JP3864532B2 - イオン電流検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼の際に発生する燃焼イオンによるイオン電流を検出するイオン電流検出装置に関し、特に、内燃機関の燃焼状態を検出するためのイオン電流検出用点火プラグに用いて好適である。
【0002】
【従来の技術】
一般に、燃焼時に発生するイオン電流を計測し、燃焼状態(失火、プレイグ、ノッキング等)を検出するイオン電流検出装置は、ギャップを隔てて対向する正側電極と負側電極とからなる一対の電極を有し、この一対の電極間に電圧を印加することによって、燃焼イオンにより一対の電極間にて発生するイオン電流を検出するものが知られており、例えば、イオン電流検出用点火プラグがある。
【0003】
イオン電流検出用点火プラグでは、上記一対の電極として中心電極及び接地電極を有し、これら中心電極と接地電極との間の放電ギャップにて火花放電が行われ、可燃性ガス等が燃焼する。この燃焼により燃焼イオンが発生する。ここにおいて、火花放電(容量放電と誘導放電)の発生前及び終了後に、上記両電極間に直流または交流電圧を印加して、放電ギャップ間に流れる燃焼イオンによるイオン電流を計測することで、燃焼状態(失火、プレイグニッション、ノッキング等)の検出が可能となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この点火プラグで検出されるイオン電流の出力レベルは、例えば数μAと小さく、一方、この点火プラグはエンジンに装着されるため、イオン電流の出力に対して他の電気機器からのノイズが乗る可能性がある。よって、出力レベルの小さなイオン電流検出においては、ノイズを判別してイオン電流のみを取り出す必要がある。
【0005】
そのために、イオン電流とノイズとを区別するために検出精度の制御範囲を限定したり、信号処理でノイズを除去する等の多くの工夫を必要とする。その結果、検出精度が悪化したり、信号処理のための回路規模が大きくなり、コストアップする等の問題が生じる可能性がある。これらのことから、イオン電流の出力を向上させることが強く望まれる。
【0006】
また、上記点火プラグの他に、ボイラー、ガス釜等の一般的な燃焼器の燃焼状態を検出するイオン電流検出プローブ等のイオン電流検出装置においても、失火等の検出精度をより向上させるために、イオン電流の出力向上が望まれている。本発明は上記点に鑑みて、燃焼の際に発生する燃焼イオンによるイオン電流を検出するイオン電流検出装置において、イオン電流値を大きくすることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
通常、イオン電流検出装置においてイオン電流を検出する電極材料としては、金属、例えば、点火プラグにおいては、Ni−Cr合金等が用いられる。本発明者等は、電極材料を半導体で構成した場合、金属に比べて半導体では、表面近傍に自由電子が発生しやすいことに着目した。
【0008】
そして、上記燃焼により発生する燃焼イオンは、主として有機化合物等のプラス(+)イオンであるため、この+イオンと上記自由電子との電気的引力により、イオン電流を流れやすくしてやればよいのではないかと考え、以下の技術的手段を採用することとした。
すなわち、請求項1記載の発明においては、一対の電極(2、3、6、8、111、112)のうち負側電極(2、3、6、8、112)の少なくとも一部が、一対の電極間に電圧を印加したとき燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体(21、31、82、112a)で構成されているイオン電流検出用装置であることを特徴としている。
【0009】
ここで、イオン電流検出のために印加する電圧が交流電圧の場合には、一対の電極の両方が交互に負側電極となるため、負側電極は一対の電極の両方であり、両方の電極において、少なくとも一部が半導体で構成される。
そのため、本発明では、一対の電極間に電圧を印加すると、負側電極の半導体部分において正側電極方向に半導体の自由電子が引きつけられ、一対の電極のギャップ間すなわちに自由電子が発生しやすい。
【0010】
そして、本発明によれば、正側電極と負側電極との間に電圧を印加して、両電極間にて発生する燃焼イオンによるイオン電流を検出するが、この燃焼イオンのうちの+イオンを、上記半導体から発生した多くの自由電子と結合させることで、イオン電流値を大きくすることができる。このように、イオン電流値を大きくできれば電気ノイズとの判別が容易になり、燃焼状態の検出精度を向上させることが可能になる。
【0011】
また、請求項2記載の発明においては、負側電極の外表面の一部が、上記半導体で構成されているから、効率良く自由電子を+イオンと結合させることができ、イオン電流値をより大きくすることができる。更に、請求項3記載の発明においては、負側電極の外表面のうち正側電極に対向した面の一部が、上記半導体で構成されているから、より効率良く自由電子を+イオンと結合させることができる。
【0012】
