JPH11273828A - 点火プラグ及び点火・イオン電流検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃焼時に燃焼室内で発生したイオンを効率的
に点火プラグの中心電極に集めてイオン電流として検出
することができるようにする。 【解決手段】 点火プラグ２１の中心電極２３にＵ字状
の導体部２８を溶接等により固着し、この導体部２８を
接地電極２７より燃焼室２９内に突出させる。点火時に
中心電極２３と接地電極２７との間で火花放電させた後
に、中心電極２３に正電圧を印加して、燃焼室２９内に
導体部２８から燃焼室１３内壁へ向かう電界を形成する
ことで、燃焼時に発生する負イオンを導体部２８（中心
電極２３）で集めてイオン電流を検出する。導体部２８
が接地電極２７よりも下方に突出しているため、イオン
電流検出時に導体部２８から燃焼室２９内壁へ向かう電
界が接地電極２７によってシールドされなくなり、導体
部２８から発生する電界（電気力線）を燃焼室２９のほ
ぼ全域に一様に分布させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の燃焼室
内で混合気が燃焼する際に発生するイオン電流を検出す
る手段（イオンプローブ）として兼用する点火プラグ及
び点火・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、内燃機関の燃焼室内で混合気が燃
焼する際にイオンが発生する点に着目し、このイオン電
流を検出して、失火やノッキング等の燃焼状態を検出す
る技術が開発されている。このイオン電流を検出するイ
オンプローブとしては、コストや組付上の制約から点火
プラグを兼用するものが多い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、点火プラグを
通して検出されるイオン電流は微弱であるため、ノイズ
の影響が大きい。このため、イオン電流の検出精度を高
めるには、イオン電流検出回路側の精度を相当に高める
必要があり、その分、回路がコスト高となり、検出精度
向上と低コスト化とを両立させることは困難であった。

【０００４】従来の点火プラグで検出されるイオン電流
が微弱になる原因は、次のように考えられる。従来の点
火プラグは、図１４に示すように、中心電極１１の下方
を覆うようにＬ字形の接地電極１２が燃焼室１３側に突
出し、中心電極１１と接地電極１２との間では、大きな
電界勾配が形成され、また、中心電極１１から燃焼室１
３内壁へ向かう電界も形成されるが、接地電極１２の裏
側の部分（Ｃ部）では、電界勾配が小さくなる。この原
因は、中心電極１１から燃焼室１３内壁へ向かう電界
（電気力線）が接地電極１２によってシールドされてし
まうためである。この関係で、中心電極１１から燃焼室
１３内壁へ向かう電界の勾配は、接地電極１２でシール
ドされない部分（Ｂ部）でのみ大きくなる。燃焼時に
は、燃焼室１３の全領域でイオンが発生するが、このイ
オンを中心電極１１で集めて検出するには、電界勾配に
よってイオンを中心電極１１に移動させる必要がある。
従って、電界勾配の大きいＢ部で生じたイオンは、中心
電極１１で集めて検出することが可能であるが、電界勾
配の小さい接地電極１２の裏側のＣ部で生じたイオン
は、検出されずに自然消滅する可能性が高い。このた
め、燃焼時に燃焼室１３内で発生したイオンの一部しか
電流として取り出すことができず、イオン電流検出信号
が小さくなってしまう。

【０００５】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、燃焼時に燃焼室内で
発生したイオンを燃焼室の広範囲から効率的に中心電極
に集めてイオン電流として検出することができ、イオン
電流検出信号を大きくすることができる点火プラグ及び
点火・イオン電流検出装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の点火プラグは、中心電極の一部
又は該中心電極に設けた導体部を接地電極よりも燃焼室
内に突出させた構成としたものである。このように、中
心電極の一部（又は導体部）を接地電極よりも燃焼室内
に突出させると、イオン電流検出時に中心電極（又は導
体部）から燃焼室内壁へ向かう電界に対する接地電極の
電界シールド効果が弱められる。その結果、中心電極
（又は導体部）から発生する電界を燃焼室の広範囲に一
様に分布させることができ、燃焼時に燃焼室内で発生し
たイオンを燃焼室の広範囲から効率的に中心電極に集め
てイオン電流として検出することができる。これによ
り、中心電極を通して取り出すイオン電流を従来より大
きくすることができて、ノイズの影響を少なくすること
ができ、イオン電流の検出精度を高めることができると
共に、イオン電流検出回路の設計基準も緩和することが
でき、その分、低コスト化することができる。

