JPH11270849A - イオン電流検出用グロープラグ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部接続端子と接続されるためのリード管と
発熱体からの電極とを、ハウジング内に配設された導電
性線材により電気的に接続するイオン電流検出用グロー
プラグにおいて、導電性線材を被覆する絶縁部材がハウ
ジングに接触したり離れたりするのを防止する。 【解決手段】 耐熱性絶縁体８に埋設された発熱体７を
通電加熱する一対の電極としてのタングステン（Ｗ）リ
ード線９ａ、９ｂのうち、一方のリード線９ｂは、金属
製キャップ１２を介して、導電性線材としてのＮｉリー
ド線１７により、リード管としてのチューブ１３に電気
的に接続されている。Ｎｉリード線１７は絶縁部材とし
ての碍子管１８に被覆され、この碍子管１８は、Ｎｉリ
ード線１７から突出形成された凸部１７ａによって、両
端部を係止されＮｉリード線１７に対して固定されてい
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、燃料の着火・燃焼
を促進するためのグロープラグの機能に加えて、イオン
電流が検出できるイオン電流検出用グロープラグに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のイオン電流検出用グロープラグ
（以下、グロープラグという）として、本出願人は、先
に、特願平９−５６２４１号にて、図１１に示すような
ものを提案している。このグロープラグ１００はハウジ
ング（取付金具）８５を有し、ハウジング８５に形成さ
れた雄ねじ部８６及び六角部８７によって、ディーゼル
エンジンのシリンダヘッドに取付けられ、燃焼室内に一
部が晒されるように設置される。

【０００３】また、このグロープラグ１００は上記燃焼
室内一部が晒されるセラミック発熱部８０を有する。こ
のセラミック発熱部８０は、一対のリード線８０ａ、８
０ｂ、９０ａ、９０ｂによって通電加熱されるＵ字状の
発熱体８１と、この発熱体８１を埋設する耐熱性絶縁体
８２と、この発熱体８１に一体成形され電気的に接続さ
れたイオン検出用電極８３とを有する。なおリード線８
０ａ、８０ｂは、それぞれ導電性チップ９１ａ、９１ｂ
を介してリード線９０ａ、９０ｂに接続されている。

【０００４】このイオン検出用電極８３は、その一部が
上記燃焼室内で発生する火炎に晒され、その火炎中のイ
オン化の状態（イオン電流）を検出するようになってい
る。そして、イオン検出用電極８３は、その大部分が耐
熱性絶縁体８２に埋設されているため、ハウジング側
（アース側）に対して導通される可能性は少なく、正確
なイオン検出を可能とすることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等の検討の結果、上記図１１のようなハウジング８５
から延出する一対のリード線９０ａ、９０ｂの構造にお
いては、さらに以下のような問題があることが見出され
た。 リード線９０ａ、９０ｂと外部接続端子部（図示せ
ず）との接続はコネクタ（図示せず）を用いるため、接
触抵抗が増加する等の接続信頼性が劣り、微小電流（例
えば数μＡ）であるイオン電流を検出するには問題があ
る。

【０００６】リード線９０ａ、９０ｂがハウジング８
５から延びているため、エンジンのシリンダヘッドへの
グロープラグ１００の取付け、取り外しが困難である。 エンジンの各気筒（例えば４気筒）にグロープラグ１
００が装着されるので、電源側の接続のためのリード線
９０ａ、９０ｂが多数となり接続が煩雑となる。又、リ
ード線は引抜き強度が弱いため、取付け取り外し時に断
線しやすい。

【０００７】本発明者等は、これら〜の問題に対し
て、リード線と外部接続端子部との接続信頼性向上、プ
ラグの取付け取り外し性向上、リード線の接続性向上を
図るため、リード線９０ａ、９０ｂのかわりに図１０に
示すようなイオン電流検出グロープラグ２００を試作し
た。これは、ハウジング２の他端側内部に保持された筒
状の金属製チューブ（リード管）１３と、このチューブ
１３内に絶縁して保持された中軸１４とからなる軸体を
備え、中軸１４をプラス（＋）側端子部、リード管１３
をマイナス（−）側端子部とし、それぞれを、外部接続
端子部である２つのコネクタティングバー２２ａ、２２
ｂに固定接続する構造としたものである。

【０００８】そして、このような構造とした場合、発熱
体７からの一対のリード線（電極）９ａ、９ｂと上記軸
体とは離れているため、少なくとも一方のリード線は、
更にハウジング２内に配設したリード線（導電性線材）
を介して、チューブ１３もしくは中軸１４に電気的に接
続する必要がある。すなわち、本試作品では、中軸１４
とリード線９ａとは、中軸１４とセラミック発熱部６と
を接続する金属製キャップ１１を介して電気的に接続さ
れ、一方、チューブ１３とリード線９ｂとは、耐熱性絶
縁体８の外周に設けられた金属製キャップ１２及び導電
性線材１７を介して電気的に接続されている。