ここで、請求項4ないし請求項6記載の発明は、内部で燃焼が行われる燃焼室(2)と、この燃焼室に配設される点火プラグ(1)とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置についてなされたものである。
すなわち、請求項4記載の発明では、燃焼室は点火プラグの接地電極(8)と電気的に接続されており、点火プラグの中心電極(6)が正側電極、燃焼室が負側電極として構成され、燃焼室の少なくとも一部が、上記半導体(21)で構成されていることを特徴とする。
【0013】
また、請求項5記載の発明では、燃焼室(2)とピストン(3)と点火プラグ(1)とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置であって、ピストンは点火プラグの接地電極(8)と電気的に接続されており、点火プラグの中心電極(6)が正側電極、ピストンが負側電極として構成され、ピストンの少なくとも一部が、上記半導体(31)で構成されていることを特徴とする。
【0014】
さらに、請求項6記載の発明では、請求項5記載の発明において、ピストンに加えて、燃焼室も点火プラグの接地電極と電気的に接続されて負側電極として構成され、燃焼室の少なくとも一部が、上記半導体(31)で構成されていることを特徴とする。
これら請求項4ないし請求項6記載の発明においては、点火プラグの中心電極を正側電極とし、負側電極となる燃焼室及びピストンの少なくとも一部が上記半導体で構成されることで、請求項1ないし請求項3記載の発明と同様の作用効果を実現することができる。
【0015】
また、請求項7記載の発明は、イオン電流検出装置としてのイオン電流検出用点火プラグ(1)について成されたものである。
すなわち、中心電極(6)及び接地電極(8)のうち負側電極の少なくとも一部が、これら中心電極と接地電極との間に電圧を印加したとき燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体(82)で構成されていることを特徴とする。
【0016】
本発明では、中心電極及び接地電極の一対が、請求項1〜6記載の発明における一対の電極に相当し、しかも、両電極のうち負側電極の少なくとも一部が、上記半導体で構成されているから、請求項1記載の発明と同様の作用効果を実現するイオン電流検出用点火プラグを提供することができる。
なお、本発明においても、請求項2及び請求項3の発明と同様の技術思想に基づき、負側電極の外表面の一部が、更には、負側電極の外表面のうち正側電極に対向した面の一部が、半導体で構成されたものにできる。
【0017】
また、通常、イオン電流検出用点火プラグにおいては、中心電極のうち放電ギャップ近傍部位、すなわち先端部を除いた部分は、接地電極との絶縁を確保するための絶縁体にて被覆されている。
請求項8記載の発明では、このような絶縁体(5)を備えるイオン電流検出用点火プラグ(1)において、中心電極(6)が負側電極となる場合、中心電極の一部ではなく、絶縁体(5)外表面(5a)のうちの放電ギャップ(9)近傍部位に中心電極と電気的に導通するように上記半導体(50)を設けたものとしている。
【0018】
本発明では、この負側電極となる中心電極と電気的に接続する半導体によって、請求項1記載の発明と同様の作用効果を実現するイオン電流検出用点火プラグを提供することができる。
また、請求項9記載の発明は、燃焼室(2)と、ピストン(3)と、燃焼イオンのイオン電流を中心電極(6)と接地電極(8)間に交流電圧を印加することによって検出するイオン電流検出用点火プラグ(1)とを備える内燃機関に適用したイオン電流検出装置についてなされたものである。
【0019】
すなわち、本発明は、燃焼室及びピストンは、接地電極と電気的に接続されており、交流電圧を印加したとき燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体(21、31、50、82)が、点火プラグの放電ギャップ近傍における中心電極の外表面及び絶縁体の外表面の少なくとも一部にて、中心電極と電気的に接続されて設けられるとともに、接地電極のうち中心電極に対向した部分、燃焼室及びピストンのうち少なくとも一部に設けられていることを特徴とする。
【0020】
それによって、本発明では、イオン電流検出のために印加する電圧が交流電圧であり、接地電極、燃焼室及びピストンと、中心電極とが交互に負側電極となる。従って、本発明においても、上述のように、半導体からの自由電子によるイオン電流値増大の効果を得ることができる。
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。
【0021】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
本実施形態のイオン電流検出装置は、内燃機関の点火プラグにより燃焼時のイオン電流を検出し燃焼状態を検出するものとして述べる。本実施形態の具体的構成を図1及び図2に示す。
【0022】
図1は本実施形態のイオン電流検出装置K1の全体構成図を示すものであり、イオン電流検出装置K1は、イオン電流検出装置K1は、イオン電流検出用点火プラグ(以下、プラグという)1と、このプラグ1に接続された制御部A10とから構成されている。
