JP3785697B2

JP3785697B2 - Glow plug

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Publication number: JP3785697B2
Application number: JP26367596A
Authority: JP
Inventors: 保幸佐藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: JPH1089225A

Description

【０００１】
【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に関する。
【０００２】
【従来技術】
近年，ガソリンエンジン，ディーゼルエンジンにおいては，環境保護の面から，排気ガスや排気煙をより一層低減させることが要望されている。そして，こうした要望に応えるべく，各種のエンジン改良や後処理（触媒浄化等）により排出ガス低減，燃料・潤滑油性状の改善，各種のエンジン燃焼制御システムの改善などが検討されている。
【０００３】
また，最近のエンジン燃焼制御システムにおいては，エンジンの燃焼状態を検出することが要請されており，筒内圧，燃焼光，イオン電流等を検出することによってエンジン燃焼状態を検出することが検討されている。特に，イオン電流によりエンジン燃焼状態を検出することは，燃焼に伴う化学反応を直接的に観察できることから極めて有用と考えられており，種々のイオン電流検出方法が提案されている。
【０００４】
例えば，特開平７−２５９５９７号公報には，燃料噴射ノズルの取り付け座部において，当該噴射ノズル及びエンジンのシリンダヘッドから絶縁されたスリーブ状のイオン検出用電極を装着し，これを外部の検出回路に接続することにより燃料の燃焼に伴うイオン電流を検出する方法が開示されている。
また，米国特許第４，７３９，７３１号では，セラミックグロープラグを用いたイオン電流検出用センサが開示されている。
【０００５】
これらの技術では，グロープラグのヒータ（通電発熱体）表面に白金製の導電層を取着すると共に，この導電層を燃焼室及びグロープラグ取付金具から絶縁している。そして，導電層に外部からイオン電流測定用電源（直流２５０Ｖ）を印加して燃料燃焼に伴うイオン電流を検出するようにしている。
【０００６】
【解決しようとする課題】
ところが，上記従来技術においては，いずれも以下に示す問題がある。
即ち，前者の技術（特開平７−２５９５９７号公報）では，イオン電流検出のために，他の部位より絶縁されたスリーブ状のイオン検出用電極を設置しなくてはならず，その材料の選択及びその加工において煩雑な作業が強いられる。
そのため，イオン検出用電極が非常に，高価な構成となるという問題がある。さらに，燃料噴射ノズルとイオン検出用電極との間，及びイオン検出用電極とシリンダヘッドとの間が燃焼室内にて発生するカーボンにより短絡し，早期に使用不能となるという欠点があった。
【０００７】
また，後者の技術（米国特許第４，７３９，７３１号）では，イオン検出用電極を通電発熱体とは別に設けると共に，両者を別々の電源に接続しているために構造が複雑になるという欠点があった。また，イオン検出用電極の耐熱性及び耐消耗性を確保するために，白金など高価な貴金属を多量に必要とすることから，グロープラグ自体が非常に高価なものとなる欠点があった。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので，カーボン付着の問題がなく，精度良くイオン電流を検出することができ，耐久性に優れたグロープラグを提供しようとするものである。
【０００９】
【課題の解決手段】
請求項１の発明は，ハウジングと該ハウジング内に支持された本体とよりなるグロープラグにおいて，
上記本体は，絶縁体と，
該絶縁体の内部に設けられた通電発熱体及び該通電発熱体の両端部に電気的に接続されて上記絶縁体の外部に導出された一対のリード線と，
上記絶縁体の内部に配設された，火炎中のイオン化の状態を検出するための，イオン検出用電極とよりなると共に，
該イオン検出用電極は，上記火炎に曝されるように上記絶縁体から露出した露出部を有し，
かつ，該露出部は，０．１〜３０μｍの表面粗さＲｚ（１０点平均粗さ）に研磨された研磨部分を有していることを特徴とするグロープラグにある。
【００１０】
本発明において最も注目すべきことは，上記絶縁体の内部に通電発熱体とイオン検出用電極が配設されており，またイオン検出用電極の絶縁体からの露出部分は上記特定の表面粗さＲｚに研磨された研磨部分を有することである。
【００１１】
該研磨部分の表面粗さＲｚは，ＪＩＳＢ０６０１に規定されている１０点平均粗さ（Ｒｚ）によって示しており，その値は，０．１〜３０μｍの範囲内にある。０．１μ未満の場合には，十分にイオン電流を検出することができないという問題があり，一方，３０μを超える場合には，熱衝撃等によってクラックが入りやすいという問題がある。また，研磨部分は，砥石等を用いて研磨することにより，表面粗さＲｚを上記特定範囲に制御する。この場合，砥石等における砥粒の粒度，研磨条件等を調整することにより，所望の表面粗さＲｚを得る。
【００１２】
また，上記通電発熱体及びイオン検出用電極を絶縁体中に配設するに当たっては，例えば図３，図４に示すごとく，予め両者の成形品を作製しておき，これを絶縁体の原料であるセラミック粉末中に埋め込んで一体成形する。
或いは，予め別途作製しておいた２つ割の絶縁体の間に上記通電発熱体とイオン検出用電極を挟持配設する。
これらの絶縁体成形品，或いは通電発熱体とイオン検出用電極との一体成形品は，例えば，これらの材料を射出成形することにより作製する。
【００１３】
また，上記通電発熱体，イオン検出用電極は，上記絶縁体の内部に印刷形成により設けることもできる。
かかる印刷形成につき一例を示せば，例えば絶縁体を形成するためのセラミック材料の生成形体（グリーンシート）を２個準備し，その１つの生成形体の表面に，スクリーン印刷，パッド印刷，ホットスタンプ等により，所望形状に導電性材料よりなる通電発熱体，そのリード線，及びイオン検出用電極を印刷することにより行なう。
【００１４】
次いで，印刷部を覆うように他の生成形体を積層し，その後焼成する。ここで，通電発熱体，リード線，イオン検出用電極は２個以上の生成形体に印刷してもよい。また，通電発熱体とイオン検出用電極を別々の生成形体に印刷して積層してもよい。
これにより，印刷形成された通電発熱体，リード線，イオン検出用電極を内蔵した絶縁体が得られる。
【００１５】
そして，このようにして得られた絶縁体を必要に応じて研削した後，イオン検出用電極の露出部分における研磨部分を上記のごとく研磨する。これにより，イオン検出用電極の露出部分に上記特定の表面粗さＲｚの研磨部分を有するグロープラグを得ることができる。
【００１６】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
まず，本発明のグロープラグは，上記通電発熱体に電流を通すことにより発熱し，その加熱により燃焼室における着火及び燃焼を促進させる。
また，イオン検出用電極は，燃焼火炎中のイオン化の状態を検出する。即ち，イオン電流の検出時において，イオン検出用電極とそれに近接する燃焼室の内壁（シリンダヘッド）とは，両者間に存在する燃料燃焼時のプラスイオン及びマイナスイオンを捕獲するための２電極を形成する。
【００１７】
これにより，精度良くイオン電流を検出することができ，その情報を燃焼制御に有用に活用することが可能となる。また，グロープラグに，本来の燃焼室の加熱機能（グロー機能）とイオン電流検出機能とを付与しているので，構造がコンパクトで，かつ安価に製造できる。
【００１８】
また，本発明においては，イオン検出用電極の露出部分に，上記研磨部分を有する。そして，この研磨部分は，表面粗さＲｚが０．１〜３０μｍの範囲内にある。そのため，研磨部分は，ミクロ的に見ると多数の凹凸を有している（図９）。この凹凸のうち凸部には，イオン検出用電極とこれに近接するシリンダヘッドとの間における電界が集中する。電界が集中した凸部近傍は，電位勾配が急峻となる。この電位勾配により，燃焼ガス中の荷電粒子は上記凸部近傍に引きつけられる。
それ故，上記特定の表面粗さＲｚの研磨部分を有するイオン検出用電極は，燃焼室内の荷電粒子を強く引きつけ，さらにイオン電流検出精度を向上させることができる。
【００１９】
また，本発明のグロープラグは，上記通電発熱体，リード線及びイオン検出用電極を上記絶縁体の内部に，一体的に設けているので，構造簡単である。