【０００９】ここで、導電性線材１７はハウジングとの
絶縁を確保するため、絶縁部材（例えば碍子管）１８に
て被覆する必要がある。特に、本試作品のように、導電
性線材１７が、上記軸体とハウジング２との狭い隙間に
介在されている場合には、絶縁部材１８による被覆は有
効である。しかし、この試作品であるグロープラグ２０
０に基づいて、本発明者等が検討を行ったところ、外部
振動等により絶縁部材１８がハウジング２に接触したり
離れたりすることを繰り返すため、ハウジング２内壁と
導電性線材１７間の静電容量が変動し、イオン電流波形
の着火時期（後述する図８のＡ点）が変動し精度が出な
いという不具合が生ずることがわかった。

【００１０】本発明は上記問題点に鑑みて、外部接続端
子と接続されるためのリード管と発熱体からの電極と
を、ハウジング内に配設された導電性線材により電気的
に接続するイオン電流検出用グロープラグにおいて、導
電性線材を被覆する絶縁部材がハウジングに接触したり
離れたりするのを防止することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記図１０の試作品につ
いて、本発明者等は、更に鋭意検討を進めた。その結
果、絶縁部材が導電性線材に対してフリーであり、絶縁
部材が導電性線材に対してがたつくため、絶縁部材がハ
ウジングに当たったり離れたりすることがわかった。そ
して、絶縁部材とハウジングとを、接触状態、または離
れた状態（非接触状態）のどちらかを維持する構成とす
れば、上記静電容量が変化しないのではないかと考え
た。

【００１２】請求項１ないし請求項５記載の発明は、こ
のような考えに基づいてなされたものである。すなわ
ち、請求項１記載の発明においては、絶縁部材（１８）
が導電性線材（１７）に対して動きが抑制されているこ
とを特徴としている。それによって、絶縁部材（１８）
が導電性線材（１７）に対してがたつかないため、絶縁
部材（１８）とハウジング（２）とを、接触状態または
非接触状態に維持することができるので、ハウジング
（２）内壁と導電性線材（１７）間の静電容量が変動し
ない。従って、イオン電流波形の着火時期が固定され、
良好な検出精度を実現するイオン電流検出用グロープラ
グを提供できる。

【００１３】ここで、絶縁部材（１８）の導電性線材
（１７）に対する動きの抑制は、請求項２記載の発明の
ように、導電性線材（１７）に絶縁部材（１８）を固定
する係止部（１７ａ）を設けたり、請求項３記載の発明
のように、両者を固着する接着部材を用いたり、請求項
４記載の発明のように、絶縁部材（１８）を絶縁性且つ
接着性を有する材料からなるものとし、導電性線材（１
８）に一体化、固定したものとすることで達成できる。

【００１４】また、請求項５記載の発明では、一対の電
極（９ａ、９ｂ）のうち一方の電極（９ｂ）を、耐熱性
絶縁体（８）に設けられた端子金具（１２）を介して導
電性線材（１７）と電気的に接続するから、線材同士を
接続する場合に比べて溶接等による接続作業が簡便とで
きる。なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実
施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものであ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図に示す実施形態
について説明する。本実施形態は、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（以下、単にグロープラグという）に本発明を具体化
したものとして説明する。つまり、本実施の形態のグロ
ープラグは、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに形
成された燃焼室（後述の渦流室３２）に設けられるもの
であって、その一部が燃焼室内に晒されるようになって
いる。

【００１６】そして、同グロープラグは、エンジンの低
温始動時において、燃料噴射ノズルより噴射される燃料
の着火及び燃焼を促進させる役割をなす。また、本実施
の形態におけるグロープラグは、上記の始動補助機能に
加えて、燃料燃焼時の燃焼火炎帯に存在する活性イオン
を検出する役割をもなす。次に、図１ないし図３の説明
図を用いて本実施形態に係るグロープラグを具体的に説
明する。図１は本実施形態に係るグロープラグ１の全体
構成を示す図である。なお、本実施形態は、上述の図１
０に示す試作品のグロープラグ２００において、後述の
図３に示す様に、導電性線材１７及び絶縁部材１８に係
る部分の構成のみを変えたものであり、それ以外の構成
については、上記試作品と同様である。そこで、図１と
図１０において、同一部分については図中同一符号を付
してある。

【００１７】図１において、グロープラグ１は略円筒状
をなす導電性材料からなる（例えば金属製）ハウジング
２を有している。このハウジング２の外周面には、グロ
ープラグ１を後述するシリンダヘッド３０に取り付ける
ための雄ねじ部３及び六角部４が形成されている。ま
た、ハウジング２の一端側（図１の下方側）内部には円
筒状をなす金属（例えばステンレス）製のスリーブ５
が、ロウ付け等により保持されている。

