JPH109113A

JPH109113A - イオン電流検出装置

Info

Publication number: JPH109113A
Application number: JP16647096A
Authority: JP
Inventors: Masamichi Shibata; 正道柴田; Hiroyuki Murai; 博之村井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1998-01-13
Anticipated expiration: 2016-06-26
Also published as: JP3814873B2

Abstract

(57)【要約】【課題】グロープラグによるグロー期間内においてもイ
オン電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の
検出結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持す
る。【解決手段】グロープラグ１のセラミック発熱部６は、
一対のリード線によって通電加熱される発熱体７と、該
発熱体７を埋設する耐熱性絶縁体８と、前記発熱体７に
一体形成されたイオン検出用電極１４とを有する。第
１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２はＥＣＵ３０か
らの指令信号によりＯＮ／ＯＦＦ動作し、グロープラグ
１による発熱体加熱状態とイオン電流検出状態とを切り
替える。そして、ＥＣＵ３０は、発熱体加熱状態下にお
いて、燃料着火直後に一時的にイオン電流検出状態にな
るようトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を操作し（ＯＦＦと
し）、かかるトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の一時的なＯ
ＦＦ期間においてイオン電流を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料の着火・燃焼
を促進するためのグロープラグを用いて燃料燃焼時に発
生するイオン電流を検出するイオン電流検出装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ガソリンエンジンのみならずディ
ーゼルエンジンにおいても環境保護の面から、機関から
排出される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（触媒等）による排出
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、上記検討事項に関連して、最近のエ
ンジン燃焼制御システムにおいてはエンジン運転中の燃
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装置及びその検
出方法が提案されている。

【０００４】そのイオン電流検出装置の一例として、燃
料の着火・燃焼を促進するために燃焼室内に突設された
セラミックグロープラグを用い、同グロープラグ先端の
セラミック発熱部にイオン電流検出用の電極部を設けた
技術がある（例えば、米国特許第４，７３９，７３１
号）。かかるグロープラグでは、前記電極部と燃焼室の
内壁（例えばシリンダヘッド）との間に所定電圧を印加
し、燃料燃焼時に発生する燃焼イオンを前記電極部及び
燃焼室内壁に捕獲する。そして、この捕獲されるイオン
の流れをイオン電流として検出する。

【０００５】また、こうしたイオン電流検出機能を有す
るグロープラグを用いたイオン電流検出装置では一般
に、エンジンの低温始動当初には発熱体の発熱作用によ
り燃料の着火・燃焼を促進させる。この場合、通常はエ
ンジンの暖機が完了し、燃焼状態が安定するまで発熱体
の加熱状態が継続される（一般には、アフターグローと
呼ばれる）。そして、アフターグローの終了後に、前記
グロープラグの発熱作用を停止すると共に、イオン電流
の検出処理が開始されるようになっていた。

【０００６】

【発明が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、以下に示す問題を招来する。つまり、既
存のイオン電流検出装置では、上述したようにアフター
グロー期間中は加熱作用を呈するのみであって、イオン
電流を検出することはできない。そのため、かかる期間
においてはイオン電流の検出結果を用いた燃焼状態制御
を実施することができず、燃焼状態を最適に制御するこ
とができないという問題があった。具体的にはアフター
グロー期間中において、例えばイオン電流の検出結果を
用いた着火時期のフィードバック制御や失火検出処理を
実施することができず、燃料の燃焼状態を最適状態に制
御することが困難であった。

【０００７】本発明は、上記の状況を鑑みてなされたも
のであって、その目的とするところは、グロープラグに
よるグロー期間内においてもイオン電流を精度良く検出
し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の
燃焼状態を良好な状態で維持することができるイオン電
流検出装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載の発明では、グロープラグによる発
熱体の加熱状態と、同グロープラグによるイオン電流検
出状態とが切り替えられる（スイッチング手段）。この
とき、グロープラグによるイオン電流検出状態では、グ
ロープラグの電極部と燃焼室内壁との間で燃焼イオンが
捕獲され、イオン電流検出用抵抗等の電流検出手段によ
りイオン電流が検出される。

【０００９】また、本発明ではその特徴として、グロー
プラグによる発熱体加熱状態下において、少なくとも燃
料の着火時期直後に一時的にイオン電流検出状態になる
よう前記スイッチング手段が操作される（操作手段）。
つまり、例えばエンジンの低温始動時におけるアフター
グロー期間では、燃料の着火・燃焼を促進させる役割が
グロープラグの機能として最優先されるため、従来装置
では、かかるアフターグロー期間においてイオン電流検
出処理が行われていなかった。これに対し、本発明で
は、アフターグロー期間のような発熱体加熱状態下にお
いても、グロープラグの発熱機能を損なわない範囲内で
一時的にイオン電流検出期間を設けるようにした。従っ
て、グロープラグによるグロー期間内においてもイオン
電流を精度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出
結果を用いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持するこ
とができる。

