JP3794158B2

JP3794158B2 - Glow plug for ion current detection

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Publication number: JP3794158B2
Application number: JP07787498A
Authority: JP
Inventors: 泰司小山; 博之村井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-03-25
Filing date: 1998-03-25
Publication date: 2006-07-05
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: JPH11270849A

Description

【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の機能に加えて、イオン電流が検出できるイオン電流検出用グロープラグに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン電流検出用グロープラグ（以下、グロープラグという）として、本出願人は、先に、特願平９−５６２４１号にて、図１１に示すようなものを提案している。
このグロープラグ１００はハウジング（取付金具）８５を有し、ハウジング８５に形成された雄ねじ部８６及び六角部８７によって、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに取付けられ、燃焼室内に一部が晒されるように設置される。
【０００３】
また、このグロープラグ１００は上記燃焼室内一部が晒されるセラミック発熱部８０を有する。このセラミック発熱部８０は、一対のリード線８０ａ、８０ｂ、９０ａ、９０ｂによって通電加熱されるＵ字状の発熱体８１と、この発熱体８１を埋設する耐熱性絶縁体８２と、この発熱体８１に一体成形され電気的に接続されたイオン検出用電極８３とを有する。なおリード線８０ａ、８０ｂは、それぞれ導電性チップ９１ａ、９１ｂを介してリード線９０ａ、９０ｂに接続されている。
【０００４】
このイオン検出用電極８３は、その一部が上記燃焼室内で発生する火炎に晒され、その火炎中のイオン化の状態（イオン電流）を検出するようになっている。そして、イオン検出用電極８３は、その大部分が耐熱性絶縁体８２に埋設されているため、ハウジング側（アース側）に対して導通される可能性は少なく、正確なイオン検出を可能とすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等の検討の結果、上記図１１のようなハウジング８５から延出する一対のリード線９０ａ、９０ｂの構造においては、さらに以下のような問題があることが見出された。
▲１▼リード線９０ａ、９０ｂと外部接続端子部（図示せず）との接続はコネクタ（図示せず）を用いるため、接触抵抗が増加する等の接続信頼性が劣り、微小電流（例えば数μＡ）であるイオン電流を検出するには問題がある。
【０００６】
▲２▼リード線９０ａ、９０ｂがハウジング８５から延びているため、エンジンのシリンダヘッドへのグロープラグ１００の取付け、取り外しが困難である。
▲３▼エンジンの各気筒（例えば４気筒）にグロープラグ１００が装着されるので、電源側の接続のためのリード線９０ａ、９０ｂが多数となり接続が煩雑となる。又、リード線は引抜き強度が弱いため、取付け取り外し時に断線しやすい。
【０００７】
本発明者等は、これら▲１▼〜▲３▼の問題に対して、リード線と外部接続端子部との接続信頼性向上、プラグの取付け取り外し性向上、リード線の接続性向上を図るため、リード線９０ａ、９０ｂのかわりに図１０に示すようなイオン電流検出グロープラグ２００を試作した。
これは、ハウジング２の他端側内部に保持された筒状の金属製チューブ（リード管）１３と、このチューブ１３内に絶縁して保持された中軸１４とからなる軸体を備え、中軸１４をプラス（＋）側端子部、リード管１３をマイナス（−）側端子部とし、それぞれを、外部接続端子部である２つのコネクタティングバー２２ａ、２２ｂに固定接続する構造としたものである。
【０００８】
そして、このような構造とした場合、発熱体７からの一対のリード線（電極）９ａ、９ｂと上記軸体とは離れているため、少なくとも一方のリード線は、更にハウジング２内に配設したリード線（導電性線材）を介して、チューブ１３もしくは中軸１４に電気的に接続する必要がある。
すなわち、本試作品では、中軸１４とリード線９ａとは、中軸１４とセラミック発熱部６とを接続する金属製キャップ１１を介して電気的に接続され、一方、チューブ１３とリード線９ｂとは、耐熱性絶縁体８の外周に設けられた金属製キャップ１２及び導電性線材１７を介して電気的に接続されている。
【０００９】
ここで、導電性線材１７はハウジングとの絶縁を確保するため、絶縁部材（例えば碍子管）１８にて被覆する必要がある。特に、本試作品のように、導電性線材１７が、上記軸体とハウジング２との狭い隙間に介在されている場合には、絶縁部材１８による被覆は有効である。
しかし、この試作品であるグロープラグ２００に基づいて、本発明者等が検討を行ったところ、外部振動等により絶縁部材１８がハウジング２に接触したり離れたりすることを繰り返すため、ハウジング２内壁と導電性線材１７間の静電容量が変動し、イオン電流波形の着火時期（後述する図８のＡ点）が変動し精度が出ないという不具合が生ずることがわかった。
【００１０】
本発明は上記問題点に鑑みて、外部接続端子と接続されるためのリード管と発熱体からの電極とを、ハウジング内に配設された導電性線材により電気的に接続するイオン電流検出用グロープラグにおいて、導電性線材を被覆する絶縁部材がハウジングに接触したり離れたりするのを防止することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記図１０の試作品について、本発明者等は、更に鋭意検討を進めた。その結果、絶縁部材が導電性線材に対してフリーであり、絶縁部材が導電性線材に対してがたつくため、絶縁部材がハウジングに当たったり離れたりすることがわかった。そして、絶縁部材とハウジングとを、接触状態、または離れた状態（非接触状態）のどちらかを維持する構成とすれば、上記静電容量が変化しないのではないかと考えた。
【００１２】
請求項１ないし請求項５記載の発明は、このような考えに基づいてなされたものである。
すなわち、請求項１記載の発明においては、絶縁部材（１８）が導電性線材（１７）に対して動きが抑制されていることを特徴としている。それによって、絶縁部材（１８）が導電性線材（１７）に対してがたつかないため、絶縁部材（１８）とハウジング（２）とを、接触状態または非接触状態に維持することができるので、ハウジング（２）内壁と導電性線材（１７）間の静電容量が変動しない。従って、イオン電流波形の着火時期が固定され、良好な検出精度を実現するイオン電流検出用グロープラグを提供できる。
【００１３】
ここで、絶縁部材（１８）の導電性線材（１７）に対する動きの抑制は、請求項２記載の発明のように、導電性線材（１７）に絶縁部材（１８）を固定する係止部（１７ａ）を設けたり、請求項３記載の発明のように、両者を固着する接着部材を用いたり、請求項４記載の発明のように、絶縁部材（１８）を絶縁性且つ接着性を有する材料からなるものとし、導電性線材（１８）に一体化、固定したものとすることで達成できる。
【００１４】
また、請求項５記載の発明では、一対の電極（９ａ、９ｂ）のうち一方の電極（９ｂ）を、耐熱性絶縁体（８）に設けられた端子金具（１２）を介して導電性線材（１７）と電気的に接続するから、線材同士を接続する場合に比べて溶接等による接続作業が簡便とできる。
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。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。本実施形態は、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（以下、単にグロープラグという）に本発明を具体化したものとして説明する。
つまり、本実施の形態のグロープラグは、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（後述の渦流室３２）に設けられるものであって、その一部が燃焼室内に晒されるようになっている。
【００１６】
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。
次に、図１ないし図３の説明図を用いて本実施形態に係るグロープラグを具体的に説明する。図１は本実施形態に係るグロープラグ１の全体構成を示す図である。なお、本実施形態は、上述の図１０に示す試作品のグロープラグ２００において、後述の図３に示す様に、導電性線材１７及び絶縁部材１８に係る部分の構成のみを変えたものであり、それ以外の構成については、上記試作品と同様である。そこで、図１と図１０において、同一部分については図中同一符号を付してある。
【００１７】
図１において、グロープラグ１は略円筒状をなす導電性材料からなる（例えば金属製）ハウジング２を有している。このハウジング２の外周面には、グロープラグ１を後述するシリンダヘッド３０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。また、ハウジング２の一端側（図１の下方側）内部には円筒状をなす金属（例えばステンレス）製のスリーブ５が、ロウ付け等により保持されている。
【００１８】
また、スリーブ５内部には、セラミック発熱部６が設けられている。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、発熱体７に一体成形されたイオン検出用電極１０と、発熱体７の両端に接続されると共に耐熱性絶縁体８に埋設された２本のタングステン（Ｗ）リード線（以下、Ｗリード線という）９ａ、９ｂとから構成されている。この一対のＷリード線９ａ、９ｂは、発熱体７を通電加熱するための一対の電極に相当する。
【００１９】
ここで、発熱体７は、その大部分が耐熱性絶縁体８内に埋設され、強固に保持されており、耐熱性絶縁体８は、スリーブ５に固定保持されている。こうして、セラミック発熱部６は、スリーブ５を介してハウジング２の一端側内部に保持される。
