JPH10172715A

JPH10172715A - イオン電流検出用点火プラグ

Info

Publication number: JPH10172715A
Application number: JP33226096A
Authority: JP
Inventors: Toru Yoshinaga; 融吉永; Tokio Kohama; 時男小浜; Hiroshi Yorita; 浩頼田; Yasuyuki Sato; 靖之佐藤; 栄司 ▲高▼桑; Eiji Takakuwa
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 1996-12-12
Filing date: 1996-12-12
Publication date: 1998-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】放電電圧が低く着火性が良好で、しかもイオン
電流を大きく検出できるイオン電流検出用点火プラグを
提供する。【解決手段】イオン電流検出用点火プラグは、ハウジン
グと絶縁碍子と電極（中心電極４、接地電極５）とを備
えている。中心電極４においてはケーシング１２が基端
側の大径部となり、このケーシング１２からチップ１３
の縮径部１８が延びている。チップ１３の縮径部１８
は、ケーシング１２に比べ電気抵抗の大きな材料よりな
る。ケーシング１２の先端の角部にはアール部２１が形
成されている。チップ１３の縮径部１８およびケーシン
グ１２の先端には貴金属チップ１９，２０が設けられて
いる。点火の際にはチップ１３の縮径部１８により放電
が開始され、放電開始後においては誘導放電火花がチッ
プ１３の縮径部１８からケーシング１２へ移行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、イオン電流検出
用点火プラグに係り、詳しくは、点火のための放電を行
うとともに当該放電終了後において燃焼により発生した
イオン電流を検出するためのイオン電流検出用点火プラ
グに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の点火プラグは、主に着火性向上の
ために改良がなされており、イオン電流計測のための工
夫はあまりなされていない。特に、最近の貴金属（白金
等）電極プラグにおいては、中心電極，接地電極共に表
面積が低減された形状になっているため、イオン電流計
測には不利な形状となっている。イオン電流計測法は燃
焼室内に存在するイオン量を電流値として検出するた
め、電極形状の影響、特に中心電極形状の影響を大きく
受ける。従って、中心電極面積が小さいとイオン電流検
出能力が著しく低下し、失火検出、ノッキング検出等の
検出精度が低下するという欠点が存在した。

【０００３】このようなイオン電流検出にも配慮した点
火プラグが特開平４−３３０３８２号公報に示されてい
る。この点火プラグは、プラグの絶縁体から突出する中
心電極として一部に基部よりも径の小さな小径部を設
け、中心電極の先端部からスパークプラグの絶縁体側に
熱が逃げにくくして中心電極の先端部の温度を高く保つ
ことにより中心電極の先端部へのデポジットの付着を防
止している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記公報に
よる技術においては放電電圧については考慮されておら
ず、放電電圧を低くしつつ着火性およびイオン電流検出
精度の向上が望まれている。

【０００５】そこで、この発明の目的は、放電電圧が低
く着火性が良好で、しかもイオン電流を大きく検出でき
るイオン電流検出用点火プラグを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、中心電極を、基端側の大径部と、この大径部から延
び、かつ、大径部に比べ電気抵抗の大きな材料よりなる
小径部とで構成したことを特徴としている。

【０００７】この構成により、点火の際に、中心電極と
接地電極との間に高電圧が印加されると、電気抵抗の大
きな材料よりなる小径部により放電が開始され、細い箇
所からの放電となり火炎核の冷却が抑制されて放電電圧
を低くできる。又、放電開始後においては誘導放電火花
が小径部から大径部へ移行し、放電距離を長くして着火
性の向上が図られる。さらに、点火後のイオン電流検出
の際には中心電極と接地電極との間に電圧が印加され、
大径部において大きな表面積によるイオン電流検出が行
われ、イオン電流出力が大きくなる。

【０００８】請求項２に記載の発明は、大径部の先端の
角部をアール状またはテーパ状にしたことを特徴として
いる。よって、イオン電流検出の際に、アール状または
テーパ状とした箇所において全方位的にイオンが集ま
り、イオン電流出力を更に大きくできる。

【０００９】請求項４に記載の発明は、大径部の先端ま
たは小径部の先端の少なくともいずれか一方に貴金属チ
ップを設けたことを特徴としている。よって、放電部に
貴金属チップを設けることで、電極消耗を抑え長期運転
後の電極消耗を低減でき放電電圧の上昇を抑えることが
できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した実施
の形態を図面に従って説明する。図９は、本実施の形態
における内燃機関の燃焼状態検出装置を示す。トランス
（点火コイル）３１の二次側端子３１ｂにはイオン電流
検出用点火プラグ１が設けられ、同プラグ１はその先端
が内燃機関の図示しない燃焼室に突設されている。同燃
焼状態検出装置は、このイオン電流検出用点火プラグ１
により点火を行うとともに、点火用の放電終了後にプラ
グ１に電圧を印加して燃焼により発生したイオン電流を
検出することにより燃焼状態を検出するものである。