したがって，本発明によれば，カーボン付着の問題がなく，精度良くイオン電流を検出することができ，耐久性に優れたグロープラグを提供することができる
【００２０】
次に，請求項２の発明のように，上記イオン検出用電極の先端における露出部の面積は，１×１０^-6〜０．５ｃｍ²であることが好ましい。イオン検出用電極の露出部の面積（Ｓ）は，０＜Ｓであればイオン出力の検出は可能である。しかし，印刷により形成する場合に露出部の面積が１×１０^-6ｃｍ²未満の場合には，露出部の寸法が例えば１０μｍ×１０μｍ以下の非常に小さな大きさとなり，生産性が悪くなるという問題がある。一方，０．５ｃｍ²を超える場合にはイオン検出用電極の占める部分が大きくなりすぎ，その結果，通電発熱体が小さくなり，生産性が悪くなるという問題がある。
【００２１】
また，請求項３の発明のように，上記イオン検出用電極は，上記通電発熱体と電気的に接続されている構造をとることができる。この場合には，例えば，イオン検出用電極と通電発熱体とを一体成形することができ，製造を容易にすることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本発明の実施形態例にかかるグロープラグにつき，図１〜図９を用いて説明する。
本例のグロープラグは，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である。
本例のグロープラグ１は，図１に示すごとく，ハウジング４と該ハウジング４内に支持された本体１０とよりなる。本体１０は，絶縁体１１と，該絶縁体１１の内部に設けられた通電発熱体２及び該通電発熱体２の両端部に電気的に接続されて絶縁体１１の外部に導出された一対のリード線２１，２２とを有する。
【００２３】
また，上記絶縁体１０の内部に配設された，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３を有する。該イオン検出用電極３は上記火炎に曝されるように絶縁体１１から露出した露出部３０を有している。
また，露出部３０は，０．１〜３０μｍの表面粗さＲｚ（１０点平均粗さ）に研磨された研磨部分６（図１）を有している。
【００２４】
上記本体１０は，図１，図２に示すごとく，金属製のハウジング４内に，金属製の環状支持体４１を介して，固定されている。
そして，上記通電発熱体２の一方のリード線２１は，絶縁体１１の内部を上昇して，本体１０の側面に設けた導電性の端子部２３を介して内部リード線２３１に電気的に接続されている。また，他方のリード線２２は，上記環状支持体４１を介してハウジング４に電気的に接続されている。
また，上記イオン検出用電極３の上部は，絶縁体１１の上端部に設けた導電性の端子部３１を介して内部リード線３３に電気的に接続されている。
【００２５】
一方，ハウジング４は，上記環状支持体４１を有し，図２に示すごとく，その上部に保護筒４２を有している。また，ハウジング４は，エンジンのシリンダヘッド４５へ装着するための，雄ねじ部４３を有する。上記保護筒４２の上方開口部には，ゴムブッシュ４２１が嵌合されている。また，該ゴムブッシュ４２１には，外部リード線２３３，３３３が貫挿され，これらはそれぞれ接続端子２３２，３３２を介して，上記内部リード線２３１，３３に接続されている。
したがって，外部リード線２３３は通電発熱体２の一端に，外部リード線３３３はイオン検出用電極３にそれぞれ電気的に導通されている。
【００２６】
なお，通電発熱体２の他端は，上記のごとく，環状支持体４１を介してハウジング４に電気的に導通している（図１）。
また，本体１０の先端部（下端部）は，図１に示すごとく，半球面形状に形成されている。
そして，本例においては，通電発熱体２及びイオン検出用電極３は，いずれも絶縁体１１内に埋設されている。
【００２７】
次に，上記グロープラグ本体１０を製造するに当たっては，まず図３，図４
に示すごとく，Ｕ字状の通電発熱体２の成形品２９と棒状のイオン検出用電極３の成形品３９を準備する。これらの成形品２９，３９は，それぞれ通電発熱体２及びイオン検出用電極３用のセラミック粉末を用いて射出成形，或いはプレス成形により作製する。
【００２８】
そして，成形品２９，３９は，絶縁体１１用のセラミック粉末の中に埋設し，これらをホットプレスにて一体的に成形する。なお，上記埋設に先立ってリード線２１，２２を成形品２９に接続しておく。これにより，通電発熱体２及びイオン検出用電極３を内蔵した絶縁体１１が得られる。
【００２９】
次いで，絶縁体１１の外形を整えるために研削を行い，胴部を円柱状にすると共に先端部を半球面形状にする。
次いで，本例においては，絶縁体１１から露出したイオン検出用電極３の露出部３０全体を研磨部分６として，研磨した。研磨は，＃６００の砥石を用いて行った。これにより，本例においては，研磨部分６の表面粗さＲｚを４．５μｍに整えた。
【００３０】
次に，上記のごとく本体１０とハウジング４などとによって構成したグロープラグ１は，図５に示すごとく，エンジンのシリンダヘッド４５に対して，ハウジンク４の雄ねじ部を螺合することにより装着する。これにより，グロープラグ本体１０の先端部が，シリンダヘッド４５の燃焼室の一部である渦流室４５１に突出した状態で装着される。なお，符号４５７は主燃焼室，４５８はピストン，４５９は燃料噴射ノズルである。
【００３１】
また，上記グロープラグ１は，図５に示すごとく，グロープラグ作動回路に接続される。
即ち，通電発熱体２の一端のリード線２１は，外部リード線２３３，グローリレー５３，及び１２ボルトのバッテリ５４を介して，金属製のシリンダヘッド４５に接続されている。更に，シリンダヘッド４５，ハウジング４，環状支持体４１，本体１０のリード線２２（図１）を介して，通電発熱体２の他端に接続されている。
これにより，通電発熱体２の加熱用回路が形成される。
【００３２】
また，イオン検出用電極３の外部リード線３３３は，イオン電流検出用抵抗５２１，直流電源５１を介してシリンダヘッド４５に接続されている。また，上記イオン電流検出用抵抗５２１には，イオン電流を検出するための電位差計５２２が設けられ，これはＥＣＵ（電子制御装置）５２に接続されている。また，ＥＣＵ５２には，上記グローリレー５３，エンジン冷却水の水温センサ５２５，エンジンの回転数センサ５２６が接続されている。
【００３３】
上記図５に示した，グロープラグ１の使用に当たっては，まずエンジンの始動時においては，ＥＣＵ５２により，グローリレー５３がオンとされる。そのため，バッテリ５４とグロープラグの通電発熱体２との間が閉路となり，グロープラグ本体１０の通電発熱体２が通電され発熱する。そのためグロープラグ１は加熱状態となり，着火温度に上昇する。
そこで，燃料噴射ノズル４５９から，燃料が噴射されると，その都度該燃料が着火され，ピストン４５８が作動し，エンジンが駆動される。
【００３４】
一方，燃料が燃焼している際には，前記のごとく，イオンが発生するので，そのイオン電流をイオン検出用電極３，イオン電流検出用抵抗５２１及び電位差計５２２により検出する。
即ち，グロープラグ本体１０の上記イオン検出用電極３とシリンダヘッド４５との間には１２ボルトの直流電源５１によって電圧が印加されている。
【００３５】
そこで，渦流室４５１内における，燃焼火炎帯の活性イオンの発生に伴い，イオン電流検出用抵抗５２１を含む電流経路にイオン電流が流れる。
なお，イオン電流検出用抵抗５２１は，約５００ｋΩで，これを流れるイオン電流は，その両端の電位差として電位差計５２２により検出される。
【００３６】
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４５９からの噴射燃料が渦流室４５１で燃焼されると，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，上記イオン検出用電極３とそれに対面するシリンダヘッド４５との間に直流電源５１の電圧が印加されているので，イオン検出用電極３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４５にはプラスイオンが捕獲される。
その結果，上記の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５２１の両端の電位差として検出される。
【００３７】
一方，ＥＣＵ５２は，ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，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５２２により検出された検出信号を入力する。
