(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンの始動を補助するスパークプラグの電極への煤の付着あるいは堆積を確実に診断して、電極の再生を行うことができるスパークプラグシステムを提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１０の始動を補助すべく該ディーゼルエンジン１０の燃焼室１１に臨ませて設けられたスパークプラグ２を備えたスパークプラグシステム１において、上記スパークプラグ２の電極２１、２２に煤が付着・堆積したか否かの診断を、上記ディーゼルエンジン１０のアイドル運転時に行う診断手段と、その診断手段の診断結果を基に、上記電極２１、２２に電圧をかけて付着・堆積した煤を焼き切り該電極２１、２２を再生するための再生手段とを備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの始動を補助すべく該ディーゼルエンジンの燃焼室に臨ませて設けられたスパークプラグを備えたスパークプラグシステムにおいて、
上記スパークプラグの電極に煤が付着・堆積したか否かの診断を、上記ディーゼルエンジンのアイドル運転時に行う診断手段と、その診断手段の診断結果を基に、上記電極に電圧をかけて付着・堆積した煤を焼き切り該電極を再生するための再生手段とを備えたことを特徴とするスパークプラグシステム。
【請求項２】
上記電極に付着・堆積した煤の量を検出するための煤量検出手段を備え、
上記診断手段は、上記煤量検出手段により検出された煤の量が、所定煤量を超えたときに上記電極の再生の必要があると診断し、上記再生手段が上記電極の再生を行う請求項１記載のスパークプラグシステム。
【請求項３】
上記再生手段は、上記電極の再生を、上記ディーゼルエンジンの膨張行程後半あるいは排気行程で行う請求項１または２記載のスパークプラグシステム。
【請求項４】
上記ディーゼルエンジンの運転時に燃料の燃焼により上記スパークプラグの電極間を流れるイオン電流を検出するためのイオン電流検出手段を備えた請求項１から３いずれかに記載のスパークプラグシステム。
【請求項５】
上記ディーゼルエンジンの運転時に燃料の燃焼により上記スパークプラグの電極間を流れるイオン電流を検出するためのイオン電流検出手段を備え、そのイオン電流検出手段が上記煤量検出手段をなし、
上記診断手段は、上記イオン検出手段により検出されたイオン電流が所定のイオン電流値以下のときに、上記電極に付着・堆積した煤の量が所定煤量を超え上記電極の再生の必要があると診断して、上記再生手段が上記電極の再生を行う請求項２記載のスパークプラグシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの始動を補助するスパークプラグへの煤の付着・堆積を診断し、再生を行うスパークプラグシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、スパークプラグをイオンセンサとして使用する技術が一部実用化されている。そのスパークプラグシステムによると、エンジンは、従来の振動式ノックセンサといった間接検出式センサではなく、気筒毎に直接検出式センサをもつことができる。このスパークプラグを用いたイオンセンサは、ガソリンエンジンなどで、気筒別失火およびノックの判定に利用され、制御をより確実なものにできるセンサとして期待されている。
【０００３】
ここで、点火後および燃焼中に捕らえられるイオン電流のメカニズムを説明すると、燃焼過程において火炎近傍に燃料組成の化学反応により炭化水素系燃料であればＣＨＯ＋、Ｈ３Ｏ＋などのイオンが存在することが知られている。このイオンの濃度の変化は、スパークプラグ電極間に印加された直流電圧によりイオン・電子が移動するのに伴いイオン電流として検出される。
【０００４】
また、特許文献１には、グロープラグにより検出されたイオン電流に基づき、燃焼室での燃焼状態を検出する燃焼状態検出装置が提案されている。
【０００５】
ところで、ディーゼルエンジンにおいて、低ＮＯｘと低スモークの同時低減を可能にする予混合圧縮着火燃焼の研究が近年活発に行われている。その予混合圧縮着火エンジンは均一で希薄な予混合気を早期に生成し燃焼させるため、技術課題としてエンジン負荷を増すと過早着火が発生し着火時期の制御が困難になり、そのため運転領域が低負荷領域に限定されるといった問題がある。そのため、各気筒の燃焼診断を行える適切なセンサが必要とされている。
【０００６】