また、図２はセラミック発熱部６の要部拡大図を示すものであるが、発熱体７先端に形成されたイオン検出用電極１０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１０とは一体的に成形されているため、両部材７、１０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（燃焼室）３２（図２の破線部）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。
【００２０】
ここで、セラミック発熱部６の発熱体７、イオン検出用電極１０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、且つ配合割合を同一にした燃焼体により構成されている。
【００２１】
但し、発熱体７及びイオン検出用電極１０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１０と、耐熱性絶縁体８とを作り分けるようにしている。
【００２２】
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１０では、小径のＭｏＳｉ2 粉末（導電性セラミック粉末）が大径のＳｉ3 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１０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）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。
【００２３】
ところで、図１に示す様に、各Ｗリード線９ａ、９ｂはセラミック発熱部６の上部の耐熱性絶縁体８の径小部において、一端が裸出している。また、この耐熱性絶縁体８の径小部の外周には、２つの金属円筒管状のキャップ１１、キャップ（端子金具）１２が設けられている。そして、各Ｗリード線９ａ、９ｂは上記裸出部位において、それぞれキャップ１１、キャップ１２に銀ロウ材によって電気的に接続されている。
【００２４】
また、スリーブ５、セラミック発熱部６、キャップ１１、キャップ１２は銀ロウ材によってロウ付けされている。
一方、ハウジング２の他端側（図１の上方側）内部には、筒状の金属製（例えばステンレス製）のチューブ（リード管）１３が保持されている。そしてチューブ１３の内部には、金属製の中軸１４がチューブ１３とは絶縁して保持されている。これらは、検出電流の取り出しにおいてグロー側端子電極を構成するものであり、中軸１４がプラス（＋）側端子電極、チューブ１３がマイナス（−）側端子電極として構成される。
【００２５】
これらチューブ１３及び中軸１４は、両者の間にマグネシア等の絶縁粉末を充填して、チューブ１３をスウェージングにより絞り、チューブ１３と中軸１４とが一体化した軸体を形成する。そして、チューブ１３外周をハウジング２の他端側内部に直接、低融点の鉛ガラス１５で固定する。鉛ガラス１５の前後にはチューブ１３の芯出しのためアルミナリング１６が設置される。
【００２６】
また、チューブ１３のキャップ１１側は、ハウジング２との間隔を大きくして絶縁性を確保するため径小であり、その先端部は、後述のニッケル（Ｎｉ）リード線（導電性線材）１７の溶接作業を容易とするため、外周面が軸と平行なストレート部１３ａを形成している。
そして、耐熱性絶縁体８にロウ付けされたキャップ１１を、中軸１４に挿入して８点カシメすることにより、セラミック発熱部６と中軸１４は電気的に接続し、且つ固定される。従って、一方のＷリード線９ａはキャップ１１を介して中軸１４に電気的に接続される。
【００２７】
次に、他方のＷリード線９ｂとチューブ１３との接続構成、すなわち本発明の要部であるＮｉリード線（導電性線材）１７及び碍子管（絶縁部材）１８に係る部分の構成について、図３に示す拡大構成図も参照して説明する。
他方のＷリード線９ｂは、キャップ（端子金具）１２を介して、Ｎｉリード線１７と電気的に接続されている。ここで、Ｎｉリード線１７は、ハウジング２内において、上記軸体とハウジング２との間に配設され、両端部が、それぞれキャップ１２及びチューブ１３のストレート部１３ａに抵抗溶接されている。
【００２８】
このＮｉリード線１７の外周は、絶縁部材である碍子管１８にて被覆され、Ｎｉリード線１７とハウジング２との絶縁を確保するようになっている。ここで、図３に示す様に、Ｎｉリード線１７において、碍子管１８の両端部に対応した部位には、碍子管１８の内径より大きく突出した凸部（係止部）１７ａが形成されている。
【００２９】
ここで、本例では、Ｎｉリード線１７はφ０．６ｍｍのＮｉ線であり、碍子管１８は外径φ１．３ｍｍ、内径φ０．６ｍｍ、長さ１５ｍｍの円筒管であるが、Ｎｉリード線１７が碍子管１８に挿入可能なように、両者は寸法公差を持つ。また、Ｎｉリード線１７は他の導電性を有する線材で置き換えてもよいことは勿論である。
【００３０】
この凸部１７ａによって、碍子管１８は両端部にてＮｉリード線１７に係止され、Ｎｉリード線１７に対して動きが抑制されるように固定されており、両者が実質的に一体化したリード部１９を構成している。なお、上記図１０に示す試作品においては、Ｎｉリード線１７には凸部１７ａがなく、碍子管１８はＮｉリード線１７に対してフリーになっている。
【００３１】
かかる構成のリード部１９は、例えば、碍子管１８にＮｉリード線１７を挿入した後、Ｎｉリード線１７を工具等を用いて潰して変形する等により凸部１７ａを形成し、Ｎｉリード線１７の両端部を、それぞれキャップ１２及びチューブ１３のストレート部１３ａに抵抗溶接することで形成できる。なお、上記形成手順のうち、順序は適宜変更可能である。
【００３２】
ところで、図１に示す様に、ハウジング２の一端側（図１の上方側）外部からは、チューブ１３及び中軸１４からなる軸体の一端が露出している。この露出部分において、チューブ１３の外周には金属製のリング状の端子板２０が設けられている。
この端子板２０はチューブ１３と圧入により固着されており、ハウジング２と端子板２０との間には、両者を絶縁するためのリング状の絶縁板２１が設置されている。そして、端子板２０はチューブ１３と電気的に接続されており、両者は、検出電流の取り出しにおいてグロー側端子電極（−側）を構成する。
【００３３】
本実施形態のグロープラグ１は、以上の構成よりなる。ここで、グロープラグ１が接続される外部接続端子部であるコネクティングバー２２ａ、２２ｂは、良導電性のアルミからなる接続板である。そして、コネクティングバー２２ａはグロー側端子電極（＋側）となる中軸１４と、コネクティングバー２２ｂはグロー側電極（−側）となる端子板２０に電気的に固定される。
【００３４】
具体的には、各コネクティングバー２２ａ、２２ｂには穴が形成されており、図１に示す様に、この穴にグロープラグ１を挿入できるようになっている。図示例では、両コネクティングバー２２ａ、２２ｂの間に、フェノール樹脂等からなる耐熱絶縁樹脂２３と金属クッションバネ２４とアルミ等からなる金属ケース２５とからなるインシュレータ２６を介在させ、座付ナット２７にて締結することで、グロープラグ１とコネクティングバー２２ａ、２２ｂは固定されており、接触圧力を適正に保持でき接触抵抗の信頼性を更に向上させている。
【００３５】
なお、このコネクティングバー２２ａ、２２ｂは、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド３０近傍に配置され、エンジンの気筒数に応じた数のグロープラグ１を配設できるようになっている（図４参照）。
従って、グロープラグ１とコネクティングバー２２ａ、２２ｂとの電気的接続は次のようになっている。すなわち、発熱体からのＷリード線９ａは、キャップ１１、中軸１４、コネクティングバー２２ａ（以上、＋側）の順に接続され、Ｗリード線９ｂは、キャップ１２、Ｎｉリード線１７、チューブ１３及び端子板２０、コネクティングバー２２ｂ（以上、−側）の順に接続されている。
【００３６】
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４ないし図６を用いて説明する。なお、図５、図６は共に、本実施形態におけるイオン電流検出システムの概要を示す構成図である。このうち図５は、グロープラグ１（発熱体７）の加熱状態、即ちエンジン始動時における燃料の着火及び燃焼を促進するための状態を示し、図６は、燃料燃焼に伴うイオン電流をグロープラグ１により検出する状態を示す。
【００３７】
本実施形態は、多気筒エンジンにイオン電流検出装置を適用した例を説明するものであり、当該エンジンは＃１気筒〜＃４気筒までの４つの気筒を有する。そして、図４に示す様に、各気筒にそれぞれ本実施形態のグロープラグ１が配置される。
各気筒のグロープラグ１は、いずれも発熱体７の一部が耐熱性絶縁体８から露出した構成を有しており、この露出部位を含むセラミック発熱部６の一部が、渦流室３２内に晒されている。図４では、セラミック発熱部６と渦流室３２との位置関係は＃４気筒のみ図示してあるが、＃１気筒〜＃３気筒においても図示しないが同様である。
【００３８】
ここで、ディーゼルエンジンのシリンダヘッド３０にはねじ孔３１が形成されており、このねじ孔３１にグロープラグ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３０に螺着する際には、上記六角部４を所定の工具に挟み、同プラグ１の雄ねじ部３をねじ孔３１にねじ入れるようにする。
そして、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３０に形成された渦流室３２に突出配置されている。この渦流室３２にはピストン３３上部に設けられた主燃焼室３４が連通されており、渦流室３２は燃焼室の一部をなす。渦流室３２には燃料噴射ノズル３５の先端部が配設されており、この燃料噴射ノズル３５から渦流室３２内に燃料が噴射されるようになっている。
【００３９】
コネクティングバー２２ａ、２２ｂは、各気筒にそれぞれグロープラグ１をねじ止めした後、グロープラグ１に組付けられ、上述のようにインシュレータ２６及び座付ナット２７によって締結することで配設される。
こうして、各グロープラグ１の中軸１４（＋側）は、それぞれ、コネクティングバー２２ａを介して、いずれも、後述の切替スイッチ４２の端子４２ａに接続される。一方、各グロープラグ１のチューブ１３側（つまり端子板２０（−側））はコネクティングバー２２ｂを介して、いずれも、後述の切替スイッチ４３の端子４３ａに接続される。
