JP2001295744A

JP2001295744A - イオン電流検出装置

Info

Publication number: JP2001295744A
Application number: JP2000111292A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kondo; 稔明近藤; Yasushi Sakakura; 靖坂倉
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2001-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】従来と同様のセラミックヒータを用いたグロ
ープラグであっても、燃焼時のイオン電流を得られるイ
オン電流検出装置を提供することを課題とする。【解決手段】グロープラグ２のセラミックヒータ２４
を通電し、イオン電流を測定する時点で、セラミックヒ
ータ２４の基体セラミック２４１とその周辺を所定の温
度とするイオン電流検出装置を用いることにより、従来
より用いられているグロープラグであっても容易にイオ
ン電流を測定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックヒータ
を具備するグロープラグを設けたディーゼルエンジンの
イオン電流検出装置に関する。更に詳しく言えば、本発
明は燃料噴射装置の噴射時期を調節するために用いられ
る、セラミックグロープラグによるイオン電流検出装置
において、既存のセラミックグロープラグを用いて容易
にイオン電流を測定することができるイオン電流検出装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンの燃料噴射時期を制
御するために、特開昭５９−１６００４６号公報等に示
すような、燃焼時にグロープラグとエンジンの燃焼室と
間に流れるイオン電流を測定するイオン電流検出装置が
ある。このような装置は、発熱体及び外装部分に金属を
用いたメタルグロープラグでは、流れるイオン電流が大
きいため容易にイオン電流を測定可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、セラミックグ
ロープラグを用いてイオン電流を検出する場合は、図５
に示すように、流れるイオン電流が約１μＡと少ないた
めに、ノイズとの区別が難しい等測定が困難であった。
これに対して、特開平１０−８９２２７号公報では、３
００℃という低温度において５０ＭΩ以下の絶縁抵抗値
を有するセラミックヒータを用いたセラミックグロープ
ラグやイオン電流検出用電極を基体セラミック中に別途
設けるセラミックグロープラグを提案している。しか
し、このようなグロープラグは従来とは異なる材料を使
用したり、別途設けたイオン電流検出用電極による基体
セラミックの強度低下を防止するため、新規に材料開発
を行う必要があり、膨大な信頼性確認を行う必要があ
る。

【０００４】本発明は、このような問題点を解決するも
のであり、従来と同様のセラミックヒータを用いたグロ
ープラグであっても、燃焼時のイオン電流を容易に求め
ることができるイオン電流検出装置を提供することを目
的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本第１発明のイオン電流
検出装置は、内燃機関に固定されたハウジング、該ハウ
ジングから絶縁された２つの導電路を介して通電するこ
とにより発熱する発熱抵抗体、及び該発熱抵抗体によっ
て加熱され該内燃機関の燃焼室内に露出する露出部を有
するセラミックヒータ、を備えるグロープラグと、上記
２つの導電路に上記ハウジングから絶縁された状態で接
続され、且つ上記発熱抵抗体への通電を制御するグロー
プラグ通電制御手段と、該グロープラグ通電制御手段及
び上記ハウジングの間に設けられ、且つ上記発熱抵抗体
にイオン検出電圧を印加して上記燃焼室に設けられた電
極及び上記露出部の間に存在するイオンを検出するイオ
ン電流検出手段と、を備えることを特徴とする。

【０００６】上記「グロープラグ」は、上記セラミック
ヒータと、該セラミックヒータの一端側を覆う外筒及び
グロープラグ本体とを備える。また、セラミックヒータ
は、基体セラミック及び発熱抵抗体を備え、それぞれ、
窒化珪素、アルミナ、窒化アルミニウム等を含むセラミ
ック成分からなる。

【０００７】また、第２発明に示すように、上記グロー
プラグ通電制御手段の電流が、上記イオン電流検出手段
へ流れることを抑制する逆流抑制手段を設けることがで
きる。この逆流抑制手段は、イオン電流検出手段と一体
とすることができる。更に、イオン電流検出手段と、上
記電極及び上記露出部との間の任意部位の導電路に設け
ることができる。

