JPH1089222A

JPH1089222A - グロープラグ

Info

Publication number: JPH1089222A
Application number: JP26367296A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kurano; 敦倉野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-09-11
Filing date: 1996-09-11
Publication date: 1998-04-07
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: JP3785696B2

Abstract

(57)【要約】【課題】カーボン付着の問題が解消でき，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。【解決手段】絶縁体１１の内部に設けられた断面Ｕ字
状の通電発熱体２と，上記通電発熱体２の途中に電気的
に接続されて上記絶縁体の内部に配設されたイオン検出
用電極３とよりなり，その先端は上記火炎に曝されるよ
うに露出している。上記通電発熱体２のプラス側となる
プラス端２１８から上記イオン検出用電極３との最初の
接続部分３９までの第１発熱部の電気抵抗をＲ１，上記
最初の接続部分３９からマイナス端２２８までの第２発
熱部の電気抵抗をＲ２，上記イオン検出用電極３におけ
る上記最初の接続部分３９から先端までの電気抵抗をｒ
としたとき，Ｒ２＞ｒの関係が満足されること。

Description

【発明の詳細な説明】

【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４，７３
９，７３１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を解消でき，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
けられた断面Ｕ字状の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絶縁体の外部に導出された一
対のリード線と，上記通電発熱体の途中に電気的に接続
されて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，１つ又は複数のイオン検出
用電極とよりなると共に該イオン検出用電極の先端は上
記火炎に曝されるように上記絶縁体から露出しており，
かつ，上記通電発熱体に加熱用の直流電流を流すときに
プラス側となる通電発熱体のプラス端から最初の上記イ
オン検出用電極が接続されている最初の接続部分の中心
部までの，通電発熱体における第１発熱部の電気抵抗を
Ｒ１，上記通電発熱体とイオン検出用電極との上記最初
の接続部分の中心部から通電発熱体のマイナス端まで
の，通電発熱体における第２発熱部の電気抵抗をＲ２，
上記イオン検出用電極における上記最初の接続部分から
先端までの電気抵抗をｒとしたとき，Ｒ２＞ｒの関係が
満足され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，上記通電発熱体の上記第２発熱部の電気抵
抗Ｒ２が，上記最初の接続部分の電気抵抗ｒよりも大き
いことである。

【００１１】本発明において，上記通電発熱体は，上記
プラス端から上記最初のイオン検出用電極との最初の接
続部分の中心部までを第１発熱部，該最初の接続部分の
中心部からマイナス端までを第２発熱部により構成して
ある。そして，上記第１発熱部の電気抵抗はＲ１，第２
発熱部の電気抵抗はＲ２である（図４）。

【００１２】また，上記最初の接続部分とは，上記通電
発熱体においてプラス端からマイナス端までの経路にお
いて，最初にイオン検出用電極が接続されている部分を
いう。このように定義するのは，イオン検出用電極は通
電発熱体に対して，１個（図４）又は複数個（図１０）
を設ける場合があるからである。それ故，複数個のイオ
ン検出用電極を設けた場合には，プラス端とそれに最も
近い位置にある近隣イオン検出用電極との間が第１発熱
部となり，該近隣イオン検出用電極とマイナス端との間
が第２発熱部となる（図１０）。そのため，第２発熱部
には１又は複数個のイオン検出用電極が接続されること
がある。

【００１３】次に，上記通電発熱体の第２発熱部の電気
抵抗Ｒ２とイオン検出用電極の電気抵抗とを，上記のご
とく，Ｒ２＞ｒに構成するに当たっては，両者の材料，
或いは通電経路の太さ，厚み，長さ等を変えることによ
り達成する。例えば，材料変化による手段としては，導
電性セラミック粉末と絶縁性セラミック材料との混合割
合が，第２発熱部とイオン検出用電極とで異なるように
作製する。