【０００７】また、請求項２のように、接地電極を短く
形成すると共に、中心電極を長く形成してＬ字形に屈曲
させ、その先端部分を接地電極に対向させた構成として
も良い。つまり、従来の一般的な点火プラグは、図１４
に示すように、中心電極を短く、接地電極をＬ字形に屈
曲させていたが、これとは反対に、接地電極を短く、中
心電極をＬ字形に屈曲させることで、中心電極を接地電
極より燃焼室内に突出させた構成を簡単に実現できると
共に、イオン電流を検出する中心電極の面積を大きくす
ることができ、これによっても、中心電極を通して取り
出すイオン電流を大きくする効果を得ることができる。

【０００８】ところで、図１４に示す従来の一般的な点
火プラグは、点火時に中心電極に負の高電圧が印加され
るが、上記請求項２の点火プラグは、従来とは反対に、
中心電極の面積が接地電極の面積よりも大きくなるた
め、請求項３のように、点火時に点火回路によって中心
電極に正の高電圧を印加して火花放電を行わせることが
好ましい。このようにすれば、中心電極をＬ字形に屈曲
させた構造としても、低い電圧で放電が開始し、点火系
回路の耐電圧特性を変更（強化）することなく、十分な
着火性能を確保することができる。この場合も、従来と
同じく、火花放電終了後に、イオン電流検出回路によっ
て中心電極に正電圧を印加すれば、中心電極を通してイ
オン電流を検出することができる。

【０００９】また、請求項４の点火プラグのように、接
地電極の基部又は途中部に微小ギャップを形成し、点火
時には、該接地電極に流れる高圧電流を放電により微小
ギャップを流して、接地電極と中心電極との間で火花放
電させるようにしても良い。このようにすれば、イオン
電流検出時には、接地電極のうちの微小ギャップより先
の部分は、アース側から微小ギャップで絶縁されて電界
シールド効果が弱められるため、従来と同じように接地
電極が中心電極よりも燃焼室内に突出していても、中心
電極から発生する電界を燃焼室の広範囲に一様に分布さ
せることができる。

【００１０】また、請求項５の点火プラグのように、接
地電極のうちの火花放電部以外の部分を絶縁層で被覆し
た構造としても良い。このようにすれば、接地電極のう
ちの絶縁層で被覆された部分（つまり火花放電部以外の
部分）は、電界シールド効果が弱められるため、上記請
求項４と同じく、接地電極が中心電極よりも燃焼室内に
突出していても、中心電極から発生する電界を燃焼室の
広範囲に一様に分布させることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】［実施形態（１）］以下、本発明
の実施形態（１）を図１乃至図９に基づいて説明する。
図３乃至図９は、本実施形態（１）で用いる点火プラグ
２１の種々の電極構造を示している。図１に示すよう
に、点火プラグ２１は、碍子部２２を有し、この碍子部
２２の下部中心に中心電極２３が下方に突出するように
設けられている。この中心電極２３は、碍子部２２の上
端部に設けられた端子２４と電気的に接続されている。
碍子部２２の下半部外周には、金属ハウジング２５がか
しめにより取り付けられ、この金属ハウジング２５の下
部外周に、シリンダヘッドに取り付けるためのねじ部２
６が形成されている。この金属ハウジング２５の下端部
にはＬ字形の接地電極２７が溶接され、この接地電極２
７の先端部が中心電極２３の下端と火花放電用のギャッ
プを挟んで対向している。接地電極２７は、金属ハウジ
ング２５を介してシリンダヘッド（アース側）に導通さ
れている。