【００１１】図１には、イオン電流検出用点火プラグ１
の縦断面図を示す。又、図２（ａ）には点火プラグ１の
先端部における拡大図（図１のＡ矢視図）を、図２
（ｂ）にはその断面図を示す。

【００１２】以下、同プラグ１を詳細に説明する。図１
に示すように、イオン電流検出用点火プラグ１は、ハウ
ジング２と絶縁碍子３と電極（中心電極４、接地電極
５）を主要部としており、ハウジング２にて絶縁碍子３
の支持およびプラグ１のエンジンへの取付けが行われ、
絶縁碍子３にて中心電極４とハウジング２とが絶縁され
る。

【００１３】絶縁碍子３はアルミナ磁器よりなり、その
中心に軸孔６が設けられている。絶縁碍子３の軸孔６に
おける上部には金属製の中軸７が挿通されている。中軸
７の頭部には端子８がねじ込み固定されている。円筒状
のハウジング２は、耐熱，耐食，導電性を有する金属で
構成され、このハウジング２の内側にリング状気密パッ
キン９及びかしめリング１０を介して前記絶縁碍子３が
固定されている。このハウジング２にはねじ部１１が設
けられ、ねじ部１１によりプラグ１が内燃機関のシリン
グブロックに固定されている。

【００１４】中心電極４は、円筒形のケーシング１２
と、ケーシング１２内の下端部に設けられるチップ１３
と、ケーシング１２内に設けられる熱価調節用芯棒１４
とにより構成されている。ケーシング１２はＮｉ合金よ
りなり、チップ１３はＴｉＯとＡｌ₂Ｏ₃よりなる導電
性セラミックで構成され（詳しくは、９０ｗｔ％ＴｉＯ
と１０ｗｔ％Ａｌ₂Ｏ₃）、熱価調節用芯棒１４は熱伝
導性良好なＣｕよりなる。円筒形ケーシング１２は、外
径が２．５ｍｍ、内径が１．６ｍｍであり、ケーシング
１２はその上端の近くには外径が４ｍｍ位のふくらみ部
１５が設けられている。又、図２に示すように、円筒形
ケーシング１２の下端部には細い孔１６が形成されてい
る。つまり、円筒形ケーシング１２の下端部は、内径が
１．６ｍｍから０．４ｍｍに絞られている。チップ１３
は段付の丸棒状に形成されており、外径の大きい拡径部
１７と外径の小さい縮径部１８とからなる。チップ１３
の拡径部１７がケーシング１２の大きい方の内径を有す
る部分に格納され、チップ１３の縮径部１８が孔１６を
通してケーシング１２の先端より僅かに（Ｌ１＝０．８
ｍｍ）突出している。

【００１５】このように中心電極４は、大径部としての
ケーシング１２の先端から、小径部としてのチップ１３
の縮径部１８が突出した構成となっており、且つ、ケー
シング１２の材料であるＮｉ合金とチップ１３の材料で
ある導電性セラミック（ＴｉＯ＋Ａｌ₂Ｏ₃）とを比較
すると、導電性セラミックの方が電気抵抗が大きい。

【００１６】さらに、中心電極４のケーシング１２の先
端部には白金等の貴金属チップ１９が抵抗溶接等により
固定されている。又、チップ１３の縮径部１８の先端部
には白金等の貴金属チップ２０が抵抗溶接等により固定
されている。中心電極４におけるケーシング１２の先端
角部は、丸みが付けられたアール部２１となっている。

【００１７】図１の芯棒１４は、粉末状のＣｕをケーシ
ング１２内にチップ１３の底面を押圧するように充填し
て、溶融させた後固まらせて固定したものである。かか
る中心電極４は前記絶縁碍子３の軸孔６の下部に挿入さ
れており、この芯棒１４によって熱の引けがよくなる。

【００１８】絶縁碍子３の軸孔６内には導電性ガラスシ
ール層２２が封着され、導電性ガラスシール層２２は銅
粉末と低融点ガラスより構成されている。このシール層
２２により中軸７と中心電極４とが電気的に接続される
とともに、両者が絶縁碍子３の軸孔６に移動不能に固着
されている。

【００１９】ハウジング２の下端面には接地電極５が溶
接固定されている。接地電極５はＪ字状に屈曲形成さ
れ、耐熱，腐食，導電性を有する金属よりなる。図２に
示すように、接地電極５における中心電極４と対向する
面には、Ｕ字溝２３が延設されている。接地電極５の先
端部における中心電極４と対向する面には、Ｕ字溝２３
を挟んで白金等の貴金属チップ２４ａ，２４ｂが固着さ
れている。

