JP4069487B2 - 点火プラグ及び点火・イオン電流検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃焼室内で混合気が燃焼する際に発生するイオン電流を検出する手段（イオンプローブ）として兼用する点火プラグ及び点火・イオン電流検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関の燃焼室内で混合気が燃焼する際にイオンが発生する点に着目し、このイオン電流を検出して、失火やノッキング等の燃焼状態を検出する技術が開発されている。このイオン電流を検出するイオンプローブとしては、コストや組付上の制約から点火プラグを兼用するものが多い。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、点火プラグを通して検出されるイオン電流は微弱であるため、ノイズの影響が大きい。このため、イオン電流の検出精度を高めるには、イオン電流検出回路側の精度を相当に高める必要があり、その分、回路がコスト高となり、検出精度向上と低コスト化とを両立させることは困難であった。
【０００４】
従来の点火プラグで検出されるイオン電流が微弱になる原因は、次のように考えられる。従来の点火プラグは、図１４に示すように、中心電極１１の下方を覆うようにＬ字形の接地電極１２が燃焼室１３側に突出し、中心電極１１と接地電極１２との間では、大きな電界勾配が形成され、また、中心電極１１から燃焼室１３内壁へ向かう電界も形成されるが、接地電極１２の裏側の部分（Ｃ部）では、電界勾配が小さくなる。この原因は、中心電極１１から燃焼室１３内壁へ向かう電界（電気力線）が接地電極１２によってシールドされてしまうためである。この関係で、中心電極１１から燃焼室１３内壁へ向かう電界の勾配は、接地電極１２でシールドされない部分（Ｂ部）でのみ大きくなる。燃焼時には、燃焼室１３の全領域でイオンが発生するが、このイオンを中心電極１１で集めて検出するには、電界勾配によってイオンを中心電極１１に移動させる必要がある。従って、電界勾配の大きいＢ部で生じたイオンは、中心電極１１で集めて検出することが可能であるが、電界勾配の小さい接地電極１２の裏側のＣ部で生じたイオンは、検出されずに自然消滅する可能性が高い。このため、燃焼時に燃焼室１３内で発生したイオンの一部しか電流として取り出すことができず、イオン電流検出信号が小さくなってしまう。
【０００５】
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、燃焼時に燃焼室内で発生したイオンを燃焼室の広範囲から効率的に中心電極に集めてイオン電流として検出することができ、イオン電流検出信号を大きくすることができる点火プラグ及び点火・イオン電流検出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の点火・イオン電流検出装置に用いる点火プラグは、中心電極の一部を接地電極よりも燃焼室内に突出させた構成としたものである。このように、中心電極の一部を接地電極よりも燃焼室内に突出させると、イオン電流検出時に中心電極から燃焼室内壁へ向かう電界に対する接地電極の電界シールド効果が弱められる。その結果、中心電極から発生する電界を燃焼室の広範囲に一様に分布させることができ、燃焼時に燃焼室内で発生したイオンを燃焼室の広範囲から効率的に中心電極に集めてイオン電流として検出することができる。これにより、中心電極を通して取り出すイオン電流を従来より大きくすることができて、ノイズの影響を少なくすることができ、イオン電流の検出精度を高めることができると共に、イオン電流検出回路の設計基準も緩和することができ、その分、低コスト化することができる。
【０００７】
具体的には、請求項１に記載の点火・イオン電流検出装置に用いる点火プラグは、中心電極を接地電極よりも長く形成してＬ字形に屈曲させ、その先端部分を接地電極に対向させることで、該中心電極の先端部分を該接地電極よりも燃焼室内に突出させたた構成としている。つまり、従来の一般的な点火プラグは、図１４に示すように、中心電極を短く、接地電極をＬ字形に屈曲させていたが、これとは反対に、接地電極を短く、中心電極をＬ字形に屈曲させることで、中心電極を接地電極より燃焼室内に突出させた構成を簡単に実現できると共に、イオン電流を検出する中心電極の面積を大きくすることができ、これによっても、中心電極を通して取り出すイオン電流を大きくする効果を得ることができる。
【０００８】