【００１８】また、スリーブ５内部には、セラミック発
熱部６が設けられている。このセラミック発熱部６は、
導電性を有するＵ字状の発熱体７と、絶縁性を有する耐
熱性絶縁体８と、発熱体７に一体成形されたイオン検出
用電極１０と、発熱体７の両端に接続されると共に耐熱
性絶縁体８に埋設された２本のタングステン（Ｗ）リー
ド線（以下、Ｗリード線という）９ａ、９ｂとから構成
されている。この一対のＷリード線９ａ、９ｂは、発熱
体７を通電加熱するための一対の電極に相当する。

【００１９】ここで、発熱体７は、その大部分が耐熱性
絶縁体８内に埋設され、強固に保持されており、耐熱性
絶縁体８は、スリーブ５に固定保持されている。こうし
て、セラミック発熱部６は、スリーブ５を介してハウジ
ング２の一端側内部に保持される。また、図２はセラミ
ック発熱部６の要部拡大図を示すものであるが、発熱体
７先端に形成されたイオン検出用電極１０の端面は、耐
熱性絶縁体８の外周面と同一面上に設けられている。こ
の場合、発熱体７とイオン検出用電極１０とは一体的に
成形されているため、両部材７、１０は常に電気的に接
続された状態となっている。かかる構成において、発熱
体７の露出部と後述するディーゼルエンジンの渦流室
（燃焼室）３２（図２の破線部）の内壁とは、イオン電
流を検出するための対向電極を形成する。

【００２０】ここで、セラミック発熱部６の発熱体７、
イオン検出用電極１０及び耐熱性絶縁体８は、いずれも
導電性セラミック粉末（本実施形態では、珪化モリブデ
ンＭｏＳｉ2 粉末）と絶縁性セラミック粉末（本実施形
態では、窒化珪素Ｓｉ3 Ｎ4粉末）の混合物よりなり、
且つ配合割合を同一にした燃焼体により構成されてい
る。

【００２１】但し、発熱体７及びイオン検出用電極１０
ではＭｏＳｉ2 粉末の平均粒径がＳｉ3 Ｎ4 粉末のそれ
よりも小さく、耐熱性絶縁体８ではＭｏＳｉ2 粉末の平
均粒径がＳｉ3 Ｎ4 粉末のそれと同じ若しくはそれより
も大きくしてある。即ち、各粉体の粒径を変更すること
により発熱体７及びイオン検出用電極１０と、耐熱性絶
縁体８とを作り分けるようにしている。

【００２２】上記構成を有するセラミック発熱部６にお
いて、発熱体７及びイオン検出用電極１０では、小径の
ＭｏＳｉ2 粉末（導電性セラミック粉末）が大径のＳｉ
3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラミック粉末）を取り囲んで互い
に連なっており、それにより発熱体７及びイオン検出用
電極１０に電流が流れ、発熱体７が発熱される。一方、
耐熱性絶縁体８では、大径のＭｏＳｉ2 粉末（導電性セ
ラミック粉末）間に小径のＳｉ3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラ
ミック）が介在するため、両者は直列に並んだ状態とな
り発熱体７に比べて抵抗が大きく絶縁層を形成する。

【００２３】ところで、図１に示す様に、各Ｗリード線
９ａ、９ｂはセラミック発熱部６の上部の耐熱性絶縁体
８の径小部において、一端が裸出している。また、この
耐熱性絶縁体８の径小部の外周には、２つの金属円筒管
状のキャップ１１、キャップ（端子金具）１２が設けら
れている。そして、各Ｗリード線９ａ、９ｂは上記裸出
部位において、それぞれキャップ１１、キャップ１２に
銀ロウ材によって電気的に接続されている。

【００２４】また、スリーブ５、セラミック発熱部６、
キャップ１１、キャップ１２は銀ロウ材によってロウ付
けされている。一方、ハウジング２の他端側（図１の上
方側）内部には、筒状の金属製（例えばステンレス製）
のチューブ（リード管）１３が保持されている。そして
チューブ１３の内部には、金属製の中軸１４がチューブ
１３とは絶縁して保持されている。これらは、検出電流
の取り出しにおいてグロー側端子電極を構成するもので
あり、中軸１４がプラス（＋）側端子電極、チューブ１
３がマイナス（−）側端子電極として構成される。

【００２５】これらチューブ１３及び中軸１４は、両者
の間にマグネシア等の絶縁粉末を充填して、チューブ１
３をスウェージングにより絞り、チューブ１３と中軸１
４とが一体化した軸体を形成する。そして、チューブ１
３外周をハウジング２の他端側内部に直接、低融点の鉛
ガラス１５で固定する。鉛ガラス１５の前後にはチュー
ブ１３の芯出しのためアルミナリング１６が設置され
る。