【００２０】中心電極４の端面と接地電極５の側面との
間の空隙が火花放電ギャップ部（火花隙間）となる。こ
の火花放電ギャップ部は、詳しくは、チップ１３の端面
（正確には貴金属チップ２０の端面）と接地電極５の端
面（正確には貴金属チップ２４ａ，２４ｂの端面）とで
形成される第１火花放電ギャップＡＧ１と、ケーシング
１２の端面（正確には貴金属チップ１９の端面）と接地
電極５の端面（正確には貴金属チップ２４ａ，２４ｂの
端面）とで形成される第２火花放電ギャップＡＧ２とが
ある。第１火花放電ギャップＡＧ１は約０．７ｍｍ、第
２火花放電ギャップＡＧ２は約１．５ｍｍである。又、
中心電極４は絶縁碍子３の先端部より一定値Ｈだけ突出
している。突出量Ｈは２．５ｍｍである。

【００２１】そして、点火の際に中心電極４に高電圧が
印加されると、まず、第１火花放電ギャップＡＧ１で火
花放電が開始される。この時、チップ１３の縮径部１８
の直径は０．４ｍｍと細いため、火炎核の冷却が抑制さ
れて火花放電開始に必要な電圧は非常に低い。実験例と
しては、直径２．５ｍｍ時に２０ＫＶであったものが、
０．４ｍｍでは１２ＫＶであった。この第１火花放電ギ
ャップＡＧ１での火花放電は直ちに多量のイオンを生成
するが、このイオンは第２火花放電ギャップＡＧ２での
火花放電を容易にするため、今度は第２火花放電ギャッ
プＡＧ２に火花放電が移行し、この第２火花放電ギャッ
プＡＧ２での放電が継続する。

【００２２】ここで火花放電がギャップＡＧ１からＡＧ
２に移行する理由は、チップ１３を本実施形態のように
９０ｗｔ％ＴｉＯと１０ｗｔ％Ａｌ₂Ｏ₃で構成すると
電気抵抗は１００μΩｃｍ位であり、Ｎｉ合金よりなる
ケーシング１２の電気抵抗７μΩｃｍよりはるかに大き
いからである。尚、チップ１３のＴｉＯとＡｌ₂Ｏ₃と
の割合を３０ｗｔ％ＴｉＯ＋７０ｗｔ％Ａｌ₂Ｏ₃とす
ると電気抵抗は８００００μΩｃｍになり、第２火花放
電ギャップＡＧ２への放電移行は更に顕著になる。

【００２３】この時、中心電極４におけるケーシング１
２の先端角部はアール部２１となっているので、最初の
ブレークダウンがケーシング１２の先端角部で生じるこ
とはない。

【００２４】又、火花放電の開始は中心電極４の小径部
（チップ１３の縮径部１８）で行われ、直ちにその火花
放電は中心電極４の大径部（ケーシング１２）に移行す
るので、チップ１３の先端部の貴金属チップ２０の消耗
が抑制され、運転時間に対し放電電圧の上昇を抑えるこ
とができる。さらに、ケーシング１２の先端にも貴金属
チップ１９が設けられているため放電を貴金属チップ１
９，２０で分担でき消耗を抑制できる。

【００２５】火花放電の開始のブレークダウンは高電圧
の火花が飛ぶが、中心電極４の小径部（チップ１３の縮
径部１８）のチップ１３は高抵抗体であり、この高抵抗
体を介して電流が流れるためノイズの発生が抑制され
る。これにより、イオン電流を測定する際に高精度に測
定を行うことができる。

【００２６】混合気への着火に有効な放電はブレークダ
ウン後の比較的低い電圧で放電が持続する誘導放電であ
りその誘導放電は第２火花放電ギャップＡＧ２で生じ放
電距離が長くなる。放電距離が長くなると混合気との遭
遇チャンスが増加し着火性が向上する。又、中心電極４
の大径部（ケーシング１２）による放電のため火炎核表
面が電極表面に接触しにくくなり、火炎核の冷却が抑え
られる。チップは耐熱性のセラミックであり放電により
加熱されているため火炎を冷却することはない。これに
より火炎核の成長が促進され、着火性が向上することと
なる。

【００２７】又、誘導放電期間は放電距離が長くなった
ために短くなり、放電終了時期が早まる。そのため、放
電終了後からイオン電流測定が可能となる本システムに
おいてイオン電流検出時期を早期に行うことができ、長
い期間、燃焼状態の検出を行うことができる。