【００１２】図１及び図３に示す第１実施例では、中心
電極２３にＵ字状の導体部２８が溶接等により固着さ
れ、この導体部２８が接地電極２７よりも燃焼室２９内
に突出して、導体部２８が接地電極２７を下方から覆っ
た状態となっている。尚、導体部２８は、中心電極２３
と一体に形成しても良い。

【００１３】次に、図２に基づいて点火回路３０及びイ
オン電流検出回路３１の構成を説明する。点火コイル３
２の一次コイル３３の一端は電源供給端子（＋Ｂ）に接
続され、該一次コイル３３の他端は、点火制御用のパワ
ートランジスタ３４のコレクタに接続されている。点火
コイル３２の二次コイル３５の一端は点火プラグ２１の
中心電極２３に接続され、該二次コイル３５の他端は、
２つのツェナーダイオード３６，３７を介してアース側
に接続されている。

【００１４】２つのツェナーダイオード３６，３７は互
いに逆向きに直列接続され、一方のツェナーダイオード
３６にコンデンサ３８が並列に接続され、他方のツェナ
ーダイオード３７にイオン電流検出抵抗３９が並列に接
続されている。コンデンサ３８とイオン電流検出抵抗３
９との間の電位Ｖinが抵抗４０を介して反転増幅回路４
１の反転入力端子（−）に入力されて反転増幅される。
イオン電流検出回路３１は、ツェナーダイオード３６，
３７、コンデンサ３８、イオン電流検出抵抗３９、反転
増幅回路４１等から構成されている。

【００１５】エンジン運転中は、エンジン制御回路４２
から出力される点火信号ＩＧｔの立ち上がり／立ち下が
りでパワートランジスタ３４がオン／オフする。パワー
トランジスタ３４がオンすると、バッテリ（図示せず）
から一次コイル３３に一次電流が流れ、その後、パワー
トランジスタ３４がオフすると、一次コイル３３の一次
電流が遮断されて、二次コイル３５に高電圧が電磁誘導
され、負の高電圧が点火プラグ２１の中心電極２３に印
加されて、中心電極２３と接地電極２７との間に火花放
電が発生する。

【００１６】この際、火花放電電流は接地電極２７から
中心電極２３へ流れ、二次コイル３５を経てコンデンサ
３８に充電されると共に、ツェナーダイオード３６，３
７を経てアース側に流れる。コンデンサ３８の充電後
は、ツェナーダイオード３６のツェナー電圧によって規
制されるコンデンサ３８の充電電圧を電源としてイオン
電流検出回路３１が駆動され、次のようにしてイオン電
流が検出される。

【００１７】火花放電終了後は、コンデンサ３８の充電
電圧によって点火プラグ２１の中心電極２３及び導体部
２８に正電圧が印加され、燃焼室２９内に導体部２８か
ら燃焼室１３内壁へ向かう電界が形成される。これによ
り、燃焼室２９で混合気が燃焼する際に発生する負イオ
ン等（正しくは正負のイオンと電子……電荷極性により
移動方向は反対となる）が電界勾配により導体部２８へ
向かって移動し、導体部２８（中心電極２３）で集めら
れる。このようにして集められた負イオンの電荷に応じ
て、コンデンサ３８が放電してイオン電流がアース側か
らイオン電流検出抵抗３９に流れる。この際、イオン電
流検出抵抗３９に流れるイオン電流の変化に応じて反転
増幅回路４１の入力電位Ｖinが変化し、反転増幅回路４
１の出力端子からイオン電流に応じた電圧がイオン電流
検出信号としてエンジン制御回路４２に出力される。こ
の反転増幅回路４１の出力電圧からイオン電流が検出さ
れ、このイオン電流から失火、ノッキング等が検出され
る。