【００２６】また、チューブ１３のキャップ１１側は、
ハウジング２との間隔を大きくして絶縁性を確保するた
め径小であり、その先端部は、後述のニッケル（Ｎｉ）
リード線（導電性線材）１７の溶接作業を容易とするた
め、外周面が軸と平行なストレート部１３ａを形成して
いる。そして、耐熱性絶縁体８にロウ付けされたキャッ
プ１１を、中軸１４に挿入して８点カシメすることによ
り、セラミック発熱部６と中軸１４は電気的に接続し、
且つ固定される。従って、一方のＷリード線９ａはキャ
ップ１１を介して中軸１４に電気的に接続される。

【００２７】次に、他方のＷリード線９ｂとチューブ１
３との接続構成、すなわち本発明の要部であるＮｉリー
ド線（導電性線材）１７及び碍子管（絶縁部材）１８に
係る部分の構成について、図３に示す拡大構成図も参照
して説明する。他方のＷリード線９ｂは、キャップ（端
子金具）１２を介して、Ｎｉリード線１７と電気的に接
続されている。ここで、Ｎｉリード線１７は、ハウジン
グ２内において、上記軸体とハウジング２との間に配設
され、両端部が、それぞれキャップ１２及びチューブ１
３のストレート部１３ａに抵抗溶接されている。

【００２８】このＮｉリード線１７の外周は、絶縁部材
である碍子管１８にて被覆され、Ｎｉリード線１７とハ
ウジング２との絶縁を確保するようになっている。ここ
で、図３に示す様に、Ｎｉリード線１７において、碍子
管１８の両端部に対応した部位には、碍子管１８の内径
より大きく突出した凸部（係止部）１７ａが形成されて
いる。

【００２９】ここで、本例では、Ｎｉリード線１７はφ
０．６ｍｍのＮｉ線であり、碍子管１８は外径φ１．３
ｍｍ、内径φ０．６ｍｍ、長さ１５ｍｍの円筒管である
が、Ｎｉリード線１７が碍子管１８に挿入可能なよう
に、両者は寸法公差を持つ。また、Ｎｉリード線１７は
他の導電性を有する線材で置き換えてもよいことは勿論
である。

【００３０】この凸部１７ａによって、碍子管１８は両
端部にてＮｉリード線１７に係止され、Ｎｉリード線１
７に対して動きが抑制されるように固定されており、両
者が実質的に一体化したリード部１９を構成している。
なお、上記図１０に示す試作品においては、Ｎｉリード
線１７には凸部１７ａがなく、碍子管１８はＮｉリード
線１７に対してフリーになっている。

【００３１】かかる構成のリード部１９は、例えば、碍
子管１８にＮｉリード線１７を挿入した後、Ｎｉリード
線１７を工具等を用いて潰して変形する等により凸部１
７ａを形成し、Ｎｉリード線１７の両端部を、それぞれ
キャップ１２及びチューブ１３のストレート部１３ａに
抵抗溶接することで形成できる。なお、上記形成手順の
うち、順序は適宜変更可能である。

【００３２】ところで、図１に示す様に、ハウジング２
の一端側（図１の上方側）外部からは、チューブ１３及
び中軸１４からなる軸体の一端が露出している。この露
出部分において、チューブ１３の外周には金属製のリン
グ状の端子板２０が設けられている。この端子板２０は
チューブ１３と圧入により固着されており、ハウジング
２と端子板２０との間には、両者を絶縁するためのリン
グ状の絶縁板２１が設置されている。そして、端子板２
０はチューブ１３と電気的に接続されており、両者は、
検出電流の取り出しにおいてグロー側端子電極（−側）
を構成する。

【００３３】本実施形態のグロープラグ１は、以上の構
成よりなる。ここで、グロープラグ１が接続される外部
接続端子部であるコネクティングバー２２ａ、２２ｂ
は、良導電性のアルミからなる接続板である。そして、
コネクティングバー２２ａはグロー側端子電極（＋側）
となる中軸１４と、コネクティングバー２２ｂはグロー
側電極（−側）となる端子板２０に電気的に固定され
る。

【００３４】具体的には、各コネクティングバー２２
ａ、２２ｂには穴が形成されており、図１に示す様に、
この穴にグロープラグ１を挿入できるようになってい
る。図示例では、両コネクティングバー２２ａ、２２ｂ
の間に、フェノール樹脂等からなる耐熱絶縁樹脂２３と
金属クッションバネ２４とアルミ等からなる金属ケース
２５とからなるインシュレータ２６を介在させ、座付ナ
ット２７にて締結することで、グロープラグ１とコネク
ティングバー２２ａ、２２ｂは固定されており、接触圧
力を適正に保持でき接触抵抗の信頼性を更に向上させて
いる。