【００２８】放電終了後、点火プラグ１の中心電極４に
電圧（交流電圧）が印加され、電極４，５に燃焼室内の
イオンが吸収され、それに伴うイオン電流が測定され
る。このとき、中心電極４のケーシング１２は大径とな
っており表面積が大きく、この部位によるイオン電流検
出はその出力が大きくなる。又、中心電極４のケーシン
グ１２の先端角部にはアール部２１が形成されているの
で、燃焼室内のイオンを大量に吸収しイオン電流の検出
精度が向上する。即ち、アール部２１においては全方位
的にイオンが集まり、イオン電流出力が大きくなる。

【００２９】ここでイオン電流は電極間の電界強度に依
存する。これを図３を用いて説明すると、（ａ）のよう
に中心電極４が細く、かつ、絶縁碍子３からの突出量Ｈ
が小さい場合、（ｂ）のように中心電極４が細く、か
つ、絶縁碍子３からの突出量Ｈが大きい場合、（ｃ）の
ように中心電極４が太く、かつ、火花放電ギャップＡＧ
が小さい場合、（ｄ）のように中心電極４が太く、か
つ、火花放電ギャップＡＧが大きい場合を、考える。
（ａ）〜（ｄ）において電界強度が大きい範囲を一点鎖
線にて示す。つまり、イオン電流ｉは、ｉ＝∫η・μ・ＥｄＶ η；電流密度、μ；イオン移動度、Ｅ；電界強度にて表される。

【００３０】又、電界強度Ｅは、

【００３１】

【数１】

【００３２】にて表される（図４参照）。ただし、２ｓ
は電極間距離、ｒはイオンまでの距離、ε_oは誘電率で
ある。この図３から分かるように、電界強度が大きくな
る範囲は中心電極４の形状によって影響される。つま
り、中心電極４の突出量Ｈが大きいほど、電極径が大き
いほど、火花放電ギャップＡＧが大きいほど、電界強度
が大きくなる範囲が大きくなる。

【００３３】これに関する実験結果を、図６，７，８に
示す。つまり、図５に示すように、中心電極４の突出量
Ｈと中心電極４の径φと火花放電ギャップ（電極間距
離）ＡＧとにおけるイオン電流への影響に関する実験結
果を、図６，７，８に示す。

【００３４】図６には、中心電極４の突出量Ｈに対する
イオン電流を示す。この図６から、中心電極４の突出量
Ｈが大きいほどイオン電流は大きくなることが分かる。
図７には、中心電極４の径φに対するイオン電流を示
す。この図７から、中心電極４の大径部（図２のケーシ
ング１２）が大きいほどイオン電流は大きくなることが
分かる。

【００３５】図８には、火花放電ギャップ（電極間距
離）ＡＧに対するイオン電流を示す。この図８から、ギ
ャップＡＧが大きいほどイオン電流は大きくなることが
分かる。

【００３６】このように、イオン電流測定のためには、
中心電極４の突出量Ｈを大きく、中心電極４の大径部
（図２のケーシング１２）を大きく、火花放電ギャップ
（電極間距離）ＡＧを大きくするのがよいので、図２の
中心電極４の突出量Ｈを２．５ｍｍとし、ケーシング１
２の径を２．５ｍｍとし、火花放電ギャップＡＧ２を
１．５ｍｍとし、Ｈ値、φ値、ＡＧ値を通常よりも大き
くしている。

【００３７】このような構成の点火プラグ１を用いた図
９に示す内燃機関の燃焼状態検出装置の構成を説明す
る。図９において、点火プラグ１の中心電極４には、高
電圧印加回路３０を構成するトランス３１の二次側巻線
３１ｂが接続されている。

【００３８】高電圧印加回路３０において、トランス３
１の一次側巻線３１ａの一方の端子にはバッテリ３２が
接続され、一次側巻線３１ａの他方の端子にはバッテリ
３２による電圧の印加をＯＮ／ＯＦＦするためのスイッ
チングトランジスタ３３のコレクタが接続されている。
スイッチングトランジスタ３３のべースには、ＯＲゲー
ト回路３４の出力端子が接続されている。ＯＲゲート回
路３４の２つの入力端子のうち、一方にはマイクロコン
ピュータを主体として構成されるエンジン制御用ＥＣＵ
（エンジン制御用電子制御ユニット）３５が接続され、
他方には周波数２０ｋＨｚの矩形波信号を所定期間で発
生する高周波信号発生器３６が接続されている。エンジ
ン制御用ＥＣＵ３５は、その時々の機関運転状態に基づ
いて点火信号ＩＧＴを生成し、当該点火信号ＩＧＴをＯ
Ｒゲート回路３４に出力する。