2はエンジン(内燃機関)のシリンダブロック(図示せず)に形成された燃焼室であり、内部にて、導入された混合気の燃焼が行われる。燃焼室2の内部にはピストン3が配設され、ピストン3が燃焼室2内を往復することで、上記混合気の吸入、圧縮、燃焼(爆発)、排気が行われる。燃焼室2を形成する上記シリンダブロック及びピストン3は、アルミニウム、アルミニウム合金、鋳鉄等の金属よりなる。
【0023】
プラグ1は筒状の金具4を備えており、この金具4の外周部には、図示しないネジ山が形成されている。このネジ山と、エンジンブロックに形成されたネジ孔(図示せず)とをネジ結合することにより、エンジンブロックに、プラグ1が脱着可能に装着される。ここで、プラグ1は、一端側(図中、金具4の一端部4a側)が燃焼室2内に露出するように、上記エンジンンブロックに装着されている。なお、図1では、プラグ1及びピストン3は外観図、燃焼室2は内部透視図である。
【0024】
金具4の内部には、筒状の絶縁碍子(絶縁体)5が嵌め込まれ、更に、この絶縁碍子5の内部には、中心電極6及び端子7が嵌着されている。なお、図1に示す様に、金具4の一端部4a、他端部4bから、絶縁碍子5の一端部5a、他端部5bが露出している。また、絶縁碍子5の一端部5aから、中心電極6の一端部(先端部)が露出しており、絶縁碍子5の他端部5bから、端子7の一端部が露出している。そして、絶縁碍子5内部にて中心電極6と端子7とは電気的に接続されている。
【0025】
また、金具4の一端部4aには、L字形のNi−Cr合金よりなる接地電極8が溶接により設けられている。この接地電極8と、上記中心電極6の先端部とによりプラグ1に着火部が構成されている。本実施形態では、後述のように、接地電極8をアースとして、中心電極6に+電圧を印加して、点火及びイオン電流検出を行う。
【0026】
すなわち、中心電極6が正側電極、接地電極8が負側電極として構成されており、これら両電極6、8によりイオン電流検出装置K1の一対の電極が構成されるとともに、プラグ1の着火部が構成される。そして、図1に示す様に、プラグ1は、この着火部が燃焼室2内に位置するように燃焼室2に配置されている。この着火部の外観拡大構成を図2に示す。
【0027】
中心電極6はNi−Cr合金よりなり、その先端部は、大径部61、大径部61よりも先端側の小径部62、及び小径部62の先端に溶接等により形成された貴金属チップ63から構成されている。この中心電極6の先端部は、接地電極8と対向しており、この接地電極8は、その先端部に溶接等により形成された貴金属チップ81を有している。
【0028】
ここで、両貴金属チップ63及び81はPt−Ir合金等により形成されており、放電ギャップ9を隔てて対向している。この放電ギャップ9にて、中心電極6の貴金属チップ63と接地電極8の貴金属チップ81との間で火花放電を生じさせ、混合気への着火が行われるようになっている。
また、図2に示す様に、接地電極8のうち中心電極6と対向する外表面は、焼結させた金属酸化物等(本実施形態では、酸化銅(Cu2 O))からなる半導体82にて構成されている。つまり、接地電極8の少なくとも一部が、電気的に半導体の抵抗値を有する半導体部で構成されている。ここで、半導体82は貴金属チップ81と電気的に接続されていてもよく、或いは、電気的に接続されていなくてもよい。
【0029】
この半導体82は、後述のように、イオン電流検出のための電圧を両電極6と8とに印加したときに自由電子を外表面近傍に発生させるもので、上記酸化銅の他に、例えば酸化亜鉛(ZnO)、炭化珪素(SiC)等を用いることができる。半導体82は、例えば、焼結させた金属酸化物を嵌合固定させたり、金属を溶接又は蒸着により形成した後、酸化処理を行ったりすることで、形成することができる。
【0030】
ところで、プラグ1において絶縁碍子5の他端部5bから露出する端子7の一端部は燃焼室2の外部に位置しており、端子7の一端部には、上記制御部A10が電気的に接続されている。この制御部A10は中心電極6と接地電極8に点火またはイオン電流検出のための電圧を印加したり、イオン電流を検出するためのものである。
【0031】
制御部A10は、端子7に接続された点火回路A0、点火回路A0の二次巻線側に接続されたイオン電流用電圧印加部A1、イオン電流用電圧印加部A1に接続されたイオン電流検出装置A2から構成されている。
点火回路A0は、図示しない一次及び二次巻線からなるイグニッションコイル、パワートランジスタおよび車載電源を有する周知のものであり、放電ギャップ9にて火花放電を発生させ燃焼室2内の混合気に着火するための放電用電圧を中心電極6に印加するようになっている。
【0032】
イオン電流用電圧印加部(以下、電圧印加部という)A1は、図示しない直流電源等を有し、端子7に接続されている点火回路A0の図示しない二次巻線側に、火花放電前あるいは火花放電終了後にイオン電流検出用電圧(直流電圧)を印加するようになっている。
イオン電流検出部(以下、検出部という)A2は、抵抗R1とコンピュータ等を有するイオン電流処理回路A21とを備えている。抵抗R1の電圧をイオン電流処理回路A21で電流変換して検出するようになっており、燃焼時にプラグ1から流れてくるイオン電流を検出できるようになっている。