ところで、図１４に示す従来の一般的な点火プラグは、点火時に中心電極に負の高電圧が印加されるが、請求項１に記載の点火・イオン電流検出装置に用いる点火プラグは、従来とは反対に、中心電極の面積が接地電極の面積よりも大きくなるため、点火時に点火回路によって中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を行わせるようにしている。このようにすれば、中心電極をＬ字形に屈曲させた構造としても、低い電圧で放電が開始し、点火系回路の耐電圧特性を変更（強化）することなく、十分な着火性能を確保することができる。この場合も、従来と同じく、火花放電終了後に、イオン電流検出回路によって中心電極に正電圧を印加すれば、中心電極を通してイオン電流を検出することができる。また、請求項１に記載の点火・イオン電流検出装置では、イオン電流検出回路は、火花放電終了後に点火回路の電源とは別の電源により中心電極に正電圧を印加してイオン電流を検出するように構成されている。
【０００９】
また、請求項２の点火プラグのように、接地電極の基部又は途中部に微小ギャップを形成し、点火時には、該接地電極に流れる高圧電流を放電により微小ギャップを流して、接地電極と中心電極との間で火花放電させ、イオン電流検出時には、該接地電極のうちの該微小ギャップより先の部分が絶縁されるように構成しても良い。このようにすれば、イオン電流検出時には、接地電極のうちの微小ギャップより先の部分は、アース側から微小ギャップで絶縁されて電界シールド効果が弱められるため、従来と同じように接地電極が中心電極よりも燃焼室内に突出していても、中心電極から発生する電界を燃焼室の広範囲に一様に分布させることができる。
【００１０】
また、請求項３の点火プラグのように、接地電極のうちの火花放電部以外の部分を絶縁層で被覆することで、イオン電流検出時に該中心電極から燃焼室内壁へ向かう電界に対する該接地電極の電界シールド効果を弱めるように構成しても良い。このようにすれば、接地電極のうちの絶縁層で被覆された部分（つまり火花放電部以外の部分）は、電界シールド効果が弱められるため、上記請求項２と同じく、接地電極が中心電極よりも燃焼室内に突出していても、中心電極から発生する電界を燃焼室の広範囲に一様に分布させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
［実施形態（１）］
以下、本発明の実施形態（１）を図１乃至図９に基づいて説明する。図３乃至図９は、本実施形態（１）で用いる点火プラグ２１の種々の電極構造を示している。図１に示すように、点火プラグ２１は、碍子部２２を有し、この碍子部２２の下部中心に中心電極２３が下方に突出するように設けられている。この中心電極２３は、碍子部２２の上端部に設けられた端子２４と電気的に接続されている。碍子部２２の下半部外周には、金属ハウジング２５がかしめにより取り付けられ、この金属ハウジング２５の下部外周に、シリンダヘッドに取り付けるためのねじ部２６が形成されている。この金属ハウジング２５の下端部にはＬ字形の接地電極２７が溶接され、この接地電極２７の先端部が中心電極２３の下端と火花放電用のギャップを挟んで対向している。接地電極２７は、金属ハウジング２５を介してシリンダヘッド（アース側）に導通されている。
【００１２】
図１及び図３に示す第１実施例では、中心電極２３にＵ字状の導体部２８が溶接等により固着され、この導体部２８が接地電極２７よりも燃焼室２９内に突出して、導体部２８が接地電極２７を下方から覆った状態となっている。尚、導体部２８は、中心電極２３と一体に形成しても良い。
【００１３】
次に、図２に基づいて点火回路３０及びイオン電流検出回路３１の構成を説明する。点火コイル３２の一次コイル３３の一端は電源供給端子（＋Ｂ）に接続され、該一次コイル３３の他端は、点火制御用のパワートランジスタ３４のコレクタに接続されている。点火コイル３２の二次コイル３５の一端は点火プラグ２１の中心電極２３に接続され、該二次コイル３５の他端は、２つのツェナーダイオード３６，３７を介してアース側に接続されている。
【００１４】
２つのツェナーダイオード３６，３７は互いに逆向きに直列接続され、一方のツェナーダイオード３６にコンデンサ３８が並列に接続され、他方のツェナーダイオード３７にイオン電流検出抵抗３９が並列に接続されている。コンデンサ３８とイオン電流検出抵抗３９との間の電位Ｖinが抵抗４０を介して反転増幅回路４１の反転入力端子（−）に入力されて反転増幅される。イオン電流検出回路３１は、ツェナーダイオード３６，３７、コンデンサ３８、イオン電流検出抵抗３９、反転増幅回路４１等から構成されている。
