JP6794958B2 - イオンプローブ - Google Patents

Description

本発明はイオンプローブに関し、特に金属線とそれを覆う金属シースとの間に絶縁粉末が充填されたイオンプローブに関する。

例えば、非特許文献１に開示されるように、エンジンの燃焼室内における火炎伝播挙動を把握するためにイオンプローブが用いられる。火炎はプラズマであるため、イオンプローブの先端に火炎が到達すると、イオンプローブにイオン電流が流れ、火炎が検出される。従って、非特許文献１に開示されるように、燃焼室内に複数のイオンプローブを配置することによって、火炎伝播挙動を把握することができる。

非特許文献１に開示されるように、一般的にイオンプローブでは、先端が火炎に暴露される金属線とそれを覆う金属シースとの間に絶縁層が形成された構造を有している。ここで、絶縁層は、通常、絶縁粉末から構成されている。

加藤毅彦、外３名、「超高回転域における火炎挙動解析技術の開発」、デンソーテクニカルレビュー、株式会社デンソー、２００８年５月、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．１、p．５８−６３

発明者らは、イオンプローブに関し、以下の問題点を見出した。
金属線と金属シースとの間に充填された絶縁粉末は、燃焼室内において発生した水分を吸収する。そのため、火炎検出を繰り返すこと（すなわち、繰り返し使用）によって、金属線と金属シースとの間の絶縁抵抗が低下し、火炎検出の精度が低下してしまう問題があった。

ここで、非特許文献１では、火炎に暴露されるイオンプローブの先端に形成されたセラミック接着剤層によって、絶縁粉末からなる絶縁層が被覆されている。しかしながら、セラミック接着剤層はポーラスであるため、セラミック接着剤層を水分が通過する。そして、その水分を絶縁粉末が吸収してしまうため、上記問題の発生を効果的に抑制することができなかった。
他方、セラミック接着剤に代えて有機系接着剤を用いた場合、有機系接着剤に火炎による焼損や熱による劣化が生じてしまうため、上記問題の発生を効果的に抑制することができなかった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、繰り返し使用による金属線と金属シースとの間の絶縁抵抗の低下が抑制されたイオンプローブを提供するものである。

本発明の一態様に係るイオンプローブは、
前記金属線を覆う金属シースと、
前記金属線と前記金属シースとの間に充填された絶縁粉末と、を備えたイオンプローブであって、
前記金属シースの先端から突出した前記金属線を挿通させたセラミックキャピラリが、有機系接着剤層によって前記金属シースの先端に接着されていると共に、
前記有機系接着剤層が前記金属シースの先端に位置する前記絶縁粉末を覆っているものである。

本発明の一態様に係るイオンプローブでは、金属シースの先端から突出した金属線を挿通させたセラミックキャピラリが、有機系接着剤層によって金属シースの先端に接着されている。そのため、有機系接着剤層がセラミックキャピラリに覆われており、繰り返し使用しても、有機系接着剤層の火炎による焼損や熱による劣化を抑制することができる。また、本発明の一態様に係るイオンプローブでは、有機系接着剤層が金属シースの先端に位置する絶縁粉末を覆っている。そのため、絶縁粉末への水分の吸収を抑制することができる。
すなわち、繰り返し使用による金属線と金属シースとの間の絶縁抵抗の低下を抑制することができる。

前記セラミックキャピラリと前記金属シースとが略同径であってもよい。このような構成により、火炎検出対象部材への組み付けが容易にすることができる。

前記絶縁粉末が酸化マグネシウム粉末を含んでもよい。このような構成により、金属線と金属シースとの間の絶縁抵抗を高めることができる。

本発明により、繰り返し使用による金属線と金属シースとの間の絶縁抵抗の低下が抑制されたイオンプローブを提供することができる。

第１の実施形態に係るイオンプローブを用いた火炎検出システムの回路図である。 シリンダヘッドの燃焼室へのイオンプローブの設置例を示す平面図である。 第１の実施形態に係るイオンプローブの縦断面図である。 第１の実施形態の比較例に係るイオンプローブの縦断面図である。 比較例に係るイオンプローブの出力電圧Ｖｏｕｔの経時変化を示すグラフである。 実施例に係るイオンプローブの出力電圧Ｖｏｕｔの経時変化を示すグラフである。 第１の実施形態の実施例及び比較例に係るイオンプローブのＳ／Ｎ比の定義を示すグラフである。 排気再循環率に対する第１の実施形態の実施例及び比較例に係るイオンプローブのＳ／Ｎ比の変化を示すグラフである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜火炎検出システムの構成＞
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係るイオンプローブを用いた火炎検出システムについて説明する。図１は、第１の実施形態に係るイオンプローブを用いた火炎検出システムの回路図である。図１に示した火炎検出システムは、エンジンの燃焼室内の火炎を検出するためのものである。
図１に示すように、この火炎検出システムは、イオンプローブ１０、直流電源ＤＰＳ、抵抗Ｒ１、Ｒ２、キャパシタＣ、出力端子ＯＴを備えている。