【０００８】また、第３発明に示すように、上記イオン
検出電圧は、少なくとも上記燃焼室内への燃料噴射時期
から所定期間印加することができる。更に、第４発明に
示すように、上記イオン検出電圧は、上記内燃機関の運
転中常時印加することができる。また、第５発明に示す
ように、上記セラミックヒータは上記発熱抵抗体が基体
セラミックで覆われたものとすることができる。

【０００９】〔作用〕セラミックグロープラグの発熱抵
抗体にイオン電流検出用の高電圧を印加することによっ
て、イオン電流を検出することができる。このため、イ
オン電流検出用の電極をセラミックヒータ内に別途設け
る必要がない。また、電極を設けることによる基体セラ
ミックの強度低下を補うための新しい材料開発を行う必
要がなく、従来と同様のセラミックヒータを用いること
ができる。

【００１０】更に、グロープラグ本来の機能である始動
補助の機能をも果たすためには、グロープラグ通電制御
手段とイオン電流検出手段との双方を備える必要があ
る。まず、グロープラグ通電制御手段を２つの導電路に
接続し、通電させることで発熱抵抗体が発熱し、着火源
となる。このときの電源は感電防止等のため、一般には
５０Ｖ程度以下の電圧を印加することになる。

【００１１】また、基体セラミックが高温になること
で、基体セラミックの絶縁抵抗を低下させ、イオン電流
の検出可能となる。このイオン電流検出を行うために
は、燃焼室に設けられた電極（多くの場合は燃焼室の壁
面）と、燃焼室内に露出するセラミックヒータの露出部
とを絶縁した上で、発熱抵抗体に電圧を印加する必要が
ある。従って、上記グロープラグ通電制御手段をハウジ
ングから絶縁した状態で接続する。

【００１２】更に、イオン電流検出のためには、一般に
数百Ｖ程度の電圧をかけることによって、感度を上げる
必要がある。この相反する要求を満足するためには、セ
ラミックヒータの発熱のための電源と、イオン電流検出
のための電源とを別に設けて、電源への逆流を防止する
必要がある。

【００１３】このため、本発明のように逆流抑制手段を
設けることが必要である。また、イオン電流を測定する
時期は燃料噴射直後であるため、この燃料噴射時期から
所定期間内に少なくともイオン電流検出電圧を印加する
ことによって、イオン電流検出の目的を達成することが
できる。

【００１４】特に、セラミックヒータの発熱のための電
源と、イオン電流を検出するための電源を別とする場
合、電源への逆流を防止する必要があるが、逆流抑制手
段としてダイオードのような整流器を設けることで、目
的を達成することができる。また、イオン電流を常時検
出することができる。一方、常時イオン電流検出電圧を
印加することによって、燃料噴射時期から所定期間以外
にイオンが検出された場合を異常燃焼と判断して故障診
断をすることもできる。

【００１５】イオン電流検出電極となる発熱抵抗体の材
質は、一般にＳｉ₃Ｎ₄を主成分とする絶縁性セラミック
とＷＣやＭｏＳｉ₂等の導電成分とを含有する。これら
の導電成分は、燃焼室内の燃焼ガスに曝されると腐蝕や
酸化されてしまいやすい。従って、第５発明に示すよう
に、発熱抵抗体を基体セラミックで覆うように構成する
ことによって晒されるのを防ぎ、安定してイオン電流検
出と抵抗発熱の機能を兼ね備えることができる。

【００１６】なお、絶縁材料として用いるセラミックス
であっても温度によって導電率が変化し、高温で絶縁抵
抗が大きく低下するようになる。このため、グロープラ
グ通電制御手段によって発熱抵抗体に通電して加熱する
ことによって、若しくは、燃焼室内の燃焼ガスに曝され
ることによって基体セラミックをイオン電流の測定が可
能な程度の絶縁抵抗にすることができる。これにより、
十分に測定できる大きさのイオン電流を流すことができ
る。また、この逆流抑制手段として、ダイオードのよう
な整流器を使用可能な印加電圧とすることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明のイオン電流検出装
置を詳細に説明する。本イオン電流検出装置は、図１に
示すように、ディーゼルエンジンの燃焼室１と、この燃
焼室１に設けられるグロープラグ２と、検出回路３と、
ＥＣＵ４とを備える。また、燃焼室１には、イオン電流
を検出するための燃焼室側電極１１を備える。

