JPH0980102A - スパークプラグの放電電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 中心電極、接地電極の形状、位置関係でのス
パークギャップの周囲の圧力、放電電圧と極性を自動的
に測定し、記録することができる測定装置を提供するこ
と。 【解決手段】 スパークプラグの発火部に発生した電気
火花を観察窓を通して撮影する撮影手段８と、点火回路
で発生し電圧に応じた電圧を出力する分圧器６と、分圧
器からの出力からピーク値を検出し、ピーク値に応じた
電圧を出力する二次電圧検出手段７と、チャンバー１内
の圧力を調整し、圧力に応じた電圧を出力する圧力調整
装置５と、前記撮影手段８からの出力、前記分圧器６か
らの出力、前記ピーク値検出手段からの出力および前記
圧力調整装置５からの出力を保存するデータユニット９
から成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スパークプラグに
おける放電電圧と放電の経路との関係を測定する装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】スパークプラグ１００は一般に、図６に
示すごとく以下のような構造を有している。即ち、内部
に軸方向の軸孔を有する絶縁碍子１４０と、前端部が軸
孔よりも突き出した状態で軸孔内に嵌め込まれて絶縁碍
子１４０に保持されたニッケルを主成分とする中心電極
１１０と、絶縁碍子１４０の外周に嵌め合わされて加締
めにより絶縁碍子１４０を固持し内燃機関に取り付ける
ための筒状の主体金具１５０とを備えている。該主体金
具１５０の先端部の先端面１６０に棒状のニッケル合金
からなる接地電極１２０が溶接され、該接地電極１２０
の先端部が中心電極１１０の先端面に平行になるように
接地電極１２０の中央部で曲げられている。そして、該
中心電極１１０の先端面と該接地電極１２０の先端部と
の間にスパークギャップ１３０が形成されている。ま
た、前記絶縁碍子１４０の後端側は、高圧端子１６０が
接合され、前記中心電極１１０と該高圧端子１６０と
が、電気的に接合されている。

【０００３】燃焼室内に前記スパークギャップ１３０が
突き出す形で前記スパークプラグ１００が内燃機関等の
シリンダヘッド（図示せず）に螺着されており、前記主
体金具１５０はシリンダヘッドにアースされている。か
かるシリンダヘッドと前記高圧端子１６０間に高電圧を
印加することにより、前記スパークギャップ１３０に高
電圧が印加され、電気火花を生じることによって、混合
気に着火することができる。

【発明が解決しようとする課題】

【０００４】通常、該スパークギャップに生じる電気火
花は、直線状に生じるものと考えられており、スパーク
ギャップの間隔が同じであれば同じ放電電圧を示すと考
えられていた。しかし、発明者らは中心電極、接地電極
の形状及び位置関係によって放電電圧が異なり、放電経
路もスパークギャップの周囲の環境、印加電圧の極性に
よって相違することを見い出した。

【０００５】この場合の中心電極、接地電極の形状及び
位置関係、放電電圧、放電経路、スパークギャップの周
囲環境、印加電圧の極性の測定を目視で行い、データを
とりまとめていた。本発明は、かかる中心電極、接地電
極の形状、位置関係でのスパークギャップの周囲の圧
力、放電電圧と印加電圧の極性を自動的に測定し、記録
することができる測定装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、チャ
ンバーにスパークプラグを装着し、該チャンバーに該ス
パークプラグの発火部を該チャンバーの外から観察でき
る観察窓が設けられ、前記スパークプラグに印加される
点火回路で発生した電圧によって該スパークプラグの発
火部に発生した電気火花を前記観察窓を通して撮影する
撮影手段と、前記スパークプラグに印加される前記点火
回路で発生した電圧を分圧し、点火回路で発生し電圧に
応じた電圧を出力する分圧器と、前記分圧器からの出力
からピーク値を検出し、ピーク値に応じた電圧を出力す
る二次電圧検出手段と、前記チャンバー内の圧力を調整
し、圧力に応じた電圧を出力する圧力調整装置と、前記
撮影手段からの出力、前記分圧器からの出力、前記ピー
ク値検出手段からの出力および前記圧力調整装置からの
出力を保存するデータユニットから成ることを発明の要
旨とする。