【0033】
次に、上記構成に基づき、本実施形態の作動を説明する。
プラグ1の火花放電を生じさせる以前、あるいは火花放電終了後に、燃焼状態を検出するために、電圧印加部A1によって端子7を介してプラグ1の中心電極6にイオン電流検出用電圧(+電圧)を印加する。
燃焼室2内に燃焼が生じると燃焼イオンが発生する。中心電極6に+の電圧印加を行うと接地電極8との間に電界が生じ、接地電極8の自由電子が出てくる。燃焼により生じた+イオンは、前記電界により接地電極8方向へ移動していき、接地電極8の自由電子と結合することによりイオン電流が流れる。このイオン電流は検出部A2に出力される。
【0034】
このとき、本実施形態のように接地電極8の少なくとも一部を半導体82で構成すると、半導体82表面から自由電子の発生が促進されるため、燃焼イオンとの結合が促進され、イオン電流値を大きくすることができる。
本実施形態の酸化銅(Cu2 O)半導体はp形半導体であり、結晶内に正孔(positive hole)が存在する。正側電極である中心電極6に正電圧を加えると、負側電極となる接地電極8の外表面にある半導体82に電界が加わり、半導体82内の正孔が接地電極8の外表面とは反対方向に移動をする。
【0035】
そして、正孔の移動した数と同量の電子が半導体82の外表面から放出され燃焼イオン(+イオン)と結合することでイオン電流が流れる。この正孔が電荷のキャリアとなり、半導体82内から自由電子が放出されやすくなるため、燃焼イオンとの結合が促進される。
以上の構成、作動により、中心電極6と接地電極8との間に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、検出精度を向上させることができる。図3に本実施形態の効果を示す。これは、エンジン回転数1200rpm、無負荷の状態で、イオン電流検出用電圧は+100Vで行ったものである。
【0036】
図3において、「半導体あり(直流)」で示す波形が、本実施形態のイオン電流出力値であり、「なし」で示す波形が、通常の点火プラグ(すなわち、図1のプラグ1において接地電極8に半導体82が無いもの)のイオン電流出力値(比較例)である。本実施形態では通常の点火プラグに比べ、出力が2〜10倍となる効果を有する。
【0037】
(第2実施形態)
図4に本発明の第2実施形態を示す。本実施形態のイオン電流検出装置は、上記第1実施形態においてプラグ1の接地電極8の少なくとも一部を半導体で構成する代わりに、燃焼室2の少なくとも一部を半導体で構成したものである。本実施形態では、プラグ1、上記制御部A10及び燃焼室2によってイオン電流検出装置K2が構成される。
【0038】
本実施形態のプラグ1は、上述のように、上記第1実施形態のプラグ1において、接地電極8の半導体82が無いものとしており、その他の構成は同じである。また、本実施形態においても、上記第1実施形態と同様に制御部A10(図4中、図示しない)を備えている。
図4には、本実施形態のイオン電流検出装置K2のうちプラグ1の着火部及び燃焼室2の構成を表してあり、上記第1実施形態と同一部分には図中同符号を付して説明を省略する。
【0039】
燃焼室2は、ノッキングの発生しやすい部分の内壁20が、半導体21(図中斜線ハッチング部分)で構成されている。半導体21は、上記第1実施形態の半導体82と同様の材質(本実施形態では、酸化銅(Cu2 O))にて構成することができる。半導体21も上記半導体82と同様にして、燃焼室2の内壁20表面に形成することができる。
【0040】
ここで、燃焼室2の内壁20は、シリンダブロック(図示せず)とネジ結合されたプラグ1の金具4を介して、接地電極8と電気的に接続されており、中心電極6を正側電極とすると、燃焼室2は接地電極8とともに負側電極として構成される。そして、燃焼室2の内壁20は中心電極6と燃焼室2内の燃焼空間22をギャップとして対向する形となる。従って、イオン電流検出装置K2においては、両電極6、8及び燃焼室2により一対の電極が構成される。
【0041】
次に、本実施形態の作動について述べる。プラグ1の火花放電を生じさせる以前、あるいは火花放電終了後に、燃焼状態を検出するために中心電極6に+電圧を印加する。燃焼室2内に燃焼が生じると燃焼イオンが発生する。正側電極である中心電極6に+の電圧印加を行うと、負側電極である接地電極8との間及び燃焼室2の内壁20との間に電界が加わる。
【0042】
燃焼の+イオンは前記電界によりプラグ1の接地電極8や燃焼室2の内壁20方向へ移動していき、接地電極8表面や燃焼室2の内壁20表面から発生する自由電子と結合することによりイオン電流が流れる。
このとき、本実施形態のように、燃焼室2の内壁20の少なくとも一部を半導体21で構成すると、自由電子の発生が増えるため、より多くの自由電子と燃焼イオン(+イオン)の結合を生じさせることができる。特に、本実施形態では、ノッキングの発生しやすい部分の燃焼室2の内壁20を半導体21で構成しているから効果が大となる。
【0043】