【００１４】上記通電発熱体とイオン検出用電極の原料
としては，例えばＭｏＳｉ₂，Ｍｏ₅Ｓｉ₃，Ｍｏ_XＳ
ｉ₃Ｃ_Y（_X＝４〜５，_Y＝０〜１），ＭｏＢ，ＷＣ，
ＴｉＮなどの金属の珪化物，炭化物，窒化物，硼化物な
どの導電性セラミックを少なくとも一種用いる。また絶
縁性セラミックとしては，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｌ₂Ｏ₃，Ｂ
Ｎなどを用いる。また，焼結助材として希土類元素の酸
化物を少なくとも一種以上添加する。

【００１５】以下に，導電性セラミックとしてＭｏＳｉ
₂を，絶縁性セラミックとしてＳｉ₃Ｎ₄を，また焼結
助材として，Ｙ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃を用いた場合につい
て例示説明する。即ち，ここで，Ｓｉ₃Ｎ₄の粒径をＭ
ｏＳｉ₂の粒径よりも大きくすることにより，絶縁性の
Ｓｉ₃Ｎ₄粒子が，互いに連続する導電性のＭｏＳｉ₂
粒子で包まれた組織となり，導電性を発現する。

【００１６】具体的には，平均粒径１μｍのＭｏＳｉ₂
と平均粒径１５μｍのＳｉ₃Ｎ₄を用いた。焼結助材も
同様に平均粒径１μｍとした。ＭｏＳｉ₂とＳｉ₃Ｎ₄
の配合割合は１０〜６０：９０〜４０（重量％）の範囲
で適宜選択される。通電発熱体の第２発熱部は，ＭｏＳ
ｉ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄＝２０：８０とし，イオン検出用電極
は，ＭｏＳｉ₂：Ｓｉ₃Ｎ₄＝４０：６０とすれば，Ｒ
２＞ｒとなる。また，焼結助材は，Ｙ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ
₃の合計１０ｗｔ％を外部添加した。焼結助材として
は，Ｙ₂Ｏ₃以外の希土類元素の酸化物，Ｙｂ₂Ｏ₃，
Ｌａ₂Ｏ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃などでも良く，これらから選ば
れる１種以上を使用する。

【００１７】なお，ここでは，導電体としては，導電性
セラミックと絶縁性セラミックとの混合体としたが，導
電性セラミックのみでも良い。また，混合体中の導電性
セラミックの変わりに金属の粉末を用いて金属粉末と絶
縁性セラミックの混合体でも良い。あるいは，金属の粉
末のみ，または，金属線でも良い。

【００１８】次に，絶縁体は，例えば導電性セラミック
であるＭｏＳｉ₂と，絶縁性セラミックであるＳｉ₃Ｎ
₄を基本成分とし，焼結助材としてＹ₂Ｏ₃，Ａｌ₂Ｏ
₃を添加したセラミック焼結体よりなる。そして，Ｓｉ
₃Ｎ₄の粒径を，ＭｏＳｉ₂と同じかやや小さくするこ
とにより，導電性のＭｏＳｉ₂粒子が絶縁性のＳｉ₃Ｎ
₄粒子で囲まれて分断された組織となり，絶縁性を発現
する。具体的には，例えば，平均粒径０．９μｍのＭｏ
Ｓｉ₂と，平均粒径０．６μｍのＳｉ₃Ｎ₄を用いるこ
とができる。

【００１９】通電発熱体，イオン検出用電極及び絶縁体
は，同一またはそれに近い配合割合とすれば熱膨張係数
等の差が小さくなるのでより好ましい。焼結助材として
は，Ｙ₂Ｏ₃以外の希土類元素の酸化物，例えばイッテ
ルビウム，ランタン，ネオジム等の酸化物を用いてもよ
く，これから選ばれる一種以上を使用する。

【００２０】なお，上記第２発熱部の電気抵抗Ｒ２は
０．１〜５Ω，イオン検出用電極の電気抵抗ｒは０．０
５〜２．５Ωとすることが，グロープラグのヒータ特性
の点より好ましい。