【０００７】請求項２の発明は、請求項１のスパークプ
ラグの放電状態測定装置において、前記チャンバーは、
外筒および外筒内部に連通する通気孔が設けられた内筒
からなる二重構造となっており、前記圧力調整装置を前
記外筒の内部に接続し、外気を導入するとともに、前記
内筒の内部から排気を行い、該内筒の内部に、前記スパ
ークプラグの発火部が位置することを発明の要旨とす
る。

【０００８】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
のスパークプラグの放電状態測定装置において、前記撮
影手段には、放電回数をカウントするカウンタが付加さ
れ、一定回数放電をカウントすると前記点火回路への電
力の供給を停止し、前記圧力調整装置の設定を変更する
機能を有することを発明の要旨とする。

【０００９】

【発明の作用及び効果】請求項１の発明により、中心電
極、接地電極の形状、位置関係でのスパークギャップの
周囲の圧力、放電電圧と印加電圧の極性を自動的に測定
し、記録することができる。

【００１０】請求項２の発明により、チャンバー内の雰
囲気状態を一定に保つことができる。即ち、閉じた空間
内で火花放電を続けると、オゾンが発生し、その強い酸
化力によりスパークプラグの電極消耗に影響を与えるた
め、放電電圧が測定中に変化してしまう場合がある。こ
のオゾンを排出することにより測定を行う環境を一定に
保つことができる。また、内筒から排気することとした
のは、圧力を一定に保つための外気導入を外筒側にて行
うためである。即ち、チャンバーに取り付けたスパーク
プラグのスパークギャップをチャンバーの外部から観察
窓を通して行う測定を容易にするためには、スパークギ
ャップは内筒内にある必要がある。この場合に、外気の
導入を内筒内に行うと、外気導入によって、スパークギ
ャップ近傍に雰囲気の対流が起こり、放電経路に影響を
与え、放電電圧にも影響を与える。従って、外気の導入
は外筒内に行う必要が生じる。そして、排気を内筒から
行うことによって、内筒と外筒の通気が生じオゾンが内
部にたまることを防止できる。

【００１１】請求項３の発明により、サンプリング回数
を一定に保ち、データの比較を容易にすることができ、
また、自動測定が可能となる。

【００１２】

【発明の実施の態様】本発明の一実施例を図１乃至図４
に基づいて説明する。チャンバー１にはスパークプラグ
を螺設できるプラグホールが設けられ、スパークプラグ
を装着したときに該スパークプラグの発火部を外部から
観察できる観察窓１０１が設けられている。また、チャ
ンバー１の内部は、二重構造となっており、内筒１０５
には外筒１０６の内部と連通する通気孔１０２が複数開
けられている。さらに、スパークプラグ１００を取り付
けた際にその発火部が内筒１０５内に位置する様に内筒
およびスパークプラグホール１０９の位置形状が定めら
れている。内筒１０５には排気孔１０７が設けられてお
り、一方、チャンバー１の端面には、外筒１０６の内部
に圧力調整装置５を接続し、外気が導入される導入孔１
０８が開けられている。該排気孔１０７からは常時一定
量の内気を排出し、前記圧力調整装置５からの外気を常
時一定量導入することによってチャンバー内気の換気を
行っている。これにより、電気火花によって発生するオ
ゾンを外部に排出している。オゾンは、酸化力が強くス
パークプラグの電極の消耗に悪影響を与える場合がある
からである。外筒１０６に圧力調整装置５からの圧力を
導入するのは、圧力導入によって生じる内気の流れによ
る電気火花への影響をなくすためである。圧力調整装置
５は、チャンバ１内部の圧力を調整し、圧力に応じた電
圧を出力し、データユニット９に送る。

【００１３】スパークプラグ１００の中心電極１１０お
よび接地電極１２０は、種々の形状に加工されたものを
用意し、中心電極１１０および接地電極１２０の位置関
係も種々のものを用意しておく。なお、スパークプラグ
１００を前記チャンバー１に螺設した際に個々のスパー
クプラグにおける接地電極の方向を揃えるべく、主体金
具１５０に設けたネジに対し前記接地電極１２０の溶接
位置を一定になるように揃えている。

