JP3823393B2

JP3823393B2 - Glow plug

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Publication number: JP3823393B2
Application number: JP26367396A
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: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: JPH1089223A

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，グロープラグ使用時における急激な温度変化によって，イオン検出用電極が熱衝撃により破損するおそれがあった。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がなく，精度良くイオン電流を検出することができ，かつイオン検出用電極の損傷がなく，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，セラミックよりなる絶縁体と，
該絶縁体の内部に設けられたセラミックよりなる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，セラミックよりなるイオン検出用電極とよりなり，
かつ，該イオン検出用電極は，少なくとも上記火炎と接触する露出部分が，導電性セラミック粒子により絶縁性セラミック粒子を包んでなる導電性の混合焼結体よりなると共に，その焼結助剤として希土類元素の酸化物を１種以上含有しており，
上記混合焼結体の組織は第１結晶相とその間の粒界相とよりなり，該粒界相の一部又は全部は結晶化して上記焼結助剤を含む第２結晶相となってい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とが配設されており，また，上記イオン検出用電極は，少なくとも上記火炎と接触する露出部分が，上記の導電性の混合焼結体よりなると共に，その焼結助剤として希土類元素の酸化物を１種以上含有しており，上記混合焼結体の組織は第１結晶相とその間の粒界相とよりなり，該粒界相の一部又は全部は結晶化して上記焼結助剤を含む第２結晶相となっていることである。
【００１１】
即ち，本発明におけるイオン検出用電極は，導電性セラミック又は絶縁性セラミックあるいは両者の結晶相である第１結晶相と，その間に存する粒界相とよりなる（図３〜図６）。この粒界相は，混合焼結体においては全体的に非晶質のガラス状であることが一般的である。これに対し，本発明における粒界相は，その一部又は全部が結晶化して第２結晶相となっていることに最大の特徴がある（図７）。
【００１２】
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９，図１０に示すごとく，予め両者の成形品を作製しておき，これを絶縁体粉末の中に埋め込んで一体成形する。
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の成形品とイオン検出用電極の成形品を挟持配設する。
これらの絶縁体，通電発熱体，イオン検出用電極のそれぞれの成形品は，例えば，これらの材料であるセラミック粉末を主成分とし，これにパラフィンワックスとその他の樹脂を混合した混合物を作製し，これを射出成形することにより作製する。
【００１３】
そして，上記イオン検出用電極の成形品を作製するに当たっては，上記導電性セラミック粒子と絶縁性セラミック粒子の他に上記希土類元素の酸化物よりなる焼結助剤を添加した原料を用いる。これにより，この原料の混合焼結体は，上記のごとく，第１結晶相とその間の粒界相とよりなり，該粒界相の一部又は全部は結晶化して上記焼結助剤を含む第２結晶相となる。
【００１４】
なお，上記通電発熱体，或いは絶縁体についても，上記イオン検出用電極と同様に，導電性セラミック粒子と絶縁性セラミック粒子の他に上記希土類元素の酸化物よりなる焼結助剤を添加した原料を用いることが好ましい。これにより，上記通電発熱体，或いは絶縁体も，第１結晶相の間の粒界相の一部又は全部が結晶化して第２結晶相を有する優れた組織にすることができる。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
また，イオン検出用電極は，燃料燃焼に伴ってその表面中にカーボンが付着する場合があるが，その付着カーボンは通電発熱体の加熱動作（例えば，エンジンの低温始動時におけるグロー動作）によって焼き切ることができる。そのため，長期間に渡って正確にイオン電流を検出することができる。
【００１８】
また，本発明においては，上記イオン検出用電極は，少なくとも上記火炎と接触する露出部分が，上記組織構成の混合焼結体よりなる。即ち，混合焼結体の組織は，第１結晶相とその間の粒界相とよりなり（図６），粒界相の一部又は全部は結晶化して上記焼結助剤を含む第２結晶相となっている（図７）。
【００１９】
そのため，上記粒界相が第２結晶相を持たずに非晶質のガラス相である従来の場合に比べて，粒界相の融点の向上及び耐食性の向上等を図ることができる。
それ故，イオン検出用電極の耐熱衝撃性，耐酸化性，耐食性が向上してその損傷を防止することができ，ひいてはイオン検出精度の信頼性・グロープラグの信頼性の向上を図ることができる。
【００２０】
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，一体的に設けているので，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がなく，精度良くイオン電流を検出することができ，かつイオン検出用電極の損傷がなく，耐久性に優れたグロープラグを提供することができる。
【００２１】
次に，請求項２の発明のように，上記イオン検出用電極における上記焼結助剤の含有総量は，上記導電性セラミックと上記絶縁性セラミックの総量に対して３〜２５重量％であることが好ましい。３重量％未満の場合には，上記混合焼結体の緻密化を促進できず，また上記粒界相において第２結晶相を形成することが困難であるという問題がある。一方，２５重量％を超える場合には，粒界相が結晶化せずにガラス相を形成し，粒界相が低融点となり，熱衝撃，耐食性が劣化するという問題がある。
【００２２】
また，請求項３の発明のように，上記イオン検出用電極における上記第２結晶相は，上記粒界相中に５％以上存在することが好ましい。５％未満の場合には，第２結晶相の存在による高融点化，耐酸化性及び耐食性向上等の上記効果があまり発揮されないという問題がある。
【００２３】
また，請求項４の発明のように，上記絶縁性セラミックは窒化珪素であり，上記導電性セラミックは金属の炭化物，珪化物，窒化物，又はホウ化物の１種又は２種以上であることが好ましい。この場合には，容易に上記第２結晶相を形成することができる。
【００２４】
【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１４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，本体１０と該本体１０を装着するハウジング４とからなる。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１１の外部に導出された一対のリード線２１，２２とを有する。
【００２５】
また，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，イオン検出用電極３を有する。
本例のイオン検出用電極３は，上記火炎と接触する露出部分３０を含みその全体が，導電性セラミック粒子により絶縁性セラミック粒子を包んでなる導電性の混合焼結体よりなると共に，その焼結助剤として希土類元素の酸化物を１種以上含有している。
【００２６】
そして，図３〜図６に示すごとく，上記混合焼結体の組織は第１結晶相Ｋ（図６）とその間の粒界相Ｒよりなる。そして，図７に示すごとく，該粒界相Ｒの一部又は全部は結晶化して上記焼結助剤を含む第２結晶相Ｈとなっている。
即ち，図３〜図５は，混合焼結体の断面組織のＳＥＭ写真であってそれぞれ倍率が３５０倍，１０００倍，２０００倍である。この図３〜図５における黒い部分と白い部分が上記第１結晶相Ｋであり，黒い部分がＳｉ₃Ｎ₄結晶相であり，白い部分がＭｏＳｉ₂結晶相である。そして，黒い部分と白い部分の境界部分の幅数ｎｍの範囲が粒界相Ｒである。
【００２７】
また，図６は，上記の組織を分かりやすくするための説明図であり，３つのＳｉ₃Ｎ₄よりなる第１結晶相Ｋの間に粒界相Ｒが存在している状態を示してある。また，図７は，図６中におけるＭ部分を拡大した状態を示しており，粒界相が結晶化して第２結晶相Ｈとして存在することを示している。これらの図に示された粒界相Ｒは，Ｘ線回折の結果，６０％以上が結晶化していることが分かった。
【００２８】
また，その結晶は，本例の焼結助剤がＹ₂Ｏ₃であるため，図８に示すＳｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂，Ｙ₂Ｏ₃三元状態図中に示されるＡ点のアパタイト（Ｙ₁₀（ＳｉＯ₄）₆Ｎ₂），Ｂ点のワレストナイト（ＹＳｉＯ₂Ｎ），Ｃ点のＹＡＭ（Ｙ₄Ｓｉ₂Ｏ₇Ｎ₂），Ｄ点のメリライト（Ｙ₂Ｓｉ₃０₃Ｎ₄）の４種類の内１種以上含んでいることが分かった。ここで，ＳｉＯ₂は，原料の絶縁性セラミックとしてのＳｉ₃Ｎ₄中に不純物として含まれているものである。
また，上記結晶は，耐酸化性に優れているＡ点のアパタイト（Ｙ₁₀（ＳｉＯ₄）₆Ｎ₂）の割合を高くするのが好ましい。
尚，結晶化の有無については，Ｘ線回折とＴＥＭにより確認することができる。また，従来においては，上記粒界相Ｒがガラス相になっている。
【００２９】
また，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，上記環状支持体４１を介してハウジング４に電気的に接続されている。
また，上記イオン検出用電極３の上部は，絶縁体１１の上端部に設けた導電性の端子部３１を介して内部リード線３３に電気的に接続されている。
【００３０】
一方，ハウジング４は，上記環状支持体４１を有し，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。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には，外部リード線２３３，３３３が貫挿され，これらはそれぞれ接続端子２３２，３３２を介して，上記内部リード線２３１，３３に接続されている。
したがって，外部リード線２３３は通電発熱体２の一端に，外部リード線３３３はイオン検出用電極３にそれぞれ電気的に導通されている。
【００３１】
なお，通電発熱体２の他端は，上記のごとく，環状支持体４１を介してハウジング４に電気的に導通している（図１）。
また，本体１０の先端部（下端部）は，図１に示すごとく，半球面形状に形成されており，イオン検出用電極３の先端３０が露出している。
【００３２】