【００４０】
次に、上記切替スイッチ４２、４３等からなるスイッチ回路４１を含むイオン電流検出装置の回路構成について図５及び図６を参照して述べる。なお、図５及び図６では、便宜的に、図４のうち＃４気筒のグロープラグ１におけるイオン電流検出装置の回路側との接続構成を図示してある。
実際には、図５及び図６においても、＃４気筒のグロープラグ１は、＃１気筒〜＃３気筒の各グロープラグ１と、図４に示す様にコネクティングバー２２ａ、２２ｂを介して並列に接続されいる。つまり、各気筒のグロープラグ１はコネクティングバー２２ａ、２２ｂを介して、スイッチ回路４１に電気的に接続されている。
【００４１】
４０は、１２Ｖ（ボルト）の直流電源からなるバッテリであり、バッテリ４０とグロープラグ１との間にはスイッチ回路４１が配設されており、このスイッチ回路４１は、２つの２位置切替スイッチ４２、４３の操作状態に応じてバッテリ４０と＃１〜＃４気筒の各グロープラグ１との間の電気経路を切り換える。
スイッチ回路４１は、電子制御装置（以下、ＥＣＵという）５０からの指令信号が入力されない通常時には発熱体加熱状態（図５の状態）を保持し、ＥＣＵ５０からの指令信号が入力されると、前記発熱体加熱状態からイオン電流検出状態（図６の状態）に移行する。このとき、２つの切替スイッチ４２、４３は同時に動作する。
【００４２】
つまり、切替スイッチ４２、４３の端子４２ａ、４３ａには前記グロープラグ１の中軸１４、チューブ１３側がそれぞれに接続されている。また、切替スイッチ４２、４３は、前記端子４２ａ及び４３ａに対して選択的に接続される各々２つずつの接点４２ｂ、４２ｃ及び４３ｂ、４３ｃを有する。
かかる場合において、発熱体加熱状態では、図５に示すように、端子４２ａと接点４２ｂとの間に閉路されると共に、端子４３ａと接点４３ｂとの間が閉路されている。このとき、グロープラグ１の中軸１４には端子４２ａ及び接点４２ｂを介してバッテリ４０のプラスが接続されると共に、他方のチューブ１３側は端子４３ａ及び接点４３ｂを介してバッテリ４０のマイナス側が接続されている。即ち、発熱体７は加熱状態に保持される（このとき、図５中の２点鎖線で示す経路を電流が流れる）。なお、接点４３ｂは、シリンダヘッド３０の一部にも接続されている。
【００４３】
また、イオン電流検出状態では、図６に示すように、端子４２ａと接点４２ｃとの間が閉路されると共に、端子４３ａと接点４３ｃとの間が閉路される。即ち、切替スイッチ４２、４３は共にオープン状態となる。この場合、切替スイッチ４２に並列に設けられた電気経路（図６の２点鎖線で示す経路）のイオン電流検出用抵抗４４を介してバッテリ電圧が中軸１４に印加される。
【００４４】
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１０とシリンダヘッド３０との間にバッテリ電圧が印加され、燃焼火炎帯の活性イオンの発生に伴い図６中に２点鎖線で示す経路でイオン電流が流れる。
なお、イオン電流検出用抵抗４４の抵抗値は５００ｋΩ程度であって、このイオン電流検出用抵抗４４を流れるイオン電流は、当該抵抗４４の両端の電位差として電位差計４５により検出される。
【００４５】
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３５による噴射燃料が渦流室３２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１０とそれに対面するシリンダヘッド３０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１０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３０にはプラスイオンが捕獲される。その結果、図６に示す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４４両端の電位差として検出される。
【００４６】
一方、ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、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４５により検出された検出信号を入力する。また、ＥＣＵ５０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５１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５２の検出信号が入力され、ＥＣＵ５０は各センサ５１、５２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。
【００４７】
上記ＥＣＵ５０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。また、ディーゼルエンジンの暖機完了時において、前記スイッチ回路４１に切り替え指令信号を出力し、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。
【００４８】
なお、エンジン始動当初においては、スイッチ回路４１は発熱体加熱状態に保持されるようになっている。以下、図７のフローチャートを用いて、前記スイッチ回路４１の切り替え処理を説明する。図７は、所定の時間の割り込み処理によって実行される。
さて、図７の処理がスタートすると、ＥＣＵ５０は、先ずステップ１１０でエンジン暖機完了後であり、且つスイッチ回路４１がイオン電流検出状態に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１１０が否定判別され、ＥＣＵ５０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。
【００４９】
その後、ＥＣＵ５０は、ステップ１３０で水温Ｔｗが所定の暖機完了温度（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Ｎｅが所定回転数（本実施の形態では、２０００ｒｐｍ）以上に達しているか否かを判別する。
かかる場合、ステップ１３０、１４０が共に否定判別されれば、ＥＣＵ５０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、ＥＣＵ５０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）による加熱が不要であるとみなし、ステップ１６０に進む。
【００５０】
ステップ１５０に進んだ場合、ＥＣＵ５０は、スイッチ回路４１を発熱体加熱状態（図５の状態）に保持し、その後本処理を終了する。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。
また、ステップ１６０に進んだ場合、ＥＣＵ５０は、スイッチ回路４１を発熱体加熱状態からイオン電流検出状態（図６の状態）に移行させ、その後本ルーチンを終了する。この状態では、イオン電流検出用抵抗４４により燃料燃焼時に生じるイオン電流が検出される。
【００５１】
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、スイッチ回路４１が一旦イオン電流検出状態に移行したとしても、ＥＣＵ５０は、次回処理時のステップ１１０を否定判別し、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＜２０００ｒｐｍ）、スイッチ回路４１を再度、発熱体加熱状態に復帰させる（ステップ１５０）。
【００５２】
その後、Ｔｗ≧６０℃となりエンジン暖機が完了すると、ＥＣＵ５０はステップ１１０を肯定判別する。そして、エンジン暖機が完了し、且つスイッチ回路４１がイオン電流検出状態に移行した後には、ＥＣＵ５０はステップ１１０を毎回肯定判別し、当該スイッチ回路４１がイオン電流検出状態（図６の状態）のままで保持される。
【００５３】
図８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、圧縮ＴＤＣ直後（燃料噴射時期の直後）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。
【００５４】
この場合、ＥＣＵ５０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、該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、ＥＣＵ５０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、その検出結果を燃焼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。
【００５５】
ところで、本実施形態では、上述のようにグロープラグ１のリード部１９において、絶縁部材である碍子管１８を導電性線材であるＮｉリード線１７に対してほぼ動かないように固定したことを特徴としている。そのため、碍子管１８がＮｉリード線１７に対してがたつかないため、碍子管１８とハウジング２とを、接触状態または非接触状態に維持することができる。なお、図１のグロープラグ１では非接触状態に維持している。
【００５６】
従って、ハウジング２内壁とＮｉリード線１７間の静電容量が変動しないため、イオン電流波形の着火時期が固定され、良好な検出精度を実現するイオン電流検出用グロープラグを提供できる。
ちなみに、上記図１０に示した試作品では、碍子管１８がハウジング２に接触したり離れたりする度に、ハウジング２内壁とＮｉリード線１７間の静電容量が変動する。図８の破線は、碍子管１８がハウジング２に接触した時の電流波形であり、実線は非接触時の電流波形である。
【００５７】
例えば、接触時と非接触時とでは、静電容量の変動幅は約１０ＰＦであり、図８の着火時期Ａ点が０．１ｍｓ変動する。エンジン回転数７００ｒｐｍの場合、１°ＣＡ（クランク角度）は０．２４ｍｓであり、検出精度は０．１°ＣＡであるとき０．０２４ｍｓ必要である。ここで、０．１ｍｓの着火時期変動が生ずると、きめ細かくエンジンの運転状態を制御することができない。
【００５８】
本実施形態では、Ｎｉリード線１７に被覆された碍子管１８が固定されており、図８の電流波形を、常に実線（非接触時）または破線（接触時）のどちらか一方に維持できるため、上記着火時期の変動はなくなり、検出精度が確保できる。従って、安定した着火時期及び燃焼状態の検出が可能となり、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。