従って、本実施形態においては、中心電極6と燃焼室2の内壁20との間に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、検出精度を向上させることができる。
なお、本実施形態において燃焼室2の内壁20全域を半導体で構成してもよい。
【0044】
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態を図5に示す。上記第2実施形態では、燃焼室2の内壁20の一部を半導体21で構成したが、本実施形態では、燃焼室2の内壁20の一部の代わりに、ピストン3の頂面30の一部を半導体31で構成している。
図5の例では、燃焼室2のエンド部で発生するノッキングの検出に効果を有するように、頂面30の外周部分に半導体31(図中斜線ハッチング部分)を形成しており、この半導体31も上記各実施形態と同様の材質及ぶ形成方法とすることができる。
【0045】
ピストン3は、燃焼室2及びプラグ1の金具4を介して、接地電極8と電気的に接続されており、中心電極6を正側電極とすると、ピストン3は燃焼室2及び接地電極8とともに負側電極として構成される。そして、ピストン3の頂面30は中心電極6と燃焼室2内の燃焼空間22をギャップとして対向する形となる。従って、本実施形態のイオン電流検出装置K3においては、両電極6、8、燃焼室2及びピストン3により一対の電極が構成される。
【0046】
本実施形態においては、ピストン3の半導体31から発生する自由電子によって、中心電極6とピストン3との間に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、検出精度を向上させることができる。特に、燃焼室2のエンド部で発生するノッキングの検出において、優れた効果が発揮できる。なお、本実施形態においてピストン3全体を半導体で構成してもよい。
【0047】
(第4実施形態)
図6に本発明の第4実施形態を示す。本実施形態のイオン電流検出装置K4は、上記第2及び第3実施形態を組み合わせたもので、燃焼室2の内壁20及びピストン3の頂面30のそれぞれ一部を、半導体21及び半導体31(図中斜線ハッチング部分)で構成したものである。それによって、上記第2及び第3実施形態の両方の効果を実現できる。
【0048】
なお、本実施形態において、さらに、接地電極8の一部を半導体で構成する、すなわち、上記第1ないし第3実施形態を組み合わせたものとすれば、最も大きな効果が発揮できる。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態を図7に示す。本実施形態は、ディーゼルエンジンの始動時の着火性向上と燃焼状態の検出を兼用するグロープラグ100に応用した例である。本実施形態のイオン電流検出装置K5は、グロープラグ100と制御部B10とから構成されている。
【0049】
101は棒状の中心電極であり、グロープラグ100の中心に位置する。中心電極101の外周には筒状の絶縁体102、絶縁体102の外周には筒状の内側電極パイプ103、内側電極パイプ103の外周には筒状の絶縁体104、絶縁体104の外周には筒状の外側電極パイプ105が、順次設けられている。そして、中心電極101、内側電極パイプ103、外側電極パイプ105は、介在する各絶縁体102、104によって互いに絶縁されている。
【0050】
上記各構成部分101〜105は、図7に示す様に、シリンダヘッド200に脱着可能に固定されるハウジング106内に、このハウジング106と絶縁して保持される。
107は、燃焼室201内に露出するようにハウジング106に保持される加熱部108である。加熱部108は絶縁体内部に、直列に電気的に接続された電源側ヒータ端子109、リレー側ヒータ端子110及びセラミックヒータ111を埋設してなる。セラミックヒータ111は、一部が燃焼室201内に露出している。
【0051】
加熱部108とハウジング106との間には、筒状金属製のスリーブ112が設けられており、このスリーブ112は、上記両ヒータ端子109、110及びセラミックヒータ111とは電気的に絶縁されている。本実施形態では、これらセラミックヒータ111とスリーブ112とによりイオンプローブ113が構成されている。そして、後述のように、セラミックヒータ111を正側電極、スリーブ112を負側電極として一対の電極を構成している。
【0052】
また、スリーブ112は、ハウジング106(接地)から絶縁して装着してあり、その燃焼室200に露出する表面の一部が金属酸化物(例えば酸化銅)よりなる半導体112aで構成されている(図7中、スリーブ112の黒塗り部分で示す)。この半導体112aは、上記各実施形態における半導体と同様の機能を有する。
【0053】
ここで、ハウジング106内にて、電源側ヒータ端子109は中心電極101と電気的に接続され、リレー側ヒータ端子110は、絶縁パイプ130で被覆された導線131によって、外側電極パイプ105と電気的に接続されている。一方、スリーブ112は、絶縁パイプ140で被覆された導線141によって、内側電極パイプ103と電気的に接続されている。
【0054】