【００１８】図１及び図３に示す第１実施例では、中心
電極２３に設けたＵ字状の導体部２８が接地電極２７よ
りも燃焼室２９内に突出して、導体部２８が接地電極２
７を下方から覆った状態となっているため、イオン電流
検出時に導体部２８から燃焼室２９内壁へ向かう電界が
接地電極２７によってシールドされなくなり、導体部２
８から発生する電界（電気力線）を燃焼室２９のほぼ全
域に一様に分布させることができ、燃焼時に燃焼室２９
内で発生したイオンを燃焼室２９のほぼ全域から効率的
に中心電極２３に集めてイオン電流として検出すること
ができる。これにより、イオン電流検出回路３１の出力
（イオン電流検出信号）を従来より大きくすることがで
きて、ノイズの影響を少なくすることができ、イオン電
流の検出精度を高めることができると共に、イオン電流
検出回路３１の設計基準も緩和することができ、その
分、低コスト化できる。

【００１９】また、図４に示す第２実施例では、中心電
極２３に、接地電極２７を挟んで対向する２本の導体部
４３を下向きに設け、これら２本の導体部４３を接地電
極２７よりも燃焼室２９内に下方に突出させている。

【００２０】図５に示す第３実施例では、中心電極２３
に、接地電極２７を挟んで対向する２本の導体部４４を
横向きに設け、これら２本の導体部４４を接地電極２７
よりも燃焼室２９内に横方向に突出させている。

【００２１】図６に示す第４実施例では、中心電極２３
の下端にリング状の導体部４５を設け、このリング状の
導体部４５の穴に接地電極２７の先端部を挿通し、点火
時に導体部４５の内縁と接地電極２７との間のギャップ
で火花放電を発生させる。この場合も、導体部４５が接
地電極２７より燃焼室２９内に突出した状態となってい
る。

【００２２】図７に示す第５実施例では、接地電極２７
を従来より短く形成すると共に、中心電極２３を下方に
長く形成して、接地電極２７の先端を中心電極２３の外
周面に横方向から対向させ、点火時に中心電極２３の外
周面と接地電極２７との間で火花放電を発生させる。更
に、中心電極２３の下端に円形の導体部４６を設け、こ
の導体部４６を接地電極２７より燃焼室２９内に突出さ
せている。

【００２３】図８に示す第６実施例では、接地電極２７
の先端部にリング部４８を水平に設け、このリング部４
８の穴に中心電極２３を挿通し、点火時に中心電極２３
とリング部４８との間で火花放電を発生させる。更に、
中心電極２３の下端に円形の導体部４７を設け、この導
体部４７を接地電極２７（リング部４８）より燃焼室２
９内に突出させている。

【００２４】図９に示す第７実施例では、上記第６実施
例と同じく、接地電極２７の先端部にリング部４８を水
平に設け、このリング部４８の穴に中心電極２３を挿通
し、この中心電極２３の下端部を接地電極２７（リング
部４８）より燃焼室２９内に突出させている。つまり、
図９の第７実施例は、図８の第６実施例と比較して、中
心電極２３の下端に円形の導体部４７が無いことのみが
相違する。

【００２５】以上説明した図４乃至図９の各実施例にお
いても、前述した図３の第１実施例と同じく、中心電極
２３の一部又は導体部４３〜４７が接地電極２７よりも
燃焼室２９内に突出しているため、接地電極２７による
電界シールド効果が弱められ、燃焼室２９の広範囲に電
界を一様に分布させることができ、燃焼時に燃焼室２９
内で発生したイオンを燃焼室２９の広範囲から効率的に
中心電極２３に集めてイオン電流として検出することが
できる。

【００２６】［実施形態（２）］図１０に示す本発明の
実施形態（２）の点火プラグ５０では、突起状の接地電
極５１を短く形成して金属ハウジング２５の下端に溶接
により固着すると共に、中心電極５２を長く形成してＬ
字形に屈曲させ、該中心電極５２の先端部分を接地電極
５１に火花放電用のギャップを挟んで対向させている。
これにより、中心電極５２が接地電極５１よりも燃焼室
内に突出して、中心電極５２が接地電極５１を下方から
覆った状態となっている。