【００５９】
なお、上記構成のイオン電流検出装置では、全気筒に対して発熱体加熱状態とイオン電流検出状態との切替え動作が同時に行われる。かかる場合、図９に示すように、気筒毎の燃焼順序（＃１→＃３→＃４→＃２→＃１）に合わせて、時系列的に気筒毎にイオン電流が検出される。
また、本実施形態の構成によれば、スイッチ回路４１やイオン電流検出用検出抵抗４４が共通化でき、多気筒エンジンへの適用時においても、簡素化した構成を実現することができる。この場合、イオン電流を気筒毎に時系列的に検出し、その検出結果を各気筒の燃焼状態制御（着火時期制御や、失火検出制御等）に適用できる。
【００６０】
（他の実施形態）
なお、碍子管（絶縁部材）１８がＮｉリード線（導電性部材）１７に固定されたリード部１９の構成は、上記実施形態のように、係止部１７ａによるものに限定されるものではない。例えば、Ｎｉリード線１７と碍子管１８の隙間をセメント等の接着部材にて固着してもよい。ここで、絶縁部材としては、碍子管の代わりにガラス編組管を用いてもよい。
【００６１】
更には、リード部１９として、絶縁部材が、バインダを含有する絶縁セラミック粉末等の絶縁性且つ接着性を有する材料からなり、導電性線材の外周に予め一体化され固定されているものを用いてもよい。このようなものとしては、例えば、セラミック被覆電線又は封着用ガラス被覆電線が挙げられる。
なお、上記各実施形態においては、発熱体７からのＷリード線９ｂとチューブ１３との接続において、碍子管１８がＮｉリード線１７に固定されたリード部１９構成としたが、もう一方のＷリード線９ａと中軸１４との接続において、キャップ１１を設けずに、リード部１９と同様の接続構成を用いてもよい。
【００６２】
また、Ｗリード線９ｂとＮｉリード線１７との接続は、キャップ（端子金具）１２を設けずに行ってもよい。例えば、導電性チップを介して接続してもよいし、直接両者を接続してもよい。
なお、上記実施形態では、中軸１４をプラス側、チューブ１３をマイナス側の電極としたが、極性は逆であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るグロープラグの全体構成図である。
【図２】図１のグロープラグにおけるセラミック発熱部の要部拡大図である。
【図３】図１のグロープラグにおけるリード部の要部拡大図である。
【図４】上記実施形態におけるグロープラグのエンジンへの取付配置図である。
【図５】イオン電流検出システムの概要を示すものであって、発熱体加熱状態を示す構成図である。
【図６】イオン電流検出システムの概要を示すものであって、イオン電流検出状態を示す構成図である。
【図７】スイッチ回路の切り替え処理を示すフローチャート図である。
【図８】イオン電流波形の一例を示す図である。
【図９】気筒毎に時系列的に検出されるイオン電流波形の一例を示す図である。
【図１０】本発明者らの試作したグロープラグの全体構成図である。
【図１１】先願のグロープラグの全体構成図である。
【符号の説明】
２…ハウジング、７…発熱体、８…耐熱性絶縁体、
９ａ、９ｂ…タングステンリード線、１０…イオン検出電極、１２…キャップ、１３…チューブ、１４…中軸、１７…ニッケルリード線、１７ａ…凸部、
１８…碍子管、３２…渦流室。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a glow plug for detecting an ion current that can detect an ion current in addition to a function of a glow plug for promoting ignition and combustion of fuel.
[0002]
[Prior art]
As this type of ion current detection glow plug (hereinafter referred to as a glow plug), the present applicant has previously proposed the one shown in FIG. 11 in Japanese Patent Application No. 9-56241.
This glow plug 100 has a housing (mounting metal fitting) 85, and is attached to a cylinder head of a diesel engine by a male screw portion 86 and a hexagonal portion 87 formed in the housing 85 so that a part is exposed to the combustion chamber. Is done.
[0003]
The glow plug 100 has a ceramic heat generating portion 80 to which a part of the combustion chamber is exposed. The ceramic heating unit 80 includes a U-shaped heating element 81 that is energized and heated by a pair of lead wires 80a, 80b, 90a, and 90b, a heat-resistant insulator 82 in which the heating element 81 is embedded, and the heating element 81. And an ion detection electrode 83 that are integrally formed and electrically connected to each other. The lead wires 80a and 80b are connected to the lead wires 90a and 90b through the conductive chips 91a and 91b, respectively.
[0004]
A part of the ion detection electrode 83 is exposed to a flame generated in the combustion chamber, and detects an ionization state (ion current) in the flame. Since most of the ion detection electrode 83 is embedded in the heat-resistant insulator 82, there is little possibility of conduction to the housing side (ground side), and accurate ion detection is possible. be able to.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, as a result of studies by the present inventors, it has been found that the structure of the pair of lead wires 90a and 90b extending from the housing 85 as shown in FIG. 11 has the following problems.
(1) Since a connector (not shown) is used for connection between the lead wires 90a and 90b and the external connection terminal portion (not shown), connection reliability such as an increase in contact resistance is inferior, and a minute current (for example, several There is a problem in detecting the ion current that is μA).
[0006]
(2) Since the lead wires 90a and 90b extend from the housing 85, it is difficult to attach and remove the glow plug 100 to / from the cylinder head of the engine.
(3) Since the glow plug 100 is attached to each cylinder (for example, four cylinders) of the engine, a large number of lead wires 90a and 90b for connection on the power source side become complicated. In addition, since the lead wire has a weak pull-out strength, it is easy to break when attaching and detaching.
[0007]
In order to solve the problems (1) to (3), the present inventors aim to improve the connection reliability between the lead wire and the external connection terminal, improve the plug attachment / detachability, and improve the lead wire connectivity. Instead of the lead wires 90a and 90b, an ion current detecting glow plug 200 as shown in FIG.