また，ＥＣＵ５２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５２５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５２６の検出信号が入力され，ＥＣＵ５２は各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。
【００３８】
上記ＥＣＵ５２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の通電発熱体２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始動直後において，イオン電流を検出する。
なお，エンジン始動当初においては，グローリレー５３がオンの状態にあり，通電発熱体２は加熱状態に保持されるようになっている。
【００３９】
以下，図６のフローチャートを用いて，上記グローリレー５３のオン，オフ切り替え処理を説明する。図６は，所定の時間の割り込み処理により実行される。
まず，図６の処理がスタートすると，ＥＣＵ５２は，先ずステップ１１でエンジン暖機完了後であり，且つグローリレー５３がオフで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１１が否定判別され，ＥＣＵ５２は続くステップ１２で水温Ｔｗ及びエンジン回転数Ｎｅを読み込む。
【００４０】
その後，ステップ１３で水温Ｔｗが所定の暖機完了温度（本実施形態例では，６０℃）以上であるか否かを判別すると共に，ステップ１４でエンジン回転数Ｎｅが所定回転数（本実施形態例では，２０００ｒｐｍ）以上に達しているか否かを判別する。
このときステップ１３，１４が共に否定判別されれば，エンジンの暖機が完了しておらず，グロープラグの通電発熱体２による加熱が必要であるとみなし，ステップ１５に進む。
【００４１】
また，ステップ１３，１４のいずれかが肯定判別されれば，エンジンの暖機が完了，或いはグロープラグ１による加熱が不要であるとみなし，ステップ１６に進む。
【００４２】
ステップ１５に進んだ場合は，グローリレー５３はオンのまま維持される。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継続される。
また，ステップ１６に進んだ場合，ＥＣＵ５２は，グローリレー５３をオフとする。
【００４３】
次に，図７（Ａ）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，燃料噴射時期（圧縮ＴＤＣ）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。
【００４４】
この場合，ＥＣＵ５２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，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，ＥＣＵ５２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，その検出結果を燃料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。
【００４５】
次に，グロープラグの絶縁体１１の表面に，燃料燃焼により発生したカーボン（スス）が付着した状態，即ち燻りが発生したときには，図７（Ｂ）に示すごとく，イオン電流が燃料噴射時期の前には低く，その後には上昇していくという現象が発生する（図７の（Ａ）と（Ｂ）を比較）。なお，図７（Ｂ）のＩｔｈは燻り状態を判別しグローリレー５３をオンにするか否かを判断するための波高値の判定レベル（しきい値）を表している。
そこで，このような燻り現象が発生したときには，上記グローリレー５３をオンとし，通電発熱体２を加熱し，上記の付着カーボンを焼き切る操作を行なう。
【００４６】
図８は，このカーボン焼き切り操作を，上記図５の回路におけるＥＣＵ５２により行なうフローチャートである。
即ち，図８のステップ２１において，グローリレー５３がオフの状態にあるとき，ステップ２２において，燃料噴射時期に上記のごとき異常イオン電流（図７Ｂ）が検出されたか否か判定する。否であれば，ステップ２４に進み，グローリレー５３はオフのままとする。
一方，異常イオン電流が検出されたときには，ステップ２３に進み，グローリレー５３をオンとし，グロープラグの通電発熱体２を加熱してカーボンを焼失させる。
【００４７】
上記のごとく，本例のグロープラグにおいては，絶縁体１１の内部に通電発熱体２とリード線２１，２２とイオン検出用電極３とを設けてあり，これらは一体的に構成されている。そのため，通電発熱体２によるグロー動作（加熱動作）と，イオン検出用電極３によるイオン電流検出とを１つのグロープラグにより達成できる。また，そのためグロープラグ１がコンパクトになる。
【００４８】
また，絶縁体１１の表面にカーボンが付着した場合にも，上記のごとく通電発熱体２を通電加熱することにより，上記カーボンを焼き切り，絶縁体１１の表面を正常状態にすることができる。そのため，イオン電流を精度良く検出することができる。
また，絶縁体１１の先端部は，半球形状としてあるので，燃焼室内における熱衝撃を吸収することができる。
【００４９】
さらに，本例においては，イオン検出用電極３の露出部３０に上記研磨部分６を有する。そして，研磨部分６の表面粗さＲｚは，０．１〜３０μｍの範囲内に研磨してある。そのため，図９に示すごとく，研磨部分６には，ミクロ的に見ると凸部６１が多数存在する。
【００５０】
そして，この凸部６１には，シリンダヘッド４５とイオン検出用電極３との間の電界が集中する。また，電界が集中した凸部６１近傍は，電位勾配が急峻となる。この電位勾配により，燃焼ガス中のマイナスの荷電粒子７はイオン検出用電極３の凸部６１近傍に強く引きつけられ，荷電粒子７の移動が活発となる。
それ故，研磨部分６を有するイオン検出用電極３は，さらに精度よくイオン電流を検出することができる。
【００５１】
実施形態例２
本例は，実施形態例１に示したグロープラグ（本発明品）における研磨部分６の効果をさらに明確にすべく，比較品と共にイオン電流の検出試験を行った。
比較品は，実施形態例１に示した研磨部分を０．０１μｍの表面粗さＲｚに研磨したものを用いた。尚，本発明品の研磨部分は上記のごとく４．５μｍの表面粗さＲｚである。
【００５２】
本発明品が検出したイオン電流の波形Ｅ１を図１０に，比較品が検出したイオン電流の波形Ｃ１を図１１にそれぞれ示す。図１０，図１１は，共に横軸に時間，縦軸に電流値をとったものであり，横軸には燃料噴射時期を縦線Ｐにより示してある。
両図の比較から知られるように，本発明品は常に高いピーク値の波形が精度よく検出され，一方，比較品は，ピーク値が非常に小さく検出精度が低い状態の波形Ａや，検出されない場合Ｂが発生した。この結果から，イオン検出用電極３の露出部３０に特定範囲の表面粗さＲｚを有する研磨部分６を設けることによって，イオン電流の検出精度を大幅に向上させることができることがわかる。
【００５３】
実施形態例３
本例においては，実施形態例１に示したグロープラグにおける研磨部分６の表面粗さＲｚを種々変更し，そのイオン電流検出精度への影響を試験した。
試験に用いるグロープラグとしては，研磨部分６の表面粗さＲｚを０．０１〜１００μの範囲で変更したものを複数準備した。研磨部分６の表面粗さＲｚ以外は，実施形態例１と同様とした。
【００５４】
イオン電流の検出精度は，グロープラグをセットした試験用のディーゼルエンジンを８００ｒｐｍの回転数により運転し，１分間イオン電流を検出させ，燃料噴射回数に対して何回精度よくイオン電流を検出することができたかにより求めた。精度よくイオン電流を検出したか否かの判断は，エンジン運転時間中のイオン電流のピーク値の平均値の０．３倍以上の電流値を検出した場合は検出できたとし，上記平均値の０．３倍未満の電流値しか検出できなかった場合には検出できなかったとした。
【００５５】
したがって，例えば１００回燃料噴射された場合に，１００回精度よくイオン電流を検出した場合には検出精度は１００％であり，５０回だけ精度よくイオン電流を検出した場合には検出精度は５０％である。
試験結果を図１２に示す。図１２は，横軸に研磨部分６の表面粗さＲｚを，縦軸にイオン電流の検出精度をとった。
図１２より知られるごとく，イオン電流の検出精度は研磨部分の表面粗さＲｚが０．１μｍ以上の場合には，いずれも１００％であった。一方，表面粗さＲｚが０．１μｍ未満の場合には，表面粗さＲｚが小さいほど検出精度が低下した。