【００２１】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に示
すごとく，予め両者の一体成形品を作製しておき，これ
を絶縁体の中に埋め込んで一体成形する。なお，成形と
同時にリード線を接続する。リード線は，タングステ
ン，モリブデン等の高融点金属又はその合金などを用い
る。

【００２２】或いは，予め別途作製しておいた２つ割の
絶縁体成形体の間に上記通電発熱体とイオン検出用電極
からなる一体成形品を挟持配設する。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，これらの材料であるセラミック粉末と
バインダーとしての樹脂材料を予混合し，その混合材料
を射出成形することにより作製する。また，その後焼成
する。

【００２３】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）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，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。
次いで，生成形体を巻回し，その後焼成する。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。

【００２４】上記，射出成形品または印刷品の焼成は，
ホットプレス法により焼結する。その条件は，例えば，
アルゴンガス雰囲気下１気圧，加圧４００ｋｇ／ｃ
ｍ²，焼成温度１８００℃，保持時間６０分で行なう。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】また，本発明においては，上記第２発熱部
の電気抵抗Ｒ２がイオン検出用電極の電気抵抗のｒより
も大きく形成してある。そのため，グロープラグにおけ
る上記絶縁体の表面にカーボンが付着し，上記のごとく
該カーボンがイオン検出用電極とシリンダヘッドとの間
を電気的に短絡した際（図４参照）に，上記通電発熱体
に直流電流を，印加することにより，上記イオン検出用
電極とシリンダヘッドとの間のカーボンを確実に焼き切
ることができる。

【００２８】即ち，本発明においては，上記カーボンの
焼き切り時に，上記直流電流を印加すると，通電発熱体
の上記第２発熱部の電気抵抗Ｒ２とイオン検出用電極の
電気抵抗ｒとはＲ２＞ｒの関係があるため，直流電流は
プラス端から第１発熱部，イオン検出用電極，上記付着
カーボンを経てシリンダヘッドへ流れる。そのため，絶
縁体表面のカーボンが発熱し，その熱と燃焼室内の空気
とによって，カーボンが燃焼し，焼き切られる。そのた
め，カーボンの付着による短絡を容易に解消することが
できる。したがって，長時間にわたって正確にイオン電
流を検出することができる。

【００２９】また，通電発熱体は，絶縁体の内部に埋設
されているため，燃焼火炎による腐触がなく，抵抗値の
低下，発熱特性の変化を招くことがなく，長期にわたっ
て高い発熱性能を発揮することができる。即ち，通電発
熱体が酸化により消耗することがないため，その断面積
が一定に保持されると共に，その抵抗値の変化を生ずる
こともない。さらに，燃焼室内での熱的衝撃等に起因し
て通電発熱体が破損する等の不具合も回避できる。

【００３０】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を解消でき，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。

【００３１】次に，請求項２の発明のように，第２発熱
部の電気抵抗Ｒ２は，イオン検出用電極の電気抵抗ｒの
２倍以上の大きさを有することが好ましい。この場合に
は，より確実に，上記カーボンを焼き切ることができ
る。

【００３２】次に，請求項３の発明のように，上記イオ
ン検出用電極は，主成分が金属の珪化物，炭化物，窒化
物，硼化物の１種又は２種以上の導電性セラミック材
料，または該導電性セラミック材料と絶縁性セラミック
材料との混合材料により作製することができる。この場
合には，耐熱性が向上し，かつ絶縁体との膨張係数を容
易に調整，合わせ込みができるため耐熱衝撃性向上の効
果が得られる。

【００３３】次に，請求項４の発明のように，上記イオ
ン検出用電極は，主成分が融点１２００℃以上の金属の
１種又は２種以上の高融点金属材料，または該高融点金
属材料と絶縁性セラミック材料との混合材料により作製
することができる。上記前者の金属の場合には，素材が
線状で使用できるため，材料，加工，組付に関するコス
トの低減の効果が得られる。

