JPS593693B2 - ドウサチユウノテンカプラグノ オンドソクテイソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は温度の測定に係るものであり、特定的には内燃
機関内において動作中の点火プラグの温度を測定する改
良された装置に係るものである。

火花点火式内燃機関の設計者及び点火プラグ製造業者は
機関内の火花ギャップ附近において動作中の点火プラグ
の絶縁体ノーズの温度を知りたい場合が多い。絶縁体ノ
ーズの温度は、点火プラグの熱範囲が機関に正しく整合
しているか否かを表わしているので重要である。絶縁体
点火チップ即ちノーズの温度が低過ぎると炭素堆積物が
累積して終には点火プラグがよごれてしまう。もし絶縁
体点火チップの温度が高過ぎると正常の火花点火よりも
前に燃料チャージが点火してしまう「早め点火」を起す
ようになる。点火プラグ絶縁体ノーズの実際の温度は種
々の要因によつて制御されるが、その第１のものは熱伝
導座から絶縁体の端までの絶縁体点火チップの長さであ
る。温度はまた機関速度の関数として変化し、速度が増
すと温度が上昇する。従つて点火プラグは、アイドリン
グ即ち機関が最低速度の時に絶縁体点火チップが自己清
浄温度以下で作動することなく、また最高速度において
早め点火を生じさせないように機関に整合させなければ
ならない。絶縁体点火チップの典型的な動作温度範囲は
約３７０〜９５５℃（７００〜１７５０範Ｆ）である。
従来点火プラグの動作温度は、火花ギヤツプ附近の絶縁
体点火チツプの表面に熱電対を埋込むことによつて測定
していた。

電線が中心電極と共に絶縁体の中心に設けられている孔
を通り、絶縁体の上端に設けられている端子に接続され
ている。これらの端子は、点火プラグの動作温度を指示
するパイロメータに接続される。点火プラグの動作温度
を測定するための従来の熱電対点火プラグを用いると重
大な問題を生ずる。

その主源は点火プラグの中心電極に接続されている高電
圧点火系である。典型的な点火系では、燃料・空気混合
体に点火する火花を得るために点火ブラグの中心電極に
は６０００〜２００００ボルトの電圧を印加する。熱電
対のリードは中心電極と共に点火プラグの絶縁体内の孔
を通つているから、リードを接地電位にすることはでき
ず、もし接地すればアークが発生するようになる。従つ
て熱電対及びこれに接続されているパイロメータの電位
を中心電極の電圧レベルにして接地電位より浮かせてお
く必要があつた。熱電対及びパイロメータを点火電圧レ
ベルに浮かせてあるので、テープ或はチヤート記録計の
ような他の機器を熱電対出力に接続することはできない
。これは運転手或は操従者が機関速度及びパイロメータ
で観察した動作温度のようなデータを記録しなければな
らないことを意味している。しかし手動でデータを記録
することが常に好都合であるとは限らない。例えばレー
ス中のオートバイの速度は１６０〜２００キロメートル
／時（１００〜１３０マイル／時）にも達する。このよ
うな状態の下では運転手は点火プラグの動作に関する温
度データを記録することはできない。しかし点火プラグ
の高速動作を評価するにはこのデータこそ重要なのであ
る。従つて点火ブラグが動作している時にその温度を自
動的に記録する装置が望まれていた。点火プラグの温度
を監視する従来の熱電対点火プラグ回路は、電子式燃料
注入方式の近代的機関に対しても問題を伴なつている。