【００３９】かかる場合、点火プラグ１と高電圧印加回
路３０の一部は内燃機関の燃焼室に導入された燃料と空
気との混合気に点火する役割を果たす。つまり、エンジ
ン制御用ＥＣＵ３５から点火信号ＩＧＴとしてＨレベル
信号が出力されると上記スイッチングトランジスタ３３
がＯＮされ、バッテリ３２から点火コイルとしての役割
をなすトランス３１に点火用エネルギが蓄積される。そ
の後、点火信号ＩＧＴがＨレベルからＬレベルに変わる
と電磁誘導により点火プラグ１の電極４，５間に高電圧
が印加され、電極４，５間に火花放電が発生する。該火
花放電により前記混合気が点火され、燃焼に供される。

【００４０】前記高周波信号発生器３６は、２入力のＡ
ＮＤゲート回路３７を有し、その入力端子には発振器３
８による２０ｋＨｚの矩形波信号ＳＧ１と、点火プラグ
１による火花発生後の所定期間において電極４，５間に
交流電圧を印加するための所定期間信号ＳＧ２とが入力
される。つまり、このＡＮＤゲート回路３７の出力ＳＧ
３により、点火プラグ１に交流電圧を印加する期間が決
定されることとなる。なお、所定期間信号ＳＧ２は、前
記点火信号ＩＧＴがＨレベルからＬレベルに変わってか
ら所定時間経過後にＬレベルからＨレベルに変化するよ
う前記したエンジン制御用ＥＣＵ３５にて生成される。

【００４１】一方、トランス３１の二次側巻線３１ｂと
接地電極５との間には、混合気の燃焼時において電極
４，５間に流れるイオン電流を検出するための電流検出
抵抗３９が接続されている。また、電流検出抵抗３９と
トランス３１の二次側巻線３１ｂとの間にはイオン電流
処理回路４０内に設けられたローパスフィルタ４１が接
続されている。ローパスフィルタ４１は、オペアンプに
よるＣＲ積分回路を用いている。

【００４２】イオン電流処理回路４０において、ローパ
スフィルタ４１は前記電流検出抵抗３９により検出され
たイオン電流信号の高周波成分（２０ｋＨｚ以上の高周
波交流成分）を除去するものである。つまり、ローパス
フィルタ４１は、周期的に変化する容量成分及び燃焼イ
オン成分の電圧変化に対する変化分をカットし、その出
力は交流の周期的な変化を含まない燃焼イオンの増減の
みにより変化するものとなる。本実施の形態では、フィ
ルタの遮断特性からローパスフィルタ４１のカットオフ
周波数を８ｋＨｚ程度に設定するが、急峻な遮断特性が
得られるものであれば、カットオフ周波数をより高い周
波数に設定することもできる（交流電圧の周波数２０ｋ
Ｈｚに近づけることができる）。

【００４３】ローパスフィルタ４１の出力は、チェビシ
ェフ型フィルタ回路として構成される積分器４２に入力
される。積分器４２には、ローパスフィルタ４１の出力
の他に前記所定期間信号ＳＧ２が入力されるようになっ
ており、この信号ＳＧ２にて規定される期間内でローパ
スフィルタ４１の出力が積分処理される。つまり、積分
器４２は燃焼イオンのトータル量に相当する燃焼イオン
電流の総和（積分値Ｉｐ）を計測する。

【００４４】積分器４２の出力（積分値Ｉｐ）は、第１
の出力判定回路４３を構成するコンパレータ４３ａの＋
入力端子に入力される。コンパレータ４３ａの−入力端
子には可変抵抗器４３ｂのスライド接点が接続されてい
る。このスライド接点の位置により決定される基準電圧
は、バッテリ４３ｃの電圧降下分が所定の燃焼イオン電
流の積分値Ｉｐの下限値Ｉmin に相当するように予め調
整されている。つまり、コンパレータ４３ａは燃焼イオ
ン電流の積分値Ｉｐと下限値Ｉmin とを比較するもので
あって、積分値Ｉｐが下限値Ｉmin 以上であればその出
力をＨレベルとし、積分値Ｉｐが下限値Ｉmin 未満であ
ればその出力をＬレベルとする。この出力は失火検出用
ＥＣＵ４４に入力され、失火検出用ＥＣＵ４４は、第１
の出力判定回路４３の出力がＬレベルであれば、現在の
内燃機関が「失火状態」である旨を判定する。

【００４５】一方、前記ローパスフィルタ４１の出力は
ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４５にも入力され、ハイパ
スフィルタ４５はノッキング周波数成分の変化量のみを
抽出する。本実施の形態では、周波数７ｋＨｚ程度に現
れるノッキング周波数成分を検出するべく、ハイパスフ
ィルタ４５のカットオフ周波数が６ｋＨｚに設定されて
いる。つまり、前記ローパスフィルタ４１並びにハイパ
スフィルタ４５を通過する信号は６〜８ｋＨｚの周波数
を有する信号となる。