【００３４】また，後者の場合には，高温強度，耐酸化
性が向上し，しかも発熱体と絶縁体との線膨張係数を容
易に調整，合わせ込みができるため，耐久性に優れた効
果が得られる。また，上記融点を１２００℃とした理由
は，グロープラグの通電発熱体を１０００〜１１００℃
に発熱させるため，イオン検出用電極の耐熱性を考慮し
たためである。

【００３５】次に，請求項５の発明のように，上記絶縁
体より露出しているイオン検出用電極の露出部には，Ｐ
ｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｄの１種又は２種以上の貴金
属が設けてあることが好ましい。この場合には，検出用
電極の耐消耗性，耐酸化性向上の効果が得られる。

【００３６】

【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８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。

【００３７】上記本体１０は，絶縁体１１と，該絶縁体
１１の内部に設けられた断面Ｕ字状の通電発熱体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の
外部に導出された一対のリード線２１，２２を有する。
また，上記通電発熱体２の途中に電気的に接続されて上
記絶縁体１１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，１つのイオン検出用電極３とを
有する。上記イオン検出用電極３の先端は上記火炎に曝
されるように上記絶縁体１１から露出している。

【００３８】そして，図４に示すごとく，上記通電発熱
体２に加熱用の直流電流を流すときにプラス側となるプ
ラス端２１８から最初の上記イオン検出用電極３が接続
されている最初の接続部分３９の中心部２０９までの，
通電発熱体２における第１発熱部２０１の電気抵抗をＲ
１，上記最初の接続部分３９の中心部２０９からマイナ
ス端２２８までの，通電発熱体２における第２発熱部２
０２の電気抵抗をＲ２，上記イオン検出用電極３におけ
る上記最初の接続部分３９から先端３０までの電気抵抗
をｒとしたとき，Ｒ２＞ｒの関係が満足されている。

【００３９】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４
１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，絶縁体１１の内部を上昇し
て，上端に設けた端子部３１に電気的に接続されてい
る。

【００４０】また，上記イオン検出用電極３は，Ｕ字状
の通電発熱体２の下端に通電発熱体２と一体的に設けら
れ，その先端３０は絶縁体１１から露出している。先端
３０には白金（Ｐｔ）がコーディングしてある。

【００４１】一方，ハウジング４は，上記環状支持体４
１を有し，図１，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。図２に示すごとく，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に貫挿した外部リード線２３３，
３３３は，接続端子２３２，３３２を介して，上記内部
リード線２３１，３３にそれぞれ接続されている。

【００４２】したがって，外部リード線２３３，３３３
は，通電発熱体２及びイオン検出用電極３にそれぞれ電
気的に導通されている。また，本体１０の先端部（下端
部）は，図１，図２，図４に示すごとく，半球面形状に
形成されている。

【００４３】次に，上記グロープラグ本体１０の製造に
当たっては，まず図３に示すごとき，通電発熱体２とイ
オン検出用電極３との一体成形品２９を準備する。該一
体成形品２９は，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，主成分のパラフィンワックスと
樹脂との混合バインダと混合し，その混合物を射出成形
する。或いはセラミック粉末をそのままプレス成形す
る。

【００４４】そして，この一体成形品２９は，絶縁体１
１の中に埋設し，これらをホットプレスにて一体的に加
圧焼成する。上記の加圧焼成は，アルゴンガス雰囲気
下，１気圧で，加圧力４００ｋｇｆ／ｃｍ²とし，焼成
温度は１８００℃，保持時間６０分で行なう。なお，上
記埋設に先立って，上記リード線２１，２２を接続して
おく。これにより，上記グロープラグ本体１０が得られ
る。

【００４５】次に，上記セラミック粉末等の具体例は，
前述した様に，通電発熱体，イオン検出用電極，絶縁体
の導電性セラミックとしてＭｏＳｉ₂を，絶縁性セラミ
ックとしてＳｉ₃Ｎ₄を用いる。また，焼結助材として
Ｙ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃とを用いる。

【００４６】通電発熱体におけるセラミックの配合割合
は，ＭｏＳｉ₂：Ｓｉ₃Ｎ₄＝２０：８０とした。ま
た，イオン検出用電極の配合割合は，ＭｏＳｉ₂：Ｓｉ
₃Ｎ₄＝４０：６０とした。そして，上記ＭｏＳｉ₂の
平均粒径は１μｍ，Ｓｉ₃Ｎ₄の平均粒径は１５μｍを
用いた。また，絶縁体におけるセラミックの配合割合は
ＭｏＳｉ₂：Ｓｉ₃Ｎ₄＝３０：７０とし，ＭｏＳｉ₂
の平均粒径は１μｍ，Ｓｉ₃Ｎ₄の平均粒径は１μｍを
用いた。また，焼結助材は，上記いずれの場合もＹ₂Ｏ
₃５ｗｔ％，Ａｌ₂Ｏ₃５ｗｔ％を外部添加した。各材
料の平均粒径は１μｍを用いた。

【００４７】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。

【００４８】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２３
３，グローリレー５３，５３１及び１２ボルトのバッテ
リ５４を介して，一方の外部リード線３３３に接続され
ている。更に，該外部リード線３３３は，内部リード線
３３，及び本体１０内のリード線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。

【００４９】また，イオン検出用電極３は，上記外部リ
ード線２３３，イオンリレー５３０，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５
２１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
５３，５３１イオンリレー５３０，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。

【００５０】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，ＥＣ
Ｕ５２により，グローリレー５３，５３１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の第１発熱部２０１，第２発熱部２０２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，渦流室４５１が加熱され，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。

【００５１】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，グローリレー５３，５
３１はオフとし，イオンリレー５３０をオンとして，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。

【００５２】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。

【００５３】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４５
１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との間にバッテリ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５２
１の両端の電位差として検出される。

【００５４】一方，ＥＣＵ５２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。

【００５５】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５３，５３１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。

【００５６】以下，図６のフローチャートを用いて，上
記グローリレー５３，５３１のオン，オフ切り替え処理
を説明する。このフローは，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５３，５３１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。

【００５７】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，２０００ｒｐ
ｍ）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。

【００５８】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１
６に進む。

【００５９】ステップ１５に進んだ場合は，グローリレ
ー５３，５３１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５３，５３１をオフとす
る。そして，イオンリレー５３０をオンとして，イオン
電流を検出する。

【００６０】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Ｔ
ＤＣ）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。

【００６１】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。

【００６２】次に，グロープラグのイオン検出用電極３
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５３，５３１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。

【００６３】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，同図のステップ２１において，グ
ローリレー５３，５３１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２５に進み，グローリレー５３はオフ
のままとする。

【００６４】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，イオンリレー５３０をオフ，
次にステップ２４においてグローリレー５３，５３１を
オンとし，グロープラグの通電発熱体２に通電する。

【００６５】そして，ここに重要なことは，図４に示す
ごとく，通電発熱体２の第２発熱部２０２の電気抵抗Ｒ
２は，イオン検出用電極３の電気抵抗ｒよりも大きい。
そのため，通電発熱体２のプラス端から入った加熱用の
直流電流は，第１発熱部２０１からイオン検出用電極３
に入り，次いで，絶縁体１１の表面に付着したカーボン
４９を経てシリンダヘッド４５に流れる。

【００６６】このとき，カーボン４９はこの直流電流に
よって発熱し，渦流室内の空気によって酸化焼失し，焼
き切られる。それ故，グロープラグは再び正常状態とな
る。そこで，再びグローリレー５３，５３１をオフ，イ
オンリレー５３０をオンとしてイオン電流を検出する。

【００６７】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２
１，２２とイオン検出用電極３とが設けてあり，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がコンパクトにな
る。