また、制御部B10は、グロープラグ100に通電するためのグロー回路部B1及びグロープラグ100からイオン電流を検出するための検出部B2から構成されている。グロー回路部B1は、中心電極101と電気的に接続された電源150、及び外側電極パイプ105と電気的に接続されたリレー151を有する。検出部B2は、内側電極パイプ103と電気的に接続された電流検出抵抗152、及び電流検出抵抗両端の電位差を検出するオペアンプ153を有する。
【0055】
従って、グロー通電時の回路構成(グロー回路)は、接地→電源150→中心電極101→電源側ヒータ端子109→セラミックヒータ111→リレー側ヒータ端子110→導線131→外側電極パイプ105→リレー151で構成される。また、スリーブ112からは、スリーブ112→導線141→内側電極パイプ103→電流検出抵抗152→接地の回路が構成される。
【0056】
ここで、リレー151は、上記グロー回路上でセラミックヒータ111に対して電源150と反対側に設けられているので、セラミックヒータ111にはグロープラグ100のON、OFF(リレー151の開閉)に関係なく電圧(+電圧)が印加されている。ここで、スリーブ112は上記のように接地されているのでセラミックヒータ111が正側電極、スリーブ112が負側電極となる。
【0057】
ここにおいて、イオンプローブ113に火炎が接触すると、火炎内の燃焼イオンのイオン電流によって、セラミックヒータ111とスリーブ112とが電気的に導通する。
それによって、電源150→中心電極101→電源側ヒータ端子109→セラミックヒータ111→スリーブ112→導線141→内側電極パイプ103→電流検出抵抗152→接地と電流が流れ、電流検出抵抗152の両側端子間に電位差が生じオペアンプ153からイオン電流が電圧信号として検出される。
【0058】
このとき、スリーブ112の半導体112aに発生する自由電子によって、イオンプローブ113に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、検出精度を向上させることができる。
(第6実施形態)
本発明の第6実施形態を図8に示す。本実施形態は、イオン電流検出用点火プラグ1の中心電極6と接地電極8との間において、イオン電流検出用電圧として、交流電圧を印加してイオン電流を検出する、いわゆる交流電圧印加イオン電流検出法を用いたものである。本実施形態では、交流電圧を印加するため中心電極6と接地電極8とを一対の電極として、これら両方が交互に負側電極となる。
【0059】
本実施形態のイオン電流検出装置K6は、プラグ1と制御部C10とから構成される。制御部10は、点火回路の二次側で火花放電前あるいは火花放電終了後に交流電圧を印加する交流電圧印加部C1と、イオン電流を検出するイオン電流検出部C2で構成される。
交流電圧印加部C1は、火花放電を行うための放電用電圧を中心電極6に印加するイグナイタ機能に加えて、上記交流電圧を印加するための正弦波発振機能を有する電圧発生部C11及び中心電極6と電気的に接続されたイグニッションコイルC12を有する。
【0060】
イオン電流検出部C2は、抵抗R2とコンピュータ等を有するイオン電流信号処理回路C21とを備えている。抵抗R2の電圧をイオン電流信号処理回路C21で電流変換して検出するようになっており、燃焼時にプラグ1から流れてくるイオン電流を検出できるようになっている。
本実施形態のプラグ1は、上記図1に示すプラグ1構成に加えて、絶縁碍子5の外表面のうち放電ギャップ9近傍部位、すなわち一端部5aに、中心電極4と電気的に接続され両電極4、6間に電圧を印加したとき燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体50(図8中、斜線ハッチング部分)を設けたものとしている。その他の部分は上記図1に示すプラグ1と同一構成である。
【0061】
なお、中心電極4の露出する外表面の一部に半導体を設けてもよいが、本実施形態では、自由電子を発生させる半導体の面積を大きくとるために、絶縁碍子5の一端部5aに設けている。半導体50の材質及び形成方法は、上記各実施形態と同様とできる。本例では、半導体50及び82は酸化銅(Cu2 O)で構成してある。
【0062】
次に、本実施形態の作動について述べる。
プラグ1の火花放電を生じさせる以前、あるいは火花放電終了後に、燃焼状態を検出するために、交流電圧印加部C1によってプラグ1の中心電極6に+と−の交流電圧を印加する。燃焼室内に燃焼が生じると燃焼イオンが発生する。
中心電極6に+の電圧印加がなされると、接地電極8との間に電界が生じ、接地電極8の表面から自由電子が出てくる。この自由電子が燃焼により生じた+イオンと結合することによりイオン電流が流れる。
【0063】
このとき、本実施形態のように、接地電極8の少なくとも一部を半導体部82で構成すると、半導体82表面から自由電子の発生が促進されるため、燃焼イオンとの結合が促進され、イオン電流出力値を大きくすることができる。
中心電極6に−の電圧印加がなされると、中心電極6と半導体50から自由電子がより放出されやすくなるため、燃焼イオンとの結合が促進される。
【0064】
ところで、上記第1〜第5実施形態では、直流電圧によりイオン電流を検出している。この直流電圧印加イオン電流検出法では、燃焼イオンとの結合が完了するとイオン電流は流れなくなる。