火花点火式内燃機関から大気公害を最低にする１つの方
法は、ありきたりのキヤプレタ一を燃料注入方式に替え
ることである。近代的機関ではこれらの方式は通常電子
回路によつて制御されている。点火中、相当の高周波放
射がパイロメータ及び熱電対点火プラグに接続されてい
る電線から発生する。この放射は燃料注入を制御してい
る電子制御回路の正常動作に妨害を与える恐れがある。
このような状態の下では、機関は回転したとしても正し
い回転はしていない。熱電対点火プラグに接続されてい
る電線及びパイロメータもまた容量性負荷であるために
機関点火系の動作に悪影響を与えている。本発明によれ
ば内燃機関内で作動している点火プラグの温度を測定す
るための改良された装置が提供される。本装置は点火プ
ラグ絶縁体の表面に埋込まれている熱電対及びテープ或
はチヤート記録計のような機器を接地電位から浮かすこ
となく使用できるようにする点火電圧分離回路を含んで
いる。点火電圧分離回路は電気的な放射を最低にするた
めに熱電対点火プラグ附近に位置ぎめすることができる
。熱電対からの低電圧直流出力は分離回路内において増
巾され、電圧制御発振器（ＣＯ）を制御するのに用いら
れる。ＶＣＯ自体は、点火ブラグの温度に依存する周波
数で光を放出させるように光源を励振する。装置のこの
部分だけが点火電圧レベルにあつて接地電位から浮いて
いる。この脈動光は光電検出器によつてピツクアツブさ
れ、メーターを駆動するのに用いられる。またこの信号
を記録して、後刻メーター或は他の機器を駆動するのに
用いてもよい。点火プラグの点火に付随する高電圧スパ
ーク放電は点火プラグ電極と熱電対との間の漂遊容量を
通して熱電対に電圧を生じさせ、この誘導電圧は点火ブ
ラグ温度の関数として変化する直流電圧に比して大きい
。メーターを駆動する前に、光電検出器からの信号はフ
エーズロツクドループ（ＰＬＬ）を通し、高電圧点火パ
ルスが点火プラグの中心電極に印加された時に熱電対か
らの信号が前記の誘導電圧により一時的に消されても一
定の出力周波数を維持するようにすることが好ましい。
高電圧と点火プラグ近辺に位置している回路とを分離し
ておくと幾つかの長所が得られる。

電圧分離によつて、高速で駆動されている例えばオート
バイ或は他の装置において温度の読みを記録する計録計
を用いることができる。第２に、高電圧回路からの高周
波放射は、燃料注入回路の動作に妨害を与えることなく
電子制御燃料注入式機関において温度の読みを得ること
ができる程度まで最低下される。また点火系の不要の容
量性負荷も最低になる。更に別の長所は、各点火プラグ
を別々の電圧分離回路に接続すれば、１台の機関内の若
干の熱電対点火プラグを同時に作動させ得ることである
。このようにした場合メーター、記録計或は他の機器を
異なる点火プラグに選択的に切替えるのに低電圧スイツ
チを用いることができる。従つて本発明の主目的は、点
火プラグを内燃機関内で作動させながら火花ギヤツブ附
近の絶縁体点火チツプの温度を測定するための改良され
た装置を提供することである。本発明の別の目的は、熱
電対点火プラグと共に用いるようになつていて高電圧点
火パルスを分離するための改良された回路を提供するこ
とである。

本発明の更に別の目的は、熱電対点火ブラグと共に用い
るようになつていて熱電対電圧が点火電圧によつて一時
点に消されても連続的な出力を発生する温度指示回路を
提供することである。以下に添附図面を参照して本発明
の実施例を説明するが、この説明から本発明の他の目的
及び長所が明白になるであろう。第１図に示すように熱
電対点火プラグ１０は点火電圧分離回路１１に接続され
ている。

点火プラグ１０は熱電対１２が取付けてあることを除い
て、ありきたりの設計のものでよい。点火ブラグ１０は
金属シエル１３を含んでおり、シエル１３の下端１４に
は内熱機関のシリンダーヘツドと係合するためのねじが
切つてある。セラミツク絶縁体１５がシエル１３の中に
取付けられている。中心電極１６が絶縁体１５を通る内
部孔（図示せず）を通つて伸びていて絶縁体ノーズ即ち
点火チツブ１７から突出ており、シエル下端１４に取付
けられている接地電極１８と共に火花ギヤツプを作つて
いる。高電圧端子２０を有するコネクタ１９が絶縁体１
５の上端２１ＶＣ取付けられている。中心電極１６に接
続されている高電圧端子２０は、機関の点火系（図示せ
ず）への接続のための手段になつている。熱電対１２は
絶縁体点火チツプ１７の表面に埋込まれている。