【００４６】ハイパスフィルタ４５の出力は、ピークホ
ールド回路４６に入力され、ピークホールド回路４６は
前記所定期間信号ＳＧ２が入力されている期間内におい
てハイパスフィルタ４５の出力の振幅が最大となるピー
ク値ΔＩｐをホールドする。なお、このピーク値ΔＩｐ
は、所定期間信号ＳＧ２の入力毎にリセットされる。

【００４７】ピークホールド回路４６の出力（ピーク値
ΔＩｐ）は、第２の出力判定回路４７を構成するコンパ
レータ４７ａの＋入力端子に入力される。コンパレータ
４７ａの−入力端子には可変抵抗器４７ｂのスライド接
点が接続されている。このスライド接点の位置により決
定される基準電圧は、バッテリ４７ｃの電圧降下分が所
定のノッキング判定レベルΔＩmax に相当するように予
め調整されている。つまり、コンパレータ４７ａはノッ
キング周波数成分のピーク値ΔＩｐとノッキング判定レ
ベルΔＩmax とを比較するものであって、ピーク値ΔＩ
ｐがノッキング判定レベルΔＩmax 以上であればその出
力をＨレベルとし、ピーク値ΔＩｐがノッキング判定レ
ベルΔＩmax 未満であればその出力をＬレベルとする。
この出力はノッキング検出用ＥＣＵ４８に入力され、ノ
ッキング検出用ＥＣＵ４８は、第２の出力判定回路４７
の出力がＨレベルであれば、現在の内燃機関が「ノッキ
ング状態」である旨を判定する。

【００４８】なお、前記失火検出用ＥＣＵ４４にて失火
状態でない旨が判定され（第１の出力判定回路４３の出
力がＨレベル）、且つ、ノッキング検出用ＥＣＵ４８に
てノッキング状態でない旨が判定された場合（第２の出
力判定回路４７の出力がＬレベル）には、内燃機関が正
常燃焼している旨が判定される（この判定処理は、例え
ばエンジン制御用ＥＣＵ３５にて実行される）。

【００４９】次に、上記の如く構成される燃焼状態検出
装置について、その作用を図１０〜図１３のタイムチャ
ートを用いてより具体的に説明する。先ず、図１０を用
いて全体の概要を説明する。図１０（ａ）に示すよう
に、時間ｔ１にて点火信号ＩＧＴがＨレベルに立ち上げ
られ、その後、時間ｔ２にて同点火信号ＩＧＴがＬレベ
ルに立ち下げられる。このとき、点火プラグ１が有する
静電エネルギにより容量放電が観測され、それに続いて
トランス３１に蓄えられた電磁エネルギによる誘導放電
が観測される。そして、点火プラグ１の火花点火に伴い
燃焼室内の混合気が着火されると、図１０（ｃ）に示す
ように筒内圧が上昇し始める。

【００５０】また、図１０（ｂ）に示すように、時間ｔ
３〜ｔ４では混合気が燃焼している状態で前記高周波信
号発生器３６から周波数２０ｋＨｚの矩形波信号（ＳＧ
３）がＯＲゲート回路３４を介してスイッチングトラン
ジスタ３３のベースに入力され、これによりトランス３
１の一次側巻線３１ａにてバッテリ電圧のＯＮ／ＯＦＦ
が繰り返される。しかして、図１０（ｄ）に示すよう
に、電磁誘導によりトランス３１の二次側巻線３１ｂに
は、上記矩形波信号の周波数と同じ周波数の高圧の交流
電圧が発生し、その交流電圧が点火プラグ１の電極４，
５間に印加される。

【００５１】さらに、図１０（ｅ），（ｆ）に示すよう
に、時間ｔ３〜ｔ４では、電流検出抵抗３９の出力が図
示の交流信号となり、同信号がローパスフィルタ４１を
通過することにより、同フィルタ４１の出力は図示の如
く筒内圧を反映した波形となる。このローパスフィルタ
４１の出力波形の詳細について図１１及び図１２を用い
て以下に説明する。

【００５２】図１１（ａ）は高周波信号発生器３６から
出力される矩形波信号（ＳＧ３）を示し、図１１（ｂ）
は電極４，５間に印加される交流電圧を示す。この交流
電圧はスイッチングトランジスタ３３やトランス３１等
の実装状態における浮遊容量によって矩形波信号と比べ
て波形がなまり、且つ位相が９０°遅れた正弦波となっ
ている。そして、交流電圧が印加されることにより電極
４，５に電流が流れる。