次に，上記グロープラグ本体１０を製造するに当たっては，まず図９，図１０に示すごとく，Ｕ字状の通電発熱体２の成形品２９と棒状のイオン検出用電極３の成形品３９を準備する。これらの成形品２９，３９は，それぞれ通電発熱体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とし，これにパラフィンワックスとその他の樹脂とを混合し，その混合物を用いて射出成形する。或いは粉末をそのままプレス成形により作製する。
なお，成形と同時にリード線２１，２２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からなる。
【００３３】
そして，成形品２９，３９は，絶縁体１１用のセラミック粉末の中に埋設し，これらをホットプレスにて一体的に加圧焼成する。焼成は，１気圧のアルゴンガス雰囲気下，５００ｋｇｆ／ｃｍ²のプレス圧力により行い，焼結助剤量の変更による焼成温度条件の変化に対しては，各々最適な条件で行い，焼成温度は，１５００〜１９００℃の範囲で行った。
これにより，通電発熱体２及びイオン検出用電極３を内蔵したグロープラグ本体１０が得られる。
【００３４】
なお，本例におけるイオン検出用電極３用の原料としては，絶縁性セラミックとしての窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）と，導電性セラミックとしての珪化モリブデン（ＭｏＳｉ₂）と，焼結助剤としての酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）との混合物を用いた。そして，Ｓｉ₃Ｎ₄の粒径をＭｏＳｉ₂より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，導電性を発揮する。具体的には，例えば，平均粒径１μｍのＭｏＳｉ₂と平均粒径１３μｍのＳｉ₃Ｎ₄を用いる。
また，通電発熱体２は，上記イオン検出用電極３と同様のものを使用した。
【００３５】
絶縁体１１は，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，焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃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。
【００３６】
上記通電発熱体２，イオン検出用電極３または絶縁体１１における導電性セラミックとしては，上記したＭｏＳｉ₂以外の金属の炭化物，珪化物，窒化物，またはホウ化物を用いてもよく，これらの少なくとも一種を使用する。導電性セラミックと絶縁性セラミックの配合割合は，例えば１０〜４０：９０〜６０（重量％）の範囲で適宜選択される。
【００３７】
通電発熱体２，イオン検出用電極３，絶縁体１１で同一またはそれに近い配合割合とすれば熱膨張計数等の差が小さくなるのでより好ましい。焼結助剤としては，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，これらから選ばれる一種以上を使用する。
【００３８】
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１１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。
【００３９】
また，上記グロープラグ１は，図１１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，金属製のシリンダヘッド４５に接続されている。更に，シリンダヘッド４５，ハウジング４，環状支持体４１，本体１０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。
【００４０】
また，イオン検出用電極３の外部リード線３３３は，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，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。
【００４１】
上記図１１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。
【００４２】
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，その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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
以下，図１２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。図１２は，所定の時間の割り込み処理により実行される。
まず，図１２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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
次に，図１３（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。
【００５２】
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。
【００５３】
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１３（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１３の（Ａ）と（Ｂ）を比較）。なお，図１３（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５３，５３１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。
【００５４】
図１４は，このカーボン焼き切り操作を，上記図１１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１３Ｂ）が検出されたか否か判定する。否であれば，ステップ２４に進み，グローリレー５３，５３１はオフのままとする。
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，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を加熱してカーボンを焼失させる。
【００５５】
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とを設けてあり，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。
【００５６】
また，イオン検出用電極３にカーボンが付着した場合にも，該イオン検出用電極３の近くにある通電発熱体２を通電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。
また，絶縁体１１の先端部は，半球形状としてあるので，燃焼室内における熱衝撃を吸収することができる。
【００５７】
さらに本例においては，粒界相が結晶化して第２結晶相を有する。そのため，本例のイオン検出用電極の耐久性を向上させることができる。
即ち，粒界相がガラス相である場合には，ガラス相が比較的低融点であるため，グロープラグの実使用時の高温状態（最高１４００℃程度）において粒界相が軟化，溶出する場合がある。そして，このガラス相に噴霧燃料が直撃すると，その熱衝撃によりイオン検出用電極表面にクラックが発生する。
【００５８】
これに対し，本例においては，上記のごとく粒界相Ｒの大部分が結晶化して第２結晶相Ｈなっている。この第２結晶相は，ガラス相よりも高融点であり，従来のように軟化，溶出をするおそれがない。
それ故，本例のイオン検出用電極は，熱衝撃に強く，損傷することがない。
【００５９】
実施形態例２
本例においては，本発明の効果を確認するために次の試験を行った。
まず，以下のようにして試験用の試料を作製した。絶縁体，通電発熱体，イオン電流検出用電極の基本成分をいずれも７０Ｓｉ₃Ｎ₄−３０ＭｏＳｉ₂（重量％）とし，絶縁体は平均粒径が０．９μｍのＭｏＳｉ₂と平均粒径が０．６μｍのＳｉ₃Ｎ₄を，通電発熱体及びイオン検出用電極には平均粒径が０．９μｍのＭｏＳｉ₂と平均粒径が１３μｍのＳｉ₃Ｎ₄を使用した。
【００６０】
焼結助剤としてはＹ₂Ｏ₃を用い，その添加量を絶縁体と通電発熱体とにおいて同量として，上記実施形態例１（図２）の構成のイオン電流検出用電極付きセラミックグロープラグを作製した。Ｓｉ₃Ｎ₄とＭｏＳｉ₂の総量に対するＹ₂Ｏ₃の添加量を，１〜３０重量％の範囲内において表１に示すように変更し，試料Ｎｏ．１〜６とした。次いで通電発熱体，イオン電流検出用電極，絶縁体ともにＹ₂Ｏ₃７重量％，Ａｌ₂Ｏ₃３重量％とした従来の組成によるヒータを作製し，比較用の試料（Ｎｏ．７）とした。
【００６１】
上記試料Ｎｏ．１〜７を用い，まず，通電の繰り返しによる抵抗値変化をしらべるため，通電１分，非通電１分の繰り返しを１サイクルとした冷熱試験を行った。このときのヒータ温度は初期に通電時の発熱による飽和温度を１４００℃にし，非通電時はファンによりヒータ温度を１００℃以下に冷却した。評価は各試料につき４本ずつ同様の試験を実施して，そのうちの１本が抵抗値上昇により通電時のヒータ飽和温度が１００℃低下して１３００℃になったサイクル数を寿命サイクルとした。表１に結果を示す。また，この時のガラス相の溶出の有無を表１に併せて記した。
【００６２】
次に，クラックの発生に関し，水中スポーリング試験を行った。まず，グロープラグに通電し，所定の飽和温度に発熱させた後，２０℃の水中に環状支持体から突出しているグロープラグ本体先端部を浸漬させ，表面に発生するクラックの有無を調査することにより評価した。
【００６３】
具体的には，飽和温度を５００℃として水中スポーリング試験を行い，クラックが発生していなければ，飽和温度を１００℃上げ，６００℃として水中スポーリング試験を行った。このようにして１４００℃まで，もしくはクラックが発生するまで，１００℃ずつ温度を上げて評価した。評価は各試料について４本ずつ同様の試験を実施し，結果を表１に併記した。
【００６４】
表１より，冷熱試験，ガラス溶出については，Ｙ₂Ｏ₃を単独で添加した試料Ｎｏ．１〜６のいずれも，従来組成の試料Ｎｏ．７に比べ，寿命が向上している。なお，寿命サイクルは市場での信頼性を考慮すると１００００サイクル以上であることが好ましく，試料Ｎｏ．１〜６では１００００〜１５０００ダイクルと良好な結果が得られている。
【００６５】
また，クラックの発生についても，試料Ｎｏ．１〜６ともに試料Ｎｏ．７より改善されており，特に，Ｙ₂Ｏ₃の添加量を３〜２５重量％とした試料Ｎｏ．２〜５では１４００℃においてもクラックの発生が全く見られなかった。
以上より，Ｙ₂Ｏ₃を３〜２５重量％添加することで，１４００℃という高温使用において抵抗値変化が小さく，ガラス溶出がなく，耐熱衝撃性のよいイオン検出用電極付きセラミックグロープラグが得られることがわかる。
【００６６】
【表１】