【００２７】図１４に示す従来の一般的な点火プラグ
は、点火時に中心電極１１に負の高電圧が印加される
が、本実施形態（２）の点火プラグ５０では、従来とは
反対に、中心電極５２の面積が接地電極５１の面積より
も大きくなるため、点火時に点火回路５３によって中心
電極５２に正の高電圧を印加して火花放電を発生させ
る。このようにすれば、中心電極５２に負の高電圧を印
加する場合よりも、低い電圧で火花放電を発生させるこ
とができ、十分な着火性能を確保することができる。本
実施形態（２）では、点火コイル３２の二次コイル３５
の一端がアース側に接続され、該二次コイル３５の他端
が逆流防止用のダイオード５４を介して点火プラグ５０
の端子２４に接続されている。

【００２８】一方、イオン電流検出回路５５は、点火プ
ラグ５０と並列に接続され、保護ダイオード５６、バイ
アス電源５７及びイオン電流検出抵抗５８を直列に接続
して構成されている。このイオン電流検出回路５５は、
火花放電終了後に、バイアス電源５７によって中心電極
５７に正電圧を印加し、前記実施形態（１）と同じく、
イオン電流検出抵抗５８を流れるイオン電流を検出す
る。尚、前記実施形態（１）と同じく、イオン電流検出
抵抗５８の電圧を反転増幅回路で増幅してイオン電流検
出信号を取り出すようにしても良い。

【００２９】以上説明した実施形態（２）においても、
中心電極５２が接地電極５１よりも燃焼室内に突出し
て、中心電極５２が接地電極５１を下方から覆った状態
となっているため、中心電極５２から燃焼室内壁へ向か
う電界が接地電極５１によってシールドされなくなり、
燃焼時に燃焼室内で発生したイオンを燃焼室の広範囲か
ら効率的に中心電極２３に集めてイオン電流として検出
することができる。

【００３０】［実施形態（３）］図１１及び図１２に示
す本発明の実施形態（３）の点火プラグ６０では、接地
電極６１の基部又は途中部に微小ギャップ６２を形成
し、その微小ギャップ６２の外周囲をセラミック等の耐
熱性絶縁体６３で覆い、この耐熱性絶縁体６３によって
接地電極６１を金属ハウジング２５側に固定している。
この場合、微小ギャップ６２は、接地電極６１と中心電
極２３との間のギャップ６４よりも短く形成されてい
る。点火時には、中心電極２３に負の高電圧が印加さ
れ、イオン電流検出時には、中心電極２３に正電圧が印
加される。

【００３１】この場合、火花放電時には、接地電極６１
に流れる高圧電流を放電により微小ギャップ６２を流し
て、接地電極６１と中心電極２３との間で火花放電させ
る。火花放電終了後に、イオン電流検出回路によって中
心電極２３に正電圧を印加してイオン電流を検出する
が、この際、接地電極６１はアース側から微小ギャップ
６２で絶縁されて電界シールド効果が弱められるため、
接地電極６１が中心電極２３を下方から覆っていても、
図１２に示すように、中心電極２３から発生する電界を
燃焼室２９の広範囲に一様に分布させることができ、燃
焼時に燃焼室２９内で発生したイオンを燃焼室の広範囲
から効率的に中心電極２３に集めてイオン電流として検
出することができる。

【００３２】［実施形態（４）］図１３に示す本発明の
実施形態（４）の点火プラグ７０では、接地電極２７の
うちの中心電極２３に最も近い火花放電部２７ａ以外の
部分をセラミック等の耐熱性の絶縁層７１で被覆してい
る。この構造では、接地電極２７のうちの絶縁層７１で
被覆された部分（つまり火花放電部２７ａ以外の部分）
は、絶縁層７１によって電界シールド効果が弱められる
ため、前記実施形態（３）と同じく、接地電極２７が中
心電極２３を下方から覆っていても、中心電極２３から
発生する電界を燃焼室２９の広範囲に一様に分布させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態（１）の点火プラグとイオン
電流検出時の燃焼室内の電界分布を示す図