【００３５】なお、このコネクティングバー２２ａ、２
２ｂは、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド３０近傍
に配置され、エンジンの気筒数に応じた数のグロープラ
グ１を配設できるようになっている（図４参照）。従っ
て、グロープラグ１とコネクティングバー２２ａ、２２
ｂとの電気的接続は次のようになっている。すなわち、
発熱体からのＷリード線９ａは、キャップ１１、中軸１
４、コネクティングバー２２ａ（以上、＋側）の順に接
続され、Ｗリード線９ｂは、キャップ１２、Ｎｉリード
線１７、チューブ１３及び端子板２０、コネクティング
バー２２ｂ（以上、−側）の順に接続されている。

【００３６】次に、上記の如く構成されるグロープラグ
１を用いたイオン電流検出システムを図４ないし図６を
用いて説明する。なお、図５、図６は共に、本実施形態
におけるイオン電流検出システムの概要を示す構成図で
ある。このうち図５は、グロープラグ１（発熱体７）の
加熱状態、即ちエンジン始動時における燃料の着火及び
燃焼を促進するための状態を示し、図６は、燃料燃焼に
伴うイオン電流をグロープラグ１により検出する状態を
示す。

【００３７】本実施形態は、多気筒エンジンにイオン電
流検出装置を適用した例を説明するものであり、当該エ
ンジンは＃１気筒〜＃４気筒までの４つの気筒を有す
る。そして、図４に示す様に、各気筒にそれぞれ本実施
形態のグロープラグ１が配置される。各気筒のグロープ
ラグ１は、いずれも発熱体７の一部が耐熱性絶縁体８か
ら露出した構成を有しており、この露出部位を含むセラ
ミック発熱部６の一部が、渦流室３２内に晒されてい
る。図４では、セラミック発熱部６と渦流室３２との位
置関係は＃４気筒のみ図示してあるが、＃１気筒〜＃３
気筒においても図示しないが同様である。

【００３８】ここで、ディーゼルエンジンのシリンダヘ
ッド３０にはねじ孔３１が形成されており、このねじ孔
３１にグロープラグ１が螺着されている。即ち、グロー
プラグ１をシリンダヘッド３０に螺着する際には、上記
六角部４を所定の工具に挟み、同プラグ１の雄ねじ部３
をねじ孔３１にねじ入れるようにする。そして、グロー
プラグ１のセラミック発熱部６の先端部は、シリンダヘ
ッド３０に形成された渦流室３２に突出配置されてい
る。この渦流室３２にはピストン３３上部に設けられた
主燃焼室３４が連通されており、渦流室３２は燃焼室の
一部をなす。渦流室３２には燃料噴射ノズル３５の先端
部が配設されており、この燃料噴射ノズル３５から渦流
室３２内に燃料が噴射されるようになっている。

【００３９】コネクティングバー２２ａ、２２ｂは、各
気筒にそれぞれグロープラグ１をねじ止めした後、グロ
ープラグ１に組付けられ、上述のようにインシュレータ
２６及び座付ナット２７によって締結することで配設さ
れる。こうして、各グロープラグ１の中軸１４（＋側）
は、それぞれ、コネクティングバー２２ａを介して、い
ずれも、後述の切替スイッチ４２の端子４２ａに接続さ
れる。一方、各グロープラグ１のチューブ１３側（つま
り端子板２０（−側））はコネクティングバー２２ｂを
介して、いずれも、後述の切替スイッチ４３の端子４３
ａに接続される。

【００４０】次に、上記切替スイッチ４２、４３等から
なるスイッチ回路４１を含むイオン電流検出装置の回路
構成について図５及び図６を参照して述べる。なお、図
５及び図６では、便宜的に、図４のうち＃４気筒のグロ
ープラグ１におけるイオン電流検出装置の回路側との接
続構成を図示してある。実際には、図５及び図６におい
ても、＃４気筒のグロープラグ１は、＃１気筒〜＃３気
筒の各グロープラグ１と、図４に示す様にコネクティン
グバー２２ａ、２２ｂを介して並列に接続されいる。つ
まり、各気筒のグロープラグ１はコネクティングバー２
２ａ、２２ｂを介して、スイッチ回路４１に電気的に接
続されている。

【００４１】４０は、１２Ｖ（ボルト）の直流電源から
なるバッテリであり、バッテリ４０とグロープラグ１と
の間にはスイッチ回路４１が配設されており、このスイ
ッチ回路４１は、２つの２位置切替スイッチ４２、４３
の操作状態に応じてバッテリ４０と＃１〜＃４気筒の各
グロープラグ１との間の電気経路を切り換える。スイッ
チ回路４１は、電子制御装置（以下、ＥＣＵという）５
０からの指令信号が入力されない通常時には発熱体加熱
状態（図５の状態）を保持し、ＥＣＵ５０からの指令信
号が入力されると、前記発熱体加熱状態からイオン電流
検出状態（図６の状態）に移行する。このとき、２つの
切替スイッチ４２、４３は同時に動作する。