【００５６】
また，表面粗さＲｚが３０μｍを超えるものについてはクラックが発生した。これは，凹凸が大きいため，その凹部等に応力集中が起こりやすいからであると考えられる。
したがって，本例によれば，研磨部分６の表面粗さＲｚは０．１〜３０μｍが最適であることがわかる。
【００５７】
実施形態例４
本例は，図１３〜図１５に示すごとく，通電発熱体２とイオン検出用電極３とを電気的に接続して一体化した。そして，図１３〜図１５に示すごとく，イオン検出用電極３の露出部３０の面積を変更し，その面積とイオン電流検出精度との関係を試験した。また，グロープラグ本体の直径Ｄは３．５ｍｍ，ハウジング４からの突出長さＬは１０ｍｍとした。
【００５８】
図１３に示したグロープラグ１０３は，イオン検出用電極３の露出部３０を本体１０の先端部の半球面部分全体に設け，さらに露出部３０全体を表面粗さＲｚ＝４．５μｍの研磨部分６とした。この場合の露出部３０の面積（研磨部分６の面積）は，０．５ｃｍ²である。
【００５９】
図１４に示したグロープラグ１０４は，イオン検出用電極３の露出部３をできるだけ小さくし，さらに露出部３０全体を表面粗さＲｚ＝４．５μｍの研磨部分６とした。この場合の露出部３０の面積（研磨部分６の面積）は，１×１０^-6ｃｍ²である。
【００６０】
図１５に示したグロープラグ１０５は，イオン検出用電極３の露出部３を上記図１３，図１４の場合の中間程度の大きさとし，さらに露出部３０全体を表面粗さＲｚ＝４．５μｍの研磨部分６とした。この場合の露出部３０の面積（研磨部分６の面積）は，０．００８ｃｍ²である。
【００６１】
また，例えば図１５に示したグロープラグを用いた全体図を図１６に示す。また，その作動回路を図１７に示す。
即ち，図１６に示すごとく，通電発熱体２とイオン検出用電極３とを一体化の場合には，通電発熱体２に設けたリード線２２を，絶縁体１１の上端に設けた端子部３１に接続する。
このように構成したグロープラグは，前記実施形態例１と同様にして，シリンダヘッド４５に装着する。
【００６２】
また，本例の場合には，通電発熱体２とイオン検出用電極３とが一体化されているので，グロープラグの作動回路は，図１７に示す構成となる。
そして，通電発熱体２を発熱させる場合には，同図に示すごとく，イオンリレー５３０はオフとし，グローリレー５３，５３１はオンとする。一方，イオン検出用電極３によりイオン電流を検出する場合には，イオンリレー５３０をオンとし，グローリレー５３及び５３１はオフとする。
【００６３】
次に，上記３種類のグロープラグ１０３，１０４，１０５を用いて，実施形態例３と同様の条件により，イオン電流の検出精度を調べた。その結果，いずれのグロープラグも検出精度が１００％となり，非常に良好であった。
この結果から，露出部３０に上記特定の範囲内の表面粗さＲｚを有する研磨部分を設けることによって，露出部３０の面積が１×１０^-6〜０．５ｃｍ²の範囲内において変動しても，十分良好にイオン電流の検出ができることがわかる。
また，本例の結果から，露出部３０の面積は，１×１０^-6ｃｍ²という非常に小さい面積でもよいことから，少しでも露出部３０が外部に露出していれば有効であることもわかる。
【００６４】
実施形態例５
本例は，図１８に示すごとく，実施形態例１のグロープラグ作動回路（図５）を変更したもので，実施形態例１のバッテリ５４と直流電源５１とを，１個のバッテリ５５のみに代えたものである。
なお，イオン電流検出用抵抗５２１とバッテリ５５との間には，定電流，定電圧回路５２４を介在することもできる。この場合には，回路構成の簡素化とコスト低減の効果がある。
【００６５】
その他は，実施形態例１と同様である。
本例においても，実施形態例１と同様の効果を得ることができる。また，特に，本例においては，定電流・定電圧回路５２４を介在する事で１つのバッテリーでも，グロープラグ発熱時に生じるイオン検出用電極への印加電圧の変動を防止し，安定した検出性能が維持できるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１における，（Ａ）グロープラグ本体の断面図，（Ｂ）上記（Ａ）のＡ−Ａ線矢視断面図。
【図２】実施形態例１における，グロープラグの全体説明図。
【図３】実施形態例１における，製造過程における通電発熱体の成形体の斜視図。
【図４】実施形態例１における，製造過程におけるイオン検出用電極の成形体の斜視図。
【図５】実施形態例１における，グロープラグ作動回路図。
【図６】実施形態例１における，グロープラグ作動システムの，グロープラグ始動時のフローチャート。
【図７】実施形態例１における，（Ａ）正常時のイオン電流，（Ｂ）燻り時のイオン電流を示す図。
【図８】実施形態例１における，燻り判定フローチャート。
【図９】実施形態例１における，研磨部分のイオン電流検出効果を示す説明図。
【図１０】実施形態例２における，本発明品のイオン電流波形を示す説明図。
【図１１】実施形態例２における，比較品のイオン電流波形を示す説明図。
【図１２】実施形態例３における，研磨部分の表面粗さＲｚとイオン電流検出精度との関係を示す説明図。
【図１３】実施形態例４における，イオン検出用電極の形状を示す説明図。
【図１４】実施形態例４における，イオン検出用電極の形状を示す説明図。
【図１５】実施形態例４における，イオン検出用電極の形状を示す説明図。
【図１６】実施形態例４における，（Ａ）グロープラグ本体の断面図，（Ｂ）上記（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視断面図。
【図１７】治具保持部４における，グロープラグ作動回路図。
【図１８】実施形態例５における，グロープラグ作動回路図。
【符号の説明】
１．．．グロープラグ，
１０．．．本体，
１１．．．棒状絶縁体，
２．．．通電発熱体，
２１，２２，２２０．．．リード線，
３．．．イオン検出用電極，
３０．．．露出部，
４．．．ハウジング，
４５．．．シリンダヘッド，
４５１．．．渦流室，
６．．．研磨部分，
６１．．．凸部，[0001]
【Technical field】
The present invention relates to a glow plug for promoting ignition and combustion of fuel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in gasoline engines and diesel engines, it has been demanded to further reduce exhaust gas and smoke from the viewpoint of environmental protection. In order to meet these demands, various engine improvements and post-treatments (catalyst purification, etc.) are being considered to reduce emissions, improve fuel and lubricating oil properties, and improve various engine combustion control systems.
[0003]
In recent engine combustion control systems, it is required to detect the combustion state of the engine, and it has been considered to detect the combustion state of the engine by detecting in-cylinder pressure, combustion light, ion current, and the like. Yes. In particular, it is considered that detecting the combustion state of an engine with an ionic current is extremely useful because a chemical reaction accompanying combustion can be directly observed, and various ion current detection methods have been proposed.