熱電対１２はありきたクの設計のものであつて、２つの
異なる金属或は合金の間の接合からなつている。異なる
金属とは、例えば接合の一方の側が白金であり、他方が
白金及び１０％ロジウムの合金である。熱電対接合の２
つの側は絶縁された電線（図示せず）によつてコネクタ
１９上の一対の端子２２ＶＣ接続されている。これらの
電線は中心電極１６と共に絶縁体１５内の中心孔を通し
てある。前例のような金属で作られている熱電対１２は
、接合が９３．３℃（２００てＦ′）に加熱されると約
０．６ミリボルトの直流電圧を発生し、９８２．２℃（
１８０００Ｆ）に熱せられると約９．５ミリボルトの直
流電圧を発生する。一対の端子２２にまたがつて現われ
るこの電圧は点火電圧分離回路１１１ｆＣ印加される。
点火電圧分離回路１１の中の演算増巾器２３はこの熱電
対電圧を増巾してＶＣＯ２４を駆動するのに充分なレベ
ルにする。ＶＣＯ２４の出力周波数は増巾器２３からの
入力電圧に依存し、従つて熱電対１２を熱している温度
に依存する。熱電対１２が検知した温度を指示させるた
めに、ＶＣＯ２４は、好ましくは、その出力周波数が検
知した温度を直接表わすように較正しておく。

例えば、もし熱電対１２が検知する温度が約１５０〜１
２００℃（３００〜２２０００Ｆ）の範囲であるならば
、ＶＣＯ２４の出力周波数が１５０〜１２００Ｈ２、或
は１５００〜１２００Ｈ２であるようにする（華氏で表
示する場合には３００〜２２００Ｈ２或は３０００〜２
２０００Ｈ７，とする。以下同じ）。これら２つの周波
数範囲の中の高い方を用いると、装置の精度が上がる。
従つて以下の説明ではＶＣＯ２４の出力は１５０〜１２
００℃の温度変化に対応して１５００〜１２０００Ｈ２
の周波数になるものとする。ＶＣＯ２４からの出力は脈
動光を得るために発光ダイオード（ＬＥＤ）２５のよう
な光源を励振するのに用いられる。しかし、ＶＣＯ２４
の出力周波数に追随できる他の光源を用いても差支えな
い。ＬＥＤ２５から放出される光は光路２６を通してフ
オトトランジスタ２７のような光電検出器に伝送される
。フオトトランジスタ２７はＬＥＤ２５からの脈動光出
力と同一周波数の出力２８を発生する。高電圧に対する
絶縁が光路２６によつて与えられている。増巾器２３、
ＣＯ２４及びＬＥＤ２５は接地電位から浮かして、点火
ブラグ１０の中心電極１６から絶縁体１５内の中心電極
用孔を通つている熱電対のリードにアークが飛ぶのを防
ぐようにすることができる。ＬＥＤ２５とフオトトラン
ジスタ２７との間を効率的に結合Δせるために、光路２
６内には適当な光案内を用いる。光案内は、例えば単一
の或は束にしたフアイバ一光学パイプとすることができ
る。点火電圧分離回路１１は、好ましくは、点火プラグ
１０附近に取付ける。

コネクタ１９上の熱電対端子２２と点火電圧分離回路１
１との間の接続線の長さを短かくすると、機関の点火系
の容量性負荷が小さくなり、また高電圧点火パルスに起
因する電気的放射も少なくなる。従つて機関の動作に影
響を与えることなく電子的に制御されている燃料注入系
を有する乗物に熱電対点火ブラグ１０を使用できるよう
になる。点火電圧分離回路１１の別の長所は、多シリン
ダ機関に若干の熱電対点火ブラグ１０を用いてそれぞれ
を別々の点火電圧分離回路１１に接続できることである
。このようにした場合には、機関が作動中にこれらの点
火電圧分離回路１１からの出力２８を選択的にメーター
に接続することができる。第２図のプロツクダイアグラ
ムは、内燃機関内で作動している複数の点火プラグの温
度を選択的に監視する装置３０である。