図１に示すように、直流電源ＤＰＳの一端は、抵抗Ｒ１を介してキャパシタＣの一端に接続されている。直流電源ＤＰＳの他端は、抵抗Ｒ２を介してキャパシタＣの他端に接続されている。すなわち、直流電源ＤＰＳの両端子間において、抵抗Ｒ１、キャパシタＣ、抵抗Ｒ２が直列に接続され、閉回路を構成している。このように、直流電源ＤＰＳに対してキャパシタＣが直列に接続されているため、当該閉回路には通常電流は流れない。従って、キャパシタＣの一端は、直流電源ＤＰＳの一端と同電位となり、キャパシタＣの他端は、直流電源ＤＰＳの他端と同電位となる。

図１に示すように、イオンプローブ１０は、抵抗Ｒ１が接続されたキャパシタＣの一端に接続されている。ここで、イオンプローブ１０は、金属線１１、金属シース１２を備えており、金属線１１がキャパシタＣの一端に接続されている。そのため、金属線１１の先端は、直流電源ＤＰＳの一端と同電位となる。金属線１１の先端は、金属シース１２から突出しており、火炎に暴露される。金属線１１の先端に火炎が到達すると、金属線１１にイオン電流が流れる。
なお、直流電源ＤＰＳの出力電圧すなわち金属線１１に印加される電圧は、特に限定されることはないが、一例として、３００Ｖあるいは−３００Ｖ程度である。

金属シース１２は、金属線１１を覆う保護管である。金属シース１２は金属線１１と電気的に絶縁されている。金属シース１２は、シリンダヘッドに挿入され、シリンダヘッドと接触している。そのため、図１に示すように、金属シース１２は、接地されたシリンダヘッドに電気的に接続されている。すなわち、金属シース１２は、シリンダヘッドを介して接地されている。
なお、第１の実施形態に係るイオンプローブ１０の構成の詳細については後述する。

図１に示すように、出力端子ＯＴからは、抵抗Ｒ２の両端子間の電圧である出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。上述の通り、通常、抵抗Ｒ２には電流が流れていないため、出力電圧Ｖｏｕｔは０Ｖである。金属線１１の先端に火炎が到達し、金属線１１にイオン電流が流れると、抵抗Ｒ２にも一時的に電流が流れる。その結果、出力電圧Ｖｏｕｔが一時的に変動し、ピークが現れる。

以上に説明した通り、図１に示した火炎検出システムでは、イオンプローブ１０の金属線１１の先端に火炎が到達すると、出力電圧Ｖｏｕｔにピークが現れるため、火炎を検出することができる。

ここで、図２は、シリンダヘッドの燃焼室へのイオンプローブの設置例を示す平面図である。具体的には、図２は、シリンダブロックとの合わせ面側から見たシリンダヘッドの平面図である。図２に示すように、シリンダヘッドＣＨの中央部には平面視円形状の燃焼室ＣＣが設けられている。燃焼室ＣＣは例えばペントルーフ型である。燃焼室ＣＣには、２本の吸気バルブＩＮ１、ＩＮ２と２本の排気バルブＥＸ１、ＥＸ２とが、中心軸を介して対向配置されている。そして、燃焼室ＣＣの中央部には、スパークプラグＳＰが設けられている。図２の例では、１２本のイオンプローブ１０の先端が、燃焼室ＣＣの周縁を等間隔に囲むように配置されている。このように、燃焼室ＣＣの内部に複数のイオンプローブ１０を配置することによって、燃焼室ＣＣの内部における火炎の伝播挙動を把握することができる。

＜第１の実施形態に係るイオンプローブの構成＞
次に、図３を参照して、第１の実施形態に係るイオンプローブの構成の詳細について説明する。図３は、第１の実施形態に係るイオンプローブの縦断面図である。図３に示すように、第１の実施形態に係るイオンプローブ１０は、金属線１１、金属シース１２、絶縁粉末１３、セラミックキャピラリ１４、有機系接着剤層１５を備えている。

金属線１１は、イオンプローブ１０の芯線である。金属線１１としては、例えば直径０．３ｍｍ程度のニクロム線を用いることができる。図３に示すように、金属線１１の先端は、金属シース１２及びセラミックキャピラリ１４から突出しており、使用の際、燃焼室に配置されて火炎に暴露される。金属線１１の先端に火炎が到達すると、金属線１１にイオン電流が流れる。