【００１４】２は前記スパークプラグ１００に印加され
る電圧を供給する点火回路である。点火回路２は、セン
タータップ式点火コイル３、一次回路３２のスイッチン
グ回路４、およびセンタータップ式点火コイル３の二次
回路１２からなる。点火回路２の二次回路１２の高電圧
リードは前記スパークプラグ１００の端子１６０に接続
されることにより前記中心電極１１０に高電圧が印加さ
れ、前記スパークギャップ１３０に電気火花が発生す
る。

【００１５】スイッチング回路４は、矩形波を発生する
発振器４２と、前記センタータップ式点火コイル３の一
次側回路３２に挿入され、該発信器４２の出力を入力信
号とするパワースイッチング素子４３、４３’及び手動
切り替えスイッチ４４を有し、実際のエンジンにスパー
クプラグを装着した際の条件をシミュレートすることが
できる点火進角となるよう、一次電流を断続する。図２
に示すように、パワースイッチング素子４３、４３’を
センタータップ式点火コイルを挟んで対象に接続し、前
記センタータップ式点火コイル３のセンタータップ３１
及び前記パワースイッチング素子４３、４３’に一定の
電圧を印加する定電圧電源３５が接続されている。そし
て、パワースイッチング素子４３、４３’のベース４
５、４５’に入力される発信器４２からの矩形波を手動
切り替えスイッチ４４によって切り替えることにより、
二次回路１２に発生する極性を変更することができる。

【００１６】分圧器６は、センタータップ式点火コイル
３の二次回路１２に近接して配された高インピーダンス
素子６１と、該高インピーダンス素子６１とアースとの
間に接続した低インピーダンス素子６２とを有する。こ
の実施例では、高インピーダンス素子６１として二次回
路１２の高電圧リードとの間に１ｐＦ（ピコファラッ
ド）の静電容量を生じるよう配設された導電体が使用さ
れ、低インピーダンス素子６２として１０００ｐＦの静
電容量のコンデンサを用い、二次回路１２に生じた二次
電圧を１／１０００程度に分圧する。この場合、低イン
ピーダンス素子６２に放電回路を形成する９ＭΩ（メガ
オーム）の抵抗６３を並列接続すると、分圧器６の時定
数が９ｍｓ（ミリ秒）となり３ｍｓという比較的長い減
衰時間の検出が確実にできる。これにより最高３０，０
００Ｖ（ボルト）前後の二次電圧が３０Ｖのレベルに分
圧され、二次電圧検出手段７に入力する。また、点火回
路２の二次回路１２に発生した電圧に応じた電圧を出力
し、データユニット９に送られる。

【００１７】二次電圧検出手段７は、発振器４２で設定
した時期においてリセットがなされるとともに、分圧器
６の分圧をホールドするピーク値検出手段７１からな
る。そして、ピーク値に応じた電圧を出力し、データユ
ニット９に送られる。

【００１８】作用を図３と共に説明する。一次電流を断
続する発振器４２により、に示す一次電流断続のため
の矩形波を出力する。この矩形波は、スパークプラグ１
０で火花放電を発生させるための信号である。手動切り
替えスイッチ４４によって、発信器４２によって発生し
た矩形波をパワースイッチング素子４３のベース４５に
入力する場合には、この矩形波が立ち上がることによっ
て、パワースイッチング素子４３が導通状態となる。こ
の場合には、前記センタータップ式点火コイル３のセン
タータップ３１からパワースイッチング素子４３を通じ
てアース４６に向けて、定電圧電源３５によって設定し
た電圧が印加される。次に前記矩形波が立ち下がると、
パワースイッチング素子４３は導通状態が解除され、前
記センタータップ式点火コイル３の一次側に印加されて
いた電圧が遮断され、前記センタータップ式点火コイル
３の二次側に負の誘導電圧が発生する。また、手動切り
替えスイッチ４４によって、発信器４２によって発生し
た矩形波をパワースイッチング素子４３’のベース４
５’に入力する場合には、この矩形波が立ち上がること
によって、パワースイッチング素子４３’が導通状態と
なる。この場合には、前記センタータップ式点火コイル
３のセンタータップ３１からパワースイッチング素子４
３’を通じてアース４６に向けて、定電圧電源３５によ
って設定した電圧が印加される。次に前記矩形波が立ち
下がると、パワースイッチング素子４３’は導通状態が
解除され、前記センタータップ式点火コイル３の一次側
に印加されていた電圧が遮断され、前記センタータップ
式点火コイル３の二次側に正の誘導電圧が発生する。該
センタータップ式点火コイル３の二次側の二次回路１２
にはスパークプラグ１００が接続されており、手動切り
替えスイッチ４４によって選択されたパワースイッチン
グ素子に応じた正又は負の誘導電圧によって、前記発火
部１３０に正極性又は負極性の電気火花が発生する。