【００１５】
エンジン運転中は、エンジン制御回路４２から出力される点火信号ＩＧｔの立ち上がり／立ち下がりでパワートランジスタ３４がオン／オフする。パワートランジスタ３４がオンすると、バッテリ（図示せず）から一次コイル３３に一次電流が流れ、その後、パワートランジスタ３４がオフすると、一次コイル３３の一次電流が遮断されて、二次コイル３５に高電圧が電磁誘導され、負の高電圧が点火プラグ２１の中心電極２３に印加されて、中心電極２３と接地電極２７との間に火花放電が発生する。
【００１６】
この際、火花放電電流は接地電極２７から中心電極２３へ流れ、二次コイル３５を経てコンデンサ３８に充電されると共に、ツェナーダイオード３６，３７を経てアース側に流れる。コンデンサ３８の充電後は、ツェナーダイオード３６のツェナー電圧によって規制されるコンデンサ３８の充電電圧を電源としてイオン電流検出回路３１が駆動され、次のようにしてイオン電流が検出される。
【００１７】
火花放電終了後は、コンデンサ３８の充電電圧によって点火プラグ２１の中心電極２３及び導体部２８に正電圧が印加され、燃焼室２９内に導体部２８から燃焼室１３内壁へ向かう電界が形成される。これにより、燃焼室２９で混合気が燃焼する際に発生する負イオン等（正しくは正負のイオンと電子……電荷極性により移動方向は反対となる）が電界勾配により導体部２８へ向かって移動し、導体部２８（中心電極２３）で集められる。このようにして集められた負イオンの電荷に応じて、コンデンサ３８が放電してイオン電流がアース側からイオン電流検出抵抗３９に流れる。この際、イオン電流検出抵抗３９に流れるイオン電流の変化に応じて反転増幅回路４１の入力電位Ｖinが変化し、反転増幅回路４１の出力端子からイオン電流に応じた電圧がイオン電流検出信号としてエンジン制御回路４２に出力される。この反転増幅回路４１の出力電圧からイオン電流が検出され、このイオン電流から失火、ノッキング等が検出される。
【００１８】
図１及び図３に示す第１実施例では、中心電極２３に設けたＵ字状の導体部２８が接地電極２７よりも燃焼室２９内に突出して、導体部２８が接地電極２７を下方から覆った状態となっているため、イオン電流検出時に導体部２８から燃焼室２９内壁へ向かう電界が接地電極２７によってシールドされなくなり、導体部２８から発生する電界（電気力線）を燃焼室２９のほぼ全域に一様に分布させることができ、燃焼時に燃焼室２９内で発生したイオンを燃焼室２９のほぼ全域から効率的に中心電極２３に集めてイオン電流として検出することができる。これにより、イオン電流検出回路３１の出力（イオン電流検出信号）を従来より大きくすることができて、ノイズの影響を少なくすることができ、イオン電流の検出精度を高めることができると共に、イオン電流検出回路３１の設計基準も緩和することができ、その分、低コスト化できる。
【００１９】
また、図４に示す第２実施例では、中心電極２３に、接地電極２７を挟んで対向する２本の導体部４３を下向きに設け、これら２本の導体部４３を接地電極２７よりも燃焼室２９内に下方に突出させている。
【００２０】
図５に示す第３実施例では、中心電極２３に、接地電極２７を挟んで対向する２本の導体部４４を横向きに設け、これら２本の導体部４４を接地電極２７よりも燃焼室２９内に横方向に突出させている。
【００２１】
図６に示す第４実施例では、中心電極２３の下端にリング状の導体部４５を設け、このリング状の導体部４５の穴に接地電極２７の先端部を挿通し、点火時に導体部４５の内縁と接地電極２７との間のギャップで火花放電を発生させる。この場合も、導体部４５が接地電極２７より燃焼室２９内に突出した状態となっている。
【００２２】
図７に示す第５実施例では、接地電極２７を従来より短く形成すると共に、中心電極２３を下方に長く形成して、接地電極２７の先端を中心電極２３の外周面に横方向から対向させ、点火時に中心電極２３の外周面と接地電極２７との間で火花放電を発生させる。更に、中心電極２３の下端に円形の導体部４６を設け、この導体部４６を接地電極２７より燃焼室２９内に突出させている。
【００２３】
図８に示す第６実施例では、接地電極２７の先端部にリング部４８を水平に設け、このリング部４８の穴に中心電極２３を挿通し、点火時に中心電極２３とリング部４８との間で火花放電を発生させる。更に、中心電極２３の下端に円形の導体部４７を設け、この導体部４７を接地電極２７（リング部４８）より燃焼室２９内に突出させている。
【００２４】