【００１０】請求項２に記載の発明では、前記操作手段
は、燃焼室内への燃料噴射時期から所定期間だけイオン
電流検出状態になるようスイッチング手段を操作するよ
うにしている。この場合、燃料噴射時期を基準にイオン
電流検出期間を設定することにより、イオン電流検出期
間をできるだけ短い期間に設定して当該イオン電流を確
実に検出すると共に、グロープラグによるグロー機能の
低下を最小限に抑えることができる。

【００１１】請求項３に記載の発明では、前記操作手段
は、所定周波数で前記発熱体加熱状態とイオン電流検出
状態とを切替え動作させるようにしている。かかる場合
にも、アフターグロー期間においてイオン電流検出機能
と発熱体加熱機能とを両立させることができる。

【００１２】請求項４に記載の発明では、前記グロープ
ラグは、一対のリード線によって通電加熱される発熱体
と、該発熱体を埋設する耐熱性絶縁体と、前記発熱体と
一体に形成されたイオン検出用電極とを有し、当該グロ
ープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン電流を検
出する。この場合、非常に簡単な構成であるにもかかわ
らず、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。

【００１３】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、セラミックグロープラグ
（以下、単にグロープラグという）を用いたイオン電流
検出装置の第１の実施の形態について、図面に従って説
明する。つまり、本実施の形態のイオン電流検出装置
は、グロープラグを用いて燃料燃焼時に発生するイオン
電流を検出するものであって、そのグロープラグは、デ
ィーゼルエンジンのシリンダヘッドに形成された燃焼室
（渦流室）に設けられ、その一部が燃焼室内に晒される
ようになっている。そして、同グロープラグは、エンジ
ンの低温始動時において、燃料噴射ノズルより噴射され
る燃料の着火及び燃焼を促進させる役割をなす。また、
本実施の形態におけるグロープラグは、上記の始動補助
機能に加えて、燃料燃焼時の燃焼火炎帯に存在する活性
イオンを検出する役割をもなす。

【００１４】ここで、図１には、本実施の形態における
グロープラグ１の全体構成を示す。同図において、グロ
ープラグ１は略円筒状をなす金属製のハウジング２を有
しており、このハウジング２の外周面には当該グロープ
ラグ１を後述するシリンダヘッドに取り付けるための雄
ねじ部３及び六角部４が形成されている。ハウジング２
の上部には、管状のプロテクションチューブ５が溶着さ
れている。

【００１５】また、前記ハウジング２にはセラミック発
熱部６が保持されており、このセラミック発熱部６は、
導電性を有するＵ字状の発熱体７と、絶縁性を有する耐
熱性絶縁体８と、前記発熱体７に一体成形されたイオン
検出用電極１４と、前記発熱体７の両端に接続されると
共に前記絶縁体８に埋設された２本のタングステンリー
ド線９ａ，９ｂとから構成されている。

【００１６】詳しくは、前記発熱体７はその大部分が耐
熱性絶縁体８内に埋設され、強固に保持されるものであ
るが、図２の要部拡大図に示すように、発熱体７先端に
形成されたイオン検出用電極１４の端面は、耐熱性絶縁
体８の外周面と同一面上に設けられている。この場合、
発熱体７とイオン検出用電極１４とは一体的に成形され
ているため、両部材７，１４は常に電気的に接続された
状態となっている。かかる構成において、発熱体７の露
出部と後述するディーゼルエンジンの渦流室１７（破線
部）の内壁とは、イオン電流を検出するための対向電極
を形成する。

【００１７】また、図１において、前記各タングステン
リード線９ａ，９ｂの上端には、耐熱性絶縁体８内に埋
め込まれた導電性チップ１０ａ，１０ｂが接続されてお
り、導電性チップ１０ａ，１０ｂには各々にリード線１
１ａ，１１ｂが接続されている。これら２本のリード線
１１ａ，１１ｂがグロープラグ１の外部信号入力線とな
っている。なお、前記ハウジング２及びプロテクション
チューブ５と、リード線１１ａ，１１ｂとの間は、絶縁
チューブ１２及びゴムブッシュ１３により電気的に絶縁
されている。リード線１１ａ，１１ｂは、ゴムブッシュ
１３と共にプロテクションチューブ５のカシメ締め付け
力により固定されている。