[0004]
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 7-259597, a sleeve-like ion detection electrode insulated from the injection nozzle and the cylinder head of the engine is attached to the mounting seat of the fuel injection nozzle, and this is connected to an external detection circuit. A method of detecting an ionic current associated with combustion of fuel by connecting to a gas is disclosed.
U.S. Pat. No. 4,739,731 discloses an ion current detection sensor using a ceramic glow plug.
[0005]
In these techniques, a platinum conductive layer is attached to the surface of the glow plug heater (electric heating element), and the conductive layer is insulated from the combustion chamber and the glow plug mounting bracket. Then, an ion current measuring power source (DC 250 V) is applied to the conductive layer from the outside to detect the ion current accompanying fuel combustion.
[0006]
[Problems to be solved]
However, the above conventional techniques have the following problems.
That is, in the former technique (Japanese Patent Laid-Open No. 7-259597), for detecting the ionic current, a sleeve-like ion detection electrode insulated from other parts must be installed, and the selection of the material is required. In addition, complicated work is required in the processing.
Therefore, there is a problem that the ion detection electrode has a very expensive configuration. Furthermore, there is a drawback that the fuel injection nozzle and the ion detection electrode and between the ion detection electrode and the cylinder head are short-circuited by carbon generated in the combustion chamber and become unusable at an early stage.
[0007]
In the latter technique (US Pat. No. 4,739,731), the ion detection electrode is provided separately from the energization heating element, and the two are connected to different power sources, resulting in a complicated structure. There were drawbacks. In addition, in order to ensure the heat resistance and wear resistance of the ion detection electrode, a large amount of expensive noble metal such as platinum is required, so that the glow plug itself is very expensive.
[0008]
The present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide a glow plug that is capable of detecting an ionic current with high accuracy without causing a problem of carbon adhesion and having excellent durability.
[0009]
[Means for solving problems]
The invention of claim 1 is a glow plug comprising a housing and a main body supported in the housing.
The main body has an insulator,
An energization heating element provided inside the insulator and a pair of lead wires that are electrically connected to both ends of the energization heating element and led out of the insulator;
It comprises an ion detection electrode disposed inside the insulator for detecting the state of ionization in the flame,
The ion detection electrode has an exposed portion exposed from the insulator so as to be exposed to the flame,
The exposed portion is a glow plug characterized by having a polished portion polished to a surface roughness Rz (10-point average roughness) of 0.1 to 30 μm.
[0010]
The most notable point in the present invention is that the energization heating element and the ion detection electrode are disposed inside the insulator, and the exposed portion of the ion detection electrode from the insulator is the specific surface roughness. It has a polished portion polished to Rz.
[0011]
The surface roughness Rz of the polished portion is indicated by 10-point average roughness (Rz) defined in JIS B 0601, and the value is in the range of 0.1 to 30 μm. If it is less than 0.1 μm, there is a problem that the ion current cannot be sufficiently detected. On the other hand, if it exceeds 30 μm, there is a problem that cracks are likely to occur due to thermal shock or the like. Further, the polishing portion is polished using a grindstone or the like to control the surface roughness Rz within the specific range. In this case, the desired surface roughness Rz is obtained by adjusting the grain size of the abrasive grains in the grindstone or the like, the polishing conditions, and the like.
[0012]
In addition, when the energization heating element and the ion detection electrode are disposed in the insulator, as shown in FIGS. 3 and 4, for example, both molded products are prepared in advance, and this is used as a raw material for the insulator. It is embedded in a certain ceramic powder and molded integrally.
Alternatively, the energization heating element and the ion detection electrode are sandwiched between two separate insulators that have been separately prepared.
Such an insulator molded product or an integrally molded product of the energization heating element and the ion detection electrode is produced, for example, by injection molding these materials.
[0013]
The energization heating element and the ion detection electrode can also be provided by printing in the insulator.
As an example of such printing, for example, two ceramic material generation forms (green sheets) for forming an insulator are prepared, and screen printing, pad printing, hot stamping, etc. are provided on the surface of the one generation form. Thus, an energization heating element made of a conductive material, its lead wire, and an ion detection electrode are printed in a desired shape.
[0014]
Next, another generated shape is laminated so as to cover the printing part, and then fired. Here, the energization heating element, the lead wire, and the ion detection electrode may be printed on two or more generated shapes. Further, the energization heating element and the ion detection electrode may be printed and stacked on separate generated shapes.
As a result, an insulator having a built-in printed heating element, lead wire, and ion detection electrode is obtained.
[0015]
The insulator thus obtained is ground as necessary, and then the polished portion of the exposed portion of the ion detection electrode is polished as described above. As a result, a glow plug having a polished portion having the specific surface roughness Rz on the exposed portion of the ion detection electrode can be obtained.
[0016]
Next, the effects of the present invention will be described.
First, the glow plug of the present invention generates heat by passing an electric current through the energization heating element, and promotes ignition and combustion in the combustion chamber by the heating.
The ion detection electrode detects the state of ionization in the combustion flame. That is, at the time of detection of ion current, the ion detection electrode and the inner wall (cylinder head) of the combustion chamber adjacent to the electrode are two electrodes for capturing positive ions and negative ions at the time of fuel combustion existing between them. Form.
[0017]
As a result, the ion current can be detected with high accuracy, and the information can be effectively used for combustion control. Further, since the glow plug is provided with the original combustion chamber heating function (glow function) and ion current detection function, the structure is compact and can be manufactured at low cost.
[0018]
In the present invention, the polished portion is provided on the exposed portion of the ion detection electrode. And this grinding | polishing part has the surface roughness Rz in the range of 0.1-30 micrometers. Therefore, the polished portion has a large number of irregularities when viewed microscopically (FIG. 9). The electric field between the ion detection electrode and the cylinder head adjacent to the ion detection electrode is concentrated on the convex portion of the irregularities. In the vicinity of the convex portion where the electric field is concentrated, the potential gradient becomes steep. Due to this potential gradient, charged particles in the combustion gas are attracted to the vicinity of the convex portion.
Therefore, the ion detection electrode having the polished portion with the specific surface roughness Rz can strongly attract charged particles in the combustion chamber and further improve the ion current detection accuracy.
[0019]
In addition, the glow plug of the present invention has a simple structure because the energization heating element, the lead wire, and the ion detection electrode are integrally provided inside the insulator.
Therefore, according to the present invention, there is no problem of carbon adhesion, an ion current can be detected with high accuracy, and a glow plug excellent in durability can be provided.
[0020]
Next, as in the invention of claim 2, the area of the exposed portion at the tip of the ion detection electrode is 1 × 10. ^-6 ~ 0.5cm ² It is preferable that If the area (S) of the exposed portion of the ion detection electrode is 0 <S, the ion output can be detected. However, when formed by printing, the area of the exposed portion is 1 × 10 ^-6 cm ² If it is less, the dimension of the exposed portion becomes very small, for example, 10 μm × 10 μm or less, and there is a problem that productivity is deteriorated. On the other hand, 0.5cm ² When the value exceeds 1, the portion occupied by the ion detection electrode becomes too large. As a result, there is a problem that the energization heating element becomes small and the productivity deteriorates.
[0021]
Further, as in the invention of claim 3, the ion detection electrode can be structured to be electrically connected to the energization heating element. In this case, for example, the ion detection electrode and the energization heating element can be integrally formed, and manufacturing can be facilitated.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1
A glow plug according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The glow plug of this example is a ceramic glow plug used as a starting assist device for a diesel engine.
