎に曝されるように上記絶縁体１１から露出している。
【００３８】
そして，図４に示すごとく，上記通電発熱体２に加熱用の直流電流を流すときにプラス側となるプラス端２１８から最初の上記イオン検出用電極３が接続されている最初の接続部分３９の中心部２０９までの，通電発熱体２における第１発熱部２０１の電気抵抗をＲ１，上記最初の接続部分３９の中心部２０９からマイナス端２２８までの，通電発熱体２における第２発熱部２０２の電気抵抗をＲ２，上記イオン検出用電極３における上記最初の接続部分３９から先端３０までの電気抵抗をｒとしたとき，Ｒ２＞ｒの関係が満足されている。
【００３９】
上記本体１０は，図１，図２に示すごとく，金属製のハウジング４内に，金属製の環状支持体４１を介して，固定されている。
そして，上記通電発熱体２の一方のリード線２１は，絶縁体１１の内部を上昇して，本体１０の側面に設けた導電性の端子部２３を介して内部リード線２３１に電気的に接続されている。また，他方のリード線２２は，絶縁体１１の内部を上昇して，上端に設けた端子部３１に電気的に接続されている。
【００４０】
また，上記イオン検出用電極３は，Ｕ字状の通電発熱体２の下端に通電発熱体２と一体的に設けられ，その先端３０は絶縁体１１から露出している。先端３０には白金（Ｐｔ）がコーディングしてある。
【００４１】
一方，ハウジング４は，上記環状支持体４１を有し，図１，図２に示すごとく，その上部に保護筒４２を有している。また，ハウジング４は，エンジンのシリンダヘッド４５へ装着するための，雄ねじ部４３を有する。
図２に示すごとく，上記保護筒４２の上方開口部には，ゴムブッシュ４２１が嵌合されている。また，該ゴムブッシュ４２１に貫挿した外部リード線２３３，３３３は，接続端子２３２，３３２を介して，上記内部リード線２３１，３３にそれぞれ接続されている。
【００４２】
したがって，外部リード線２３３，３３３は，通電発熱体２及びイオン検出用電極３にそれぞれ電気的に導通されている。
また，本体１０の先端部（下端部）は，図１，図２，図４に示すごとく，半球面形状に形成されている。
【００４３】
次に，上記グロープラグ本体１０の製造に当たっては，まず図３に示すごとき，通電発熱体２とイオン検出用電極３との一体成形品２９を準備する。
該一体成形品２９は，通電発熱体２及びイオン検出用電極３用のセラミック粉末を，主成分のパラフィンワックスと樹脂との混合バインダと混合し，その混合物を射出成形する。或いはセラミック粉末をそのままプレス成形する。
【００４４】
そして，この一体成形品２９は，絶縁体１１の中に埋設し，これらをホットプレスにて一体的に加圧焼成する。上記の加圧焼成は，アルゴンガス雰囲気下，１気圧で，加圧力４００ｋｇｆ／ｃｍ²とし，焼成温度は１８００℃，保持時間６０分で行なう。なお，上記埋設に先立って，上記リード線２１，２２を接続しておく。これにより，上記グロープラグ本体１０が得られる。
【００４５】
次に，上記セラミック粉末等の具体例は，前述した様に，通電発熱体，イオン検出用電極，絶縁体の導電性セラミックとしてＭｏＳｉ₂を，絶縁性セラミックとしてＳｉ₃Ｎ₄を用いる。また，焼結助材としてＹ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃とを用いる。
【００４６】
通電発熱体におけるセラミックの配合割合は，ＭｏＳｉ₂：Ｓｉ₃Ｎ₄＝２０：８０とした。また，イオン検出用電極の配合割合は，ＭｏＳｉ₂：Ｓｉ₃Ｎ₄＝４０：６０とした。そして，上記ＭｏＳｉ₂の平均粒径は１μｍ，Ｓｉ₃Ｎ₄の平均粒径は１５μｍを用いた。また，絶縁体におけるセラミックの配合割合はＭｏＳｉ₂：Ｓｉ₃Ｎ₄＝３０：７０とし，ＭｏＳｉ₂の平均粒径は１μｍ，Ｓｉ₃Ｎ₄の平均粒径は１μｍを用いた。