【００６７】
実施形態例３
本例においては，焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃の他に，他の希土類元素の酸化物を添加した試料を作製した。基本成分は，実施形態例２と同一とし，焼結助剤の種類と添加量を表２のように変更した。焼結助剤の添加量は通電発熱体，イオン検出用電極，と絶縁体において全て同量とした。そして，実施形態例２と同様にして試料を作製し（試料Ｎｏ．８〜１６），評価を行った。結果を表２に併記する。
【００６８】
表２の結果を従来組成の試料Ｎｏ．７（表１）と比較すると，全試料において冷熱試験結果が向上しており，ガラス溶出，クラックの発生も見られない。このように，Ｙ₂Ｏ₃と他の希土類元素の酸化物を組み合わせた場合でも，添加総量を３〜２５重量％とすることにより，通電発熱体の抵抗値変化が小さく，ガラス溶出がなく，耐熱衝撃性のよいイオン検出用電極付きセラミックグロープラグが得られる。
【００６９】
【表２】

【００７０】
実施形態例４
本例においては，焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃以外の希土類元素の酸化物を１種以上添加した試料を作製した。希土類元素の酸化物として，Ｙｂ₂Ｏ₃，Ｌａ₂Ｏ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃，およびこれらを組み合わせたものを用い，それぞれにつき，焼結助剤の添加総量が３重量％，２５重量％の２種類の試料を作製した。基本成分は実施形態例２と同一とし，焼結助剤の添加量は通電発熱体，イオン検出用電極，絶縁体において全て同量とした。そして，実施形態例２と同様にして試料を作製し（試料Ｎｏ．１７〜２６），評価を行った。結果を表３に示す。
【００７１】
表３の結果を従来組成の試料Ｎｏ．７（表１）と比較すると，全試料において冷熱試験結果が向上しており，ガラス溶出，クラックの発生も見られない。このように，焼結助剤としてはＹ₂Ｏ₃以外の他の希土類元素の酸化物のいずれを使用してもよく，その添加総量を３〜２５重量％とすることで，同様の効果が得られることがわかる。
【００７２】
【表３】

【００７３】
以上実施形態例２〜４の結果より，焼結助剤として希土類元素の酸化物を１種以上使用し，その添加総量を３〜２５重量％とすることにより，抵抗値変化が小さく，ガラス溶出がなく，耐熱衝撃性のよいイオン検出用電極付きグロープラグが実現できることがわかる。
【００７４】
実施形態例５
本例は，焼結助剤として１０重量％のＹ₂Ｏ₃の他に，Ａｌ₂Ｏ₃を０．０１〜７重量％添加して，Ｓｉ₃Ｎ₄の粒界相をガラス相と結晶相の混合体とした試料を作製した（試料Ｎｏ．２７〜３５）。試料の作製は，実施形態例２と同様に行った。また，評価方法も実施形態例２と同様に，冷熱試験と水中スポーリング試験により行った。その結果を表４に示す。なお，粒界相中の結晶相の割合は結晶化率により表している。結晶化率は，Ｘ線回折装置の結晶相ピーク強度と透過電子顕微鏡の原子構造との比較を行いながら，算出した。
【００７５】
表４の結果より，従来組成（試料Ｎｏ．２７）の結晶化率０％のものより，少しでも結晶化している試料Ｎｏ．２８〜３５は，いずれも寿命が向上していることがわかる。その中でも，試料Ｎｏ．３０〜３５の結晶化率が５％以上のものは，極めて良好な結果が得られた。また，水中スポーリング試験におけるクラック発生温度についても，試料Ｎｏ．３０〜３５までの結晶化率５％以上のものは良好な結果が得られている。
【００７６】
以上より，特に結晶化率５％以上のものは，寿命サイクルが長く，ガラス溶出が無く，耐熱衝撃性の良い，イオン検出用電極付きセラミックグロープラグが実現できる。
なお，本例は焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃添加の場合を示したが，その他の希土類酸化物の焼結助剤を利用しても同様の結果が得られる。
【００７７】
【表４】

【００７８】
実施形態例６
上記の実施形態例２〜５においては導電性セラミックとしてＭｏＳｉ₂を用いた場合について示したが，導電性セラミックとして他の金属の炭化物，窒化物，ホウ化物を用いた場合においても同様の効果が得られる。本例においては，これを確認するため，表５に示すごとく，導電性セラミックをＷＣ，ＴａＣ，ＴｉＮ，ＺｒＢ₂に変更し，それぞれについて，焼結助剤の添加量を上記試料Ｎｏ．３（Ｙ₂Ｏ₃：１０重量％），試料Ｎｏ．７（Ｙ₂Ｏ₃：７重量％，Ａｌ₂Ｏ₃：３重量％）と同じにした２種類の試料を作製し（試料Ｎｏ．３６〜４３），実施形態例２と同様の試験を行った。
【００７９】
結果を表５に併記する。表５より明らかなように，導電性セラミックの種類を変更した場合においても，Ｙ₂Ｏ₃添加量を１０重量％添加して粒界相に結晶相を設けることにより，抵抗値変化が小さく，ガラス溶出がなく，耐熱衝撃性のよいイオン検出用電極付きセラミックグロープラグが得られる。なお，その他の希土類酸化物１種以上を焼結助剤に利用しても同様の効果が得られる。
【００８０】
【表５】