【００１８】以下に、セラミック発熱部６の詳細な構成
について説明する。つまり、セラミック発熱部６の発熱
体７、イオン検出用電極１４及び耐熱性絶縁体８は、い
ずれも導電性セラミック粉末（本実施の形態では、珪化
モリブデンＭｏＳｉ2 粉末）と絶縁性セラミック粉末
（本実施の形態では、窒化珪素Ｓｉ3 Ｎ4 粉末）の混合
物よりなり、且つ配合割合を略同一にした焼結体により
構成されている。但し、発熱体７及びイオン検出用電極
１４ではＭｏＳｉ2 粉末の平均粒径がＳｉ3 Ｎ4粉末の
それよりも小さく、耐熱性絶縁体８ではＭｏＳｉ2 粉末
の平均粒径がＳｉ3 Ｎ4 粉末のそれと同じ若しくはそれ
よりも大きくしてある。即ち、各粉体の粒径を変更する
ことにより発熱体７及びイオン検出用電極１４と、耐熱
性絶縁体８とを作り分けるようにしている。

【００１９】上記構成を有するセラミック発熱部６にお
いて、発熱体７及びイオン検出用電極１４では、小径の
ＭｏＳｉ2 粉末（導電性セラミック粉末）が大径のＳｉ
3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラミック粉末）を取り囲んで互い
に連なっており、それにより発熱体７及びイオン検出用
電極１４に電流が流れ、発熱体７が発熱される。一方、
耐熱性絶縁体８では、大径のＭｏＳｉ2 粉末（導電性セ
ラミック粉末）間に小径のＳｉ3 Ｎ4 粉末（絶縁性セラ
ミック粉末）が介在するため、両者は直列に並んだ状態
となり発熱体７に比べて抵抗が大きく絶縁層を形成す
る。

【００２０】また、セラミック発熱部６の製造方法とし
ては、先ずＭｏＳｉ2 粉末とＳｉ3Ｎ4 粉末との混合物
にバインダーを混練してペースト化し、発熱体７、イオ
ン検出用電極１４及び耐熱性絶縁体８を各々に所望の形
状に射出成形する。そして、発熱体７及びイオン検出用
電極１４を耐熱絶縁体８で包み込むように配置して１７
００〜１８００℃にてホットプレスした後、セラミック
発熱部６として円柱状に削り出す。さらに、セラミック
発熱部６の先端部において、耐熱性絶縁体８を球状に切
削加工する。これにより、発熱体７はその全体が耐熱性
絶縁体８の埋設されるが、イオン検出用電極１４の端面
はセラミック発熱部６の先端部において露出することと
なる。

【００２１】次に、上記の如く構成されるグロープラグ
１を用いたイオン電流検出システムを図３の構成図を用
いて説明する。図３において、ディーゼルエンジンのシ
リンダヘッド１５にはねじ孔１６が形成されており、こ
のねじ孔１６に前記グロープラグ１が螺着されている。
即ち、グロープラグ１をシリンダヘッド１５に螺着する
際には、前記六角部４を所定の工具で挟み、同プラグ１
の雄ねじ部３をねじ孔１６にねじ入れるようにする。

【００２２】グロープラグ１のセラミック発熱部６の先
端部は、シリンダヘッド１５に形成された渦流室１７に
突出配置されている。この渦流室１７にはピストン１８
上部に設けられた主燃焼室１９が連通されており、渦流
室１７は燃焼室の一部をなす。渦流室１７には燃料噴射
ノズル２０の先端部が配設されており、この燃料噴射ノ
ズル２０から渦流室１７内に燃料が噴射されるようにな
っている。

【００２３】また、本イオン電流検出システムにおいて
は、定格１２Ｖ（ボルト）の直流電源からなるバッテリ
２１を備えており、このバッテリ２１のプラス側には、
第１のトランジスタＴｒ１のコレクタが接続されてい
る。この第１のトランジスタＴｒ１のエミッタは、グロ
ープラグ１の一方のリード線１１ａに接続され、ベース
は電子制御装置（以下、ＥＣＵという）３０に接続され
ている。また、バッテリ２１のマイナス側には、第２の
トランジスタＴｒ２のエミッタが接続されている。さら
に、第２のトランジスタＴｒ２のコレクタは、グロープ
ラグ１の他方のリード線１１ｂに接続され、ベースはＥ
ＣＵ３０に接続されている。上記構成において、第１，
第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベースにはＥＣＵ
３０からの同一の指令信号が入力され、これらトランジ
スタＴｒ１，Ｔｒ２は、常に同期して動作する。なお、
第２のトランジスタＴｒ２のエミッタは、シリンダヘッ
ド１５の一部にも接続されている。本実施の形態では、
上記第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が請求項
記載のスイッチング手段に相当する。