また，焼結助材は，上記いずれの場合もＹ₂Ｏ₃５ｗｔ％，Ａｌ₂Ｏ₃５ｗｔ％を外部添加した。各材料の平均粒径は１μｍを用いた。
【００４７】
次に，上記のごとく本体１０とハウジング４などとによって構成したグロープラグ１は，図５に示すごとく，エンジンのシリンダヘッド４５に対して，ハウジンク４の雄ねじ部を螺合することにより装着する。これにより，グロープラグ本体１０の先端部が，シリンダヘッド４５の燃焼室の一部である渦流室４５１に突出した状態で装着される。なお，符号４５７は主燃焼室，４５８はピストン，４５９は燃料噴射ノズルである。
【００４８】
また，上記グロープラグ１は，図５に示すごとく，グロープラグ作動回路に接続される。
即ち，通電発熱体２の一端のリード線２１は，外部リード線２３３，グローリレー５３，５３１及び１２ボルトのバッテリ５４を介して，一方の外部リード線３３３に接続されている。更に，該外部リード線３３３は，内部リード線３３，及び本体１０内のリード線２２（図１）を介して，通電発熱体２の他端に接続されている。
これにより，通電発熱体２の加熱用回路が形成される。
【００４９】
また，イオン検出用電極３は，上記外部リード線２３３，イオンリレー５３０，イオン電流検出用抵抗５２１，直流電源５１を介してシリンダヘッド４５に接続されている。また，上記イオン電流検出用抵抗５２１には，イオン電流を検出するための電位差計５２２が設けられ，これはＥＣＵ（電子制御装置）５２に接続されている。
また，ＥＣＵ５２には，上記グローリレー５３，５３１イオンリレー５３０，エンジン冷却水の水温センサ５２５，エンジンの回転数センサ５２６が接続されている。
【００５０】
上記図５に示した，グロープラグ１の使用に当たっては，まずエンジンの始動時においては，ＥＣＵ５２により，グローリレー５３，５３１がオンとされる。そのため，バッテリ５４とグロープラグの通電発熱体２との間が閉路となり，グロープラグ本体１０の通電発熱体２の第１発熱部２０１，第２発熱部２０２が通電され発熱する。そのためグロープラグ１は加熱状態となり，渦流室４５１が加熱され，着火温度に上昇する。
そこで，燃料噴射ノズル４５９から，燃料が噴射されると，その都度該燃料が着火され，ピストン４５８が作動し，エンジンが駆動される。
【００５１】
一方，燃料が燃焼している際には，前記のごとく，イオンが発生するので，グローリレー５３，５３１はオフとし，イオンリレー５３０をオンとして，イオン電流をイオン検出用電極３，イオン電流検出用抵抗５２１及び電位差計５２２により検出する。
即ち，グロープラグ本体１０の上記イオン検出用電極３とシリンダヘッド４５との間には１２ボルトの直流電源５１によって電圧が印加されている。
【００５２】
そこで，渦流室４５１内における，燃焼火炎帯の活性イオンの発生に伴い，イオン電流検出用抵抗５２１を含む電流経路にイオン電流が流れる。
なお，イオン電流検出用抵抗５２１は，約５００ｋΩで，これを流れるイオン電流は，その両端の電位差として電位差計５２２により検出される。
【００５３】
ここで，イオン電流の検出原理を略述する。
燃料噴射ノズル４５９からの噴射燃料が渦流室４５１で燃焼されると，その燃焼火炎帯ではイオン化されたプラスイオンとマイナスイオンが大量に発生する。このとき，上記イオン検出用電極３とそれに対面するシリンダヘッド４５との間にバッテリ電圧が印加されているので，イオン検出用電極３にはマイナスイオンが捕獲されると共に，シリンダヘッド４５にはプラスイオンが捕獲される。
その結果，上記の電流経路が形成され，この電流経路を流れるイオン電流がイオン電流検出用抵抗５２１の両端の電位差として検出される。
【００５４】