そこで、上述したイオンセンサ機能を有したスパークプラグシステムを、各気筒の燃焼診断に適用することが考えられる。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−４４２８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述したイオンセンサ機能を有したスパークプラグシステムをディーゼルエンジンに用いる場合には、検出するイオン電流が微弱（μＡオーダー）であることにより、電極間にディーゼルエンジン特有の煤が付着、あるいは堆積するとセンサ機能に障害を生じることが懸念される。
【０００９】
また、特許文献１の燃焼状態検出装置では、グロープラグに煤（カーボン）が付着したときに、その煤を加熱除去しているが、スパークプラグシステムでは、スパークプラグによりディーゼルエンジンの始動補助を行うので、グロープラグが省略されており、グロープラグによる煤の加熱除去は採用できない。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ディーゼルエンジンの始動を補助するスパークプラグの電極への煤の付着あるいは堆積を確実に診断して、電極の再生を行うことができるスパークプラグシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明は、ディーゼルエンジンの始動を補助すべく該ディーゼルエンジンの燃焼室に臨ませて設けられたスパークプラグを備えたスパークプラグシステムにおいて、上記スパークプラグの電極に煤が付着・堆積したか否かの診断を、上記ディーゼルエンジンのアイドル運転時に行う診断手段と、その診断手段の診断結果を基に、上記電極に電圧をかけて付着・堆積した煤を焼き切り該電極を再生するための再生手段とを備えたものである。
【００１２】
好ましくは、上記電極に付着・堆積した煤の量を検出するための煤量検出手段を備え、上記診断手段は、上記煤量検出手段により検出された煤の量が、所定煤量を超えたときに上記電極の再生の必要があると診断し、上記再生手段が上記電極の再生を行うものである。
【００１３】
好ましくは、上記再生手段は、上記電極の再生を、上記ディーゼルエンジンの膨張行程後半あるいは排気行程で行うものである。
【００１４】
好ましくは、上記ディーゼルエンジンの運転時に燃料の燃焼により上記スパークプラグの電極間を流れるイオン電流を検出するためのイオン電流検出手段を備えたものである。
【００１５】
好ましくは、上記ディーゼルエンジンの運転時に燃料の燃焼により上記スパークプラグの電極間を流れるイオン電流を検出するためのイオン電流検出手段を備え、そのイオン電流検出手段が上記煤量検出手段をなし、上記診断手段は、上記イオン検出手段により検出されたイオン電流が所定のイオン電流値以下のときに、上記電極に付着・堆積した煤の量が所定煤量を超え上記電極の再生の必要があると診断して、上記再生手段が上記電極の再生を行うものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、ディーゼルエンジンの始動を補助するスパークプラグの電極への煤の付着あるいは堆積を確実に診断して、電極の再生を行うことができるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
本実施形態のスパークプラグシステムは、例えば、車両に搭載された多気筒ディーゼルエンジンなどに適用される。
【００１９】
まず、図４に基づき、ディーゼルエンジン（以下、エンジンという）の概略構造を説明する。
【００２０】
図４に示すように、エンジン１０は、各気筒に設けられた燃焼室１１（図１は一つのみを示す）と、その燃焼室１１に燃料を噴射、供給するためのインジェクタ１２と、そのインジェクタ１２からの燃料を寒冷始動時などに点火してエンジン１０の始動を補助するためのスパークプラグ２と、それらインジェクタ１２およびスパークプラグ２を制御するための制御手段（以下、コントローラという）４とを備える。
【００２１】
燃焼室１１は、シリンダヘッド１３と、シリンダブロックに形成されたシリンダボア１５と、そのシリンダボア１５内に収容されたピストン１６とで形成される。その燃焼室１１には、シリンダヘッド１３に形成された吸気ポート１７および排気ポート１８とが各々接続される。
【００２２】
インジェクタ１２は、燃料噴射ノズル１２１を燃焼室１１に臨ませてシリンダヘッド１３に設けられる。インジェクタ１２は、コントローラ４に接続され、そのコントローラ４により燃料噴射量および燃料噴射時期が制御される。
【００２３】
スパークプラグ２は、後述する電極２１、２２を燃焼室１１に臨ませてシリンダヘッド１３に設けられる。本実施形態のエンジン１０では、スパークプラグ２を始動補助装置として使用することからグロープラグが省略されており、スパークプラグ２が、従来のディーゼルエンジンにおけるグロープラグの位置に配置される。例えば、スパークプラグ２は、電極２１、２２が、燃料噴射ノズル１２１から噴射される燃料噴霧の近傍に位置するように取り付けられる。