This comprises a shaft body consisting of a cylindrical metal tube (lead tube) 13 held inside the other end of the housing 2 and a middle shaft 14 insulated and held in the tube 13. Is a positive (+) side terminal portion, and the lead tube 13 is a negative (−) side terminal portion, and each is fixedly connected to two connectoring bars 22a and 22b which are external connection terminal portions.
[0008]
In such a structure, since the pair of lead wires (electrodes) 9a, 9b from the heating element 7 and the shaft body are separated from each other, at least one lead wire is further disposed in the housing 2. It is necessary to electrically connect to the tube 13 or the middle shaft 14 via the lead wire (conductive wire).
That is, in this prototype, the middle shaft 14 and the lead wire 9a are electrically connected via the metal cap 11 that connects the middle shaft 14 and the ceramic heating part 6, while the tube 13 and the lead wire 9b are They are electrically connected via a metal cap 12 and a conductive wire 17 provided on the outer periphery of the heat resistant insulator 8.
[0009]
Here, the conductive wire 17 needs to be covered with an insulating member (eg, insulator tube) 18 in order to ensure insulation from the housing. In particular, when the conductive wire 17 is interposed in a narrow gap between the shaft body and the housing 2 as in this prototype, the covering with the insulating member 18 is effective.
However, when the present inventors studied based on the glow plug 200 which is the prototype, the insulating member 18 repeatedly contacts and leaves the housing 2 due to external vibration or the like. It has been found that there is a problem that the capacitance between the conductive wire 17 and the conductive wire 17 fluctuates, the ignition timing of the ion current waveform (point A in FIG. 8 described later) fluctuates, and accuracy is not achieved.
[0010]
In view of the above problems, the present invention provides an ion current detection device in which a lead tube for connection to an external connection terminal and an electrode from a heating element are electrically connected by a conductive wire disposed in a housing. The purpose of the glow plug is to prevent the insulating member covering the conductive wire from coming into contact with or away from the housing.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention made further intensive studies on the prototype shown in FIG. As a result, it was found that since the insulating member is free with respect to the conductive wire and the insulating member rattles against the conductive wire, the insulating member hits or leaves the housing. And if the insulating member and the housing were configured to maintain either the contact state or the separated state (non-contact state), it was thought that the capacitance would not change.
[0012]
The inventions according to claims 1 to 5 have been made based on this idea.
That is, the invention according to claim 1 is characterized in that the movement of the insulating member (18) relative to the conductive wire (17) is suppressed. Accordingly, since the insulating member (18) does not rattle against the conductive wire (17), the insulating member (18) and the housing (2) can be maintained in a contact state or a non-contact state. The capacitance between the inner wall of the housing (2) and the conductive wire (17) does not vary. Therefore, it is possible to provide a glow plug for detecting an ion current in which the ignition timing of the ion current waveform is fixed and good detection accuracy is realized.
[0013]
Here, the movement of the insulating member (18) with respect to the conductive wire (17) is suppressed as in the second aspect of the present invention, as in the latching portion (18) for fixing the insulating member (18) to the conductive wire (17). 17a), an adhesive member that fixes both of them is used as in the invention of claim 3, or an insulating member (18) is made of an insulating and adhesive material as in the invention of claim 4. This can be achieved by integrating and fixing to the conductive wire (18).
[0014]
Moreover, in invention of Claim 5, one electrode (9b) of a pair of electrodes (9a, 9b) is connected to a conductive wire through a terminal fitting (12) provided on a heat resistant insulator (8). Since it is electrically connected to (17), the connection work by welding or the like can be simplified as compared with the case of connecting the wires.
In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description later mentioned.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments shown in the drawings will be described below. The present embodiment will be described on the assumption that the present invention is embodied in a ceramic glow plug (hereinafter simply referred to as a glow plug) used as a starting assist device for a diesel engine.
That is, the glow plug of the present embodiment is provided in a combustion chamber (a vortex chamber 32 described later) formed in a cylinder head of a diesel engine, and a part of the glow plug is exposed to the combustion chamber. Yes.
[0016]
The glow plug serves to promote ignition and combustion of the fuel injected from the fuel injection nozzle when the engine is started at a low temperature. Further, the glow plug in the present embodiment serves to detect active ions present in the combustion flame zone during fuel combustion, in addition to the above-described start assist function.
Next, the glow plug according to the present embodiment will be specifically described with reference to the explanatory diagrams of FIGS. FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a glow plug 1 according to the present embodiment. In the present embodiment, in the prototype glow plug 200 shown in FIG. 10, only the configuration of the portions related to the conductive wire 17 and the insulating member 18 is changed as shown in FIG. 3 described later. The rest of the configuration is the same as the prototype. Therefore, in FIG. 1 and FIG. 10, the same parts are denoted by the same reference numerals in the drawings.
[0017]
In FIG. 1, the glow plug 1 has a housing 2 made of a conductive material having a substantially cylindrical shape (for example, made of metal). A male screw part 3 and a hexagonal part 4 for attaching the glow plug 1 to a cylinder head 30 described later are formed on the outer peripheral surface of the housing 2. A cylindrical metal (for example, stainless steel) sleeve 5 is held by brazing or the like inside one end side (lower side in FIG. 1) of the housing 2.
[0018]
A ceramic heating part 6 is provided inside the sleeve 5. The ceramic heat generating portion 6 includes a conductive U-shaped heat generating body 7, an insulating heat-resistant insulating body 8, an ion detection electrode 10 formed integrally with the heat generating body 7, and the heat generating body 7. It is composed of two tungsten (W) lead wires (hereinafter referred to as W lead wires) 9 a and 9 b which are connected to both ends and embedded in the heat-resistant insulator 8. The pair of W lead wires 9a and 9b corresponds to a pair of electrodes for energizing and heating the heating element 7.
[0019]
Here, most of the heating element 7 is embedded and firmly held in the heat-resistant insulator 8, and the heat-resistant insulator 8 is fixedly held on the sleeve 5. Thus, the ceramic heating part 6 is held inside the one end side of the housing 2 via the sleeve 5.
FIG. 2 shows an enlarged view of the main part of the ceramic heat generating portion 6, and the end surface of the ion detection electrode 10 formed at the tip of the heat generating body 7 is flush with the outer peripheral surface of the heat resistant insulator 8. Is provided. In this case, since the heating element 7 and the ion detection electrode 10 are integrally formed, the members 7 and 10 are always in an electrically connected state. In such a configuration, the exposed portion of the heating element 7 and the inner wall of a vortex chamber (combustion chamber) 32 (broken line portion in FIG. 2) of a diesel engine, which will be described later, form a counter electrode for detecting an ionic current.
[0020]
Here, the heating element 7, the ion detection electrode 10 and the heat-resistant insulator 8 of the ceramic heating section 6 are all conductive ceramic powder (in this embodiment, molybdenum silicide MoSi2 powder) and insulating ceramic powder (this embodiment). In the embodiment, it is composed of a combustor made of a mixture of silicon nitride (Si3 N4 powder) and having the same blending ratio.
[0021]
However, in the heating element 7 and the ion detection electrode 10, the average particle diameter of the MoSi2 powder is smaller than that of the Si3 N4 powder, and in the heat resistant insulator 8, the average particle diameter of the MoSi2 powder is the same as or more than that of the Si3 N4 powder. Is also larger. That is, by changing the particle size of each powder, the heating element 7 and the ion detection electrode 10 and the heat-resistant insulator 8 are made separately.
[0022]
In the ceramic heating section 6 having the above configuration, in the heating element 7 and the ion detection electrode 10, the small-diameter MoSi2 powder (conductive ceramic powder) surrounds the large-diameter Si3 N4 powder (insulating ceramic powder) and continues to each other. As a result, a current flows through the heating element 7 and the ion detection electrode 10, and the heating element 7 generates heat.
On the other hand, in the heat-resistant insulator 8, since the small-diameter Si3 N4 powder (insulating ceramic) is interposed between the large-diameter MoSi2 powder (conductive ceramic powder), both of them are arranged in series and compared to the heating element 7. As a result, the insulation layer is formed with high resistance.