【００６８】また，イオン検出用電極３，グロープラグ
表面にカーボンが付着した場合にも，上記のごとくカー
ボン４９に直流電流を流して，加熱することにより，上
記カーボンを焼き切り，イオン検出用電極３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。

【００６９】また，通電発熱体２，リード線２１，２
２，イオン検出用電極３は，絶縁体１１の内部に設けて
あるので，燃焼ガスによる酸化等の腐食もなく，耐久性
に優れている。また，絶縁体１１の先端部は，半球形状
としてあるので，燃焼室内における燃焼火炎流の乱れが
抑制され，検出性能が安定し，また熱応力の集中が抑制
されて熱衝撃を吸収することができる。

【００７０】また，イオン検出用電極３の先端部３０
は，燃焼ガスに接触するよう露出しており（図１），そ
の露出部分にはＰｔ等の貴金属がコーティングしてあ
る。そのため，酸化等によるイオン検出用電極表面の絶
縁物生成が抑制され電極の導電性あるいは初期抵抗値が
確保され，検出精度の劣化を防止する効果がある。ま
た，イオン検出用電極３は，絶縁体１１の直径方向の中
心に配設してある。そのため，燃焼室内におけるあらゆ
る方向におけるイオン電流を高精度で検出することがで
きる。

【００７１】実施形態例２本例は，表１に示すごとく，実施形態例１に示したグロ
ープラグ本体１０につき，上記電気抵抗Ｒ２とｒの割合
を変えた具体例を示す。グロープラグ本体１０の製造に
当たっては，まず上記通電発熱体２及びイオン検出用電
極３は，予め，射出成形により上記一体成形品２９（図
３）を作製しておく。

【００７２】一方，絶縁体１１は，半円柱体の２つ割品
を準備する。この半円柱体には，絶縁体１１とする際に
内側となる部分（直径部分）に，上記一体成形品２９を
埋設するためのＵ字状の溝が設けてある（図１参照）。
そこで，上記一体成形品２９を，上記絶縁体１１の半円
柱体のＵ字状溝に入れ，更に一方の半円柱を覆い，これ
らを加圧焼結する。これにより，図１に示すごとく，上
記一体成形品よりなる通電発熱体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。

【００７３】次に，上記通電発熱体２は，上記第２発熱
部の電気抵抗Ｒ２が０．８Ωとなるように，導電性セラ
ミック粉末であるＭｏＳｉ₂粉末３５％（重量比，以下
同じ）と，絶縁性セラミック材料としてのＳｉ₃Ｎ₄粉
末６５％とを混合したものを用いた。また，上記イオン
検出用電極３は，下記表１の電気抵抗ｒとなるように，
ＭｏＳｉ₂粉末とＳｉ₃Ｎ₄粉末との割合を変えて用い
た。

【００７４】また，絶縁体１１は，Ｓｉ₃Ｎ₄粉末とＭ
ｏＳｉ₂粉末とを混合したものを用いた。その割合は，
Ｓｉ₃Ｎ₄粉末８０％，ＭｏＳｉ₂粉末２０％とした。
また，焼結助材は，通電発熱体，イオン検出用電極，絶
縁体ともに，Ｙ₂Ｏ₃５ｗｔ％，Ａｌ₂Ｏ₃５ｗｔ％
を，外部添加した。各材料の平均粒径は実施形態例１と
同じにした。そして，上記加圧焼結は，４００ｋｇ／ｃ
ｍ²，１８００℃，６０分で行なった。

【００７５】次に，上記のごとく，構成した種々のグロ
ープラグを実施形態例１のごとく，シリンダヘッド４５
に装着した。そして，絶縁体１１の表面に，図４に示す
ごとく，カーボンが付着した状態にして，付着カーボン
の焼き切り（焼失）良否を実験した。その結果を表１に
示した。

【００７６】

【表１】

【００７７】表１より知られるごとく，Ｒ２＞ｒの場合
（Ｎｏ．１〜４）にはカーボンが焼き切られることが，
特にＲ２≧２ｒの場合（実験Ｎｏ．１〜３）には優れた
焼き切りができることが分かる。なお，Ｒ２≦ｒの場合
（実験Ｎｏ．５，６）には，カーボンに直流電流が殆ど
流れないため，カーボンが焼き切れない。