As shown in FIG. 1, the glow plug 1 of this example includes a housing 4 and a main body 10 supported in the housing 4. The main body 10 includes an insulator 11, a pair of electric heating elements 2 provided inside the insulator 11, and a pair of electric leads connected to both ends of the electric heating element 2 and led out of the insulator 11. Lead wires 21 and 22.
[0023]
Moreover, it has the electrode 3 for ion detection for detecting the state of ionization in the flame, which is disposed inside the insulator 10. The ion detection electrode 3 has an exposed portion 30 exposed from the insulator 11 so as to be exposed to the flame.
Moreover, the exposed part 30 has the grinding | polishing part 6 (FIG. 1) grind | polished by the surface roughness Rz (10-point average roughness) of 0.1-30 micrometers.
[0024]
As shown in FIGS. 1 and 2, the main body 10 is fixed in a metal housing 4 through a metal annular support 41.
One lead wire 21 of the energization heating element 2 rises inside the insulator 11 and is electrically connected to the internal lead wire 231 through a conductive terminal portion 23 provided on the side surface of the main body 10. Has been. The other lead wire 22 is electrically connected to the housing 4 via the annular support 41.
The upper portion of the ion detection electrode 3 is electrically connected to the internal lead wire 33 via a conductive terminal portion 31 provided at the upper end portion of the insulator 11.
[0025]
On the other hand, the housing 4 has the annular support 41 and, as shown in FIG. The housing 4 has a male screw portion 43 for mounting on the cylinder head 45 of the engine. A rubber bush 421 is fitted into the upper opening of the protective cylinder 42. Further, external lead wires 233 and 333 are inserted through the rubber bushing 421, and these are connected to the internal lead wires 231 and 33 via connection terminals 232 and 332, respectively.
Therefore, the external lead wire 233 is electrically connected to one end of the energization heating element 2, and the external lead wire 333 is electrically connected to the ion detection electrode 3.
[0026]
As described above, the other end of the energization heating element 2 is electrically connected to the housing 4 via the annular support 41 (FIG. 1).
Moreover, the front-end | tip part (lower end part) of the main body 10 is formed in the hemispherical shape as shown in FIG.
In this example, the energization heating element 2 and the ion detection electrode 3 are both embedded in the insulator 11.
[0027]
Next, in manufacturing the glow plug body 10, first, FIG.
As shown, a U-shaped molded heating element 2 29 and a rod-shaped ion detection electrode 3 39 are prepared. These molded products 29 and 39 are produced by injection molding or press molding using ceramic powder for the energization heating element 2 and the ion detection electrode 3, respectively.
[0028]
And the molded products 29 and 39 are embedded in the ceramic powder for the insulator 11, and these are integrally molded by hot pressing. Prior to the embedment, the lead wires 21 and 22 are connected to the molded product 29 in advance. Thereby, the insulator 11 including the energization heating element 2 and the ion detection electrode 3 is obtained.
[0029]
Next, grinding is performed in order to adjust the outer shape of the insulator 11, and the body portion is formed into a cylindrical shape and the tip portion is formed into a hemispherical shape.
Next, in this example, the entire exposed portion 30 of the ion detection electrode 3 exposed from the insulator 11 was polished as the polished portion 6. Polishing was performed using a # 600 grindstone. Thereby, in this example, the surface roughness Rz of the polished portion 6 was adjusted to 4.5 μm.
[0030]
Next, the glow plug 1 constituted by the main body 10 and the housing 4 as described above is mounted by screwing the male thread portion of the housing 4 into the cylinder head 45 of the engine as shown in FIG. Thus, the tip of the glow plug body 10 is mounted in a state of protruding into the vortex chamber 451 that is a part of the combustion chamber of the cylinder head 45. Reference numeral 457 is a main combustion chamber, 458 is a piston, and 459 is a fuel injection nozzle.
[0031]
The glow plug 1 is connected to a glow plug operation circuit as shown in FIG.
That is, the lead wire 21 at one end of the energization heating element 2 is connected to the metal cylinder head 45 via the external lead wire 233, the glow relay 53, and the 12-volt battery 54. Furthermore, it is connected to the other end of the energization heating element 2 via the cylinder head 45, the housing 4, the annular support 41, and the lead wire 22 (FIG. 1) of the main body 10.
Thereby, a heating circuit for the energization heating element 2 is formed.
[0032]
Further, the external lead wire 333 of the ion detection electrode 3 is connected to the cylinder head 45 via the ion current detection resistor 521 and the DC power source 51. The ion current detection resistor 521 is provided with a potentiometer 522 for detecting an ion current, which is connected to an ECU (electronic control unit) 52. The glow relay 53, the engine coolant temperature sensor 525, and the engine speed sensor 526 are connected to the ECU 52.
[0033]
When the glow plug 1 shown in FIG. 5 is used, the glow relay 53 is first turned on by the ECU 52 when the engine is started. Therefore, the battery 54 and the energization heating element 2 of the glow plug are closed, and the energization heating element 2 of the glow plug body 10 is energized to generate heat. For this reason, the glow plug 1 is heated and rises to the ignition temperature.
Therefore, each time fuel is injected from the fuel injection nozzle 459, the fuel is ignited, the piston 458 is activated, and the engine is driven.
[0034]
On the other hand, when the fuel is burning, ions are generated as described above, and the ion current is detected by the ion detection electrode 3, the ion current detection resistor 521, and the potentiometer 522.
That is, a voltage is applied between the ion detection electrode 3 of the glow plug body 10 and the cylinder head 45 by a DC power source 51 of 12 volts.
[0035]
Therefore, with the generation of active ions in the combustion flame zone in the vortex chamber 451, an ionic current flows through a current path including the ionic current detection resistor 521.
The ion current detection resistor 521 has a resistance of about 500 kΩ, and the ion current flowing therethrough is detected by the potentiometer 522 as a potential difference between both ends thereof.
[0036]
Here, the principle of detection of ion current is outlined.
When the fuel injected from the fuel injection nozzle 459 is burned in the vortex chamber 451, a large amount of ionized positive ions and negative ions are generated in the combustion flame zone. At this time, since the voltage of the DC power source 51 is applied between the ion detection electrode 3 and the cylinder head 45 facing the ion detection electrode 3, negative ions are captured by the ion detection electrode 3 and the cylinder head 45. Captures positive ions.
As a result, the current path is formed, and the ionic current flowing through the current path is detected as a potential difference between both ends of the ionic current detection resistor 521.
[0037]
On the other hand, the ECU 52 is configured around a known microcomputer and A / D converter (both not shown) comprising a CPU, ROM, RAM, input / output circuit, etc., and receives a detection signal detected by the potentiometer 522. To do.
Further, the ECU 52 receives a detection signal from a water temperature sensor 525 for detecting the temperature of the engine cooling water and a detection signal from the rotation speed sensor 526 for detecting the engine rotation speed in accordance with the engine crank angle. Detects the water temperature Tw and the engine speed Ne based on each detection signal.
[0038]
The ECU 52 heats the energization heating element 2 of the glow plug 1 to promote fuel ignition and combustion when the diesel engine is started at a low temperature. Also, the ion current is detected immediately after the diesel engine is started.
At the beginning of the engine start, the glow relay 53 is in an on state, and the energization heating element 2 is kept in a heated state.
[0039]
Hereinafter, the on / off switching process of the glow relay 53 will be described with reference to the flowchart of FIG. FIG. 6 is executed by interruption processing for a predetermined time.
First, when the processing of FIG. 6 starts, the ECU 52 first determines in step 11 whether or not the engine warm-up has been completed and the glow relay 53 is off. At the beginning of the engine start, step 11 is negatively determined, and the ECU 52 reads the water temperature Tw and the engine speed Ne in the subsequent step 12.