【００１９】撮影手段８は、撮影機８１、光電変換装置
８２、比較演算装置８３からなる。撮影機８１として例
えば、ＣＣＤカメラが用いられ、前記チャンバー１に前
記の如く設けられている観察窓１０１を通じて前記スパ
ークギャップ１３０に発生した電気火花の状態を撮影
し、このＣＣＤカメラの信号がデータユニット９に送ら
れ、さらにモニタ９１によって電気火花の状態を画像に
映し出すことにより目視観察することもできる。また、
撮影機８１は、例えば多数の光ファイバーの集合体によ
り構成されているものを使用してもよく、カメラと画像
計測用コンピュータを使用してもよい。

【００２０】光電変換装置８２には、撮影機８１より得
られた光信号を電気信号に変換する例えばＳｉフォトダ
イオード等よりなる図示しない光電変換素子が形成され
るとともに、この光電変換素子によって得られた光信号
に対応した電気信号を増幅するやはり図示しない信号増
幅回路が形成されている。

【００２１】比較演算装置８３は、例えば図示しないア
ナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とデ
ジタルコンパレータとからなり、スイッチング回路４か
ら高電圧を発生させるためのタイミング信号をこの比較
演算装置８３の作動信号として入力し、このタイミング
信号を入力した時点における光電変換装置８２から入力
される電気信号と予め比較演算装置８３内に設定された
電気信号の設定値とを比較する。そして、この比較演算
装置８３には、スイッチング回路４からのタイミング信
号をカウントする図示しないカウンタ等をも有してお
り、発信器４２からのタイミング信号の入力回数をカウ
ントしており、比較演算装置８３内において予め設定さ
れたタイミング信号の入力回数に到達したときには当該
圧力条件での撮影終了信号を出力する。さらに、この光
電変換装置８２から入力される電気信号が設定値よりも
大であれば、次のタイミング信号入力時にも同様の比較
を行うが、この光電変換装置８２から入力される電気信
号が設定値よりも小であった場合には、不良信号が出力
されるようになっている。これによって、点火信号がス
イッチング回路４で発生したにもかかわらず、スパーク
プラグ１００の発火部１３０において電気火花が発生し
なかった場合を検出できる。そして、比較演算装置８３
によって発生した合否判定の信号は、データユニット９
に送られる。

【００２２】また、比較演算装置８３にはコンピュータ
を用いても良く、その場合は光電変換装置８２の出力を
Ａ／Ｄ変換してコンピュータ入力しプログラムで判定し
表示することになる。

【００２３】データユニット９に入力される、スイッチ
ング回路４からのタイミング信号、圧力調整器５の圧力
に応じた電圧、分圧器６から送られる点火回路２の二次
回路１２に発生した高電圧に応じた電圧、二次電圧検出
手段７のピーク値に応じた電圧及び撮影手段８の撮影機
８１からの電気火花の状態の映像及び比較演算装置８３
の合否判定信号は、スイッチング回路４からのタイミン
グ信号に同期して保存され、測定後のチェックに有効に
活用される。

【実施例】

【００２４】図５には、本装置で測定したスパークプラ
グの中心電極、接地電極の形状、位置関係及びスパーク
ギャップ周囲の雰囲気圧力を種々変更した場合の放電電
圧及び放電経路の関係を示す。図５の上段及び中段に示
すように、接地電極１２０を平板状とし、中心電極１１
０を針状とし、接地電極１２０と中心電極１１０との位
置関係を斜にした場合（スパークギャップ１．０mm）に
は以下のような放電経路及び放電電圧を有することがわ
かった。