【００７８】実施形態例３なお，上記実施形態例２では，通電発熱体及びイオン検
出用電極の導電性セラミックとしてＭｏＳｉ₂を用いた
場合について述べたが，導電性セラミックとして他の金
属の炭化物，窒化物，硼化物を用いても同様の結果が得
られる。本例においては，これを確認するため，表２，
表３に示すように導電性セラミックをＷＣ，Ｍｏ₂Ｃ，
ＴｉＮ，Ｍｏ_4.8Ｓｉ₃Ｃ_0.6，ＷＳｉ₂，ＭｏＢ，Ｔ
ｉＢ₃，ＺｒＢ₂に変更し，それぞれについて，抵抗値
を実施形態例２のＮｏ．３，Ｎｏ．６の水準と同様の試
料となし，これらについてカーボン焼失実験を行なっ
た。各材料の平均粒径は，１〜３μｍである。その他に
ついては，実施形態例２と同様である。

【００７９】また，通電発熱体とイオン検出用電極の導
電性セラミックについて別々の材料でも実施した。ま
た，上記絶縁性セラミックをＳｉ₃Ｎ₄から，その他の
Ａｌ₂Ｏ₃，ＢＮに代えた場合についても同様に実施し
た。Ａｌ₂Ｏ₃の平均粒径は，２５μｍ，ＢＮの平均粒
径は１０μｍのものを用いた。その他は実施形態例２と
同様である。実験の結果を表２及び表３に示す。

【００８０】また，表４には，通電発熱体，イオン検出
用電極とも導電性セラミックのみの場合について同様に
示した。表２〜４より明らかなように，本発明の範囲で
は全てカーボンが焼失することが分かる。

【００８１】

【表２】

【００８２】

【表３】

【００８３】

【表４】

【００８４】実施形態例４次に，イオン検出用電極に高融点金属の線材を用いた場
合と，イオン検出用電極に高融点金属材料と絶縁性セラ
ミックとの混合体を用いた場合について述べる。まず，
イオン検出用電極に高融点金属の線材を用いた場合につ
き示す。ここに，高融点金属とは前述した様に融点１２
００℃以上のものをいう。かかる高融点金属としては，
Ｃｒ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｒｅ，Ｔｉ，Ｗ，Ｚｒ
等がある。また，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ，Ｎｉ−Ｃｏ，Ｆｅ
−Ｃｏ，Ｗ−Ｒｅ等の合金材料もある。

【００８５】通電発熱体は，実施形態例２の組成を用い
た。またイオン検出用電極の構造は，実施形態例１の図
１に示したイオン検出用電極３の構造に代えて，上記高
融点金属の線材を用いた。各場合とも，実施形態例２の
Ｎｏ．３，Ｎｏ．６の水準と同様の抵抗値に作成して，
カーボンの焼失実験を行なった。その他は，実施形態例
２と同様である。その結果を表５に示す。同表より本発
明の範囲では，カーボンが焼失することが分かる。

【００８６】次に，イオン検出用電極に高融点金属材料
と絶縁性セラミックとの混合体を用いた。グロープラグ
の作製に当たっては，実施形態例２のイオン検出用電極
の導電体であるＭｏＳｉ₂の代わりに，上記金属の粉末
を用いた。各材料の平均粒径は，１〜１０μｍのものを
用いた。その他は，実施形態例２と同様である。その結
果を表６に示す。同表より，本発明の範囲では，カーボ
ンが焼失することが分かる。

【００８７】

【表５】

【００８８】

【表６】

【００８９】実施形態例５本例は，図９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個のバッテリー５
５のみに代えたものである。そして，バッテリ５５のプ
ラス側と上記外部リード線２３３との間にはグローリレ
ー５３を，また外部リード線３３３とバッテリ５５のマ
イナス側との間には，上記グローリレー５３と同様に作
動する他のグローリレー５３１を介設する。