[0040]
Thereafter, in step 13, it is determined whether or not the water temperature Tw is equal to or higher than a predetermined warm-up completion temperature (60 ° C. in this embodiment), and in step 14, the engine speed Ne is set to a predetermined speed (this embodiment). In the example, it is determined whether or not it has reached 2000 rpm) or more.
At this time, if both steps 13 and 14 are negatively determined, it is considered that the warm-up of the engine has not been completed and heating by the energization heating element 2 of the glow plug is necessary, and the routine proceeds to step 15.
[0041]
If either step 13 or 14 is positively determined, it is assumed that the engine has been warmed up or that heating by the glow plug 1 is unnecessary, and the routine proceeds to step 16.
[0042]
When the routine proceeds to step 15, the glow relay 53 is kept on. In this state, the ignition and combustion of the fuel is continued by the heat generating action of the glow plug 1.
When the routine proceeds to step 16, the ECU 52 turns off the glow relay 53.
[0043]
Next, FIG. 7A is a current waveform diagram when ionic current generated during fuel combustion is observed using an oscilloscope. In the figure, the waveform in which the voltage rapidly increases immediately after the fuel injection timing (compression TDC) is the ion current waveform due to the combustion of fuel, and the point A corresponds to the combustion start position, that is, the ignition timing.
Two peaks are observed in this ion current waveform. That is, in the early stage of combustion, the first peak B1 is observed due to the active ions in the diffusion flame zone, and in the late stage of combustion, the second peak B2 is observed due to reionization due to the increase in the in-cylinder pressure.
[0044]
In this case, the ECU 52 detects the actual ignition timing from the first peak B1 of the ionic current waveform, and performs feedback control of the ignition timing so as to eliminate the difference between the detected actual ignition timing and the target ignition timing. .
The ECU 52 detects a combustion state such as abnormal combustion or misfire from the second peak B2 of the ion current waveform, and reflects the detection result in the fuel injection control. By reflecting the ionic current in the fuel injection control of the engine in this way, it becomes possible to finely control the operating state of the engine.
[0045]
Next, when carbon (soot) generated by fuel combustion adheres to the surface of the insulator 11 of the glow plug, that is, when swell occurs, as shown in FIG. A phenomenon occurs in which it is low before and then rises (compare (A) and (B) in FIG. 7). It should be noted that Ith in FIG. 7B represents a peak value determination level (threshold value) for determining whether the glow relay 53 is turned on by determining the turning state.
Therefore, when such a wrinkle phenomenon occurs, the glow relay 53 is turned on, the energizing heating element 2 is heated, and the attached carbon is burned out.
[0046]
FIG. 8 is a flowchart in which this carbon burn-out operation is performed by the ECU 52 in the circuit of FIG.
That is, when the glow relay 53 is in the OFF state in step 21 of FIG. 8, it is determined in step 22 whether or not the abnormal ion current (FIG. 7B) as described above has been detected at the fuel injection timing. If not, the process proceeds to step 24 and the glow relay 53 remains off.
On the other hand, when an abnormal ion current is detected, the process proceeds to step 23 where the glow relay 53 is turned on and the energization heating element 2 of the glow plug is heated to burn out the carbon.
[0047]
As described above, in the glow plug of this example, the energization heating element 2, the lead wires 21 and 22, and the ion detection electrode 3 are provided inside the insulator 11, and these are integrally configured. Therefore, the glow operation (heating operation) by the energization heating element 2 and the ion current detection by the ion detection electrode 3 can be achieved by one glow plug. For this reason, the glow plug 1 becomes compact.
[0048]
Further, even when carbon adheres to the surface of the insulator 11, the carbon can be burned out and the surface of the insulator 11 can be brought into a normal state by energizing and heating the energization heating element 2 as described above. Therefore, the ion current can be detected with high accuracy.
Further, since the tip of the insulator 11 has a hemispherical shape, it can absorb the thermal shock in the combustion chamber.
[0049]
Furthermore, in the present example, the exposed portion 30 of the ion detection electrode 3 has the polished portion 6. And the surface roughness Rz of the grinding | polishing part 6 is grind | polished in the range of 0.1-30 micrometers. Therefore, as shown in FIG. 9, the polished portion 6 has a large number of convex portions 61 when viewed microscopically.
[0050]
The electric field between the cylinder head 45 and the ion detection electrode 3 is concentrated on the convex portion 61. In addition, the potential gradient is steep in the vicinity of the convex portion 61 where the electric field is concentrated. Due to this potential gradient, the negative charged particles 7 in the combustion gas are strongly attracted to the vicinity of the convex portion 61 of the ion detection electrode 3, and the movement of the charged particles 7 becomes active.
Therefore, the ion detection electrode 3 having the polished portion 6 can detect the ion current more accurately.
[0051]
Embodiment 2
In this example, in order to further clarify the effect of the polished portion 6 in the glow plug (product of the present invention) shown in Embodiment 1, an ion current detection test was performed together with a comparative product.
As a comparative product, the polished portion shown in Embodiment Example 1 was polished to a surface roughness Rz of 0.01 μm. The polished portion of the product of the present invention has a surface roughness Rz of 4.5 μm as described above.
[0052]
A waveform E1 of the ion current detected by the product of the present invention is shown in FIG. 10, and a waveform C1 of the ion current detected by the comparative product is shown in FIG. 10 and 11 both have time on the horizontal axis and current value on the vertical axis, and the fuel injection timing is indicated by a vertical line P on the horizontal axis.
As is known from the comparison of both figures, the product of the present invention always detects a waveform with a high peak value with high accuracy, while the comparison product does not detect waveform A with a very small peak value and low detection accuracy. Case B occurred. From this result, it can be seen that by providing the exposed portion 30 of the ion detection electrode 3 with the polishing portion 6 having the surface roughness Rz within a specific range, the detection accuracy of the ion current can be greatly improved.
[0053]
Embodiment 3
In this example, the surface roughness Rz of the polished portion 6 in the glow plug shown in the first embodiment was variously changed, and the influence on the ion current detection accuracy was tested.
As the glow plug used for the test, a plurality of glow plugs whose surface roughness Rz of the polished portion 6 was changed in the range of 0.01 to 100 μm were prepared. Except for the surface roughness Rz of the polished portion 6, it was the same as in the first embodiment.
[0054]
The detection accuracy of the ion current is that the test diesel engine with the glow plug set is operated at a rotation speed of 800 rpm, the ion current is detected for 1 minute, and the ion current is accurately detected with respect to the number of fuel injections. I asked if I was able to. Judgment whether or not the ion current was detected with high accuracy was detected when a current value more than 0.3 times the average value of the peak value of the ion current during engine operation was detected. When only a current value less than 0.3 times could be detected, it was determined that the current value could not be detected.
[0055]
Therefore, for example, in the case of 100 fuel injections, the detection accuracy is 100% when the ion current is accurately detected 100 times, and the detection accuracy is 50% when the ion current is accurately detected 50 times. It is.
The test results are shown in FIG. In FIG. 12, the horizontal axis represents the surface roughness Rz of the polished portion 6 and the vertical axis represents the ion current detection accuracy.
As is known from FIG. 12, the detection accuracy of the ionic current was 100% when the surface roughness Rz of the polished portion was 0.1 μm or more. On the other hand, when the surface roughness Rz is less than 0.1 μm, the detection accuracy decreases as the surface roughness Rz decreases.
[0056]
Further, cracks occurred in the case where the surface roughness Rz exceeded 30 μm. This is thought to be because stress concentration tends to occur in the recesses and the like because the unevenness is large.
Therefore, according to this example, it is understood that the surface roughness Rz of the polished portion 6 is optimally 0.1 to 30 μm.