【００８１】
実施形態例７
本例は，図１５に示すごとく，実施形態例１のグロープラグ作動回路（図１１）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５５のみに代えたものである。
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。
【００８２】
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。
【００８３】
実施形態例８
本例は，図１６に示すごとく，イオン検出用電極３を，Ｕ字状の通電発熱体２の下端に一体的に設けた例である。本例におけるイオン検出用電極３は，実施形態例１と同様に，その粒界相に第２結晶相を有する。また，通電発熱体２の一方のリード線２２０を，絶縁体１１の上端に設けた端子部３１に接続し，リード線２２０とイオン検出用電極３との端子部を共用した。
【００８４】
この場合の作動回路を図１７に示す。同図より知られるように，通電発熱体２の加熱用回路とイオン電流検出回路には，それぞれグローリレー５３，５３１，イオンリレー５３０を設けてあり，これらはＥＣＵ５２からの指令信号により，スイッチ切替されるよう構成されている。そして，作動状態としては常に通電発熱体加熱状態か，イオン電流検出状態のどちらか一方の回路構成となるようになっている。
その他は，実施形態例１と同様の効果を得ることができる。
なお，本例では，上記端子部３１を通電発熱体２とイオン検出用電極３の端子部として共用しているので，構造が簡単である。
【００８５】
実施形態例９
本例は，図１８に示すごとく，実施形態例４におけるイオン検出用電極３の露出部分３０を含む先端部分３０１だけにおいて，その粒界相を結晶化させた。そして，先端部分３０１以外の他部分３０２は，従来と同様に粒界相をガラス相とした。その他は実施形態例４と同様である。
この場合においても，イオン検出用電極３の露出部分３０の破損がなく，実施形態例４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，イオン検出用電極の混合焼結体組織を示す図面代用写真（倍率３５０倍）。
【図４】実施形態例１における，イオン検出用電極の混合焼結体組織を示す図面代用写真（倍率１０００倍）。
【図５】実施形態例１における，イオン検出用電極の混合焼結体組織を示す図面代用写真（倍率２０００倍）。
【図６】実施形態例１における，イオン検出用電極の混合焼結体組織を示す説明図。
【図７】図６のＭ部分の拡大説明図。
【図８】Ｓｉ₃Ｎ₄−ＳｉＯ₂−Ｙ₂Ｏ₃の三元系状態図における，第２結晶相の組成を示す説明図。
【図９】実施形態例１における，通電発熱体の成形体の斜視図。
【図１０】実施形態例１における，イオン検出用電極の成形体の斜視図。
【図１１】実施形態例１における，グロープラグ作動回路図。
【図１２】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１３】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１４】実施形態例１における，燻り判定フローチャート。
【図１５】実施形態例７における，グロープラグ作動回路図。
【図１６】実施形態例８における，（Ａ）グロープラグ本体の断面図，（Ｂ）上記（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図１７】実施形態例８における，グロープラグ作動回路図。
【図１８】実施形態例９における，グロープラグ本体の断面図。
【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，
２１，２２，２２０．．．リード線，
３．．．イオン検出用電極，
４．．．ハウジング，
４５．．．シリンダヘッド，
４５１．．．渦流室，
Ｋ．．．第１結晶相，
Ｒ．．．粒界相，
Ｈ．．．第２結晶相，[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a glow plug for promoting ignition and combustion of fuel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in gasoline engines and diesel engines, it has been demanded to further reduce exhaust gas and smoke from the viewpoint of environmental protection. In order to meet these demands, various engine improvements and post-treatments (catalyst purification, etc.) are being considered to reduce emissions, improve fuel and lubricating oil properties, and improve various engine combustion control systems.
[0003]
In recent engine combustion control systems, it is required to detect the combustion state of the engine, and it has been considered to detect the combustion state of the engine by detecting in-cylinder pressure, combustion light, ion current, and the like. Yes. In particular, it is considered that detecting the combustion state of an engine with an ionic current is extremely useful because a chemical reaction accompanying combustion can be directly observed, and various ion current detection methods have been proposed.
[0004]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 7-259597, a sleeve-like ion detection electrode insulated from the injection nozzle and the cylinder head of the engine is attached to the mounting seat of the fuel injection nozzle, and this is connected to an external detection circuit. A method of detecting an ionic current associated with combustion of fuel by connecting to a gas is disclosed.
U.S. Pat. No. 4,739,731 discloses an ion current detection sensor using a ceramic glow plug.
[0005]
In these techniques, a platinum conductive layer is attached to the surface of the glow plug heater (electric heating element), and the conductive layer is insulated from the combustion chamber and the glow plug mounting bracket. Then, an ion current measuring power source (DC 250 V) is applied to the conductive layer from the outside to detect the ion current accompanying fuel combustion.
[0006]
[Problems to be solved]
However, the above conventional techniques have the following problems.
That is, in the former technique (Japanese Patent Laid-Open No. 7-259597), for detecting the ionic current, a sleeve-like ion detection electrode insulated from other parts must be installed, and the selection of the material is required. In addition, complicated work is required in the processing.
Therefore, there is a problem that the ion detection electrode has a very expensive configuration. Furthermore, there is a drawback that the fuel injection nozzle and the ion detection electrode and between the ion detection electrode and the cylinder head are short-circuited by carbon generated in the combustion chamber and become unusable at an early stage.
[0007]
In the latter technique (US Pat. No. 4,739,731), the ion detection electrode is provided separately from the energization heating element, and the two are connected to different power sources, resulting in a complicated structure. There were drawbacks. In addition, there was a risk that the ion detection electrode could be damaged by thermal shock due to a sudden temperature change when using the glow plug. In addition, in order to ensure the heat resistance and wear resistance of the ion detection electrode, a large amount of expensive noble metal such as platinum is required, so that the glow plug itself is very expensive.
[0008]
The present invention has been made in view of such a problem, and there is no problem of carbon adhesion, an ion current can be detected with high accuracy, an ion detection electrode is not damaged, and a glow plug excellent in durability is provided. It is something to be offered.
[0009]
[Means for solving problems]
The invention of claim 1 is a glow plug comprising a housing and a main body supported in the housing.
The body has an insulator made of ceramic ,
An energization heating element made of ceramic provided inside the insulator and a pair of lead wires electrically connected to both ends of the energization heating element and led out of the insulation;
An ion detection electrode made of ceramic for detecting the state of ionization in the flame disposed inside the insulator;
The ion detection electrode comprises at least an exposed portion in contact with the flame made of a conductive mixed sintered body in which insulating ceramic particles are wrapped with conductive ceramic particles, and a rare earth as a sintering aid. Contains one or more elemental oxides,
The structure of the mixed sintered body is composed of a first crystal phase and a grain boundary phase therebetween, and part or all of the grain boundary phase is crystallized into a second crystal phase containing the sintering aid. There is a glow plug characterized by that.
[0010]
The most notable aspect of the present invention is that an energization heating element and an ion detection electrode are disposed inside the insulator, and the ion detection electrode has at least an exposed portion in contact with the flame. , Comprising the above-mentioned conductive mixed sintered body and containing at least one rare earth element oxide as a sintering aid, and the structure of the mixed sintered body is composed of the first crystal phase and the grains between them. It consists of a boundary phase, and a part or all of the grain boundary phase is crystallized to become the second crystal phase containing the sintering aid.
[0011]
That is, the ion detection electrode according to the present invention comprises a first crystal phase which is a conductive ceramic or an insulating ceramic, or a crystal phase of both, and a grain boundary phase existing therebetween (FIGS. 3 to 6). This grain boundary phase is generally an amorphous glass as a whole in a mixed sintered body. On the other hand, the grain boundary phase in the present invention is most characterized in that a part or all of it is crystallized to become the second crystal phase (FIG. 7).
[0012]
In arranging the energization heating element and the ion detection electrode in the insulator, for example, as shown in FIG. 9 and FIG. 10, both molded products are prepared in advance and embedded in the insulator powder. Integrally molded with
Alternatively, the energized heating element molded product and the ion detection electrode molded product are sandwiched and arranged between two separate molded insulators.
Each of the molded products of these insulators, energization heating elements, and ion detection electrodes is made of, for example, ceramic powder as a main component, and a mixture in which paraffin wax and other resin are mixed. This is produced by injection molding.
[0013]
In producing the molded article of the ion detection electrode, a raw material to which a sintering aid made of the rare earth oxide is added in addition to the conductive ceramic particles and the insulating ceramic particles is used. As a result, the mixed sintered body of the raw material is composed of the first crystal phase and the grain boundary phase therebetween, as described above, and a part or all of the grain boundary phase is crystallized to contain the sintering aid. It becomes the second crystal phase.
[0014]
As for the energization heating element or the insulator, as in the case of the ion detection electrode, a raw material to which a sintering aid made of the rare earth element oxide is added in addition to the conductive ceramic particles and the insulating ceramic particles. Is preferably used. As a result, the energization heating element or the insulator can also have an excellent structure having the second crystal phase by crystallization of part or all of the grain boundary phase between the first crystal phases.
[0015]
Next, the effects of the present invention will be described.
First, the glow plug of the present invention generates heat by passing an electric current through the energization heating element, and promotes ignition and combustion in the combustion chamber by the heating.
The ion detection electrode detects the state of ionization in the combustion flame. That is, at the time of detection of ion current, the ion detection electrode and the inner wall (cylinder head) of the combustion chamber adjacent to the electrode are two electrodes for capturing positive ions and negative ions at the time of fuel combustion existing between them. Form.
[0016]
As a result, the ion current can be detected with high accuracy, and the information can be effectively used for combustion control. Further, since the glow plug is provided with the original combustion chamber heating function (glow function) and ion current detection function, the structure is compact and can be manufactured at low cost.
[0017]
Also, the ion detection electrode may have carbon adhering to its surface with fuel combustion, and the adhering carbon is burned out by heating operation of the heating element (for example, glow operation at low temperature start of the engine). be able to. Therefore, the ion current can be accurately detected over a long period of time.
[0018]
In the present invention, at least the exposed portion in contact with the flame is made of the mixed sintered body having the above-described structure in the ion detection electrode. That is, the structure of the mixed sintered body is composed of the first crystal phase and the grain boundary phase between them (FIG. 6), and a part or all of the grain boundary phase is crystallized to contain the second crystal containing the sintering aid. It is a phase (Fig. 7).
[0019]
Therefore, the melting point of the grain boundary phase and the corrosion resistance can be improved as compared with the conventional case where the grain boundary phase is an amorphous glass phase having no second crystal phase.
Therefore, the thermal shock resistance, oxidation resistance, and corrosion resistance of the ion detection electrode can be improved to prevent damage, and the reliability of ion detection accuracy and the reliability of the glow plug can be improved. .
[0020]
In addition, the glow plug of the present invention has a simple structure because the energization heating element, the lead wire, and the ion detection electrode are integrally provided inside the insulator.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a glow plug that can detect an ion current with high accuracy without causing a problem of carbon adhesion, has no damage to an ion detection electrode, and has excellent durability.
[0021]
Next, as in the second aspect of the invention, the total amount of the sintering aid in the ion detection electrode is 3 to 25% by weight with respect to the total amount of the conductive ceramic and the insulating ceramic. Is preferred. When the amount is less than 3% by weight, there is a problem that densification of the mixed sintered body cannot be promoted and it is difficult to form a second crystal phase in the grain boundary phase. On the other hand, when it exceeds 25% by weight, there is a problem that the grain boundary phase forms a glass phase without crystallizing, the grain boundary phase has a low melting point, and the thermal shock and corrosion resistance deteriorate.
[0022]
Further, as in the invention of claim 3, it is preferable that the second crystal phase in the ion detection electrode is present in the grain boundary phase by 5% or more. If it is less than 5%, there is a problem that the above-mentioned effects such as high melting point, oxidation resistance and corrosion resistance are not exhibited so much due to the presence of the second crystal phase.
[0023]
According to a fourth aspect of the present invention, the insulating ceramic is silicon nitride, and the conductive ceramic is one or more of metal carbide, silicide, nitride, or boride. preferable. In this case, the second crystal phase can be easily formed.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1
A glow plug according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The glow plug of this example is a ceramic glow plug used as a starting assist device for a diesel engine.
As shown in FIG. 1, the glow plug 1 of this example includes a main body 10 and a housing 4 in which the main body 10 is mounted. The main body 10 includes an insulator 11, an energization heating element 2 provided inside the insulator 11, and a pair that is electrically connected to both ends of the energization heating element 2 and led out of the insulator 11. Lead