【図２】点火回路とイオン電流検出回路の構成を示す回
路図

【図３】（ａ）は第１実施例の点火プラグの電極構造を
示す正面図、（ｂ）は同下面図

【図４】（ａ）は第２実施例の点火プラグの電極構造を
示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図

【図５】（ａ）は第３実施例の点火プラグの電極構造を
示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図

【図６】（ａ）は第４実施例の点火プラグの電極構造を
示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図

【図７】（ａ）は第５実施例の点火プラグの電極構造を
示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図

【図８】（ａ）は第６実施例の点火プラグの電極構造を
示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図

【図９】（ａ）は第７実施例の点火プラグの電極構造を
示す正面図、（ｂ）は同下面図、（ｃ）は同斜視図

【図１０】本発明の実施形態（２）の点火プラグ、点火
回路及びイオン電流検出回路の構成を示す図

【図１１】本発明の実施形態（３）の点火プラグの電極
構造を示す縦断正面図

【図１２】本発明の実施形態（３）におけるイオン電流
検出時の燃焼室内の電界分布を示す図

【図１３】本発明の実施形態（４）の点火プラグの電極
構造を示す縦断正面図

【図１４】従来の点火プラグとイオン電流検出時の燃焼
室内の電界分布を示す図

【符号の説明】

２１…点火プラグ、２２…碍子部、２３…中心電極、２
４…端子、２５…金属ハウジング、２７…接地電極、２
８…導体部、２９…燃焼室、３０…点火回路、３１…イ
オン電流検出回路、３２…点火コイル、３３…一次コイ
ル、３５…二次コイル、３８…コンデンサ、３９…イオ
ン電流検出抵抗、４１…反転増幅回路、４３〜４７…導
体部、４８…リング部、５０…点火プラグ、５１…接地
電極、５２…中心電極、５３…点火回路、５５…イオン
電流検出回路、５７…バイアス電源、５８…イオン電流
検出抵抗、６０…点火プラグ、６１…接地電極、６２…
微小ギャップ、６３…耐熱性絶縁体、７０…点火プラ
グ、７１…絶縁層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小久保 直樹 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の燃焼室内で混合気が燃焼する
   際に発生するイオン電流を検出する手段として兼用する
   点火プラグにおいて、 中心電極の一部又は該中心電極に設けた導体部を接地電
   極よりも燃焼室内に突出させたことを特徴とする点火プ
   ラグ。
2. 【請求項２】 前記接地電極を短く形成すると共に、前
   記中心電極を長く形成してＬ字形に屈曲させ、その先端
   部分を前記接地電極に対向させたことを特徴とする請求
   項１に記載の点火プラグ。
3. 【請求項３】 請求項２に記載の点火プラグを用いた点
   火・イオン電流検出装置において、 点火時に前記中心電極に正の高電圧を印加して火花放電
   を行わせる点火回路と、 火花放電終了後に前記中心電極に正電圧を印加してイオ
   ン電流を検出するイオン電流検出回路とを備えているこ
   とを特徴とする点火・イオン電流検出装置。
4. 【請求項４】 内燃機関の燃焼室内で混合気が燃焼する
   際に発生するイオン電流を検出する手段として兼用する
   点火プラグにおいて、 接地電極の基部又は途中部に、点火時に該接地電極に流
   れる高圧電流を放電により流す微小ギャップを形成した
   ことを特徴とする点火プラグ。
5. 【請求項５】 内燃機関の燃焼室内で混合気が燃焼する
   際に発生するイオン電流を検出する手段として兼用する
   点火プラグにおいて、 接地電極のうちの火花放電部以外の部分を絶縁層で被覆
   したことを特徴とする点火プラグ。