【００１８】グロープラグ２は図１及び図２に示すよう
に、グロープラグ本体２１、中軸２２、外筒２３及びセ
ラミックヒータ２４を備える。また、このセラミックヒ
ータ２４は、中軸２２を介してグロープラグ本体２１に
設けられている。更に、セラミックヒータ２４は基体セ
ラミック２４１、及び該基体セラミック２４１の内部に
配設された発熱抵抗体２４２を備える。基体セラミック
２４１はＳｉ₃Ｎ₄を主としたセラミックスであり、埋設
される発熱抵抗体２４２を保護する。また、発熱抵抗体
２４２はＵ字形の棒状体であり、基体セラミック２４１
内に埋設される形で配設されている。更に、この発熱抵
抗体２４２は導電成分、抵抗温度係数を調節するための
調整成分、及び絶縁成分であるセラミック成分を含有し
ている。また、発熱抵抗体２４２は、通電用電極２５、
２６によって電流が供給され、発熱する。

【００１９】検出回路３は、抵抗３１、電圧計３２、検
出用電源３３、及び整流器３４を備える。抵抗３１及び
電圧計３２はイオン電流を電圧として求める。また、整
流器３４はダイオードを用いており、発熱抵抗体２４２
を発熱させるための通電電流が、検出回路３側へ流れる
のを防止している。尚、上記整流器３４はダイオードに
限らず、整流作用を備える任意の素子を選択することが
できる。

【００２０】このようなイオン電流検出装置によるイオ
ン電流検出方法を順に説明する。また、各項目における
セラミックヒータへの通電電流、イオン電流、燃料噴射
信号を表わすグラフを図３に示す。 (1)エンジンの始動前は、通常のグロープラグの機能と
同様に、セラミックヒータ２４が所定温度に達していな
い場合に、通電回路５による発熱抵抗体２４２への通電
によって、セラミックヒータ２４の予熱を行う。

【００２１】(2)燃料の燃焼が完了した後、ＥＣＵ４
は、セラミックヒータ２４の基体セラミックの温度を測
定し、イオン電流の測定に必要な所定温度に達するため
に必要な通電時間を求める。 (3)次回の燃料噴射信号を発するまでの噴射待機時間か
ら上記通電時間を差引き、通電待機時間を求める (4)通電待機時間が経過するまで待機する。

【００２２】(5)通電回路５を用いてセラミックヒータ
２４の通電を開始し、通電時間が経過するまで、基体セ
ラミック２４１を加熱する。 (6)通電時間の経過後（即ち、燃料噴射信号の発信時
間）、イオン電流の測定を開始する。 (7)イオン電流の測定が完了後、(2)へ戻る。

【００２３】上記イオン電流検出方法によって測定して
得られるイオン電流のグラフを図４に示す。また、セラ
ミックヒータに通電を行わない他は同一の条件で測定し
たグラフを図５に示す。これらのイオン電流は１．７
ｌ、４気筒、ＳＯＨＣのディーゼルエンジンを用い、ア
イドル状態（約６００℃）で測定した。更に、本実施例
のイオン電流の測定は、約９００℃、印加電圧：約５０
０Ｖで行った。また、基体セラミック２４１の絶縁抵抗
は、８００℃以上では９０ＭΩ未満であった。

【００２４】このような手順で得られるイオン電流は、
図４に示すように定常時の約２．５μＡに対し、約１３
μＡと、約１０．５μＡの差が生じ、十分に測定可能で
ある大きさであった。一方、セラミックヒータに通電を
行わない従来例の場合は、図５に示すように定常時の約
２．５μＡに対し、約３．５μＡと測定が困難な値とな
った。