スイツチ３１は、内燃機関内の熱電対点火プラグに接続
されている１つ或はそれ以上の点火電圧分離回路１「の
１つに装置３０を選択的に接続する。接続された点火電
圧分離回路１「の出力２８″は増巾器３２を通してＰＬ
Ｌ３３に印加される。ＰＬＬ３３は、接続された点火電
圧分離回路１１５からの（増巾された）パルス列”と同
一周波数の電気的にきれいな出力パルス列を発生する。
更ＶＣＰＬＬ３３は、接続された点火プラグの中心電極
に点火電圧パルスが印加される時に生ずるパルス列の空
隙を埋める。前述のように点火電圧分離回路１「からの
パルス列の周波数、従つてＰＬＬ３３の出力周波数は、
接続された点火ブラグの熱電対が検知した温度の１０倍
に較正されている。即ちもし熱電対が検出する温度が１
５０〜１２００℃の範囲内であればＰＬＬ３３の出力周
波数は１５００〜１２０００Ｈ２の範囲である。ＰＬＬ
３３の出力は分周器３４に印加される。分周器３４は周
波数を１／１０に逓減して端子３５に１５０〜１２００
Ｈ２の周波数の出力信号を供給する。端子３５上の信号
の周波数は接続された点火プラグの温度と同一であるか
ら、温度を決定するのにありきたりのデイジタル周波数
計数器３６を用いること力珂能となる。デイジタル周波
数計数器３６は一般にパルス計数器３７、クロツク兼計
数器制御回路３８及び出力レジスタ３９を備えている。
分周器３４の出力端子３５はスイツチ４０を通してパル
ス計数器３７のクロツクパルス入力に接続されている。
クロツク兼計数器制御回路３８はパルス計数器３７を周
期的にクリアさせたり、スタートさせたりして端子３５
上のパルスを計数させる。この場合には１秒間の測定時
間が経過すると、パルス計数器３７に計数されたパルス
の数が出力レジスタ３９に蓄積される。この数は端子３
５上の信号の周波数に一致し、従つて接続された点火プ
ラグの温度にも一致している。レジスタ３９に蓄積され
た数は、ありきたりの設計のデイジタルデイスプレイ４
１に印加される。デイジタルデイスプレイ４１は、０〜
９９９９の範囲の温度を選択的に表示できる例えば４個
の７セグメント指示器からなつている。しかし、実際上
はデイジタルデイスプレイ４１には１５０〜１２００℃
の範囲の温度だけを指示させるようになつている。約１
５０℃（３０００Ｆ）以下では接続された点火プラグに
取付けられている熱電対の出力が非線形になつてしまう
。

更に内燃機関内で作動している点火プラグの絶縁体点火
チツブの温度は、燃焼が高温で行なわれるために、常に
１５０℃以上になつている。従つて熱電対が１５０℃以
下である場合には誤つた温度を表示させないようにする
ために、デイジタルデイスプレイ４１を禁止させる回路
を設けてある。スイツチ４０を通つた端子３５からのパ
ルス信号はパルス計数器３７に供給される他に、周波数
・電圧変換器４２ＶＣも供給される。周波数．電圧変換
器４２は、端子３５上の信号の周波数に比例し従つて接
続された熱電対が検知した温度に比例する直流出力レベ
ルを発生する。この直流電圧はしきい値電圧検出器４３
に印加される。しきい値電圧検出器４３は、変換器Ｑか
らの電圧レベルが１５０℃ の温度に対応したことを検
知するように較正されている しきい値電圧検出器４３
が１５０℃以下の温度に対応する電圧レベルを検出する
と、端子４４に信号が供給されて低温限界外指示灯４５
が点灯し、またデイジタル周波数計数器３６が禁止され
てデイスプレイ４１が消灯する。しきい値電圧検出器４
３が１５０℃以上の温度に対応する電圧を検出するｈ１
低温限界外指示灯４５が消灯し、ディジタル周波数計数
器３６が活動し始める。若干の場合には点火プラグの温
度データを記録したいかもしれない。

従つて分周器３４の出力端子３５ＶＣ直接テープレコー
ダ４６を接続できるようにしてある。端子３５上の信号
が１５０〜１２００Ｈｚの範囲であるように設計されて
いるから、可聴周波数範囲であることは明白である。従
つて後刻使用のために、信号は直接磁気テープ上に記録
することができる。この場合試験中の機関或は乗物上に
はテーブレコーダ４６の他には点火電圧分離回路１１、
増巾器３２、ＰＬＬ３３及び分周器３４だけを搭載すれ
ばよい。後刻記録されたテープを再生し、分析すること
ができる。この時点ではテープレコーダの出力はスイツ
チ４０を通してデイジタル周波数計数器３６及びデイジ
タルデイスプレイ４１に接続して分析すればよい。別の
データをテーブの第２のチヤンネルに記録するように、
テープレコーダ４６にマイクロフオン４７を接続しても
よい。例えば、もし競走中のオートバイの点火プラグの
動作を試験するのであれば、マイクロフオン４７は運転
手のヘルメツトに取付ければよい。このようにすれば運
転手は別のデータをテープレコーダ４６によつて磁気テ
ーブに記録することができる。例えば運転手がその速度
を周期的に吹込んでもよい。また例えば丘を上つている
というようなオートバイに対する負荷状態の変化を記録
してもよい。後刻テープを再生する時にこの情報は点火
プラグの性能の分析或は機関内の燃焼の解析に用いるこ
とができる。勿論端子３５は、変換器４２と類似の周波
数・電圧変換器（図示せず）を通して例えばチヤート記
録計或はメーターのような他の機器に接続することも可
能である。或はまた端子３５をデータ収集システムに接
続して、道路負荷或は速度対温度曲線を自動報告及び自
動作図させることもできる。第３図はＰＬＬ（フエーズ
ロツクドループ）３３のプロックダイアグラムである。