一方，ＥＣＵ５２は，ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，入出力回路等からなる周知のマイクロコンピュータやＡ／Ｄ変換器（共に図示略）を中心に構成され，前記電位差計５２２により検出された検出信号を入力する。
また，ＥＣＵ５２には，エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ５２５の検出信号や，エンジンクランク角に応じてエンジン回転数を検出するための回転数センサ５２６の検出信号が入力され，ＥＣＵ５２は各検出信号に基づいて水温Ｔｗ，エンジン回転数Ｎｅを検知する。
【００５５】
上記ＥＣＵ５２は，ディーゼルエンジンの低温始動時において，グロープラグ１の通電発熱体２を加熱させて燃料の着火及び燃焼を促進させる。また，ディーゼルエンジンの始動直後において，イオン電流を検出する。
なお，エンジン始動当初においては，グローリレー５３，５３１がオンの状態にあり，通電発熱体２は加熱状態に保持されるようになっている。
【００５６】
以下，図６のフローチャートを用いて，上記グローリレー５３，５３１のオン，オフ切り替え処理を説明する。このフローは，所定の時間の割り込み処理により実行される。
まず，図６の処理がスタートすると，ＥＣＵ５２は，先ずステップ１１でエンジン暖機完了後であり，且つグローリレー５３，５３１がオフであるか否かを判別する。エンジン始動当初においては，ステップ１１が否定判別され，ＥＣＵ５２は続くステップ１２で水温Ｔｗ及びエンジン回転数Ｎｅを読み込む。
【００５７】
その後，ステップ１３で水温Ｔｗが所定の暖機完了温度（本実施形態例では，６０℃）以上であるか否かを判別すると共に，ステップ１４でエンジン回転数Ｎｅが所定回転数（本実施形態例では，２０００ｒｐｍ）以上に達しているか否かを判別する。
このときステップ１３，１４が共に否定判別されれば，エンジンの暖機が完了しておらず，グロープラグの通電発熱体２による加熱が必要であるとみなし，ステップ１５に進む。
【００５８】
また，ステップ１３，１４のいずれかが肯定判別されれば，エンジンの暖機が完了，或いはグロープラグ１による加熱が不要であるとみなし，ステップ１６に進む。
【００５９】
ステップ１５に進んだ場合は，グローリレー５３，５３１はオンのまま維持される。この状態では，グロープラグ１の発熱作用によって燃料の着火及び燃焼が継続される。
また，ステップ１６に進んだ場合，ＥＣＵ５２は，グローリレー５３，５３１をオフとする。そして，イオンリレー５３０をオンとして，イオン電流を検出する。
【００６０】
次に，図７（Ａ）は，オシロスコープを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を観察した際の電流波形図である。同図において，燃料噴射時期（圧縮ＴＤＣ）直後に電圧が急上昇している波形が燃料の燃焼によるイオン電流波形であり，Ａ点が燃焼の開始位置，即ち着火時期に相当する。
また，このイオン電流波形には，２つの山が観測される。つまり，燃焼初期には，拡散火炎帯の活性イオンにより第１の山Ｂ１が観測され，燃焼中後期には筒内圧上昇による再イオン化により第２の山Ｂ２が観測される。
【００６１】
この場合，ＥＣＵ５２は，イオン電流波形の第１の山Ｂ１から実際の着火時期を検出すると共に，検出された実際の着火時期と目標着火時期との差をなくすべく着火時期のフィードバック制御を実施する。
また，ＥＣＵ５２は，イオン電流波形の第２の山Ｂ２から異常燃焼，失火等の燃焼状態を検出し，その検出結果を燃料噴射制御に反映させる。こうしてイオン電流をエンジンの燃料噴射制御に反映させることにより，きめ細かくエンジンの運転状態を制御することが可能となる。