本実施形態では、高周波の交流電圧を印加しているため、燃焼イオンが電極に吸収されてしまうことなく、正負の電極間(本実施形態では中心電極6と接地電極8との間)で、燃焼イオンが振動状態を保ってイオン電流が流れるため、直流電圧印加イオン電流検出法に比べ、検出期間を長くでき、出力も大きくできるという優れた効果を有する。
【0065】
従って、本実施形態においては、中心電極6と接地電極8との間に流れるイオン電流値を大きくでき、検出されるイオン電流出力値が高くなり、かつ、交流電圧を印加することで検出精度を向上させることができる。
図9に、本実施形態のプラグ1の効果を示す。これは、上記図3と同様にして効果の確認試験を行ったものである。
【0066】
図9において、「半導体あり(交流)」で示す波形が、本実施形態のイオン電流出力値であり、「半導体あり(直流)」で示す波形が、上記第1実施形態のイオン電流出力値であり、「なし」で示す波形が、通常の点火プラグのイオン電流出力値(比較例)である。通常の点火プラグに比べ、出力が2〜10倍出力されるとともに、上記第1実施形態に比べて、検出期間を長くでき、出力も大きくなっている。
【0067】
なお、本実施形態において、半導体50及び82のうち、一方のみ設けた構成とし、片側の極性のイオン電流値のみ大きくするようにしてもよい。
(第7実施形態)
本発明の第7実施形態を図10に示す。本実施形態のイオン電流検出装置K7は、上記第6実施形態に加えて、上記第4実施形態と同様に、燃焼室2、ピストン3の一部を、それぞれ半導体21、31(図中斜線ハッチング部分)で構成したものである。それによって、上記第6実施形態にくらべて、更に、優れた効果が得られる。
【0068】
(他の実施形態)
なお、上記各実施形態においては、内燃機関の点火プラグ、グロープラグ、燃焼室およびピストンの表面の一部を半導体で構成したが、内燃機関に限定されるものではない。例えば、ボイラー、ガス釜等の一般的な燃焼器の燃焼状態を検出するイオン電流プローブにおいて、正負電極のうち負側電極の少なくとも一部を半導体で構成したイオン電流検出装置としても同様の効果が得られる。
【0069】
また、上記各実施形態ではp形半導体を使用したが、n形半導体を使用しても同様の効果が得られる。n形の場合、半導体内の結晶格子よりなんらかの理由で離れた自由電子が存在し、電界の力で正極側に引き寄せられ半導体表面から放出、燃焼イオンと結合し、イオン電流が流れるものであり、自由電子が電荷のキャリアとなり電流の流れを促進する。このため半導体はp形、n形のどちらであっても同様の効果を有する。
【0070】
また、上記第1〜第4実施形態において、中心電極6をアースし、接地電極8にイオン電流検出用電圧(+電圧)を印加する構成、すなわち、中心電極6を負側電極、接地電極8を正側電極とする構成としてもよい。この場合、中心電極の少なくとも一部を上記半導体で構成するか、又は、上記第6実施形態のように、絶縁碍子に半導体を形成するものとすればよい。
【0071】
また、半導体は負側電極の外表面でなく、内部に形成しても自由電子の発生は促進できる。但し、上記各実施形態では、より燃焼イオン(+イオン)との結合を促進するために、外表面に形成している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係るイオン電流検出装置の全体構成図である。
【図2】図1におけるプラグの着火部の拡大構成図である。
【図3】上記第1実施形態の効果を示すグラフである。
【図4】本発明の第2実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図5】本発明の第3実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図6】本発明の第4実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図7】本発明の第5実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図8】本発明の第6実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【図9】上記第6実施形態の効果を示すグラフである。
【図10】本発明の第7実施形態に係るイオン電流検出装置の構成図である。
【符号の説明】
1…イオン電流検出用点火プラグ、2…燃焼室、3…ピストン、
5…絶縁碍子、5a…絶縁碍子の一端部、6…中心電極、8…接地電極、
9…放電ギャップ、21、31、50、82、112a…半導体、
22…燃焼空間、111…セラミックヒータ、112…スリーブ。
Claims (9)
- ギャップ(9、22)を隔てて対向する正側電極と負側電極とからなる一対の電極(2、3、6、8、111、112)を有し、前記一対の電極間に電圧を印加することによって、前記ギャップにて燃焼イオンにより発生するイオン電流を検出するイオン電流検出装置であって、