【００４２】つまり、切替スイッチ４２、４３の端子４
２ａ、４３ａには前記グロープラグ１の中軸１４、チュ
ーブ１３側がそれぞれに接続されている。また、切替ス
イッチ４２、４３は、前記端子４２ａ及び４３ａに対し
て選択的に接続される各々２つずつの接点４２ｂ、４２
ｃ及び４３ｂ、４３ｃを有する。かかる場合において、
発熱体加熱状態では、図５に示すように、端子４２ａと
接点４２ｂとの間に閉路されると共に、端子４３ａと接
点４３ｂとの間が閉路されている。このとき、グロープ
ラグ１の中軸１４には端子４２ａ及び接点４２ｂを介し
てバッテリ４０のプラスが接続されると共に、他方のチ
ューブ１３側は端子４３ａ及び接点４３ｂを介してバッ
テリ４０のマイナス側が接続されている。即ち、発熱体
７は加熱状態に保持される（このとき、図５中の２点鎖
線で示す経路を電流が流れる）。なお、接点４３ｂは、
シリンダヘッド３０の一部にも接続されている。

【００４３】また、イオン電流検出状態では、図６に示
すように、端子４２ａと接点４２ｃとの間が閉路される
と共に、端子４３ａと接点４３ｃとの間が閉路される。
即ち、切替スイッチ４２、４３は共にオープン状態とな
る。この場合、切替スイッチ４２に並列に設けられた電
気経路（図６の２点鎖線で示す経路）のイオン電流検出
用抵抗４４を介してバッテリ電圧が中軸１４に印加され
る。

【００４４】つまり、セラミック発熱部６の先端に形成
されたイオン検出用電極１０とシリンダヘッド３０との
間にバッテリ電圧が印加され、燃焼火炎帯の活性イオン
の発生に伴い図６中に２点鎖線で示す経路でイオン電流
が流れる。なお、イオン電流検出用抵抗４４の抵抗値は
５００ｋΩ程度であって、このイオン電流検出用抵抗４
４を流れるイオン電流は、当該抵抗４４の両端の電位差
として電位差計４５により検出される。

【００４５】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３５による噴射燃料が渦流室３２で
燃焼に供されると、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、イオン検出用電極１０とそれに対面するシリンダ
ヘッド３０との間にバッテリ電圧が印加されることによ
り、イオン検出用電極１０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３０にはプラスイオンが捕
獲される。その結果、図６に示す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４４両端の電位差として検出される。

【００４６】一方、ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｒ
ＡＭ、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４５により検出された検出信号を入力する。
また、ＥＣＵ５０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５１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５２の検出信号が入力され、ＥＣＵ５０は各センサ
５１、５２の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。

【００４７】上記ＥＣＵ５０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の発熱体７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
ゼルエンジンの暖機完了時において、前記スイッチ回路
４１に切り替え指令信号を出力し、本システムの回路を
イオン電流検出状態として燃焼イオン電流を検出する。

【００４８】なお、エンジン始動当初においては、スイ
ッチ回路４１は発熱体加熱状態に保持されるようになっ
ている。以下、図７のフローチャートを用いて、前記ス
イッチ回路４１の切り替え処理を説明する。図７は、所
定の時間の割り込み処理によって実行される。さて、図
７の処理がスタートすると、ＥＣＵ５０は、先ずステッ
プ１１０でエンジン暖機完了後であり、且つスイッチ回
路４１がイオン電流検出状態に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１１０が否定判
別され、ＥＣＵ５０は続くステップ１２０で水温Ｔｗ及
びエンジン回転数Ｎｅを読み込む。

【００４９】その後、ＥＣＵ５０は、ステップ１３０で
水温Ｔｗが所定の暖機完了温度（本実施の形態では、６
０℃）以上であるか否かを判別すると共に、ステップ１
４０でエンジン回転数Ｎｅが所定回転数（本実施の形態
では、２０００ｒｐｍ）以上に達しているか否かを判別
する。かかる場合、ステップ１３０、１４０が共に否定
判別されれば、ＥＣＵ５０は、エンジンの暖機が完了し
ておらず、グロープラグ１（発熱体７）による加熱が必
要であるとみなし、ステップ１５０に進む。また、ステ
ップ１３０、１４０のいずれかが肯定判別されれば、Ｅ
ＣＵ５０は、エンジンの暖機が完了した、或いはグロー
プラグ１（発熱体７）による加熱が不要であるとみな
し、ステップ１６０に進む。