金属シース１２は、金属線１１を覆う保護管である。金属シース１２としては、例えば直径１ｍｍ程度の金属管を用いることができる。図３に示すように、金属シース１２は、使用の際、シリンダヘッドに挿入される。
絶縁粉末１３は、金属線１１と金属シース１２との間に充填されており、絶縁粉末１３によって金属シース１２と金属線１１とが電気的に絶縁されている。絶縁粉末１３としては、例えば抵抗が高く絶縁性に優れた酸化マグネシウム（ＭｇＯ）粉末を用いることができる。

セラミックキャピラリ１４は、金属シース１２の先端から突出した金属線１１を覆うセラミックからなる保護管である。図３に示すように、金属シース１２の先端から突出した金属線１１が、セラミックキャピラリ１４に挿通されている。ここで、金属線１１を容易に挿通させるため、セラミックキャピラリ１４の貫通孔は、金属シース１２との突き合わせ面に向かってラッパ状に拡径されている。セラミックキャピラリ１４は、使用の際、シリンダヘッドに挿入される。
また、例えばシリンダヘッドなどの火炎検出対象部材への組み付けが容易になるため、セラミックキャピラリ１４は金属シース１２と略同径であることが好ましい。

図３に示すように、セラミックキャピラリ１４は、有機系接着剤層１５によって、金属シース１２の先端に接着されている。例えば、ここで、金属シース１２の先端に位置する絶縁粉末１３は、防水性を有する有機系接着剤層１５によって覆われている。そのため、燃焼室内において発生した水分の絶縁粉末１３への吸収を抑制することができる。他方、有機系接着剤層１５は、セラミックキャピラリ１４に覆われている。そのため、火炎検出を繰り返しても、有機系接着剤層１５の火炎による焼損や熱による劣化を抑制することができる。

従って、火炎検出を繰り返しても、絶縁粉末１３への水分の吸収が有機系接着剤層１５によって抑制され続ける。すなわち、繰り返し使用による金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗の低下が抑制され、火炎検出の精度の低下を抑制することができる。

＜比較例に係るイオンプローブの構成＞
次に、図４を参照して、第１の実施形態の比較例に係るイオンプローブの構成について説明する。図４は、第１の実施形態の比較例に係るイオンプローブの縦断面図である。図４に示すように、比較例に係るイオンプローブは、金属線１１、金属シース１２、絶縁粉末１３を備えている。他方、比較例に係るイオンプローブは、図３に示した第１の実施形態に係るイオンプローブ１０が備えていたセラミックキャピラリ１４及び有機系接着剤層１５を備えていない。

図４に示すように、比較例に係るイオンプローブでは、金属シース１２の先端に位置する絶縁粉末１３が露出しているため、燃焼室内において発生した水分を絶縁粉末１３が吸収する。そのため、繰り返し使用により金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗が低下し、火炎検出の精度が低下してしまう。

＜比較例に係るイオンプローブの経時変化＞
次に、図５を参照して、図４に示した比較例に係るイオンプローブの経時変化について説明する。図５は、比較例に係るイオンプローブの出力電圧Ｖｏｕｔの経時変化を示すグラフである。上のグラフは、火炎検出試験１回目の出力電圧Ｖｏｕｔを示している。一方、下のグラフは、火炎検出試験１２回目の出力電圧Ｖｏｕｔを示している。いずれのグラフも横軸は時間、縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔと共に燃焼室内の圧力を検出する圧力センサ出力を示している。図５に示すように、イオンプローブの出力電圧Ｖｏｕｔに閾値を設定することによって、火炎の到達・通過を判断することができる。また、図５の上下のグラフを比較することによって、比較例に係るイオンプローブの出力電圧Ｖｏｕｔの経時変化を知ることができる。

図５の上のグラフに示すように、火炎検出試験１回目では、圧力センサ出力のピークと出力電圧Ｖｏｕｔのピークとが略一致した。ここで、金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗は２９ＭΩであった。

他方、図５の下のグラフに示すように、火炎検出試験１２回目では、出力電圧Ｖｏｕｔのピーク幅が拡がると共に、ピークがノイズに埋もれており、上のグラフに比べ、明らかに火炎検出の精度が低下した。具体的には、圧力センサ出力のピーク後も、出力電圧Ｖｏｕｔの値が閾値よりも高く、火炎が通過していないことを示しており、火炎を正確に検出できなかった。ここで、金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗は０．１３ＭΩまで低下していた。
以上の通り、比較例に係るイオンプローブでは、繰り返し使用により金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗が低下し、火炎検出の精度が低下した。