【００６２】
次に，グロープラグのイオン検出用電極３に，燃料燃焼により発生したカーボン（スス）が付着した状態，即ち燻りが発生したときには，図７（Ｂ）に示すごとく，イオン電流が燃料噴射時期の前には低く，その後には上昇していくという現象が発生する（図７の（Ａ）と（Ｂ）を比較）。なお，図７（Ｂ）のＩｔｈは燻り状態を判別しグローリレー５３，５３１をオンにするか否かを判断するための波高値の判定レベル（しきい値）を表している。
そこで，このような燻り現象が発生したときには，上記グローリレー５３をオンとし，通電発熱体２を加熱し，上記の付着カーボンを焼き切る操作を行なう。
【００６３】
図８は，このカーボン焼き切り操作を，上記図５の回路におけるＥＣＵ５２により行なうフローチャートである。
即ち，同図のステップ２１において，グローリレー５３，５３１がオフの状態にあるとき，ステップ２２において，燃料噴射時期に上記のごとき異常イオン電流（図７Ｂ）が検出されたか否か判定する。否であれば，ステップ２５に進み，グローリレー５３はオフのままとする。
【００６４】
一方，異常イオン電流が検出されたときには，ステップ２３に進み，イオンリレー５３０をオフ，次にステップ２４においてグローリレー５３，５３１をオンとし，グロープラグの通電発熱体２に通電する。
【００６５】
そして，ここに重要なことは，図４に示すごとく，通電発熱体２の第２発熱部２０２の電気抵抗Ｒ２は，イオン検出用電極３の電気抵抗ｒよりも大きい。
そのため，通電発熱体２のプラス端から入った加熱用の直流電流は，第１発熱部２０１からイオン検出用電極３に入り，次いで，絶縁体１１の表面に付着したカーボン４９を経てシリンダヘッド４５に流れる。
【００６６】
このとき，カーボン４９はこの直流電流によって発熱し，渦流室内の空気によって酸化焼失し，焼き切られる。それ故，グロープラグは再び正常状態となる。そこで，再びグローリレー５３，５３１をオフ，イオンリレー５３０をオンとしてイオン電流を検出する。
【００６７】
上記のごとく，本例のグロープラグにおいては，絶縁体１１の内部に通電発熱体２とリード線２１，２２とイオン検出用電極３とが設けてあり，これらは一体的に構成されている。そのため，通電発熱体２によるグロー動作（加熱動作）と，イオン検出用電極３によるイオン電流検出とを１つのグロープラグにより達成できる。また，そのためグロープラグがコンパクトになる。
【００６８】
また，イオン検出用電極３，グロープラグ表面にカーボンが付着した場合にも，上記のごとくカーボン４９に直流電流を流して，加熱することにより，上記カーボンを焼き切り，イオン検出用電極３を正常状態にすることができる。そのため，イオン電流を精度良く検出することができる。
【００６９】
また，通電発熱体２，リード線２１，２２，イオン検出用電極３は，絶縁体１１の内部に設けてあるので，燃焼ガスによる酸化等の腐食もなく，耐久性に優れている。
また，絶縁体１１の先端部は，半球形状としてあるので，燃焼室内における燃焼火炎流の乱れが抑制され，検出性能が安定し，また熱応力の集中が抑制されて熱衝撃を吸収することができる。
【００７０】
また，イオン検出用電極３の先端部３０は，燃焼ガスに接触するよう露出しており（図１），その露出部分にはＰｔ等の貴金属がコーティングしてある。そのため，酸化等によるイオン検出用電極表面の絶縁物生成が抑制され電極の導電性あるいは初期抵抗値が確保され，検出精度の劣化を防止する効果がある。
また，イオン検出用電極３は，絶縁体１１の直径方向の中心に配設してある。そのため，燃焼室内におけるあらゆる方向におけるイオン電流を高精度で検出することができる。
【００７１】
実施形態例２