図９に示す第７実施例では、上記第６実施例と同じく、接地電極２７の先端部にリング部４８を水平に設け、このリング部４８の穴に中心電極２３を挿通し、この中心電極２３の下端部を接地電極２７（リング部４８）より燃焼室２９内に突出させている。つまり、図９の第７実施例は、図８の第６実施例と比較して、中心電極２３の下端に円形の導体部４７が無いことのみが相違する。
【００２５】
以上説明した図４乃至図９の各実施例においても、前述した図３の第１実施例と同じく、中心電極２３の一部又は導体部４３〜４７が接地電極２７よりも燃焼室２９内に突出しているため、接地電極２７による電界シールド効果が弱められ、燃焼室２９の広範囲に電界を一様に分布させることができ、燃焼時に燃焼室２９内で発生したイオンを燃焼室２９の広範囲から効率的に中心電極２３に集めてイオン電流として検出することができる。
【００２６】
［実施形態（２）］
図１０に示す本発明の実施形態（２）の点火プラグ５０では、突起状の接地電極５１を短く形成して金属ハウジング２５の下端に溶接により固着すると共に、中心電極５２を長く形成してＬ字形に屈曲させ、該中心電極５２の先端部分を接地電極５１に火花放電用のギャップを挟んで対向させている。これにより、中心電極５２が接地電極５１よりも燃焼室内に突出して、中心電極５２が接地電極５１を下方から覆った状態となっている。
【００２７】
図１４に示す従来の一般的な点火プラグは、点火時に中心電極１１に負の高電圧が印加されるが、本実施形態（２）の点火プラグ５０では、従来とは反対に、中心電極５２の面積が接地電極５１の面積よりも大きくなるため、点火時に点火回路５３によって中心電極５２に正の高電圧を印加して火花放電を発生させる。このようにすれば、中心電極５２に負の高電圧を印加する場合よりも、低い電圧で火花放電を発生させることができ、十分な着火性能を確保することができる。本実施形態（２）では、点火コイル３２の二次コイル３５の一端がアース側に接続され、該二次コイル３５の他端が逆流防止用のダイオード５４を介して点火プラグ５０の端子２４に接続されている。
【００２８】
一方、イオン電流検出回路５５は、点火プラグ５０と並列に接続され、保護ダイオード５６、バイアス電源５７及びイオン電流検出抵抗５８を直列に接続して構成されている。このイオン電流検出回路５５は、火花放電終了後に、バイアス電源５７によって中心電極５７に正電圧を印加し、前記実施形態（１）と同じく、イオン電流検出抵抗５８を流れるイオン電流を検出する。尚、前記実施形態（１）と同じく、イオン電流検出抵抗５８の電圧を反転増幅回路で増幅してイオン電流検出信号を取り出すようにしても良い。
【００２９】
以上説明した実施形態（２）においても、中心電極５２が接地電極５１よりも燃焼室内に突出して、中心電極５２が接地電極５１を下方から覆った状態となっているため、中心電極５２から燃焼室内壁へ向かう電界が接地電極５１によってシールドされなくなり、燃焼時に燃焼室内で発生したイオンを燃焼室の広範囲から効率的に中心電極２３に集めてイオン電流として検出することができる。
【００３０】
［実施形態（３）］
図１１及び図１２に示す本発明の実施形態（３）の点火プラグ６０では、接地電極６１の基部又は途中部に微小ギャップ６２を形成し、その微小ギャップ６２の外周囲をセラミック等の耐熱性絶縁体６３で覆い、この耐熱性絶縁体６３によって接地電極６１を金属ハウジング２５側に固定している。この場合、微小ギャップ６２は、接地電極６１と中心電極２３との間のギャップ６４よりも短く形成されている。点火時には、中心電極２３に負の高電圧が印加され、イオン電流検出時には、中心電極２３に正電圧が印加される。
【００３１】
この場合、火花放電時には、接地電極６１に流れる高圧電流を放電により微小ギャップ６２を流して、接地電極６１と中心電極２３との間で火花放電させる。火花放電終了後に、イオン電流検出回路によって中心電極２３に正電圧を印加してイオン電流を検出するが、この際、接地電極６１はアース側から微小ギャップ６２で絶縁されて電界シールド効果が弱められるため、接地電極６１が中心電極２３を下方から覆っていても、図１２に示すように、中心電極２３から発生する電界を燃焼室２９の広範囲に一様に分布させることができ、燃焼時に燃焼室２９内で発生したイオンを燃焼室の広範囲から効率的に中心電極２３に集めてイオン電流として検出することができる。
【００３２】
［実施形態（４）］