【００２５】１．負極性における雰囲気圧力を５ｋｇ／
ｃｍ²ではほぼ直線状に火花放電するのに対し、正極性
とすることにより火花放電はアーク状に歪む。また、放
電電圧は１４．４ｋＶから９．９ｋＶになり、約４．５
ｋＶ（約３０％）低減する。 ２．雰囲気圧力を１０ｋｇ／ｃｍ²とすると火花放電の
経路はかぎ状に折れ曲がり、放電電圧も５ｋｇ／ｃｍ²
の場合に比べ約１０ｋＶ上昇する。これを正極性とする
ことにより放電経路は変わらないが、放電電圧は正極性
と比べ約３ｋＶ（約１０％）低減する。５ｋｇ／ｃｍ²
の雰囲気圧力の場合と比べ低減電圧の絶対値及び低減割
合とも著しく減少する。

【００２６】また、図５下段に示すような中心電極及び
接地電極ともに針状を有し、針の方向が互い違いになっ
ている場合（スパークギャップ１．４２mm）には、正極
側の電極から火花放電が針の方向に延伸し、負極側の電
極に引き寄せられるアーチ状を呈している。この場合に
は、放電電圧に差はないが、放電経路が異なっている。

【００２７】従来は、圧力と放電電圧、放電経路の違い
の測定において、測定圧力等の条件設定をすべて人の手
を介して行っていたが、以上述べた本発明によれば、条
件設定をあらかじめ入力しておくのみで各条件における
放電電圧等を測定でき、測定時間の短縮にもつながる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のスパークプラグの放電電圧測定装置
の回路図を示す。

【図２】 本発明のスパークプラグの放電電圧測定装置
の内、スイッチング回路４の拡大図を示す。

【図３】 本発明のスパークプラグの放電電圧測定装置
の内、点火の作動を説明するための波形図である。

【図４】 本発明のスパークプラグの放電電圧測定装置
の内、チャンバー１内部の構造を示す。

【図５】 本装置で測定したスパークプラグの中心電
極、接地電極の形状、位置関係及びスパークギャップ周
囲の雰囲気圧力を種々変更した場合の放電電圧及び放電
経路の関係を示す。

【図６】 従来より使用されているスパークプラグの外
観を示す。

【符号の説明】

１ チャンバー ５ 圧力調整装置 ６ 分圧器 ７ 二次電圧調整装置 ８ 撮影手段 ９ データユニット １０１ 観察窓

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバーにスパークプラグを装着し、
   該チャンバーに該スパークプラグの発火部を該チャンバ
   ーの外から観察できる観察窓が設けられ、 前記スパークプラグに印加される点火回路で発生した電
   圧によって該スパークプラグの発火部に発生した電気火
   花を前記観察窓を通して撮影する撮影手段と、 前記スパークプラグに印加される前記点火回路で発生し
   た電圧を分圧し、点火回路で発生した電圧に応じた電圧
   を出力する分圧器と、 前記分圧器からの出力からピーク値を検出し、ピーク値
   に応じた電圧を出力する二次電圧検出手段と、 前記チャンバー内の圧力を調整し、圧力に応じた電圧を
   出力する圧力調整装置と、 前記撮影手段からの出力、前記分圧器からの出力、前記
   ピーク値検出手段からの出力および前記圧力調整装置か
   らの出力を保存するデータユニットから成るスパークプ
   ラグの放電状態測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１のスパークプラグの放電状態測
   定装置において、 前記チャンバーは、外筒および該外筒内部に連通する通
   気孔が設けられた内筒からなり、前記圧力調整装置を前
   記外筒の内部に接続し、外気を導入するとともに、前記
   内筒の内部から排気を行い、 該内筒の内部に、前記スパークプラグの発火部が位置す
   ることを特徴とするスパークプラグの放電状態測定装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２のスパークプラグ
   の放電状態測定装置において、 前記撮影手段には、火花放電回数をカウントするカウン
   タが付加され、一定回数火花放電をカウントすると前記
   点火回路への電力の供給を停止し、前記圧力調整装置の
   調整圧力を変更する機能を有することを特徴とするスパ
   ークプラグの放電状態測定装置。