【００９０】また，上記外部リード線２３３とイオン電
流検出用抵抗５２１との間には実施形態例１と同様にイ
オンリレー５３０を介設する。そして，通電発熱体を発
熱させるときにはグローリレー５３，５３１をオンと
し，イオンリレー５３０はオフとする。イオン電流を検
出する場合には，上記と逆にする。

【００９１】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。

【００９２】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。

【００９３】実施形態例６本例は，図１０に示すごとく，Ｕ字状の通電発熱体２の
左右両側に，イオン検出用電極３０１，３０２を２個設
けた例である。本例では，イオン検出用電極３０１が通
電発熱体２のプラス端に近い位置にあるので，この部分
が通電発熱体２とイオン検出用電極３との最初の接続部
分３９となる。そのため，イオン検出用電極３０１との
最初の接続部分３９からマイナス端までの部分が第２発
熱部２０２となる。

【００９４】カーボン焼き切り時には，イオン検出用電
極３０１から絶縁体１１表面のカーボンへ焼き切り用の
直流電流が流れることになる。また，本例ではイオン検
出用電極を２個設けてあるので，より精度良くイオン電
流を検出することができる。その他は実施形態例１と同
様であり，実施形態例１と同様の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，通電発熱体及びイオン
検出用電極の一体成形品の斜視図。

【図４】実施形態例１における，作用効果の説明図。

【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５における，グロープラグ作動回路
図。

【図１０】実施形態例６における，グロープラグの全体
説明図。

【符号の説明】

１．．．グロープラグ，１０．．．本体，１１．．．絶縁体，２．．．通電発熱体，２０１．．．第１発熱部，２０２．．．第２発熱部，２１，２２．．．リード線，３．．．イオン検出用電極，３９．．．最初の接続部分，４．．．ハウジング，４５．．．シリンダヘッド，４５１．．．渦流室，４９．．．カーボン，

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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断面Ｕ字状の通
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
て絶縁体の外部に導出された一対のリード線と，上記通
電発熱体の途中に電気的に接続されて上記絶縁体の内部
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，１つ又は複数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の先端は上記火炎に曝されるように
上記絶縁体から露出しており，かつ，上記通電発熱体に
加熱用の直流電流を流すときにプラス側となる通電発熱
体のプラス端から最初の上記イオン検出用電極が接続さ
れている最初の接続部分の中心部までの，通電発熱体に
おける第１発熱部の電気抵抗をＲ１，上記通電発熱体と
イオン検出用電極との上記最初の接続部分の中心部から
通電発熱体のマイナス端までの，通電発熱体における第
２発熱部の電気抵抗をＲ２，上記イオン検出用電極にお
ける上記最初の接続部分から先端までの電気抵抗をｒと
したとき，Ｒ２＞ｒの関係が満足されることを特徴とす
るグロープラグ。
【請求項２】請求項１において，上記電気抵抗の大き
さはＲ２≧２ｒであることを特徴とするグロープラグ。
【請求項３】請求項１又は２において，上記イオン検
出用電極は，主成分が金属の珪化物，炭化物，窒化物，
硼化物の１種又は２種以上の導電性セラミック材料，ま
たは該導電性セラミック材料と絶縁性セラミック材料と
の混合材料により作製されていることを特徴とするグロ
ープラグ。
【請求項４】請求項１〜３のいずれか一項において，
上記イオン検出用電極は，主成分が融点１２００℃以上
の金属の１種又は２種以上の高融点金属材料，または主
成分が該高融点金属材料と絶縁性セラミック材料との混
合材料により作製されていることを特徴とするグロープ
ラグ。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか一項において，
上記絶縁体より露出しているイオン検出用電極の露出部
には，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｐｄの１種又は２種以
上の貴金属が設けてあることを特徴とするグロープラ
グ。