【００５３】図１１（ｃ）は上記電流のうち容量電流成
分を示しており、これは上記交流電圧の時間微分に比例
した電流に相当する。図１１（ｄ）は燃焼イオン電流成
分を示すもので、燃焼イオンが多いほどその振幅量が多
くなる。燃焼イオン電流は燃焼イオンの量に比例した振
幅で上記交流電圧と同位相で振動し、上記矩形波信号が
ＨレベルからＬレベルに変化する位相で最大となる。容
量電流と燃焼イオン電流の和が電流検出抵抗３９を流れ
る電流として検出される。

【００５４】図１１（ｅ）は上記電流検出抵抗３９を流
れる電流を示し、この電流はイオン電流処理回路４０の
ローパスフィルタ４１に入力される。かかる場合におい
て、ローパスフィルタ４１に入力される電流は容量電流
（図１１（ｃ））と燃焼イオン電流（図１１（ｄ））と
の和であるが、ローパスフィルタ４１では入力した電流
値を各々の電流成分に分離するための積分処理が行われ
る。

【００５５】ここで、図１２（ａ）は容量電流の積分結
果を示し、図１２（ｂ）は燃焼イオン電流の積分結果を
示す。これら図１２（ａ），（ｂ）から分かるように、
容量電流はローパスフィルタ４１による積分により正側
の成分と負側の成分とが相殺され、結果として「０」の
出力となる。また、燃焼イオン電流は、正側の成分が負
側の成分よりも大きくなり、結果として図示のような波
形が得られる。この波形は前記図１０の波形に一致す
る。

【００５６】要するに、電流検出抵抗３９により検出さ
れた電流に含まれる容量電流は同一位相で一定であるた
め、所定区間で上記電流の積分を行うと、交流電流の正
負の容量電流値は相殺される。これに対し、燃焼イオン
電流は、印加電圧の正負に対し感度が異なるため、正の
印加電圧に対しては出力が大きく、負の電圧印加時には
出力が非常に小さくなる。従って、所定区間で積分を行
うと、正側の積分値から負側の積分値を引くことになる
が、相殺されて「０」になることはなく、イオンの発生
量、若しくはイオン密度変化に対応した出力波形が得ら
れる。

【００５７】次に、上記の如く得られたローパスフィル
タ４１の出力から内燃機関の燃焼状態を検出する手順に
ついて図１３のタイムチャートを用いて説明する。な
お、図中の時間ｔ１１は点火時期を示し、時間ｔ１２は
点火後における誘導放電の終了時期を示す。

【００５８】図１３（ａ）は１燃焼サイクル中の燃焼室
の筒内圧の経時変化を示すもので、図中には、「正常燃
焼」、「ノッキング」、「失火」の３つの場合について
筒内圧の変化状態を示す。いずれの燃焼も筒内圧は点火
後上昇し最大値となった後は減衰する傾向は同じである
が、正常燃焼と比較をすると、ノッキング時には燃焼室
内で圧力波による圧力振動が生じ、筒内圧に振動成分が
現れる。失火の場合には燃焼イオンが生成されないた
め、モータリングと同様の波形（例えばクランキング駆
動時の波形）となる。

【００５９】図１３（ｂ）は上記燃焼サイクル中におけ
る燃焼イオン電流の経時変化を示すもので、ローパスフ
ィルタ４１の出力として現れる。正常燃焼時イオン電流
波形は筒内圧に対応した波形となる。失火が生じると、
燃焼イオンの発生がないためイオン電流は出力されな
い。ノッキングが生じると、イオン電流波形にもノッキ
ングの振動が現れる。

【００６０】図１３（ｃ）は失火検出のための積分器４
２の出力を示す。正常燃焼の場合、燃焼イオンの積算値
が出力されるため、燃焼量に対応した値が得られる。イ
オン電流波形の積分値Ｉｐが下限値Ｉmin 以下であれ
ば、失火検出用ＥＣＵ４４により失火発生が判定され
る。こうして積分器４２の出力を用いて失火検出を行う
ことにより、所定タイミングでイオン電流値を検出する
方法に比べて、燃焼のばらつきの影響が少なく失火検出
精度が向上する。

【００６１】図１３（ｄ）はノッキング検出のためのハ
イパスフィルタ４５の出力を示す。ノッキングが生じた
際のイオン電流波形の振動成分のみが取り出される。正
常燃焼の場合、振動がないため出力はされない。イオン
電流波形の振幅値ΔＩｐが振動振幅ΔＩmax 以上であれ
ば、ノッキング検出用ＥＣＵ４８によりノッキング発生
が判定される。