【００５０】ステップ１５０に進んだ場合、ＥＣＵ５０
は、スイッチ回路４１を発熱体加熱状態（図５の状態）
に保持し、その後本処理を終了する。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
促進される。また、ステップ１６０に進んだ場合、ＥＣ
Ｕ５０は、スイッチ回路４１を発熱体加熱状態からイオ
ン電流検出状態（図６の状態）に移行させ、その後本ル
ーチンを終了する。この状態では、イオン電流検出用抵
抗４４により燃料燃焼時に生じるイオン電流が検出され
る。

【００５１】なお、前記ステップ１４０が肯定判別され
てステップ１６０に進む場合とは、例えばレーシング状
態で一時的にエンジン回転数Ｎｅが上昇する場合が考え
られ、この場合にはエンジン暖機が未だ完了していな
い。従って、スイッチ回路４１が一旦イオン電流検出状
態に移行したとしても、ＥＣＵ５０は、次回処理時のス
テップ１１０を否定判別し、ステップ１３０、１４０の
判別処理を再び実施する。そして、一時的なエンジン回
転数Ｎｅの上昇が収まり、同回転数Ｎｅが低下すると
（Ｎｅ＜２０００ｒｐｍ）、スイッチ回路４１を再度、
発熱体加熱状態に復帰させる（ステップ１５０）。

【００５２】その後、Ｔｗ≧６０℃となりエンジン暖機
が完了すると、ＥＣＵ５０はステップ１１０を肯定判別
する。そして、エンジン暖機が完了し、且つスイッチ回
路４１がイオン電流検出状態に移行した後には、ＥＣＵ
５０はステップ１１０を毎回肯定判別し、当該スイッチ
回路４１がイオン電流検出状態（図６の状態）のままで
保持される。

【００５３】図８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、圧縮ＴＤＣ直後（燃料噴射時期の直
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。

【００５４】この場合、ＥＣＵ５０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、
該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、ＥＣＵ５０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
燃焼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。

【００５５】ところで、本実施形態では、上述のように
グロープラグ１のリード部１９において、絶縁部材であ
る碍子管１８を導電性線材であるＮｉリード線１７に対
してほぼ動かないように固定したことを特徴としてい
る。そのため、碍子管１８がＮｉリード線１７に対して
がたつかないため、碍子管１８とハウジング２とを、接
触状態または非接触状態に維持することができる。な
お、図１のグロープラグ１では非接触状態に維持してい
る。

【００５６】従って、ハウジング２内壁とＮｉリード線
１７間の静電容量が変動しないため、イオン電流波形の
着火時期が固定され、良好な検出精度を実現するイオン
電流検出用グロープラグを提供できる。ちなみに、上記
図１０に示した試作品では、碍子管１８がハウジング２
に接触したり離れたりする度に、ハウジング２内壁とＮ
ｉリード線１７間の静電容量が変動する。図８の破線
は、碍子管１８がハウジング２に接触した時の電流波形
であり、実線は非接触時の電流波形である。

【００５７】例えば、接触時と非接触時とでは、静電容
量の変動幅は約１０ＰＦであり、図８の着火時期Ａ点が
０．１ｍｓ変動する。エンジン回転数７００ｒｐｍの場
合、１°ＣＡ（クランク角度）は０．２４ｍｓであり、
検出精度は０．１°ＣＡであるとき０．０２４ｍｓ必要
である。ここで、０．１ｍｓの着火時期変動が生ずる
と、きめ細かくエンジンの運転状態を制御することがで
きない。

【００５８】本実施形態では、Ｎｉリード線１７に被覆
された碍子管１８が固定されており、図８の電流波形
を、常に実線（非接触時）または破線（接触時）のどち
らか一方に維持できるため、上記着火時期の変動はなく
なり、検出精度が確保できる。従って、安定した着火時
期及び燃焼状態の検出が可能となり、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。

【００５９】なお、上記構成のイオン電流検出装置で
は、全気筒に対して発熱体加熱状態とイオン電流検出状
態との切替え動作が同時に行われる。かかる場合、図９
に示すように、気筒毎の燃焼順序（＃１→＃３→＃４→
＃２→＃１）に合わせて、時系列的に気筒毎にイオン電
流が検出される。また、本実施形態の構成によれば、ス
イッチ回路４１やイオン電流検出用検出抵抗４４が共通
化でき、多気筒エンジンへの適用時においても、簡素化
した構成を実現することができる。この場合、イオン電
流を気筒毎に時系列的に検出し、その検出結果を各気筒
の燃焼状態制御（着火時期制御や、失火検出制御等）に
適用できる。

【００６０】（他の実施形態）なお、碍子管（絶縁部
材）１８がＮｉリード線（導電性部材）１７に固定され
たリード部１９の構成は、上記実施形態のように、係止
部１７ａによるものに限定されるものではない。例え
ば、Ｎｉリード線１７と碍子管１８の隙間をセメント等
の接着部材にて固着してもよい。ここで、絶縁部材とし
ては、碍子管の代わりにガラス編組管を用いてもよい。