【００２４】かかる場合において、ＥＣＵ３０から第
１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のベースにＨレ
ベルの指令信号が入力されると、トランジスタＴｒ１，
Ｔｒ２は共にＯＮ状態となり、発熱体７の両端には、リ
ード線１１ａ，１１ｂ及びタングステンリード線９ａ，
９ｂを介してバッテリ電圧が印加されることになる。つ
まり、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２がＯＮ駆動された場
合には、発熱体７は加熱状態に保持される（この状態を
発熱体加熱状態という）。

【００２５】また、第１，第２のトランジスタＴｒ１，
Ｔｒ２への指令信号がＬレベルになると、当該トランジ
スタＴｒ１，Ｔｒ２が共にＯＦＦ状態となり、第１のト
ランジスタＴｒ１に並列に設けられた電気経路を介して
バッテリ電圧がリード線１１ａに印加される。つまり、
セラミック発熱部６の先端に形成されたイオン検出用電
極１４とシリンダヘッド１５との間にバッテリ電圧が印
加される。この場合、燃焼火炎帯の活性イオンの発生に
伴いイオン電流が流れ、このイオン電流はイオン電流検
出用抵抗２６により検出される（この状態をイオン電流
検出状態という）。

【００２６】なお、イオン電流検出用抵抗２６の抵抗値
は１００ｋΩ程度であって、このイオン電流検出用抵抗
２６を流れるイオン電流は、当該抵抗２６の両端の電位
差として電位差計２７により検出される。

【００２７】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２０による噴射燃料が渦流室１７で
燃焼に供されると、その燃焼火炎帯ではイオン化された
プラスイオンとマイナスイオンが大量に発生する。この
とき、イオン検出用電極１４とそれに対面するシリンダ
ヘッド１５（渦流室１７の内壁）との間にバッテリ電圧
が印加されることにより、イオン検出用電極１４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１５
にはプラスイオンが捕獲される。そして、かかる状態で
流れるイオン電流がイオン電流がイオン電流検出用抵抗
２６両端の電位差として検出される。

【００２８】一方、ＥＣＵ３０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２７により検出された検出信号を入力する。
また、ＥＣＵ３０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３１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３２の検出信号が入力され、ＥＣＵ３０は各センサ
３１，３２の検出信号に基づいて水温Ｔｗ，エンジン回
転数Ｎｅを検知する。

【００２９】上記ＥＣＵ３０は、主としてディーゼルエ
ンジンの低温始動時において、前記第１，第２のトラン
ジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮさせることにより、グロー
プラグ１の発熱体７を加熱させて燃料の着火及び燃焼を
促進させる（アフターグロー動作）。また、ディーゼル
エンジンの暖機完了時において、前記トランジスタＴｒ
１，Ｔｒ２をＯＦＦさせ、本システムの回路をイオン電
流検出状態として燃焼イオン電流を検出する。

【００３０】特に、本実施の形態ではその特徴として、
エンジン始動当初（アフターグロー期間中）からイオン
電流を検出できるよう、燃料着火後の所定期間において
一時的に第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯ
ＦＦさせ、一時的に発熱体加熱状態からイオン電流検出
状態へ移行させるようにしている。

【００３１】以下、本実施の形態の作用を図４〜図６を
用いて説明する。先ず図４のタイムチャートを用いて、
本実施の形態における作用の概要を説明する。なお図４
には、エンジンの低温始動時について、燃料燃焼時に発
生するイオン電流波形、燃料噴射時期及びトランジスタ
Ｔｒ１，Ｔｒ２のＯＮ／ＯＦＦ動作状態を示しており、
図の時間ｔ１以前はアフターグロー期間を示し、この時
間ｔ１がアフターグローの終了時期に相当する。

【００３２】さて、アフターグロー期間（時間ｔ１以
前）においては、主として発熱体加熱状態が継続され、
その中で一時的にイオン電流検出期間が設けられてい
る。つまり、アフターグロー期間においては、初期状態
としてトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮさせ、これに
より発熱体７を加熱状態としている。また、図示したよ
うなイオン電流波形を得るべく、燃料噴射時期から所定
期間（本実施の形態では、９０°ＣＡ）だけ一時的にト
ランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせている。そし
て、この一時的なイオン電流検出期間（Ｔｒ１，Ｔｒ２
のＯＦＦ期間）におけるイオン電流の検出結果が燃焼状
態の制御に採用される。