前記一対の電極のうち負側電極(2、3、6、8、112)の少なくとも一部が、前記一対の電極間に電圧を印加したとき前記燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体(21、31、82、112a)で構成されていることを特徴とするイオン電流検出装置。 - 前記負側電極の外表面の一部に、前記半導体が構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装置。
- 前記負側電極の外表面のうち前記正側電極に対向した面の一部に、前記半導体が構成されていることを特徴とする請求項2に記載のイオン電流検出装置。
- 内部で燃焼が行われる燃焼室(2)と、
中心電極(6)及びこの中心電極と放電ギャップを隔てて対向する接地電極(8)とからなる着火部を有するとともに、この着火部が前記燃焼室内部に位置するように前記燃焼室に配設される点火プラグ(1)とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置であって、
前記燃焼室は前記接地電極と電気的に接続されており、
前記中心電極が前記正側電極、前記燃焼室が前記負側電極として構成され、
前記燃焼室の少なくとも一部が、前記半導体(21)で構成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載のイオン電流検出装置。 - 内部で燃焼が行われる燃焼室(2)と、
前記燃焼室内に配設されて、前記燃焼室内を往復することで前記燃焼を発生させるピストン(3)と、
中心電極(6)及びこの中心電極と放電ギャップを隔てて対向する接地電極(8)とからなる着火部を有するとともに、この着火部が前記燃焼室内部に位置するように前記燃焼室に配設される点火プラグ(1)とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置であって、
前記ピストンは前記接地電極と電気的に接続されており、
前記中心電極が前記正側電極、前記ピストンが前記負側電極として構成され、前記ピストンの少なくとも一部が、前記半導体(31)で構成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載のイオン電流検出装置。 - 前記燃焼室は、前記接地電極と電気的に接続されて、前記負側電極として構成され、
前記燃焼室の少なくとも一部が、前記半導体(21)で構成されていることを特徴とする請求項5に記載のイオン電流検出装置。 - 中心電極(6)と、この中心電極(6)と放電ギャップ(9)を隔てて対向する接地電極(8)とを備え、これら両電極間に電圧を印加することによって前記放電ギャップにて混合気に点火し、この点火により発生する燃焼イオンのイオン電流を検出するイオン電流検出用点火プラグ(1)であって、前記中心電極及び前記接地電極のうち負側電極の少なくとも一部が、前記両電極間に電圧を印加したとき前記燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体(82)で構成されていることを特徴とするイオン電流検出用点火プラグ。
- 中心電極(6)と、
前記中心電極の先端部を露出するように前記中心電極を被覆する絶縁体(5)と、
前記中心電極の先端部と放電ギャップ(9)を隔てて対向する前記接地電極(8)とを備え、
前記両電極間に電圧を印加することによって前記放電ギャップにて混合気に点火し、この点火により発生する燃焼イオンのイオン電流を検出するイオン電流検出用点火プラグ(1)であって、
前記両電極のうち前記中心電極が負側電極として構成され、
前記絶縁体の外表面(5a)のうち前記放電ギャップ近傍部位には、前記中心電極と電気的に接続され前記両電極間に電圧を印加したとき前記燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体(50)が設けられていることを特徴とするイオン電流検出用点火プラグ。 - 内部で燃焼が行われる燃焼室(2)と、
前記燃焼室内に配設されて、前記燃焼室内を往復することで前記燃焼を発生させるピストン(3)と、
中心電極(6)と、この中心電極の先端部を露出するように前記中心電極を被覆する絶縁体(5)と、前記中心電極の先端部と放電ギャップ(9)を隔てて対向する接地電極(8)とを有し、前記両電極間に電圧を印加することによって前記放電ギャップにて混合気に点火し、この点火により発生する燃焼イオンのイオン電流を前記両電極間に交流電圧を印加することによって検出するイオン電流検出用点火プラグ(1)とを備える内燃機関に適用されるイオン電流検出装置であって、
前記燃焼室及び前記ピストンは、前記接地電極と電気的に接続されており、
前記交流電圧を印加したとき前記燃焼イオンと結合するための自由電子を発生する半導体(21、31、50、82)が、
前記放電ギャップ近傍における前記中心電極の外表面及び前記絶縁体の外表面(5a)の少なくとも一部にて、前記中心電極と電気的に接続されて設けられるとともに、
前記接地電極のうち前記中心電極に対向した部分、前記燃焼室及び前記ピストンのうち少なくとも一部に設けられていることを特徴とするイオン電流検出装置。
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