wires

21 and 22.
[0025]
Moreover, it has the electrode 3 for ion detection for detecting the state of ionization in the flame, which is disposed inside the insulator 11.
The ion detection electrode 3 of the present example includes an exposed portion 30 that comes into contact with the flame, and is entirely composed of a conductive mixed sintered body in which insulating ceramic particles are encapsulated with conductive ceramic particles. It contains at least one rare earth oxide as a binder.
[0026]
As shown in FIGS. 3 to 6, the structure of the mixed sintered body is composed of the first crystal phase K (FIG. 6) and the grain boundary phase R therebetween. Then, as shown in FIG. 7, a part or all of the grain boundary phase R is crystallized to become the second crystal phase H containing the sintering aid.
3 to 5 are SEM photographs of the cross-sectional structure of the mixed sintered body, and the magnifications are 350 times, 1000 times, and 2000 times, respectively. 3 to 5, the black portion and the white portion are the first crystal phase K, the black portion is the Si ₃ N ₄ crystal phase, and the white portion is the MoSi ₂ crystal phase. The range of several nm in width at the boundary between the black part and the white part is the grain boundary phase R.
[0027]
FIG. 6 is an explanatory diagram for facilitating understanding of the above structure, and shows a state in which a grain boundary phase R exists between the first crystal phases K made of _three Si ₃ N _4. . FIG. 7 shows a state in which the M portion in FIG. 6 is enlarged, and shows that the grain boundary phase is crystallized and exists as the second crystal phase H. As a result of X-ray diffraction, it was found that 60% or more of the grain boundary phase R shown in these figures was crystallized.
[0028]
In addition, since the sintering aid of this example is Y ₂ O ₃ , the crystal is apatite at point A shown in the ternary phase diagram of Si ₃ N ₄ , SiO ₂ , Y ₂ O ₃ shown in FIG. (Y ₁₀ (SiO ₄ ) ₆ N ₂ ), B point warrestnite (YSiO ₂ N), C point YAM (Y ₄ Si ₂ O ₇ N ₂ ), D point melilite (Y ₂ Si ₃ 0 ₃ N ₄₎ It was found to contain at least one of the four types. Here, SiO ₂ is contained as an impurity in Si ₃ N ₄ as an insulating ceramic material.
In addition, it is preferable that the crystal has a high proportion of point A apatite (Y ₁₀ (SiO ₄ ) ₆ N ₂ ) which is excellent in oxidation resistance.
The presence or absence of crystallization can be confirmed by X-ray diffraction and TEM. Conventionally, the grain boundary phase R is a glass phase.
[0029]
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, the main body 10 is fixed in a metal housing 4 via a metal annular support 41.
One lead wire 21 of the energization heating element 2 rises inside the insulator 11 and is electrically connected to the internal lead wire 231 through a conductive terminal portion 23 provided on the side surface of the main body 10. Has been. The other lead wire 22 is electrically connected to the housing 4 via the annular support 41.
The upper portion of the ion detection electrode 3 is electrically connected to the internal lead wire 33 via a conductive terminal portion 31 provided at the upper end portion of the insulator 11.
[0030]
On the other hand, the housing 4 has the annular support 41 and, as shown in FIG. The housing 4 has a male screw portion 43 for mounting on the cylinder head 45 of the engine. A rubber bush 421 is fitted into the upper opening of the protective cylinder 42. Further, external

lead wires

233 and 333 are inserted through the rubber bushing 421, and these are connected to the internal

lead wires

231 and 33 via

connection terminals

232 and 332, respectively.
Therefore, the external lead wire 233 is electrically connected to one end of the energization heating element 2, and the external lead wire 333 is electrically connected to the ion detection electrode 3.
[0031]
As described above, the other end of the energization heating element 2 is electrically connected to the housing 4 via the annular support 41 (FIG. 1).
Further, as shown in FIG. 1, the tip (lower end) of the main body 10 is formed in a hemispherical shape, and the tip 30 of the ion detection electrode 3 is exposed.
[0032]
Next, in manufacturing the glow plug body 10, first, as shown in FIGS. 9 and 10, a molded product 29 of the U-shaped energization heating element 2 and a molded product 39 of the rod-shaped ion detection electrode 3 are prepared. To do. These molded

products

29 and 39 are mainly composed of a ceramic powder for the energization heating element 2 and the ion detection electrode 3, respectively, and this is mixed with paraffin wax and other resin, and injection molding is performed using the mixture. . Alternatively, the powder is produced as it is by press molding.
The

lead wires

21 and 22 are connected simultaneously with the molding. The lead wire is made of a refractory metal such as tungsten or molybdenum or an alloy thereof.
[0033]
And the molded