【００３３】同図のイオン電流波形において、燃料噴射
時期の直後（圧縮ＴＤＣ直後）に電圧（電位差計２７に
よる検出電圧）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、イオン電流の立ち上がり時期
が燃焼の開始位置、即ち燃料の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Ｂ１，Ｂ２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（ピーク
値）が観測される。

【００３４】図４においては、燃料噴射時期から９０°
ＣＡのイオン電流検出期間と、その次の燃料噴射時期ま
での発熱体加熱期間（略６３０°ＣＡ）とが繰り返され
る（但し、本実施の形態では、１気筒についてのみ示し
ている）。なお、イオン電流の検出期間は一時的である
ので、グロープラグ１による燃料の着火・燃焼機能を損
なうことはない。

【００３５】また、時間ｔ１においては、第１，第２の
トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２が共にＯＦＦされ、このト
ランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の操作に伴ない発熱体７の加
熱動作が停止される（アフターグローが終了される）。
このとき、本システムの回路はイオン電流検出状態とな
り、それ以降、燃料燃焼毎にイオン電流が検出される。

【００３６】次に、上記したアフターグロー動作及びイ
オン電流検出動作を実現するためにＥＣＵ３０により実
施される演算処理について、図５及び図６のフローチャ
ートを用いて説明する。なお、図５は、トランジスタＴ
ｒ１，Ｔｒ２のＯＮ／ＯＦＦ切替えルーチンを示し、図
６は、イオン電流の検出結果を用いた燃焼状態制御の一
例としての燃料着火時期のフィードバック制御ルーチン
を示す。

【００３７】先ず図５について説明する。なお、本図５
の処理は、所定の時間の割り込み処理により実行され
る。さて、図５の処理がスタートすると、ＥＣＵ３０
は、先ずステップ１１０で今現在がアフターグロー期間
中であるか否かを判別する。この判別には、例えばアフ
ターグロー期間（エンジン冷間時）においてセットされ
るフラグを用いればよい。エンジンの低温始動当初にお
いては、ステップ１１０が肯定判別され、ＥＣＵ３０は
続くステップ１２０で水温Ｔｗ及びエンジン回転数Ｎｅ
を読み込む。

【００３８】その後、ＥＣＵ３０は、ステップ１３０で
水温Ｔｗが所定のアフターグロー終了温度、即ち暖機完
了温度（本実施の形態では、６０℃）以上であるか否か
を判別すると共に、ステップ１４０でエンジン回転数Ｎ
ｅが所定回転数（本実施の形態では、２０００ｒｐｍ）
以上に達したか否かを判別する。かかる場合、ステップ
１３０，１４０が共に否定判別されれば、ＥＣＵ３０
は、エンジンの暖機が完了しておらず、グロープラグ１
（発熱体７）による加熱が必要であるとみなし、ステッ
プ１５０に進む。また、ステップ１３０，１４０のいず
れかが肯定判別されれば、ＥＣＵ３０は、エンジンの暖
機が完了した、或いはグロープラグ１（発熱体７）によ
る加熱が不要になったとみなし、ステップ１６０に進
む。

【００３９】ステップ１５０に進んだ場合、ＥＣＵ３０
は、既述した通り第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔ
ｒ２をＯＮさせ、図３の回路を発熱体加熱状態とすると
共に、その発熱体加熱状態下において一時的にトランジ
スタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせて同じく図３の回路を
イオン電流検出状態とする（図４参照）。具体的には、
燃料噴射のタイミングから９０°ＣＡの期間だけ第１，
第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＦＦさせる。そ
して、ステップ１５０の処理後、本ルーチンを終了す
る。この状態では、グロープラグ１の発熱作用によって
燃料の着火及び燃焼が促進されると共に、燃料の燃焼に
伴うイオン電流も検出することができる。なお、本実施
の形態では、上記ステップ１５０の処理が請求項記載の
操作手段に相当する。

【００４０】また、ステップ１６０に進んだ場合、ＥＣ
Ｕ３０は、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を
ＯＦＦさせ、それにより図３の回路をイオン電流検出状
態に移行させる。この状態では、継続的にイオン電流が
検出される。そして、ステップ１６０の処理後、本ルー
チンを終了する。

【００４１】なお、前記ステップ１４０が肯定判別され
てステップ１６０に進む場合とは、例えばレーシング状
態で一時的にエンジン回転数Ｎｅが上昇する場合が考え
られ、この場合にはエンジン暖機が未だ完了していな
い。従って、図３の回路が一旦イオン電流検出状態に移
行したとしても、ＥＣＵ３０は、未だアフターグローが
継続しているものとして次回処理時のステップ１１０を
肯定判別し、ステップ１３０，１４０の判別処理を再び
実施する。そして、一時的なエンジン回転数Ｎｅの上昇
が収まり、同回転数Ｎｅが低下すると（Ｎｅ＜２０００
ｒｐｍ）、再度ステップ１５０の処理を実施する。