【００６２】このように本実施の形態でのイオン電流検
出用点火プラグ１においては、下記の特徴を有する。（イ）図２に示すように、中心電極４は、大径部として
のＮｉ合金製ケーシング１２の先端から、小径部として
の導電性セラミック製チップ１３の縮径部１８を突出し
た構造とした。つまり、中心電極４を、基端側の大径部
（ケーシング１２）と、この大径部から延び、かつ、大
径部に比べ電気抵抗の大きな材料よりなる小径部（チッ
プ１３の縮径部１８）とで構成した。よって、点火の際
に中心電極４と接地電極５との間に高電圧が印加される
が、この時、電気抵抗の大きな材料よりなる小径部（チ
ップ１３の縮径部１８）により放電が開始され、細い箇
所からの放電となり火炎核の冷却が抑制されて放電電圧
を低くできる。又、放電開始後には誘導放電火花が小径
部から大径部へ移行し放電距離が長くなって着火性が向
上する。さらに、点火後に中心電極４と接地電極５との
間に交流電圧が印加されイオン電流検出が行われるが、
この時、大径部において大きな表面積によるイオン電流
検出が行われ、イオン電流出力を大きくできる。（ロ）大径部（ケーシング１２）の先端の角部をアール
状としたので（アール部２１を設けたので）、イオン電
流検出の際に、丸みをつけた箇所において全方位的にイ
オンが集まり、イオン電流出力を更に大きくできる。（ハ）小径部（チップ１３の縮径部１８）の先端および
大径部（ケーシング１２）の先端に貴金属チップ１９，
２０を設けたので、放電部に貴金属チップ１９，２０を
設けることで電極消耗を抑え長期運転後の電極消耗を低
減でき放電電圧の上昇を抑えることができる。

【００６３】これまで説明した実施の形態以外にも下記
のように実施してもよい。前述の実施の形態ではイオン
電流検出用点火プラグにおいては、中心電極４の小径部
をＴｉＯとＡｌ₂Ｏ₃よりなる導電性セラミックにて構
成したが、他にも、高抵抗物質や半導体物質により構成
してもよい。高抵抗物質の例としては、Ａｌ₂Ｏ₃とＳ
ｉＣの混成物が挙げられる。又、半導体物質の例として
は、ＳｉＣとＴｉＣの混成物が挙げられる。

【００６４】又、大径部（ケーシング１２）の先端の角
部をアール状ではなくテーパ状としてよく、この場合に
も全方位的にイオンを集めイオン電流出力を大きくでき
る。さらに、前述の実施の形態では小径部（チップ１３
の縮径部１８）の先端および大径部（ケーシング１２）
の先端に貴金属チップ１９，２０を設けたが、いずれか
一方のみに貴金属チップを設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態におけるイオン電流検出用点火プラ
グの縦断面図。

【図２】点火プラグの先端部における拡大図。

【図３】電界強度が大きい範囲を示す説明図。

【図４】電界強度の説明のための図。

【図５】点火プラグの先端部の斜視図。

【図６】中心電極の突出量Ｈに対するイオン電流を示す
図。

【図７】中心電極の径φに対するイオン電流を示す図。

【図８】火花放電ギャップ（電極間距離）ＡＧに対する
イオン電流を示す図。

【図９】実施の形態における燃焼状態検出装置を示す電
気回路図。

【図１０】燃焼状態検出装置の作用の概要を示すタイム
チャート。

【図１１】燃焼状態検出装置の信号処理波形を示すタイ
ムチャート。

【図１２】容量電流の積分結果と燃焼イオン電流の積分
結果とを示すタイムチャート。

【図１３】燃焼状態の検出手順を説明するためのタイム
チャート。

【符号の説明】

１…イオン電流検出用点火プラグ、２…ハウジング、３
…絶縁碍子、４…中心電極、５…接地電極、１２…ケー
シング、１３…チップ、１８…縮径部、１９…貴金属チ
ップ、２０…貴金属チップ、２１…アール部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者頼田浩愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者佐藤靖之愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 ▲高▼桑栄司愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁碍子の先端から中心電極が突出する
とともに、絶縁碍子を支持するハウジングの先端から接
地電極が突出し、両電極間に火花隙間が形成され、点火
用の放電終了後に前記電極子間に電圧が印加されて燃焼
により発生したイオン電流を検出するためのイオン電流
検出用プラグにおいて、前記中心電極を、基端側の大径部と、この大径部から延
び、かつ、大径部に比べ電気抵抗の大きな材料よりなる
小径部とで構成したことを特徴とするイオン電流検出用
プラグ。
【請求項２】前記大径部の先端の角部をアール状また
はテーパ状にしたことを特徴とする請求項１に記載のイ
オン電流検出用プラグ。
【請求項３】前記小径部を高抵抗物質または半導体物
質により構成したことを特徴とする請求項１に記載のイ
オン電流検出用プラグ。
【請求項４】前記大径部の先端または小径部の先端の
少なくともいずれか一方に貴金属チップを設けたことを
特徴とする請求項１に記載のイオン電流検出用プラグ。