[0023]
Incidentally, as shown in FIG. 1, one end of each W lead wire 9a, 9b is bare at the small diameter portion of the heat-resistant insulator 8 above the ceramic heat generating portion 6. In addition, two metal cylindrical tubular caps 11 and caps (terminal fittings) 12 are provided on the outer periphery of the small-diameter portion of the heat-resistant insulator 8. Each of the W lead wires 9a and 9b is electrically connected to the cap 11 and the cap 12 by a silver brazing material at the bare portion.
[0024]
The sleeve 5, the ceramic heating part 6, the cap 11 and the cap 12 are brazed with a silver brazing material.
On the other hand, a tubular metal (for example, stainless steel) tube (lead tube) 13 is held inside the other end side (the upper side in FIG. 1) of the housing 2. Inside the tube 13, a metal center shaft 14 is held insulated from the tube 13. These constitute a glow side terminal electrode in taking out a detection current, and the middle shaft 14 is constituted as a plus (+) side terminal electrode, and the tube 13 is constituted as a minus (−) side terminal electrode.
[0025]
The tube 13 and the middle shaft 14 are filled with an insulating powder such as magnesia between them, and the tube 13 is squeezed by swaging to form a shaft body in which the tube 13 and the middle shaft 14 are integrated. Then, the outer periphery of the tube 13 is fixed directly to the inside of the other end of the housing 2 with a low melting point lead glass 15. An alumina ring 16 is installed before and after the lead glass 15 to center the tube 13.
[0026]
Moreover, the cap 11 side of the tube 13 has a small diameter in order to increase the distance from the housing 2 to ensure insulation, and the tip portion of a nickel (Ni) lead wire (conductive wire) 17 described later. In order to facilitate the welding operation, a straight portion 13a whose outer peripheral surface is parallel to the axis is formed.
Then, by inserting the cap 11 brazed to the heat resistant insulator 8 into the center shaft 14 and caulking at 8 points, the ceramic heat generating portion 6 and the center shaft 14 are electrically connected and fixed. Accordingly, one W lead wire 9 a is electrically connected to the center shaft 14 via the cap 11.
[0027]
Next, the connection configuration of the other W lead wire 9b and the tube 13, that is, the configuration of the portion related to the Ni lead wire (conductive wire) 17 and the insulator tube (insulating member) 18, which are the main parts of the present invention, is illustrated. This will be described with reference to the enlarged configuration diagram shown in FIG.
The other W lead wire 9 b is electrically connected to the Ni lead wire 17 via a cap (terminal fitting) 12. Here, the Ni lead wire 17 is disposed in the housing 2 between the shaft body and the housing 2, and both end portions thereof are resistance welded to the cap 12 and the straight portion 13 a of the tube 13, respectively.
[0028]
The outer periphery of the Ni lead wire 17 is covered with an insulator tube 18 which is an insulating member so as to ensure insulation between the Ni lead wire 17 and the housing 2. Here, as shown in FIG. 3, in the Ni lead wire 17, protrusions (locking portions) 17 a that protrude larger than the inner diameter of the insulator tube 18 are formed at portions corresponding to both ends of the insulator tube 18. Yes.
[0029]
Here, in this example, the Ni lead wire 17 is a φ0.6 mm Ni wire, and the insulator tube 18 is a cylindrical tube having an outer diameter φ1.3 mm, an inner diameter φ0.6 mm, and a length of 15 mm. Have a dimensional tolerance so that can be inserted into the insulator tube 18. Needless to say, the Ni lead wire 17 may be replaced with another conductive wire.
[0030]
By this convex portion 17a, the insulator tube 18 is locked to the Ni lead wire 17 at both ends, and is fixed so that the movement is suppressed with respect to the Ni lead wire 17, and both are substantially integrated. A lead portion 19 is configured. In the prototype shown in FIG. 10 described above, the Ni lead wire 17 does not have the convex portion 17a, and the insulator tube 18 is free from the Ni lead wire 17.
[0031]
For example, the lead portion 19 having such a structure is formed by inserting the Ni lead wire 17 into the insulator tube 18 and then deforming the Ni lead wire 17 by crushing it with a tool or the like to form the convex portion 17a. Can be formed by resistance welding to the cap 12 and the straight portion 13a of the tube 13, respectively. Note that the order of the formation procedures can be changed as appropriate.
[0032]
As shown in FIG. 1, one end of a shaft body including the tube 13 and the middle shaft 14 is exposed from the outside on one end side (upper side in FIG. 1) of the housing 2. In this exposed portion, a metal ring-shaped terminal plate 20 is provided on the outer periphery of the tube 13.
The terminal plate 20 is fixed to the tube 13 by press-fitting, and a ring-shaped insulating plate 21 is installed between the housing 2 and the terminal plate 20 to insulate them. And the terminal board 20 is electrically connected with the tube 13, and both comprise the glow side terminal electrode (-side) in taking out a detection electric current.
[0033]
The glow plug 1 of the present embodiment has the above configuration. Here, the connecting bars 22a and 22b, which are external connection terminal portions to which the glow plug 1 is connected, are connection plates made of highly conductive aluminum. The connecting bar 22a is electrically fixed to the middle shaft 14 serving as the glow side terminal electrode (+ side), and the connecting bar 22b is electrically fixed to the terminal plate 20 serving as the glow side electrode (− side).
[0034]
Specifically, holes are formed in the connecting bars 22a and 22b, and the glow plug 1 can be inserted into these holes as shown in FIG. In the illustrated example, an insulator 26 made of a heat-resistant insulating resin 23 made of phenol resin or the like, a metal cushion spring 24, and a metal case 25 made of aluminum or the like is interposed between the connecting bars 22a and 22b. As a result, the glow plug 1 and the connecting bars 22a and 22b are fixed, so that the contact pressure can be properly maintained and the reliability of the contact resistance is further improved.
[0035]
The connecting bars 22a and 22b are disposed in the vicinity of the cylinder head 30 of the diesel engine so that the number of glow plugs 1 corresponding to the number of cylinders of the engine can be disposed (see FIG. 4).
Accordingly, the electrical connection between the glow plug 1 and the connecting bars 22a and 22b is as follows. That is, the W lead wire 9a from the heating element is connected in the order of the cap 11, the middle shaft 14, and the connecting bar 22a (+ side), and the W lead wire 9b is the cap 12, Ni lead wire 17, tube 13 and terminal. The plate 20 and the connecting bar 22b (above, minus side) are connected in this order.
[0036]
Next, an ion current detection system using the glow plug 1 configured as described above will be described with reference to FIGS. 5 and 6 are configuration diagrams showing an outline of the ion current detection system in the present embodiment. 5 shows a heating state of the glow plug 1 (heating element 7), that is, a state for accelerating fuel ignition and combustion at the time of starting the engine, and FIG. 6 shows an ion current accompanying the fuel combustion by the glow plug. The state detected by 1 is shown.
[0037]
In the present embodiment, an example in which an ion current detection device is applied to a multi-cylinder engine will be described, and the engine has four cylinders from # 1 cylinder to # 4 cylinder. And as shown in FIG. 4, the glow plug 1 of this embodiment is each arrange | positioned at each cylinder.
Each of the glow plugs 1 of each cylinder has a configuration in which a part of the heating element 7 is exposed from the heat-resistant insulator 8, and a part of the ceramic heating part 6 including the exposed part is in the vortex chamber 32. It is exposed to. In FIG. 4, the positional relationship between the ceramic heat generating portion 6 and the vortex chamber 32 is shown only for the # 4 cylinder, but it is the same for the # 1 to # 3 cylinders.
[0038]
Here, a screw hole 31 is formed in the cylinder head 30 of the diesel engine, and the glow plug 1 is screwed into the screw hole 31. That is, when the glow plug 1 is screwed into the cylinder head 30, the hexagonal portion 4 is sandwiched between predetermined tools, and the male screw portion 3 of the plug 1 is screwed into the screw hole 31.