周波数コンパレータ５０は点火電圧分離回路１１からの
増巾された信号の周波数とＰＬＬ３３自体の出力の周波
数を比較する。周波数コンパレータ５０の出力は低域通
過フイルタ５１を通してコンデンサ５２クを充電する。

もし周波数コンパレータ５０への入力周波数とＰＬＬ３
３の出力周波数が一致していればコンデンサ５２の電荷
は一定である力ζ比較された信号の周波数にずれがある
とそのずれの大きさ及び方向によつてきまる速度と方向
に増減する。コンデンサ５２にまたがる電圧は電圧・周
波数変換器５３の出力周波数を制御するように印加され
る。変換器５３の出力信号は周波数コンパレータ５０及
び第２図の分周器３４ＶＣ．印加される。低域通過フイ
ルタ５１はコンデンサ５２の充電或は放電速度を制限す
る。従つて高電圧点火パルスが点火プラグに印加されて
いる間、接続された点火電圧分離回路１１からの増巾さ
れた入力信号が一時的に消されても、コンデンサ５２の
電荷はほぼ一定に保たれて出力周波数をほぼ一定に保つ
ようになる。内燃機関内で作動している点火プラグの絶
縁体ノーズの温度を測定するための上述の装置は多くの
変更が可能であることは勿論である。

例えば動作周波数及び熱電対が検知した温度を指示する
ためのメーターの型は容易に変更できるであろう。更に
ＬＥＤ２５及びフオトトランジスタ２７も他の等価回路
素子であつても差支えない。その他種々の変更も本発明
の範囲から逸脱していないものと理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は低電圧熱電対付き点火プラグと、点火電圧分離
回路とを一部プロツクダイアグラムで示す図であり、第
２図は熱電対付き点火ブラグの温度を選択的に記録した
り或は指示したりするメーター回路のプロツクダイアグ
ラムであり、そして第３図は熱電対出力が高電圧点火パ
ルスによつて一時的に消された時に温度信号を維持する
ためのフエーズロックドループのプロツクダイアグラム
である。 １０：点火プラグ、１７：絶縁体点火チツプ、１２：熱
電対、２４：電圧制御発振器手段、２５：脈動光放出手
段、２７：光電検出手段、３６，４１：温度指示手段、
３３：フエーズロツクドループ、３７：パルス計数器、
３９：蓄積手段、１１：点火電圧分離手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 点火プラグを点火するため高電圧点火パルスを周期
   的に加える点火装置を含む運転中の内燃機間内で点火プ
   ラグが作動しているときに点火プラグの温度を測定する
   装置において、点火プラグの温度の関数として変化する
   直流電圧を発生して点火プラグの温度を測定する熱電対
   、熱電対の直流電圧に応答して制御される周波数を有す
   る第１の信号を発生する電圧制御発振器、前記の第１の
   信号に応答して前記の制御された周波数で脈動する光を
   放出する手段、この光放出手段と前記の発振器とから電
   気的に絶縁されていて、放出された光に応答して前記の
   制御された周波数を有する第２の信号を発生する光電検
   出手段、高電圧点火パルスの印加毎に点火装置から伝え
   られる信号により第１の信号が一時的に消されても第２
   の信号が中断しないようにするため前記の光電検出手段
   に接続されたフエーズロツクドループおよびこのフエー
   ズロツクドループに接続され、連続している第２の信号
   に応答して前記の熱電対により測定された温度を指示す
   る手段を備える動作中の点火プラグの温度測定装置。