products

29 and 39 are embedded in the ceramic powder for the insulator 11, and these are pressure-fired integrally with a hot press. Firing is performed under a pressure of 500 kgf / cm ² under an atmosphere of argon gas at 1 atm. Each change in the firing temperature condition due to a change in the amount of sintering aid is performed under optimum conditions. It carried out in the range of 1500-1900 degreeC.
As a result, a glow plug body 10 incorporating the energization heating element 2 and the ion detection electrode 3 is obtained.
[0034]
The raw materials for the ion detection electrode 3 in this example include silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) as an insulating ceramic, molybdenum silicide (MoSi ₂ ) as a conductive ceramic, and a sintering aid. A mixture with yttrium oxide (Y ₂ O ₃ ) was used. Then, by making the particle size of Si ₃ N ₄ larger than that of MoSi ₂ , insulating Si ₃ N ₄ particles become a structure surrounded by conductive MoSi ₂ particles that are continuous with each other, thereby exhibiting conductivity. Specifically, for example, MoSi ₂ having an average particle diameter of 1 μm and Si ₃ N ₄ having an average particle diameter of 13 μm are used.
The energization heating element 2 was the same as the ion detection electrode 3 described above.
[0035]
The insulator 11 is made of a ceramic sintered body having MoSi _{2 as} a conductive ceramic and Si ₃ N ₄ as an insulating ceramic as basic components and added with Y ₂ O ₃ as a sintering aid. Then, the particle size the Si ₃ N _4, by the same or slightly smaller and MoSi _2, conductive MoSi ₂ particles becomes tissue divided surrounded by insulating the Si ₃ N ₄ particles, the insulating To express. Specifically, for example, MoSi ₂ having an average particle diameter of 0.9 μm and Si ₃ N ₄ having an average particle diameter of 0.6 μm can be used.
[0036]
As the conductive ceramic in the energization heating element 2, the ion detection electrode 3 or the insulator 11, a metal carbide, silicide, nitride, or boride other than the above-described MoSi ₂ may be used. Use a kind. The blending ratio of the conductive ceramic and the insulating ceramic is appropriately selected within a range of, for example, 10 to 40:90 to 60 (% by weight).
[0037]
It is more preferable that the mixing ratio is the same or close to the energization heating element 2, the ion detection electrode 3, and the insulator 11 because the difference in thermal expansion coefficient and the like is reduced. As a sintering aid, oxides of rare earth elements other than Y ₂ O ₃ , for example, oxides of ytterbium, lanthanum, neodymium, etc. may be used, and one or more selected from these may be used.
[0038]
Next, the glow plug 1 constituted by the main body 10 and the housing 4 as described above is mounted by screwing the male thread portion of the housing 4 into the cylinder head 45 of the engine as shown in FIG. Thus, the tip of the glow plug body 10 is mounted in a state of protruding into the vortex chamber 451 that is a part of the combustion chamber of the cylinder head 45. Reference numeral 457 is a main combustion chamber, 458 is a piston, and 459 is a fuel injection nozzle.
[0039]
The glow plug 1 is connected to a glow plug operation circuit as shown in FIG.
That is, the lead wire 21 at one end of the energization heating element 2 is connected to the metal cylinder head 45 through the external lead wire 233, glow relays 53, 531, and a 12-volt battery 54. Furthermore, it is connected to the other end of the energization heating element 2 via the cylinder head 45, the housing 4, the annular support 41, and the lead wire 22 (FIG. 1) of the main body 10.
Thereby, a heating circuit for the energization heating element 2 is formed.
[0040]
Further, the external lead wire 333 of the ion detection electrode 3 is connected to the cylinder head 45 via the ion current detection resistor 521 and the DC power source 51. The ion current detection resistor 521 is provided with a potentiometer 522 for detecting an ion current, which is connected to an ECU (electronic control unit) 52. The ECU 52 is connected to the glow relays 53 and 531, the engine coolant temperature sensor 525, and the engine speed sensor 526.
[0041]
When the glow plug 1 shown in FIG. 11 is used, the glow relays 53 and 531 are first turned on by the ECU 52 when the engine is started. Therefore, the battery 54 and the energization heating element 2 of the glow plug are closed, and the energization heating element 2 of the glow plug body 10 is energized to generate heat. Therefore, the glow plug 1 is in a heated state, the vortex chamber 451 is heated, and the ignition temperature rises.
Therefore, each time fuel is injected from the fuel injection nozzle 459, the fuel is ignited, the piston 458 is activated, and the engine is driven.
[0042]
On the other hand, when the fuel is burning, ions are generated as described above, and the ion current is detected by the ion detection electrode 3, the ion current detection resistor 521, and the potentiometer 522.
That is, a voltage is applied between the ion detection electrode 3 of the glow plug body 10 and the cylinder head 45 by a DC power source 51 of 12 volts.
[0043]
Therefore, with the generation of active ions in the combustion flame zone in the vortex chamber 451, an ionic current flows through a current path including the ionic current detection resistor 521.
The ion current detection resistor 521 has a resistance of about 500 kΩ, and the ion current flowing therethrough is detected by the potentiometer 522 as a potential difference between both ends thereof.
[0044]
Here, the principle of detection of ion current is outlined.
When the fuel injected from the fuel injection nozzle 459 is burned in the vortex chamber 451, a large amount of ionized positive ions and negative ions are generated in the combustion flame zone. At this time, since a battery voltage is applied between the ion detection electrode 3 and the cylinder head 45 facing the ion detection electrode 3, negative ions are captured by the ion detection electrode 3 and positive by the cylinder head 45. Ions are captured.
As a result, the current path is formed, and the ionic current flowing through the current path is detected as a potential difference between both ends of the ionic current detection resistor 521.
[0045]
On the other hand, the ECU 52 is configured around a known microcomputer and A / D converter (both not shown) comprising a CPU, ROM, RAM, input / output circuit, etc., and receives a detection signal detected by the potentiometer 522. To do.
Further, the ECU 52 receives a detection signal from a water temperature sensor 525 for detecting the temperature of the engine cooling water and a detection signal from the rotation speed sensor 526 for detecting the engine rotation speed in accordance with the engine crank angle. Detects the water temperature Tw and the engine speed Ne based on each detection signal.
[0046]
The ECU 52 heats the energization heating element 2 of the glow plug 1 to promote fuel ignition and combustion when the diesel engine is started at a low temperature. Also, the ion current is detected immediately after the diesel engine is started.
It should be noted that at the beginning of the engine start, the glow relays 53 and 531 are in an on state, and the energization heating element 2 is maintained in a heated state.
[0047]
Hereinafter, the on / off switching process of the glow relays 53 and 531 will be described with reference to the flowchart of FIG. FIG. 12 is executed by interruption processing for a predetermined time.
First, when the processing of FIG. 12 is started, the ECU 52 first determines in step 11 whether the engine warm-up has been completed and whether the glow relays 53 and 531 are off. At the beginning of the engine start, step 11 is negatively determined, and the ECU 52 reads the water temperature Tw and the engine speed Ne in the subsequent step 12.
[0048]
Thereafter, in step 13, it is determined whether or not the water temperature Tw is equal to or higher than a predetermined warm-up completion temperature (60 ° C. in this embodiment), and in step 14, the engine speed Ne is set to a predetermined speed (this embodiment). In the example, it is determined whether or not it has reached 2000 rpm) or more.
At this time, if both

steps

13 and 14 are negatively determined, it is considered that the warm-up of the engine has not been completed and heating by the energization heating element 2 of the glow plug is necessary, and the routine proceeds to step 15.
[0049]
If either step 13 or 14 is positively determined, it is assumed that the engine has been warmed up or that heating by the glow plug 1 is unnecessary, and the routine proceeds to step 16.
[0050]
When the routine proceeds to step 15, the glow relays 53 and 531 are kept on. In this state, the ignition and combustion of the fuel is continued by the heat generating action of the glow plug 1.
When the routine proceeds to step 16, the ECU 52 turns off the glow relays 53 and 531.
[0051]
Next, FIG. 13A is a current waveform diagram when ionic current generated during fuel combustion is observed using an oscilloscope. In the figure, the waveform in which the voltage rapidly increases immediately after the fuel injection timing (compression TDC) is the ion current waveform due to the combustion of fuel, and the point A corresponds to the combustion start position, that is, the ignition timing.
Two peaks are observed in this ion current waveform. That is, in the early stage of combustion, the first peak B1 is observed due to the active ions in the diffusion flame zone, and in the late stage of combustion, the second peak B2 is observed due to reionization due to the increase in the in-cylinder pressure.
[0052]
In this case, the ECU 52 detects the actual ignition timing from the first peak B1 of the ion current waveform, and performs feedback control of the ignition timing so as to eliminate the difference between the detected actual ignition timing and the target ignition timing. .
The ECU 52 detects a combustion state such as abnormal combustion or misfire from the second peak B2 of the ion current waveform, and reflects the detection result in the fuel injection control. By reflecting the ionic current in the fuel injection control of the engine in this way, it becomes possible to finely control the operating state of the engine.
[0053]
Next, when carbon (soot) generated by fuel combustion adheres to the ion detection electrode 3 of the glow plug, that is, when sag occurs, the ion current is measured at the fuel injection timing as shown in FIG. A phenomenon occurs in which it is low before and then rises (compare (A) and (B) in FIG. 13). It should be noted that Ith in FIG. 13B represents a peak value determination level (threshold value) for determining whether or not the glow relays 53 and 531 are turned on by determining the turning state.
Therefore, when such a wrinkle phenomenon occurs, the glow relays 53 and 531 are turned on, the energizing heating element 2 is heated, and the attached carbon is burned out.
[0054]
FIG. 14 is a flowchart in which this carbon burn-out operation is performed by the ECU 52 in the circuit of FIG.
That is, when the glow relays 53 and 531 are in the OFF state in step 21 in the figure, it is determined in step 22 whether or not the abnormal ion current (FIG. 13B) as described above is detected at the fuel injection timing. If not, the process proceeds to step 24 and the glow relays 53 and 531 remain off.
On the other hand, when an abnormal ion current is detected, the routine proceeds to step 23, where the glow relays 53 and 531 are turned on, and the energization heating element 2 of the glow plug is heated to burn out the carbon.
[0055]
As described above, in the glow plug of this example, the energization heating element 2, the