The tip of the ceramic heat generating portion 6 of the glow plug 1 is disposed so as to project into a vortex chamber 32 formed in the cylinder head 30. A main combustion chamber 34 provided above the piston 33 is communicated with the vortex chamber 32, and the vortex chamber 32 forms a part of the combustion chamber. The vortex chamber 32 is provided with a tip portion of a fuel injection nozzle 35, and fuel is injected from the fuel injection nozzle 35 into the vortex chamber 32.
[0039]
The connecting bars 22a and 22b are disposed by screwing the glow plug 1 to each cylinder and then assembling the glow plug 1 and fastening them with the insulator 26 and the seated nut 27 as described above.
Thus, each of the middle shafts 14 (+ side) of each glow plug 1 is connected to a terminal 42a of the changeover switch 42 described later via the connecting bar 22a. On the other hand, the tube 13 side (that is, the terminal plate 20 (− side)) of each glow plug 1 is connected to a terminal 43a of a changeover switch 43 described later via a connecting bar 22b.
[0040]
Next, the circuit configuration of the ion current detection device including the switch circuit 41 including the changeover switches 42 and 43 will be described with reference to FIGS. 5 and 6, for convenience, the connection configuration of the # 4 cylinder glow plug 1 in FIG. 4 with the circuit side of the ion current detection device is illustrated.
5 and 6, the # 4 cylinder glow plug 1 is in parallel with the # 1 cylinder to # 3 cylinder glow plug 1 via connecting bars 22a and 22b as shown in FIG. Connected to. That is, the glow plug 1 of each cylinder is electrically connected to the switch circuit 41 via the connecting bars 22a and 22b.
[0041]
Reference numeral 40 denotes a battery composed of a DC power supply of 12 V (volts). A switch circuit 41 is disposed between the battery 40 and the glow plug 1, and the switch circuit 41 includes two two-position changeover switches 42. , 43, the electrical path between the battery 40 and the glow plugs 1 of the # 1 to # 4 cylinders is switched.
When the command signal from the electronic control unit (hereinafter referred to as ECU) 50 is not input, the switch circuit 41 normally maintains the heating element heating state (the state of FIG. 5), and when the command signal from the ECU 50 is input, Transition from the heating element heating state to the ion current detection state (state of FIG. 6). At this time, the two changeover switches 42 and 43 operate simultaneously.
[0042]
That is, the center shaft 14 and the tube 13 side of the glow plug 1 are connected to the terminals 42a and 43a of the changeover switches 42 and 43, respectively. The change-over switches 42 and 43 have two contacts 42b and 42c and 43b and 43c, respectively, which are selectively connected to the terminals 42a and 43a.
In such a case, in the heating element heating state, as shown in FIG. 5, the circuit is closed between the terminal 42a and the contact 42b and the terminal 43a and the contact 43b are closed. At this time, the positive side of the battery 40 is connected to the middle shaft 14 of the glow plug 1 via the terminal 42a and the contact 42b, and the negative side of the battery 40 is connected to the other tube 13 side via the terminal 43a and the contact 43b. ing. That is, the heating element 7 is maintained in a heated state (at this time, a current flows through a path indicated by a two-dot chain line in FIG. 5). The contact 43b is also connected to a part of the cylinder head 30.
[0043]
Further, in the ion current detection state, as shown in FIG. 6, the terminal 42a and the contact 42c are closed, and the terminal 43a and the contact 43c are closed. That is, the changeover switches 42 and 43 are both open. In this case, the battery voltage is applied to the central shaft 14 via the ion current detection resistor 44 in the electric path (path indicated by a two-dot chain line in FIG. 6) provided in parallel with the changeover switch 42.
[0044]
That is, a battery voltage is applied between the ion detection electrode 10 formed at the tip of the ceramic heat generating portion 6 and the cylinder head 30, and it is indicated by a two-dot chain line in FIG. 6 along with the generation of active ions in the combustion flame zone. Ion current flows through the path.
The resistance value of the ion current detection resistor 44 is about 500 kΩ, and the ion current flowing through the ion current detection resistor 44 is detected by the potentiometer 45 as a potential difference between both ends of the resistor 44.
[0045]
Here, the principle of detection of ion current will be outlined. When the fuel injected from the fuel injection nozzle 35 is combusted in the vortex chamber 32, a large amount of ionized positive ions and negative ions are generated in the combustion flame zone. At this time, when a battery voltage is applied between the ion detection electrode 10 and the cylinder head 30 facing it, negative ions are captured by the ion detection electrode 10 and positive ions are captured by the cylinder head 30. Is captured. As a result, the current path shown in FIG. 6 is formed, and the ionic current flowing through this current path is detected as a potential difference across the ionic current detection resistor 44.
[0046]
On the other hand, the ECU 50 is composed mainly of a well-known microcomputer and an A / D converter (both not shown) including a CPU, ROM, RAM, input / output circuit, and the like, and receives a detection signal detected by the potentiometer 45. To do. Further, the ECU 50 receives a detection signal from the water temperature sensor 51 for detecting the temperature of the engine cooling water and a detection signal from the rotation speed sensor 52 for detecting the engine rotation speed in accordance with the engine crank angle. Detects the water temperature Tw and the engine speed Ne based on the detection signals of the sensors 51 and 52.
[0047]
The ECU 50 heats the heating element 7 of the glow plug 1 to accelerate the ignition and combustion of the fuel when the diesel engine is started at a low temperature. In addition, when the diesel engine is warmed up, a switching command signal is output to the switch circuit 41, and the combustion ion current is detected by setting the circuit of the present system to the ion current detection state.
[0048]
It should be noted that at the beginning of engine startup, the switch circuit 41 is held in a heating element heating state. Hereinafter, the switching process of the switch circuit 41 will be described with reference to the flowchart of FIG. FIG. 7 is executed by interruption processing for a predetermined time.
When the process of FIG. 7 starts, the ECU 50 first determines in step 110 whether or not the engine has been warmed up and whether the switch circuit 41 is in the ion current detection state. At the beginning of the engine start, a negative determination is made at step 110, and the ECU 50 reads the water temperature Tw and the engine speed Ne at the subsequent step 120.
[0049]
Thereafter, the ECU 50 determines in step 130 whether or not the water temperature Tw is equal to or higher than a predetermined warm-up completion temperature (60 ° C. in the present embodiment), and in step 140 the engine speed Ne is set to a predetermined speed ( In this embodiment, it is determined whether or not 2000 rpm) or more is reached.
In such a case, if both steps 130 and 140 are negatively determined, the ECU 50 assumes that the engine has not been warmed up and needs to be heated by the glow plug 1 (heating element 7), and proceeds to step 150. . If either of the steps 130 and 140 is positively determined, the ECU 50 determines that the engine has been warmed up or that heating by the glow plug 1 (heating element 7) is unnecessary, and proceeds to step 160.
[0050]
When the routine proceeds to step 150, the ECU 50 holds the switch circuit 41 in the heating element heating state (the state shown in FIG. 5), and thereafter ends this processing. In this state, the ignition and combustion of the fuel are promoted by the heat generating action of the glow plug 1.
When the routine proceeds to step 160, the ECU 50 shifts the switch circuit 41 from the heating element heating state to the ionic current detection state (state shown in FIG. 6), and thereafter ends this routine. In this state, an ion current generated during fuel combustion is detected by the ion current detection resistor 44.
[0051]
The case where the determination in step 140 is affirmative and the process proceeds to step 160 may be, for example, a case where the engine speed Ne temporarily increases in the racing state. In this case, the engine warm-up has not yet been completed. . Therefore, even if the switch circuit 41 once shifts to the ionic current detection state, the ECU 50 makes a negative determination in step 110 in the next process and performs the determination processes in steps 130 and 140 again. When the temporary increase in the engine speed Ne stops and the engine speed Ne decreases (Ne <2000 rpm), the switch circuit 41 is returned to the heating element heating state again (step 150).
[0052]
Thereafter, when Tw ≧ 60 ° C. and the engine warm-up is completed, the ECU 50 makes a positive determination in step 110. Then, after the engine warm-up is completed and the switch circuit 41 shifts to the ion current detection state, the ECU 50 makes an affirmative determination in step 110 every time, and the switch circuit 41 is in the ion current detection state (the state of FIG. 6). It is held as it is.