【００４２】その後、Ｔｗ≧６０℃となりエンジン暖機
が完了すると、即ちアフターグロー期間が終了すると、
それ以降、ＥＣＵ３０はステップ１１０を毎回否定判別
する。つまり、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ
２がＯＦＦ状態で維持され、図３の回路がイオン電流検
出状態のままで保持される。

【００４３】次に、燃料の着火時期フィードバック制御
について図６を用いて説明する。同図のフローは、気筒
への燃料噴射毎にＥＣＵ３０により実施される。なお、
燃料の着火時期制御は、燃料噴射時期を調整することに
より実現されるものであり、本実施の形態では、燃料噴
射ノズルによる燃料噴射時期を最適時期に調整すること
により燃料の着火時期を最適にフィードバック制御する
こととしている。

【００４４】図６において、ＥＣＵ３０は、先ずステッ
プ２１０で予めメモリに記憶されている燃料着火時期マ
ップを用い、その時のエンジン回転数Ｎｅ及び燃料噴射
量Ｑに応じた最適なる燃料着火時期（最適着火時期Ｋ
ａ）を求める。ここで、燃料噴射量Ｑは、その時のエン
ジン負荷（例えばアクセル踏み込み量）とエンジン回転
数とから求められる。

【００４５】また、ＥＣＵ３０は、ステップ２２０でイ
オン電流波形（前記図４の第１の山Ｂ１）に基づいて実
際の燃料着火時期（実着火時期Ｋｂ）を求め、続くステ
ップ２３０で実着火時期Ｋｂのなまし値ＫＡＶを次の式
（１）を用いて算出する。

【００４６】ＫＡＶi ＝｛ＫＡＶi-1 ・（ｎ−１）＋Ｋｂi ｝／ｎ・・・（１）但し、本実施の形態では、なまし係数ｎを「８」とす
る。その後、ＥＣＵ３０は、ステップ２４０で最適着火
時期Ｋａと実着火時期Ｋｂのなまし値ＫＡＶとの偏差Δ
Ｋ（＝Ｋａ−ＫＡＶ）を算出すると共に、続くステップ
２５０で周知のフィードバック手法（例えばＰＩ手法や
ＰＩＤ手法）を用い、前記偏差ΔＫに応じて前記ステッ
プ２１０で算出した最適着火時期Ｋａを補正する。そし
て、こうして補正し算出された最適着火時期に基づい
て、実際に燃料噴射時期が制御される。

【００４７】以上のように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。また、上
記にはイオン電流の検出結果を用いた着火時期のフィー
ドバック制御の事例を説明したが、イオン電流の検出結
果を用いて失火検出を行う等、他の燃焼状態制御を実施
してもよい（図示略）。例えば前記図４におけるイオン
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
ようにしてもよい。

【００４８】次に、本実施の形態における効果を説明す
る。（ａ）以上詳述したように本実施の形態では、グロープ
ラグによる発熱体加熱状態下（アフターグロー期間）に
おいて、燃料噴射時期直後に一時的にイオン電流検出状
態になるようトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を操作するよ
うにした。かかる構成によれば、発熱体加熱状態下にお
いて、グロープラグ１の発熱機能を損なわない範囲内で
イオン電流を検出することができる。その結果、グロー
プラグ１によるグロー期間内においてもイオン電流を精
度良く検出し、ひいては当該イオン電流の検出結果を用
いて燃料の燃焼状態を良好な状態で維持することができ
る。

【００４９】（ｂ）特に、本実施の形態では、燃料噴射
時期を基準にイオン電流検出期間を設定したため、イオ
ン電流検出期間をできるだけ短い期間に設定して当該イ
オン電流を確実に検出すると共に、グロープラグ１によ
るグロー機能の低下を最小限に抑えることができる。

【００５０】（ｃ）また、本実施の形態では、スイッチ
ング手段として第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ
２を採用した。そのため、応答性の良い切替え動作を行
わせることができる。

【００５１】（ｄ）さらに、本実施の形態のイオン電流
検出装置の構成においては、スイッチ回路２５により発
熱体加熱状態とイオン電流検出状態とを切り替えると共
に、両状態にて使用する電源を共用化した（バッテリ２
１）。従って、イオン電流検出に関する構成が簡素化で
き、安価なイオン電流検出装置を提供することができ
る。