本例は，表１に示すごとく，実施形態例１に示したグロープラグ本体１０につき，上記電気抵抗Ｒ２とｒの割合を変えた具体例を示す。
グロープラグ本体１０の製造に当たっては，まず上記通電発熱体２及びイオン検出用電極３は，予め，射出成形により上記一体成形品２９（図３）を作製しておく。
【００７２】
一方，絶縁体１１は，半円柱体の２つ割品を準備する。この半円柱体には，絶縁体１１とする際に内側となる部分（直径部分）に，上記一体成形品２９を埋設するためのＵ字状の溝が設けてある（図１参照）。
そこで，上記一体成形品２９を，上記絶縁体１１の半円柱体のＵ字状溝に入れ，更に一方の半円柱を覆い，これらを加圧焼結する。これにより，図１に示すごとく，上記一体成形品よりなる通電発熱体２及びイオン検出用電極３を内蔵した絶縁体１１が得られる。
【００７３】
次に，上記通電発熱体２は，上記第２発熱部の電気抵抗Ｒ２が０．８Ωとなるように，導電性セラミック粉末であるＭｏＳｉ₂粉末３５％（重量比，以下同じ）と，絶縁性セラミック材料としてのＳｉ₃Ｎ₄粉末６５％とを混合したものを用いた。
また，上記イオン検出用電極３は，下記表１の電気抵抗ｒとなるように，ＭｏＳｉ₂粉末とＳｉ₃Ｎ₄粉末との割合を変えて用いた。
【００７４】
また，絶縁体１１は，Ｓｉ₃Ｎ₄粉末とＭｏＳｉ₂粉末とを混合したものを用いた。その割合は，Ｓｉ₃Ｎ₄粉末８０％，ＭｏＳｉ₂粉末２０％とした。また，焼結助材は，通電発熱体，イオン検出用電極，絶縁体ともに，Ｙ₂Ｏ₃５ｗｔ％，Ａｌ₂Ｏ₃５ｗｔ％を，外部添加した。各材料の平均粒径は実施形態例１と同じにした。
そして，上記加圧焼結は，４００ｋｇ／ｃｍ²，１８００℃，６０分で行なった。
【００７５】
次に，上記のごとく，構成した種々のグロープラグを実施形態例１のごとく，シリンダヘッド４５に装着した。そして，絶縁体１１の表面に，図４に示すごとく，カーボンが付着した状態にして，付着カーボンの焼き切り（焼失）良否を実験した。
その結果を表１に示した。
【００７６】
【表１】

【００７７】
表１より知られるごとく，Ｒ２＞ｒの場合（Ｎｏ．１〜４）にはカーボンが焼き切られることが，特にＲ２≧２ｒの場合（実験Ｎｏ．１〜３）には優れた焼き切りができることが分かる。
なお，Ｒ２≦ｒの場合（実験Ｎｏ．５，６）には，カーボンに直流電流が殆ど流れないため，カーボンが焼き切れない。
【００７８】
実施形態例３
なお，上記実施形態例２では，通電発熱体及びイオン検出用電極の導電性セラミックとしてＭｏＳｉ₂を用いた場合について述べたが，導電性セラミックとして他の金属の炭化物，窒化物，硼化物を用いても同様の結果が得られる。
本例においては，これを確認するため，表２，表３に示すように導電性セラミックをＷＣ，Ｍｏ₂Ｃ，ＴｉＮ，Ｍｏ_4.8Ｓｉ₃Ｃ_0.6，ＷＳｉ₂，ＭｏＢ，ＴｉＢ₃，ＺｒＢ₂に変更し，それぞれについて，抵抗値を実施形態例２のＮｏ．３，Ｎｏ．６の水準と同様の試料となし，これらについてカーボン焼失実験を行なった。
各材料の平均粒径は，１〜３μｍである。
その他については，実施形態例２と同様である。
【００７９】
また，通電発熱体とイオン検出用電極の導電性セラミックについて別々の材料でも実施した。
また，上記絶縁性セラミックをＳｉ₃Ｎ₄から，その他のＡｌ₂Ｏ₃，ＢＮに代えた場合についても同様に実施した。
Ａｌ₂Ｏ₃の平均粒径は，２５μｍ，ＢＮの平均粒径は１０μｍのものを用いた。その他は実施形態例２と同様である。
実験の結果を表２及び表３に示す。
【００８０】
また，表４には，通電発熱体，イオン検出用電極とも導電性セラミックのみの場合について同様に示した。
表２〜４より明らかなように，本発明の範囲では全てカーボンが焼失することが分かる。
【００８１】
【表２】

【００８２】
【表３】

【００８３】
【表４】