[0053]
FIG. 8 is a current waveform diagram when ionic current generated during fuel combustion is observed using an oscilloscope. In the figure, the waveform in which the voltage rapidly increases immediately after the compression TDC (immediately after the fuel injection timing) is an ion current waveform due to the combustion of fuel, and the point A corresponds to the combustion start position, that is, the ignition timing. In addition, two peaks are observed in this ion current waveform. That is, in the early stage of combustion, the first peak B1 is observed by active ions in the diffusion flame zone, and in the late stage of combustion, the second peak B2 is observed by reionization due to an increase in the in-cylinder pressure.
[0054]
In this case, the ECU 50 detects the actual ignition timing from the first peak B1 of the ionic current waveform, and performs feedback control of the ignition timing so as to eliminate the difference between the detected actual ignition timing and the target ignition timing. To do. Further, the ECU 50 detects a combustion state such as abnormal combustion or misfire from the second peak B2 of the ion current waveform, and reflects the detection result in the combustion injection control. By reflecting the ionic current in the fuel injection control of the engine in this way, it becomes possible to finely control the operating state of the engine.
[0055]
By the way, in the present embodiment, as described above, in the lead portion 19 of the glow plug 1, the insulator tube 18 that is an insulating member is fixed so as not to move substantially with respect to the Ni lead wire 17 that is a conductive wire. It is said. Therefore, since the insulator tube 18 does not rattle against the Ni lead wire 17, the insulator tube 18 and the housing 2 can be maintained in a contact state or a non-contact state. Note that the glow plug 1 in FIG. 1 is maintained in a non-contact state.
[0056]
Accordingly, since the capacitance between the inner wall of the housing 2 and the Ni lead wire 17 does not fluctuate, the ion current waveform ignition timing is fixed, and an ion current detection glow plug that realizes good detection accuracy can be provided.
Incidentally, in the prototype shown in FIG. 10, the capacitance between the inner wall of the housing 2 and the Ni lead wire 17 varies each time the insulator tube 18 contacts or separates from the housing 2. The broken line in FIG. 8 is a current waveform when the insulator tube 18 contacts the housing 2, and the solid line is a current waveform when not in contact.
[0057]
For example, the capacitance fluctuation range is about 10 PF between contact and non-contact, and the ignition timing point A in FIG. 8 varies by 0.1 ms. When the engine speed is 700 rpm, 1 ° CA (crank angle) is 0.24 ms, and when the detection accuracy is 0.1 ° CA, 0.024 ms is required. Here, when the ignition timing fluctuation of 0.1 ms occurs, the engine operating state cannot be finely controlled.
[0058]
In the present embodiment, the insulator tube 18 covered with the Ni lead wire 17 is fixed, and the current waveform in FIG. 8 can always be maintained at one of the solid line (at the time of non-contact) or the broken line (at the time of contact). The ignition timing does not vary and the detection accuracy can be ensured. Therefore, it is possible to detect a stable ignition timing and combustion state, and to finely control the operating state of the engine.
[0059]
In the ion current detection device having the above configuration, the switching operation between the heating element heating state and the ion current detection state is simultaneously performed for all the cylinders. In this case, as shown in FIG. 9, ion current is detected for each cylinder in time series in accordance with the combustion order for each cylinder (# 1->#3->#4->#2-># 1).
Further, according to the configuration of the present embodiment, the switch circuit 41 and the ion current detection detection resistor 44 can be shared, and a simplified configuration can be realized even when applied to a multi-cylinder engine. In this case, the ion current is detected in time series for each cylinder, and the detection result can be applied to the combustion state control (ignition timing control, misfire detection control, etc.) of each cylinder.
[0060]
(Other embodiments)
In addition, the structure of the lead part 19 in which the insulator tube (insulating member) 18 is fixed to the Ni lead wire (conductive member) 17 is not limited to that of the locking part 17a as in the above embodiment. . For example, the gap between the Ni lead wire 17 and the insulator tube 18 may be fixed with an adhesive member such as cement. Here, as the insulating member, a glass braided tube may be used instead of the insulator tube.
[0061]
Furthermore, as the lead part 19, the insulating member is made of an insulating and adhesive material such as an insulating ceramic powder containing a binder, and is integrated and fixed in advance on the outer periphery of the conductive wire. Also good. As such a thing, a ceramic covering electric wire or a glass covering electric wire for sealing is mentioned, for example.
In each of the above embodiments, the lead portion 19 is configured such that the insulator tube 18 is fixed to the Ni lead wire 17 in connection between the W lead wire 9b from the heating element 7 and the tube 13. In the connection between the lead wire 9a and the central shaft 14, a connection configuration similar to that of the lead portion 19 may be used without providing the cap 11.
[0062]
Further, the W lead wire 9b and the Ni lead wire 17 may be connected without providing the cap (terminal fitting) 12. For example, they may be connected via a conductive chip, or both may be directly connected.
In the above embodiment, the middle shaft 14 is the plus side electrode and the tube 13 is the minus side electrode, but the polarity may be reversed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a glow plug according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a main part of a ceramic heat generating portion in the glow plug of FIG.
FIG. 3 is an enlarged view of a main part of a lead portion in the glow plug of FIG.
FIG. 4 is a layout view of the glow plug attached to the engine in the embodiment.
FIG. 5 is a block diagram showing an outline of an ion current detection system and showing a heating element heating state.
FIG. 6 shows an outline of an ion current detection system and is a configuration diagram showing an ion current detection state.
FIG. 7 is a flowchart showing switching processing of a switch circuit.
FIG. 8 is a diagram showing an example of an ion current waveform.
FIG. 9 is a diagram showing an example of an ion current waveform detected in time series for each cylinder.
FIG. 10 is an overall configuration diagram of a glow plug prototyped by the present inventors.
FIG. 11 is an overall configuration diagram of a glow plug of a prior application.
[Explanation of symbols]
2 ... housing, 7 ... heating element, 8 ... heat-resistant insulator,
9a, 9b ... tungsten lead wire, 10 ... ion detection electrode, 12 ... cap, 13 ... tube, 14 ... middle shaft, 17 ... nickel lead wire, 17a ... convex part,
18 ... insulator tube, 32 ... vortex chamber.

Claims

Applied to a glow plug that is partially exposed in a combustion chamber (32) for burning fuel;
A conductive housing (2) and a heat resistant insulator (8) held inside one end of the housing (2);
A heating element (7) embedded in the heat resistant insulator (8) and energized and heated by a pair of electrodes (9a, 9b);
An ion detection electrode (10) electrically connected to the heating element (7) and partially exposed to a flame generated in the combustion chamber (32) to detect an ionization state in the flame. When,
A cylindrical metal lead pipe (13) held inside the other end of the housing (2);
A central shaft (14) insulated and held in the lead pipe (13),
One electrode (9b) of the pair of electrodes (9a, 9b) is electrically connected to the lead tube (13), and the other electrode (9a) is electrically connected to the middle shaft (14). In the glow plug for ion current detection
At least one electrode (9b) of the pair of electrodes (9a, 9b) is electrically connected to the lead pipe (13) by a conductive wire (17) disposed in the housing (2). And
The periphery of the conductive wire (17) is covered with an insulating member (18), and the movement of the insulating member (18) with respect to the conductive wire (17) is suppressed. Glow plug.

The glow plug for detecting an ion current according to claim 1, wherein the conductive wire (17) is formed with a locking portion (17a) for fixing the insulating member (18).

The glow plug for detecting an ionic current according to claim 1, wherein an adhesive member for fixing the insulating member (18) and the conductive wire (17) is interposed between the insulating member (18) and the conductive wire (17).

The glow for detecting an ion current according to claim 1, wherein the insulating member (18) is made of an insulating and adhesive material, and is fixed to the conductive wire (17). plug.

Of the pair of electrodes (9a, 9b), the electrode (9b) connected to the lead tube (13) is electrically conductive via a terminal fitting (12) provided on the heat-resistant insulator (8). The glow plug for detecting an ionic current according to any one of claims 1 to 4, wherein the glow plug is electrically connected to a wire (17).