【００５２】（ｅ）併せて、本実施の形態では、グロー
プラグ１の発熱体７と一体にイオン検出用電極１４を形
成し、同イオン検出用電極１４とエンジンのシリンダヘ
ッド１５とからなる２電極により燃料燃焼時に発生する
イオン電流を検出するようにした。この場合、非常に簡
単な構成であるにもかかわらず、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。

【００５３】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態を図７を用いて説明する。但し、本実施の
形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等
であるものについては図面に同一の記号を付すと共にそ
の説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形
態との相違点を中心に説明する。

【００５４】本実施の形態ではその特徴として、アフタ
ーグロー期間において所定周波数のＯＮ／ＯＦＦ信号に
てトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をＯＮ／ＯＦＦ動作させ
るようにしている。図７は、本実施の形態の具体的動作
を示すタイムチャートである。なお、同図の時間ｔ１１
以前はアフターグロー期間を示し、この時間ｔ１１がア
フターグローの終了時期に相当する。

【００５５】さて、アフターグロー期間（時間ｔ１１以
前）においては、第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔ
ｒ２が連続的にＯＮ状態とＯＦＦ状態とで切替えられ
る。かかる場合、当該トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のＯ
Ｎ期間が発熱体加熱期間に相当し、トランジスタＴｒ
１，Ｔｒ２のＯＦＦ期間がイオン電流検出期間に相当す
る。このとき、イオン電流検出期間（Ｔｒ１，Ｔｒ２の
ＯＦＦ期間）におけるイオン電流の検出結果が燃焼状態
の制御に採用される。

【００５６】ここで、第１，第２のトランジスタＴｒ
１，Ｔｒ２をスイッチングさせる周波数としては、例え
ばイオン電流の検出結果を用いて着火時期を検出する場
合であれば、１０ｋＨｚ以上とするのが望ましい。この
場合、当該周波数がこれよりも小さいと、エンジンの高
回転域において着火時期の検出精度が悪化するおそれが
生ずる。また、イオン電流の検出結果を用いて失火や異
常燃焼を検出する場合であれば、前記スイッチングの周
波数を１ｋＨｚ以上とするのが望ましい。この場合、当
該周波数がこれよりも小さいと、エンジンの高回転域に
おいて失火や異常燃焼の検出精度が悪化するおそれが生
ずる。なお、本実施の形態では、当該周波数を１０ｋＨ
ｚ程度としている。

【００５７】また、同図において、燃料噴射時期の直後
（圧縮ＴＤＣ直後）に所定周期で燃料の燃焼によるイオ
ン電流波形が観測される。この場合、個々の検出レベル
を解析することにより、燃料の着火時期や失火、異常燃
焼等が検出できる。

【００５８】以上本第２の実施の形態によれば、上記第
１の実施の形態と同様に、グロープラグ１によるグロー
期間内においてもイオン電流を精度良く検出し、ひいて
は当該イオン電流の検出結果を用いて燃料の燃焼状態を
良好な状態で維持することができる。

【００５９】なお、本発明は、上記各実施の形態の他に
次の形態にて実現できる。（１）上記第１の実施の形態では、図５のステップ１５
０において、予め設定されている所定期間（９０°ＣＡ
期間）だけ第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を
ＯＦＦしてイオン電流検出状態に切り替えるようにして
いたが、このイオン電流の検出期間を可変設定するよう
にしてもよい。例えばエンジン負荷やエンジン回転数に
応じて、発熱体加熱状態下（アフターグロー期間）にお
けるイオン電流検出期間を設定する。この場合、エンジ
ン負荷が大きいほど、又はエンジン回転数が高くなるほ
ど、イオン電流検出期間を長くし、一方、エンジン負荷
が小さいほど、又はエンジン回転数が低くなるほど、イ
オン電流検出期間を短くするのが好ましい。

【００６０】（２）上記各実施の形態では、エンジンの
低温始動時におけるアフターグロー期間において一時的
なイオン電流検出期間を設けたが、このアフターグロー
期間以外にも、発熱体加熱状態下において一時的なイオ
ン電流検出期間を設けるようにしてもよい。例えば、グ
ロープラグの外周にカーボンが付着した場合において、
その付着カーボンを発熱体の発熱作用により焼き切って
除去する際にも、その発熱体加熱状態下で一時的なイオ
ン電流の検出状態を設定する。かかる場合、燃焼状態制
御が中断されることなく継続できる。