lead wires

21 and 22, and the ion detection electrode 3 are provided inside the insulator 11, and these are integrally configured. Therefore, the glow operation (heating operation) by the energization heating element 2 and the ion current detection by the ion detection electrode 3 can be achieved by one glow plug.
[0056]
Further, even when carbon is attached to the ion detection electrode 3, the carbon is burned off by heating the energization heating element 2 near the ion detection electrode 3, so that the ion detection electrode 3 is in a normal state. Can be. Therefore, the ion current can be detected with high accuracy.
Further, since the tip of the insulator 11 has a hemispherical shape, it can absorb the thermal shock in the combustion chamber.
[0057]
Further, in this example, the grain boundary phase is crystallized to have the second crystal phase. Therefore, the durability of the ion detection electrode of this example can be improved.
In other words, when the grain boundary phase is a glass phase, the glass phase has a relatively low melting point, and therefore the grain boundary phase softens and elutes at high temperatures (up to about 1400 ° C) during actual use of the glow plug. There is. When sprayed fuel hits the glass phase directly, cracks are generated on the surface of the ion detection electrode due to the thermal shock.
[0058]
On the other hand, in this example, most of the grain boundary phase R is crystallized into the second crystal phase H as described above. This second crystal phase has a higher melting point than the glass phase, and there is no risk of softening and elution as in the prior art.
Therefore, the ion detection electrode of this example is resistant to thermal shock and is not damaged.
[0059]
Embodiment 2
In this example, the following test was performed in order to confirm the effect of the present invention.
First, a test sample was prepared as follows. The basic components of the insulator, the heating element, and the ion current detection electrode are all 70Si ₃ N ₄ -30MoSi ₂ (% by weight). The insulator has MoSi ₂ with an average particle size of 0.9 μm and an average particle size of 0. the Si ₃ N ₄ of .6Myuemu, average particle size in the energization heater, and an ion detection electrode is an average particle size of MoSi ₂ of 0.9μm was used Si ₃ N ₄ of 13 .mu.m.
[0060]
Y ₂ O ₃ is used as a sintering aid, and the amount of addition is the same in the insulator and energization heating element, and the ceramic glow plug with an ion current detection electrode of the configuration of the first embodiment (FIG. 2) is used. Was made. The amount of Y ₂ O ₃ added to the total amount of Si ₃ N ₄ and MoSi ₂ was changed as shown in Table 1 within the range of 1 to 30% by weight. 1-6. Next, a heater with a conventional composition in which the heating element, the electrode for detecting the ionic current, and the insulator were 7% by weight of Y ₂ O _{3 and 3} % by weight of Al ₂ O ₃ was prepared, and a comparative sample (No. 7) and did.
[0061]
Sample No. above. 1 to 7, first, in order to investigate the resistance value change due to repeated energization, a cooling test was performed with one cycle of energization for 1 minute and non-energization for 1 minute. At this time, the heater temperature was initially set to a saturation temperature of 1400 ° C. due to heat generation during energization, and when not energized, the heater temperature was cooled to 100 ° C. or less by a fan. For the evaluation, the same test was carried out for each of four samples, and one of them was defined as the life cycle when the heater saturation temperature during energization decreased by 100 ° C. to 1300 ° C. due to the increase in resistance value. Table 1 shows the results. In addition, the presence or absence of elution of the glass phase at this time is also shown in Table 1.
[0062]
Next, an underwater spalling test was conducted on the occurrence of cracks. First, energize the glow plug to generate heat to a predetermined saturation temperature, and then immerse the tip of the glow plug body protruding from the annular support in water at 20 ° C to investigate the presence of cracks on the surface. It was evaluated by.
[0063]
Specifically, an underwater spalling test was performed at a saturation temperature of 500 ° C., and if no crack was generated, the underwater spalling test was performed at a saturation temperature of 100 ° C. and 600 ° C. In this way, the temperature was increased by 100 ° C. until 1400 ° C. or cracks were generated. For the evaluation, the same test was performed for each of the four samples, and the results are shown in Table 1.
[0064]
From Table 1, for the cooling test and glass elution, sample No. 1 with Y ₂ O ₃ added alone was used. Samples Nos. 1 to 6 having the conventional compositions were used. Compared to 7, life is improved. The life cycle is preferably 10,000 cycles or more in consideration of reliability in the market. For 1 to 6, good results were obtained with 10000 to 15000 dicicles.
[0065]
Regarding the occurrence of cracks, Sample No. Samples No. 1-6 In particular, the sample No. 7 was adjusted so that the added amount of Y ₂ O ₃ was 3 to 25% by weight. In Nos. 2 to 5, no cracks were observed even at 1400 ° C.
From the above, by adding ₃ to 25% by weight of Y ₂ O ₃ , a ceramic glow plug with an ion detection electrode having a small resistance change at a high temperature of 1400 ° C., no glass elution, and good thermal shock resistance can be obtained. I understand that
[0066]
[Table 1]

[0067]
Embodiment 3
In this example, a sample was prepared by adding other rare earth element oxides in addition to Y ₂ O ₃ as a sintering aid. The basic components were the same as those in Example 2, and the type and amount of the sintering aid were changed as shown in Table 2. The amount of sintering aid added was the same in all of the heating element, ion detection electrode, and insulator. And the sample was produced similarly to Embodiment 2 (sample No. 8-16), and evaluation was performed. The results are also shown in Table 2.
[0068]
The results of Table 2 show the results of sample Nos. With conventional compositions. Compared with 7 (Table 1), the results of the cold test are improved in all samples, and no glass elution or cracks are observed. In this way, even when Y ₂ O ₃ and other rare earth element oxides are combined, by making the total addition amount 3 to 25% by weight, the resistance value change of the heating element is small and there is no glass elution, A ceramic glow plug with an ion detection electrode having good thermal shock resistance can be obtained.
[0069]
[Table 2]

[0070]
Embodiment 4
In this example, a sample was prepared in which at least one oxide of rare earth elements other than Y ₂ O ₃ was added as a sintering aid. As rare earth element oxides, Yb ₂ O ₃ , La ₂ O ₃ , Nd ₂ O ₃ , and combinations thereof were used, and the total amount of sintering aid added was 3 wt% and 25 wt%, respectively. Two types of samples were prepared. The basic components were the same as those in Example 2, and the amount of the sintering aid added was the same in all of the energization heating element, the ion detection electrode, and the insulator. And the sample was produced similarly to Embodiment 2 (sample No. 17-26), and evaluation was performed. The results are shown in Table 3.
[0071]
The results of Table 3 show the conventional sample Nos. Compared with 7 (Table 1), the results of the cold test are improved in all samples, and no glass elution or cracks are observed. Thus, any of the rare earth element oxides other than Y ₂ O ₃ may be used as the sintering aid, and the same effect can be obtained by setting the total addition amount to 3 to 25% by weight. It turns out that it is obtained.
[0072]
[Table 3]