[0057]
Embodiment 4
In this example, as shown in FIGS. 13 to 15, the energization heating element 2 and the ion detection electrode 3 are electrically connected and integrated. And as shown in FIGS. 13-15, the area of the exposed part 30 of the electrode 3 for ion detection 3 was changed, and the relationship between the area and ion current detection accuracy was tested. The glow plug body has a diameter D of 3.5 mm and a protrusion length L from the housing 4 of 10 mm.
[0058]
In the glow plug 103 shown in FIG. 13, the exposed portion 30 of the ion detection electrode 3 is provided on the entire hemispherical portion of the tip portion of the main body 10, and the entire exposed portion 30 is a polished portion having a surface roughness Rz = 4.5 μm. It was set to 6. In this case, the area of the exposed portion 30 (the area of the polished portion 6) is 0.5 cm. ² It is.
[0059]
In the glow plug 104 shown in FIG. 14, the exposed portion 3 of the ion detection electrode 3 is made as small as possible, and the entire exposed portion 30 is a polished portion 6 having a surface roughness Rz = 4.5 μm. In this case, the area of the exposed portion 30 (area of the polished portion 6) is 1 × 10. ^-6 cm ² It is.
[0060]
In the glow plug 105 shown in FIG. 15, the exposed portion 3 of the ion detection electrode 3 has an intermediate size in the case of FIGS. 13 and 14, and the entire exposed portion 30 has a surface roughness Rz = 4.5 μm. A polished portion 6 was obtained. In this case, the area of the exposed portion 30 (area of the polished portion 6) is 0.008 cm. ² It is.
[0061]
Further, for example, FIG. 16 shows an overall view using the glow plug shown in FIG. The operation circuit is shown in FIG.
That is, as shown in FIG. 16, when the energization heating element 2 and the ion detection electrode 3 are integrated, the lead wire 22 provided on the energization heating element 2 is connected to the terminal portion 31 provided at the upper end of the insulator 11. Connect to.
The glow plug configured as described above is attached to the cylinder head 45 in the same manner as in the first embodiment.
[0062]
In the case of this example, since the energization heating element 2 and the ion detection electrode 3 are integrated, the glow plug operating circuit is configured as shown in FIG.
When the energization heating element 2 is caused to generate heat, the ion relay 530 is turned off and the glow relays 53 and 531 are turned on as shown in FIG. On the other hand, when an ion current is detected by the ion detection electrode 3, the ion relay 530 is turned on and the glow relays 53 and 531 are turned off.
[0063]
Next, the ion current detection accuracy was examined using the three types of glow plugs 103, 104, and 105 under the same conditions as in the third embodiment. As a result, all the glow plugs were very good with a detection accuracy of 100%.
From this result, by providing the exposed portion 30 with a polished portion having a surface roughness Rz within the specific range, the exposed portion 30 has an area of 1 × 10 6. ^-6 ~ 0.5cm ² It can be seen that the ion current can be sufficiently satisfactorily detected even if it fluctuates within the range.
Further, from the result of this example, the area of the exposed portion 30 is 1 × 10. ^-6 cm ² It can also be understood that it is effective if the exposed portion 30 is exposed to the outside even if it is a very small area.
[0064]
Embodiment 5
In this example, as shown in FIG. 18, the glow plug operation circuit (FIG. 5) of the first embodiment is changed, and the battery 54 and the direct-current power source 51 of the first embodiment are replaced with only one battery 55. It has been replaced.
A constant current / constant voltage circuit 524 may be interposed between the ion current detection resistor 521 and the battery 55. In this case, the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced.
[0065]
Others are the same as in the first embodiment.
Also in this example, the same effects as those of the first embodiment can be obtained. In particular, in this example, the constant current / constant voltage circuit 524 is interposed so that even one battery can prevent fluctuations in the voltage applied to the ion detection electrode when the glow plug generates heat, and stable detection performance can be achieved. The effect that it can maintain can be acquired.
[Brief description of the drawings]
1A is a cross-sectional view of a glow plug main body, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 2 is an overall explanatory diagram of a glow plug in the first embodiment.
3 is a perspective view of a molded body of an energization heating element in the manufacturing process in Embodiment 1. FIG.
4 is a perspective view of a molded body of ion detection electrodes in the manufacturing process in Embodiment 1. FIG.
FIG. 5 is a glow plug operation circuit diagram in the first embodiment.
FIG. 6 is a flowchart when a glow plug is started in the glow plug operation system according to the first embodiment.
7A and 7B are diagrams showing (A) an ion current at normal time and (B) an ion current at the time of turning in Embodiment 1. FIG.
FIG. 8 is a flowchart of turning determination in the first embodiment.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing an ion current detection effect of a polished part in the first embodiment.
10 is an explanatory diagram showing ion current waveforms of the product of the present invention in Embodiment 2. FIG.
11 is an explanatory diagram showing an ion current waveform of a comparative product in Embodiment 2. FIG.
12 is an explanatory diagram showing the relationship between the surface roughness Rz of the polished portion and the ion current detection accuracy in Embodiment 3. FIG.
13 is an explanatory view showing the shape of an ion detection electrode in Embodiment 4. FIG.
14 is an explanatory view showing the shape of an ion detection electrode in Embodiment 4. FIG.
15 is an explanatory diagram showing the shape of an ion detection electrode in Embodiment 4. FIG.
16A is a cross-sectional view of a glow plug main body, and FIG. 16B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
FIG. 17 is a glow plug operation circuit diagram in the jig holding unit 4;
FIG. 18 is a glow plug operation circuit diagram according to the fifth embodiment.
[Explanation of symbols]
1. . . Glow plug,
10. . . Body,
11. . . Rod insulator,
2. . . Energizing heating element,
21, 22, 220. . . Lead,
3. . . Ion detection electrode,
30. . . Exposed area,
4). . . housing,
45. . . cylinder head,
451. . . Vortex chamber,
6). . . Polished part,
61. . . Convex part,

Claims

ハウジングと該ハウジング内に支持された本体とよりなるグロープラグにおいて，
上記本体は，絶縁体と，
該絶縁体の内部に設けられた通電発熱体及び該通電発熱体の両端部に電気的に接続されて上記絶縁体の外部に導出された一対のリード線と，
上記絶縁体の内部に配設された，火炎中のイオン化の状態を検出するための，イオン検出用電極とよりなると共に，
該イオン検出用電極は，上記火炎に曝されるように上記絶縁体から露出した露出部を有し，
かつ，該露出部は，０．１〜３０μｍの表面粗さＲｚ（１０点平均粗さ）に研磨された研磨部分を有していることを特徴とするグロープラグ。In a glow plug comprising a housing and a body supported in the housing,
The main body has an insulator,
An energization heating element provided inside the insulator and a pair of lead wires that are electrically connected to both ends of the energization heating element and led out of the insulator;
It comprises an ion detection electrode disposed inside the insulator for detecting the state of ionization in the flame,
The ion detection electrode has an exposed portion exposed from the insulator so as to be exposed to the flame,
The exposed portion has a polished portion polished to a surface roughness Rz (10-point average roughness) of 0.1 to 30 μm.

請求項１において，上記イオン検出用電極の先端における露出部の面積は，１×１０^-6〜０．５ｃｍ²であることを特徴とするグロープラグ。 ^{2. The} glow plug according to claim 1, wherein the area of the exposed portion at the tip of the ion detection electrode is 1 × 10 ^{−6 to} 0.5 cm ² .

請求項１又は２において，上記イオン検出用電極は，上記通電発熱体と電気的に接続されていることを特徴とするグロープラグ。The glow plug according to claim 1 or 2, wherein the ion detection electrode is electrically connected to the energization heating element.