【００６１】更には、リード部１９として、絶縁部材
が、バインダを含有する絶縁セラミック粉末等の絶縁性
且つ接着性を有する材料からなり、導電性線材の外周に
予め一体化され固定されているものを用いてもよい。こ
のようなものとしては、例えば、セラミック被覆電線又
は封着用ガラス被覆電線が挙げられる。なお、上記各実
施形態においては、発熱体７からのＷリード線９ｂとチ
ューブ１３との接続において、碍子管１８がＮｉリード
線１７に固定されたリード部１９構成としたが、もう一
方のＷリード線９ａと中軸１４との接続において、キャ
ップ１１を設けずに、リード部１９と同様の接続構成を
用いてもよい。

【００６２】また、Ｗリード線９ｂとＮｉリード線１７
との接続は、キャップ（端子金具）１２を設けずに行っ
てもよい。例えば、導電性チップを介して接続してもよ
いし、直接両者を接続してもよい。なお、上記実施形態
では、中軸１４をプラス側、チューブ１３をマイナス側
の電極としたが、極性は逆であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るグロープラグの全体構
成図である。

【図２】図１のグロープラグにおけるセラミック発熱部
の要部拡大図である。

【図３】図１のグロープラグにおけるリード部の要部拡
大図である。

【図４】上記実施形態におけるグロープラグのエンジン
への取付配置図である。

【図５】イオン電流検出システムの概要を示すものであ
って、発熱体加熱状態を示す構成図である。

【図６】イオン電流検出システムの概要を示すものであ
って、イオン電流検出状態を示す構成図である。

【図７】スイッチ回路の切り替え処理を示すフローチャ
ート図である。

【図８】イオン電流波形の一例を示す図である。

【図９】気筒毎に時系列的に検出されるイオン電流波形
の一例を示す図である。

【図１０】本発明者らの試作したグロープラグの全体構
成図である。

【図１１】先願のグロープラグの全体構成図である。

【符号の説明】

２…ハウジング、７…発熱体、８…耐熱性絶縁体、９
ａ、９ｂ…タングステンリード線、１０…イオン検出電
極、１２…キャップ、１３…チューブ、１４…中軸、１
７…ニッケルリード線、１７ａ…凸部、１８…碍子管、
３２…渦流室。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を燃焼させるための燃焼室（３２）
   内に一部が晒されるグロープラグに適用され、 導電性のハウジング（２）と前記ハウジング（２）の一
   端側内部に保持される耐熱性絶縁体（８）と、 前記耐熱性絶縁体（８）に埋設され、一対の電極（９
   ａ、９ｂ）によって通電加熱される発熱体（７）と、 前記発熱体（７）に電気的に接続され、一部が前記燃焼
   室（３２）内で発生する火炎に晒され、その火炎中のイ
   オン化の状態を検出するためのイオン検出用電極（１
   ０）と、 前記ハウジング（２）の他端側内部に保持された筒状の
   金属製リード管（１３）と、 前記リード管（１３）内に絶縁して保持された中軸（１
   ４）とを備え、 前記一対の電極（９ａ、９ｂ）のうち一方の電極（９
   ｂ）が前記リード管（１３）に電気的に接続され、他方
   の電極（９ａ）が前記中軸（１４）に電気的に接続され
   ているイオン電流検出用グロープラグにおいて、 前記一対の電極（９ａ、９ｂ）のうち少なくとも一方の
   電極（９ｂ）は、前記ハウジング（２）内に配設された
   導電性線材（１７）によって、前記リード管（１３）に
   電気的に接続され、 前記導電性線材（１７）の周囲は絶縁部材（１８）で被
   覆され、この絶縁部材（１８）は前記導電性線材（１
   ７）に対して動きが抑制されていることを特徴とするイ
   オン電流検出用グロープラグ。
2. 【請求項２】 前記導電性線材（１７）には、前記絶縁
   部材（１８）を固定する係止部（１７ａ）が形成されて
   いることを特徴とする請求項１に記載のイオン電流検出
   用グロープラグ。
3. 【請求項３】 前記絶縁部材（１８）と前記導電性線材
   （１７）との間には、両者を固着する接着部材が介在さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載のイオン電流
   検出用グロープラグ。
4. 【請求項４】 前記絶縁部材（１８）は、絶縁性且つ接
   着性を有する材料からなり、前記導電性線材（１７）に
   一体化され固定されていることを特徴とする請求項１に
   記載のイオン電流検出用グロープラグ。
5. 【請求項５】 前記一対の電極（９ａ、９ｂ）のうち前
   記リード管（１３）と接続される電極（９ｂ）は、前記
   耐熱性絶縁体（８）に設けられた端子金具（１２）を介
   して前記導電性線材（１７）に電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記
   載のイオン電流検出用グロープラグ。