＜実施例に係るイオンプローブの経時変化＞
次に、図６を参照して、図３に示した第１の実施形態の実施例に係るイオンプローブの経時変化について説明する。図６は、実施例に係るイオンプローブの出力電圧Ｖｏｕｔの経時変化を示すグラフである。上のグラフは、火炎検出試験１回目の出力電圧Ｖｏｕｔを示している。一方、下のグラフは、火炎検出試験２５回目の出力電圧Ｖｏｕｔを示している。いずれのグラフも横軸は時間、縦軸は出力電圧Ｖｏｕｔと共に燃焼室内の圧力を検出する圧力センサ出力を示している。図６に示すように、イオンプローブの出力電圧Ｖｏｕｔに閾値を設定することによって、火炎の到達・通過を判断することができる。また、図６の上下のグラフを比較することによって、実施例に係るイオンプローブの出力電圧Ｖｏｕｔの経時変化を知ることができる。

図６の上のグラフに示すように、火炎検出試験１回目では、圧力センサ出力のピークと出力電圧Ｖｏｕｔのピークとが略一致した。ここで、金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗は測定限界である２０００ＭΩ以上であった。
また、図６の下のグラフに示すように、火炎検出試験２５回目でも、火炎検出試験１回目と同様に、圧力センサ出力のピークと出力電圧Ｖｏｕｔのピークとが略一致した。ここで、金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗も測定限界である２０００ＭΩ以上のままであった。

以上の通り、実施例に係るイオンプローブでは、繰り返し使用による金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗の低下が抑制され、火炎検出の精度の低下を抑制することができた。

＜実施例及び比較例に係るイオンプローブのＳ／Ｎ比＞
次に、図７、図８を参照して、第１の実施形態の実施例及び比較例に係るイオンプローブのＳ／Ｎ比について説明する。図７は、第１の実施形態の実施例及び比較例に係るイオンプローブのＳ／Ｎ比の定義を示すグラフである。図８は、排気再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）率に対する第１の実施形態の実施例及び比較例に係るイオンプローブのＳ／Ｎ比の変化を示すグラフである。

まず、図７を参照して、第１の実施形態の実施例及び比較例に係るイオンプローブのＳ／Ｎ比の定義について説明する。図７に示すように、イオンプローブの出力電圧Ｖｏｕｔのバックグラウンドノイズ（ＢＧＮ：BackGround Noise）の平均値を基準としたピーク電圧をシグナルＳと定義した。また、ＢＧＮの標準偏差σの３倍すなわち３σをノイズＮと定義した。

次に、図８を参照して、ＥＧＲ率に対する第１の実施形態の実施例及び比較例に係るイオンプローブのＳ／Ｎ比の変化について説明する。図８に示すように、全てのＥＧＲ率において、比較例に係るイオンプローブよりも実施例に係るイオンプローブのＳ／Ｎ比の方が高く、火炎検出の精度に優れていた。
なお、ＥＧＲ率が上昇する程、火炎内のイオン密度が低下するため、出力電圧Ｖｏｕｔのピーク電圧が低下し、Ｓ／Ｎ比も低下する。

ここで、図５に示すように、比較例に係るイオンプローブでは、火炎検出試験１回目でも、金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗は２９ＭΩであった。これに対し、図６に示すように、実施例に係るイオンプローブでは、金属線１１と金属シース１２との間の絶縁抵抗は２０００ＭΩ以上であった。このように、比較例に係るイオンプローブよりも実施例に係るイオンプローブの絶縁抵抗の方が高いため、Ｓ／Ｎ比が向上したものと考えられる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ イオンプローブ
１１ 金属線
１２ 金属シース
１３ 絶縁粉末
１４ セラミックキャピラリ
１５ 有機系接着剤層
Ｃ キャパシタ
ＣＣ 燃焼室
ＣＨ シリンダヘッド
ＤＰＳ 直流電源
ＥＸ１、ＥＸ２ 排気バルブ
ＩＮ１、ＩＮ２ 吸気バルブ
ＯＴ 出力端子
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
ＳＰ スパークプラグ

Claims (3)

1. 金属線と、
   前記金属線を覆う金属シースと、
   前記金属線と前記金属シースとの間に充填された絶縁粉末と、を備えたイオンプローブであって、
   前記金属シースの先端から突出した前記金属線を挿通させたセラミックキャピラリが、有機系接着剤層によって前記金属シースの先端に接着されていると共に、
   前記有機系接着剤層が前記金属シースの先端に位置する前記絶縁粉末を覆っている、
   イオンプローブ。
2. 前記セラミックキャピラリと前記金属シースとが略同径である、
   請求項１に記載のイオンプローブ。
3. 前記絶縁粉末が酸化マグネシウム粉末を含む、
   請求項１又は２に記載のイオンプローブ。

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