【００８４】
実施形態例４
次に，イオン検出用電極に高融点金属の線材を用いた場合と，イオン検出用電極に高融点金属材料と絶縁性セラミックとの混合体を用いた場合について述べる。
まず，イオン検出用電極に高融点金属の線材を用いた場合につき示す。
ここに，高融点金属とは前述した様に融点１２００℃以上のものをいう。かかる高融点金属としては，Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｒｅ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ等がある。また，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｏ，Ｆｅ−Ｃｏ，Ｗ−Ｒｅ等の合金材料もある。
【００８５】
通電発熱体は，実施形態例２の組成を用いた。またイオン検出用電極の構造は，実施形態例１の図１に示したイオン検出用電極３の構造に代えて，上記高融点金属の線材を用いた。
各場合とも，実施形態例２のＮｏ．３，Ｎｏ．６の水準と同様の抵抗値に作成して，カーボンの焼失実験を行なった。
その他は，実施形態例２と同様である。
その結果を表５に示す。同表より本発明の範囲では，カーボンが焼失することが分かる。
【００８６】
次に，イオン検出用電極に高融点金属材料と絶縁性セラミックとの混合体を用いた。グロープラグの作製に当たっては，実施形態例２のイオン検出用電極の導電体であるＭｏＳｉ₂の代わりに，上記金属の粉末を用いた。各材料の平均粒径は，１〜１０μｍのものを用いた。その他は，実施形態例２と同様である。
その結果を表６に示す。
同表より，本発明の範囲では，カーボンが焼失することが分かる。
【００８７】
【表５】

【００８８】
【表６】

【００８９】
実施形態例５
本例は，図９に示すごとく，実施形態例１のグロープラグ作動回路（図５）を変更したもので，実施形態例１のバッテリ５４と直流電源５１とを，１個のバッテリー５５のみに代えたものである。
そして，バッテリ５５のプラス側と上記外部リード線２３３との間にはグローリレー５３を，また外部リード線３３３とバッテリ５５のマイナス側との間には，上記グローリレー５３と同様に作動する他のグローリレー５３１を介設する。
【００９０】
また，上記外部リード線２３３とイオン電流検出用抵抗５２１との間には実施形態例１と同様にイオンリレー５３０を介設する。
そして，通電発熱体を発熱させるときにはグローリレー５３，５３１をオンとし，イオンリレー５３０はオフとする。イオン電流を検出する場合には，上記と逆にする。
【００９１】
なお，イオン電流検出用抵抗５２１とバッテリ５５との間には，定電流，定電圧回路５２４を介在することもできる。この場合には，回路構成の簡素化とコスト低減の効果がある。
【００９２】
その他は，実施形態例１と同様である。
本例においても，実施形態例１と同様の効果を得ることができる。また，特に，本例においては，定電流・定電圧回路５２４を介在する事で１つのバッテリーでも，グロープラグ発熱時に生じるイオン検出用電極への印加電圧の変動を防止し，安定した検出性能が維持できるという効果を得ることができる。
【００９３】
実施形態例６
本例は，図１０に示すごとく，Ｕ字状の通電発熱体２の左右両側に，イオン検出用電極３０１，３０２を２個設けた例である。
本例では，イオン検出用電極３０１が通電発熱体２のプラス端に近い位置にあるので，この部分が通電発熱体２とイオン検出用電極３との最初の接続部分３９となる。そのため，イオン検出用電極３０１との最初の接続部分３９からマイナス端までの部分が第２発熱部２０２となる。
【００９４】