【００２５】このように、グロープラグ２のセラミック
ヒータ２４を通電し、イオン電流を測定する時点で、セ
ラミックヒータ２４の基体セラミック２４１を所定の温
度とするイオン電流検出装置を用いることにより、従来
より用いられているグロープラグであっても容易にイオ
ン電流を測定することができることがわかる。また、イ
オン電流を測定する時のセラミックヒータ２４の基体セ
ラミック２４１の温度を一定に保つことで、基体セラミ
ック２４１の絶縁抵抗を一定に保つことができるため、
エンジンの回転数等の変動によるイオン電流の変動を防
止することができる。更に、イオン電流検出装置の回路
を整流器３４を介して、セラミックヒータの通電回路に
接続したので、簡単な構成でイオン電流を常時検出する
ことができる。

【００２６】尚、本発明においては、上記実施例に限ら
ず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した
実施例とすることができる。即ち、本実施例において、
セラミックヒータをイオン電流が測定可能な温度にする
ために一定時間だけ通電しているが、該時間を固定長と
し、パルス幅変調等の方法によりセラミックヒータの発
熱量を制御することができる。また、イオン電流を常時
検出し、異常燃焼などを監視することができる。更に、
本実施例においては、検出回路３のみ整流器３４を設け
たが、通電回路５にも整流器を設けて、通電用電源５１
への逆流を防止することができる。

【００２７】

【発明の効果】本各発明のイオン電流検出装置によれ
ば、セラミックヒータの基体を所定の温度とすること
で、従来より用いられているグロープラグであっても容
易にイオン電流を測定することができる。また、イオン
電流を測定する時のセラミックヒータの基体セラミック
温度を一定に保つことで、基体セラミックの絶縁抵抗を
一定に保つことができるため、エンジンの回転数等の変
動によるイオン電流の変動を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本イオン電流検出装置の構成を説明するための
模式図である。

【図２】セラミックヒータを用いたグロープラグを説明
するための断面図である。

【図３】燃料噴射信号、セラミックヒータ電流及びイオ
ン電流の関係を説明するためのグラフである。

【図４】本実施例の燃料噴射信号、セラミックヒータ電
流及びイオン電流の関係を説明するためのグラフであ
る。

【図５】従来例の燃料噴射信号、セラミックヒータ電流
及びイオン電流の関係を説明するためのグラフである。

【符号の説明】

１；燃焼室、１１；燃焼室側電極、２；グロープラグ、
２１；グロープラグ本体、２２；中軸、２３；外筒、２
４；セラミックヒータ、２４１；基体セラミック、２４
２；発熱抵抗体、２５、２６；ヒータ電極、３；検出回
路、３１；検出装置本体、３１；抵抗、３２；電圧計、
３３；検出用電源、３４；整流器、４；ＥＣＵ、５；通
電回路、５１；通電用電源。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関に固定されたハウジング、該ハ
ウジングから絶縁された２つの導電路を介して通電する
ことにより発熱する発熱抵抗体、及び該発熱抵抗体によ
って加熱され該内燃機関の燃焼室内に露出する露出部を
有するセラミックヒータ、を備えるグロープラグと、上記２つの導電路に上記ハウジングから絶縁された状態
で接続され、且つ上記発熱抵抗体への通電を制御するグ
ロープラグ通電制御手段と、該グロープラグ通電制御手段及び上記ハウジングの間に
設けられ、且つ上記発熱抵抗体にイオン検出電圧を印加
して上記燃焼室に設けられた電極及び上記露出部の間に
存在するイオンを検出するイオン電流検出手段と、を備
えることを特徴とするイオン電流検出装置。
【請求項２】上記グロープラグ通電制御手段の電流
が、上記イオン電流検出手段へ流れることを抑制する逆
流抑制手段が設けられている請求項１記載のイオン電流
検出装置。
【請求項３】上記イオン検出電圧は、少なくとも上記
燃焼室内への燃料噴射時期から所定期間印加される請求
項１又は２記載のイオン電流検出装置。
【請求項４】上記イオン検出電圧は、上記内燃機関の
運転中常時印加される請求項１又は２記載のイオン電流
検出装置。
【請求項５】上記セラミックヒータは、上記発熱抵抗
体が基体セラミックで覆われている請求項１乃至４のい
ずれかに記載のイオン電流検出装置。