[0073]
From the results of Embodiment Examples 2 to 4, the use of one or more rare earth element oxides as sintering aids, and the total amount added is 3 to 25% by weight, so that the resistance change is small and glass elution is achieved. It can be seen that a glow plug with an ion detection electrode with good thermal shock resistance can be realized.
[0074]
Embodiment 5
In this example, 0.01 to 7% by weight of Al ₂ O ₃ is added in addition to 10% by weight of Y ₂ O ₃ as a sintering aid, and the grain boundary phase of Si ₃ N ₄ is converted into a glass phase and a crystal. Samples were prepared as a mixture of phases (Sample Nos. 27 to 35). The sample was manufactured in the same manner as in the second embodiment. In addition, the evaluation method was the same as in Example 2 by a cold test and an underwater spalling test. The results are shown in Table 4. The ratio of the crystal phase in the grain boundary phase is expressed by the crystallization rate. The crystallization rate was calculated while comparing the crystal phase peak intensity of the X-ray diffractometer with the atomic structure of the transmission electron microscope.
[0075]
From the results in Table 4, the sample No. 27 was crystallized as much as possible from the conventional composition (sample No. 27) having a crystallization rate of 0%. It can be seen that the lifetimes of 28 to 35 are all improved. Among them, sample No. When the crystallization ratio of 30 to 35 was 5% or more, extremely good results were obtained. In addition, regarding the crack initiation temperature in the underwater spalling test, the sample No. Good results are obtained with crystallization ratios of 30% to 35% or more.
[0076]
As described above, a ceramic glow plug with an ion detection electrode having a long life cycle, no glass elution, and good thermal shock resistance can be realized particularly when the crystallization rate is 5% or more.
Although this example shows the case where Y ₂ O ₃ and Al ₂ O _{3 are} added as sintering aids, similar results can be obtained by using other rare earth oxide sintering aids.
[0077]
[Table 4]

[0078]
Embodiment 6
In the above embodiment examples 2 to 5, the case where MoSi ₂ is used as the conductive ceramic is shown. However, the same effect can be obtained when a carbide, nitride or boride of another metal is used as the conductive ceramic. can get. In this example, in order to confirm this, as shown in Table 5, the conductive ceramic was changed to WC, TaC, TiN, ZrB _2, and the addition amount of the sintering aid was changed to the above-mentioned sample no. 3 (Y ₂ O ₃ : 10% by weight), Sample No. 7 (Y ₂ O ₃ : 7% by weight, Al ₂ O ₃ : 3% by weight) were prepared in the same manner (Sample Nos. 36 to 43), and the same test as in Example 2 was performed. It was.
[0079]
The results are also shown in Table 5. As is apparent from Table 5, even when the type of conductive ceramic is changed, the change in resistance value is small by adding 10% by weight of Y ₂ O ₃ and providing a crystal phase in the grain boundary phase. A ceramic glow plug with an electrode for ion detection, which has no glass elution and good thermal shock resistance, can be obtained. The same effect can be obtained by using one or more other rare earth oxides as a sintering aid.
[0080]
[Table 5]

[0081]
Embodiment 7
In this example, as shown in FIG. 15, the glow plug operation circuit (FIG. 11) of the first embodiment is changed, and the battery 54 and the DC power source 51 of the first embodiment are replaced with only one battery 55. It has been replaced.
A constant current / constant voltage circuit 524 may be interposed between the ion current detection resistor 521 and the battery 55. In this case, the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced.
[0082]
Others are the same as in the first embodiment.
Also in this example, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. In particular, in this example, the constant current / constant voltage circuit 524 is interposed so that even one battery can prevent fluctuations in the voltage applied to the ion detection electrode when the glow plug generates heat, and stable detection performance can be achieved. The effect that it can maintain can be acquired.
[0083]
Embodiment 8
In this example, as shown in FIG. 16, the ion detection electrode 3 is integrally provided at the lower end of the U-shaped energization heating element 2. The ion detection electrode 3 in this example has a second crystal phase in its grain boundary phase, as in the first embodiment. In addition, one lead wire 220 of the energization heating element 2 was connected to the terminal portion 31 provided at the upper end of the insulator 11, and the terminal portion of the lead wire 220 and the ion detection electrode 3 was shared.
[0084]
The operation circuit in this case is shown in FIG. As known from the figure, the heating relay of the energization heating element 2 and the ion current detection circuit are provided with glow relays 53, 531, and ion relay 530, respectively, which are switched by a command signal from the ECU 52. It is configured to be. And as an operation state, it always becomes a circuit structure of an energization heating element heating state, or an ionic current detection state.
In other respects, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
In this example, since the terminal portion 31 is shared as the terminal portions of the energization heating element 2 and the ion detection electrode 3, the structure is simple.
[0085]
Embodiment 9
In this example, as shown in FIG. 18, the grain boundary phase was crystallized only at the tip portion 301 including the exposed portion 30 of the ion detection electrode 3 in the fourth embodiment. And the other part 302 other than the front-end | tip part 301 made the grain boundary phase the glass phase similarly to the past. Others are the same as the fourth embodiment.
Even in this case, the exposed portion 30 of the ion detection electrode 3 is not damaged, and the same effect as in the fourth embodiment can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1A is a cross-sectional view of a glow plug main body, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 2 is an overall explanatory diagram of a glow plug in the first embodiment.
3 is a drawing-substituting photograph (magnification of 350 times) showing a mixed sintered body structure of an ion detection electrode in Embodiment 1. FIG.
4 is a drawing-substituting photograph (1000 × magnification) showing the mixed sintered body structure of the ion detection electrode in Embodiment 1. FIG.
5 is a drawing-substituting photograph (magnification 2000 times) showing a mixed sintered body structure of an ion detection electrode in Embodiment 1. FIG.
6 is an explanatory view showing a mixed sintered body structure of an ion detection electrode in Embodiment 1. FIG.
7 is an enlarged explanatory view of a portion M in FIG.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a composition of a second crystal phase in a ternary phase diagram of Si ₃ N ₄ —SiO ₂ —Y ₂ O ₃ .
9 is a perspective view of a molded body of an energization heating element in Embodiment 1. FIG.
10 is a perspective view of a molded body of ion detection electrodes in Embodiment 1. FIG.
FIG. 11 is a glow plug operation circuit diagram in the first embodiment.
FIG. 12 is a flowchart at the time of starting the glow plug of the glow plug operating system in the first embodiment.
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing (A) ion current at normal time and (B) ion current at turning in Embodiment 1;
FIG. 14 is a flowchart for determining a turn in the first embodiment.
FIG. 15 is a glow plug operation circuit diagram according to the seventh embodiment.
16A is a cross-sectional view of a glow plug main body in Embodiment 8, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
FIG. 17 is a glow plug operation circuit diagram according to the eighth embodiment.
18 is a cross-sectional view of a glow plug main body in Embodiment 9. FIG.
[Explanation of symbols]
1. . . Glow plug,
10. . . Body,
11. . . Insulator,
2. . . Energizing heating element,
21, 22, 220. . . Lead,
3. . . Ion detection electrode,
4). . . housing,
45. . . cylinder head,
451. . . Vortex chamber,
K. . . A first crystalline phase,
R. . . Grain boundary phase,
H. . . A second crystal phase,

Claims

In a glow plug comprising a housing and a body supported in the housing,
The body has an insulator made of ceramic ,
An energization heating element made of ceramic provided inside the insulator and a pair of lead wires electrically connected to both ends of the energization heating element and led out of the insulation;
An ion detection electrode made of ceramic for detecting the state of ionization in the flame disposed inside the insulator;
The ion detection electrode comprises at least an exposed portion in contact with the flame made of a conductive mixed sintered body in which insulating ceramic particles are wrapped with conductive ceramic particles, and a rare earth as a sintering aid. Contains one or more elemental oxides,
The structure of the mixed sintered body is composed of a first crystal phase and a grain boundary phase therebetween, and part or all of the grain boundary phase is crystallized into a second crystal phase containing the sintering aid. Glow plug characterized by that.

2. The glow plug according to claim 1, wherein the total amount of the sintering aid in the ion detection electrode is 3 to 25% by weight based on the total amount of the conductive ceramic and the insulating ceramic.

3. The glow plug according to claim 1, wherein the second crystal phase in the ion detection electrode is present in the grain boundary phase by 5% or more .

The insulating ceramic according to any one of claims 1 to 3, wherein the insulating ceramic is silicon nitride, and the conductive ceramic is one or more of metal carbide, silicide, nitride, or boride. Glow plug characterized by