カーボン焼き切り時には，イオン検出用電極３０１から絶縁体１１表面のカーボンへ焼き切り用の直流電流が流れることになる。
また，本例ではイオン検出用電極を２個設けてあるので，より精度良くイオン電流を検出することができる。
その他は実施形態例１と同様であり，実施形態例１と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，（Ａ）グロープラグ本体の断面図（Ｂ）上記（Ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図。
【図２】実施形態例１における，グロープラグの全体説明図。
【図３】実施形態例１における，通電発熱体及びイオン検出用電極の一体成形品の斜視図。
【図４】実施形態例１における，作用効果の説明図。
【図５】実施形態例１における，グロープラグ作動回路図。
【図６】実施形態例１における，グロープラグ作動システムの，グロープラグ始動時のフローチャート。
【図７】実施形態例１における，（Ａ）正常時のイオン電流，（Ｂ）燻り時のイオン電流を示す図。
【図８】実施形態例１における，燻り判定フローチャート。
【図９】実施形態例５における，グロープラグ作動回路図。
【図１０】実施形態例６における，グロープラグの全体説明図。
【符号の説明】
１．．．グロープラグ，
１０．．．本体，
１１．．．絶縁体，
２．．．通電発熱体，
２０１．．．第１発熱部，
２０２．．．第２発熱部，
２１，２２．．．リード線，
３．．．イオン検出用電極，
３９．．．最初の接続部分，
４．．．ハウジング，
４５．．．シリンダヘッド，
４５１．．．渦流室，
４９．．．カーボン，

Claims

ハウジングと該ハウジング内に支持された本体とよりなるグロープラグにおいて，
上記本体は，絶縁体と，
該絶縁体の内部に設けられた断面Ｕ字状の通電発熱体及び該通電発熱体の両端部に電気的に接続されて絶縁体の外部に導出された一対のリード線と，
上記通電発熱体の途中に電気的に接続されて上記絶縁体の内部に配設された，火炎中のイオン化の状態を検出するための，１つ又は複数のイオン検出用電極とよりなると共に
該イオン検出用電極の先端は上記火炎に曝されるように上記絶縁体から露出しており，
かつ，上記通電発熱体に加熱用の直流電流を流すときにプラス側となる通電発熱体のプラス端から最初の上記イオン検出用電極が接続されている最初の接続部分の中心部までの，通電発熱体における第１発熱部の電気抵抗をＲ１，上記通電発熱体とイオン検出用電極との上記最初の接続部分の中心部から通電発熱体のマイナス端までの，通電発熱体における第２発熱部の電気抵抗をＲ２，上記イオン検出用電極における上記最初の接続部分から先端までの電気抵抗をｒとしたとき，
Ｒ２＞ｒの関係が満足されることを特徴とするグロープラグ。
請求項１において，上記電気抵抗の大きさはＲ２≧２ｒであることを特徴とするグロープラグ。
請求項１又は２において，上記イオン検出用電極は，主成分が金属の珪化物，炭化物，窒化物，硼化物の１種又は２種以上の導電性セラミック材料，または該導電性セラミック材料と絶縁性セラミック材料との混合材料により作製されていることを特徴とするグロープラグ。
請求項１〜３のいずれか一項において，上記イオン検出用電極は，主成分が融点１２００℃以上の金属の１種又は２種以上の高融点金属材料，または主成分が該高融点金属材料と絶縁性セラミック材料との混合材料により作製されていることを特徴とするグロープラグ。
請求項１〜４のいずれか一項において，上記絶縁体より露出しているイオン検出用電極の露出部には，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｄの１種又は２種以上の貴金属が設けてあることを特徴とするグロープラグ。