図１３に示す本発明の実施形態（４）の点火プラグ７０では、接地電極２７のうちの中心電極２３に最も近い火花放電部２７ａ以外の部分をセラミック等の耐熱性の絶縁層７１で被覆している。この構造では、接地電極２７のうちの絶縁層７１で被覆された部分（つまり火花放電部２７ａ以外の部分）は、絶縁層７１によって電界シールド効果が弱められるため、前記実施形態（３）と同じく、接地電極２７が中心電極２３を下方から覆っていても、中心電極２３から発生する電界を燃焼室２９の広範囲に一様に分布させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態（１）の点火プラグとイオン電流検出時の燃焼室内の電界分布を示す図
【図２】点火回路とイオン電流検出回路の構成を示す回路図
【図３】（ａ）は第１実施例の点火プラグの電極構造を示す正面図、（ｂ）は同下面図
【図４】（ａ）は第２実施例の点火プラグの電極構造を示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図
【図５】（ａ）は第３実施例の点火プラグの電極構造を示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図
【図６】（ａ）は第４実施例の点火プラグの電極構造を示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図
【図７】（ａ）は第５実施例の点火プラグの電極構造を示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図
【図８】（ａ）は第６実施例の点火プラグの電極構造を示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図
【図９】（ａ）は第７実施例の点火プラグの電極構造を示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図
【図１０】本発明の実施形態（２）の点火プラグ、点火回路及びイオン電流検出回路の構成を示す図
【図１１】本発明の実施形態（３）の点火プラグの電極構造を示す縦断正面図
【図１２】本発明の実施形態（３）におけるイオン電流検出時の燃焼室内の電界分布を示す図
【図１３】本発明の実施形態（４）の点火プラグの電極構造を示す縦断正面図
【図１４】従来の点火プラグとイオン電流検出時の燃焼室内の電界分布を示す図
【符号の説明】
２１…点火プラグ、２２…碍子部、２３…中心電極、２４…端子、２５…金属ハウジング、２７…接地電極、２８…導体部、２９…燃焼室、３０…点火回路、３１…イオン電流検出回路、３２…点火コイル、３３…一次コイル、３５…二次コイル、３８…コンデンサ、３９…イオン電流検出抵抗、４１…反転増幅回路、４３〜４７…導体部、４８…リング部、５０…点火プラグ、５１…接地電極、５２…中心電極、５３…点火回路、５５…イオン電流検出回路、５７…バイアス電源、５８…イオン電流検出抵抗、６０…点火プラグ、６１…接地電極、６２…微小ギャップ、６３…耐熱性絶縁体、７０…点火プラグ、７１…絶縁層。

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室内で混合気が燃焼する際に発生するイオン電流を検出する手段として点火プラグを用いた点火・イオン電流検出装置において、
   前記点火プラグの中心電極を接地電極よりも長く形成してＬ字形に屈曲させ、その先端部分を該接地電極に対向させることで、該中心電極の先端部分を該接地電極よりも燃焼室内に突出させた構成とし、
   点火時に前記中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を行わせる点火回路と、
   火花放電終了後に前記点火回路の電源とは別の電源により前記中心電極に正電圧を印加してイオン電流を検出するイオン電流検出回路と
   を備えていることを特徴とする点火・イオン電流検出装置。
2. 内燃機関の燃焼室内で混合気が燃焼する際に発生するイオン電流を検出する手段として兼用する点火プラグにおいて、
   接地電極の基部又は途中部に、点火時に該接地電極に流れる高圧電流を放電により流す微小ギャップを形成し、イオン電流検出時には該接地電極のうちの該微小ギャップより先の部分が絶縁されるように構成したことを特徴とする点火プラグ。
3. 内燃機関の燃焼室内で混合気が燃焼する際に発生するイオン電流を検出する手段として兼用する点火プラグにおいて、
   接地電極のうちの火花放電部以外の部分を絶縁層で被覆することで、イオン電流検出時に該中心電極から燃焼室内壁へ向かう電界に対する該接地電極の電界シールド効果を弱めるように構成したことを特徴とする点火プラグ。

Images