【００６１】（３）上記各実施の形態においては、単気
筒エンジン（又は多気筒エンジンの１つの気筒）につい
てイオン電流の検出手順を説明したが、多気筒エンジン
の各気筒について本実施の形態のイオン電流検出手順を
適用してもよい。

【００６２】（４）上記各実施の形態では、オールセラ
ミックタイプのグロープラグを使用したが、他のグロー
プラグを使用してもよい。例えば、発熱体としてのコイ
ル状の金属線（例えば、タングステン線）をセラミック
材料からなる耐熱性絶縁体に埋設し、その金属線の一部
に、燃焼火炎に晒されるイオン検出用電極（露出電極
部）を電気的に接続する。この場合にも、イオン電流検
出機能を兼ね備えた安価なグロープラグを提供すること
ができる。また、発熱体の発熱性能も長期にわたって維
持できる。

【００６３】（５）上記各実施の形態では、発熱体加熱
状態とイオン電流検出状態とを切替えるために半導体ス
イッチとして第１，第２のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２
を用いたが、これを変更してもよい。例えば、サイリス
タ等の他の半導体スイッチに変更したり、接点式スイッ
チにに変更したりしてもよく、要するに上記２つの状態
を切替え可能な手段であればよい。

【００６４】（６）上記実施の形態では、発熱体加熱状
態とイオン電流検出状態とにおいて共通の直流電源（車
載バッテリ２１）を用いたが、２つの直流電源を用いる
構成としてもよい。具体的には、発熱体７を加熱するた
めの発熱体加熱用電源と、イオン電流を検出するための
イオン電流検出用電源とを用意し、例えば発熱体加熱用
電源として定格１２Ｖ（ボルト）の直流電源（車載バッ
テリ）を用い、イオン電流検出用電源として定格５０Ｖ
（ボルト）の直流電源を用いる。

【００６５】（７）上記各実施の形態では、渦流室を有
するディーゼルエンジンの燃焼イオンを検出するイオン
電流検出装置に本発明を適用したが、燃料を燃焼室内に
直接噴射する、いわゆる直噴型エンジンに本発明を適用
してもよい。また、他の装置に本発明を適用することも
できる。例えば、ガソリンエンジンの排気管中で未燃燃
料を燃焼させる装置において、その未燃燃料の燃焼に伴
う燃焼イオンを本発明のイオン電流検出装置により検出
することも可能である。この場合、当該装置により検出
されたイオン電流から未燃燃料の燃焼状態が判定でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態におけるグロープラグの概要
を示す全体構成図。

【図２】グロープラグの要部を拡大して示す断面図。

【図３】イオン電流検出システムの概要を示す構成図。

【図４】第１の実施の形態における作用をより具体的に
説明するためのタイムチャート。

【図５】トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ切替え手順を示す
フローチャート。

【図６】燃料の着火時期フィードバック手順を示すフロ
ーチャート。

【図７】第２の実施の形態における作用をより具体的に
説明するためのタイムチャート。

【符号の説明】

１…グロープラグ、７…発熱体、８…耐熱性絶縁体、９
ａ，９ｂ…タングステンリード線、１１ａ，１１ｂ…リ
ード線、１４…イオン検出用電極、１７…燃焼室をなす
渦流室、２１…バッテリ（電源）、３０…操作手段とし
てのＥＣＵ（電子制御装置）、Ｔｒ１…スイッチング手
段としての第１のトランジスタ、Ｔｒ２…スイッチング
手段としての第２のトランジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電源からの給電により発熱する発熱体が燃
焼室内に突設されたグロープラグを有し、当該グロープ
ラグを用いて燃料燃焼時に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、前記グロープラグによる発熱体の加熱状態と、同グロー
プラグによるイオン電流検出状態とを切り替えるスイッ
チング手段と、前記グロープラグによる発熱体加熱状態途中において、
少なくとも燃料の着火時期直後に一時的にイオン電流検
出状態になるよう前記スイッチング手段を操作する操作
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】前記操作手段は、燃焼室内への燃料噴射時
期から所定期間だけイオン電流検出状態になるようスイ
ッチング手段を操作する請求項１に記載のイオン電流検
出装置。
【請求項３】前記操作手段は、所定周波数で前記発熱体
加熱状態とイオン電流検出状態とを切替え動作させる請
求項１に記載のイオン電流検出装置。
【請求項４】前記グロープラグは、一対のリード線によ
って通電加熱される発熱体と、該発熱体を埋設する耐熱
性絶縁体と、前記発熱体と一体に形成されたイオン検出
用電極とを有し、当該グロープラグを用いて燃料燃焼時
に発生するイオン電流を検出する請求項１〜３のいずれ
かに記載のイオン電流検出装置。