【００２４】
スパークプラグ２は、そのスパークプラグ２に電圧（電気）を供給するための電気回路３に接続され、その電気回路３は、コントローラ４に接続される。スパークプラグ２の制御は、電気回路３を介してコントローラ４により、カムセンサ１４によるエンジン回転信号（エンジン回転速度）と同期させて行われる。
【００２５】
これらスパークプラグ２と電気回路３とコントローラ４とで、スパークプラグシステム１が構成される。
【００２６】
次に、図１に基づきスパークプラグシステム１の概略構造を説明する。
【００２７】
図１および図４に示すように、スパークプラグシステム１は、上記スパークプラグ２と、上記電気回路３と、上記コントローラ４とを備える。
【００２８】
スパークプラグ２の電極は、電気回路３から供給される高電圧により火花放電を行う中心電極２１および接地電極２２とで構成される。それら中心電極２１と接地電極２２とは、燃焼室１１内に、所定の間隔（ギャップ）を隔てて配置される。
【００２９】
本実施形態では、ディーゼルエンジンの運転時に、これら中心電極２１と接地電極２２との間に電圧（火花放電しない程度の電圧）をかけておくことで、燃料の着火・燃焼時に中心電極２１と接地電極２２を流れるイオン電流を検出する。
【００３０】
すなわち、スパークプラグ２の電極２１、２２がセンサプローブとして用いられ、電気回路３が、エンジン１０の運転時に燃料の燃焼によりスパークプラグ２の電極２１、２２間を流れるイオン電流を検出するためのイオン電流検出手段をなす。
【００３１】
その電気回路３において、３１は１次コイル、３２は２次コイル、３３はスイッチ、Ｄ１は第１ツェナダイオード、Ｄ２は第２ツェナダイオード、Ｃ１はコンデンサ、Ｒ１は第１抵抗、Ｒ４は第２抵抗である。１次コイル３１は、エンジン１０のバッテリ１９に接続される。
【００３２】
火花放電を行うときは、スイッチ３３がオン（通電）にされバッテリ１９から１次コイル３１に１次電流が流され、その後スイッチ３３がオフ（遮断）に切り替えられて２次コイル３２に２次電圧（高電圧）が発生する。その２次電圧が中心電極２１と接地電極２２との間にかけられ、それら電極２１、２２間で火花放電が行われる。このとき、コンデンサＣ１が充電される。
【００３３】
イオン電流の検出を行うときは、コンデンサＣ１に充電された電圧が、中心電極２１と接地電極２２との間にかけられる。それら電極２１、２２の間に電圧がかけられた状態で、燃料が燃焼すると、図１において白抜き矢印で示すように、中心電極２１と接地電極２２との間にイオン電流が流れ、そのイオン電流が第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ４との間で、イオン信号（イオン電流値信号）として検出される。その検出されたイオン信号は、コントローラ４に入力される。
【００３４】
コントローラ４は、電気回路３からのイオン電流を基に、エンジン１０の燃焼状態（着火時期など）を求め、その燃焼状態に応じて、エンジン１０を制御する。コントローラ４は、例えば、予混合圧縮着火燃焼を行うときに、イオン電流から求めた着火時期を目標着火時期に一致させるべく、インジェクタ１２（図４参照）の燃料噴射時期や燃料噴射量を着火制御する。
【００３５】
ここで、ディーゼルエンジン１０では、煤が発生する傾向があり、その煤がスパークプラグ２の中心電極２１や接地電極２２に付着して堆積すると、イオン電流を正確に検出できなくなる虞がある。
【００３６】
そこで、本実施形態のスパークプラグシステム１は、スパークプラグ２の中心電極２１および／または接地電極２２に煤が付着・堆積したか否かの診断を、エンジン１０のアイドル運転時に行う診断手段と、その診断手段の診断結果を基に電極２１、２２を再生するための再生手段とを備える。本実施形態では、コントローラ４が、診断手段と再生手段とをなす。
【００３７】
電極２１、２２の再生は、コントローラ４が、電気回路３の１次コイル３１および２次コイル３２により、中心電極２１および接地電極２２に火花放電のための高電圧をかけて付着・堆積した煤を焼き切ることで行われる。
【００３８】
コントローラ４（診断手段、再生手段）は、後述する煤量検出手段により検出された煤の量が、所定煤量を超えたときに電極２１、２２の再生の必要があると診断し、電極２１、２２の再生を行う。
【００３９】
より具体的には、電気回路３（イオン電流検出手段）が、電極２１、２２に付着・堆積した煤の量を検出するための煤量検出手段をなし、コントローラ４（診断手段、再生手段）は、電気回路３により検出されたイオン電流が所定のイオン電流値（以下、しきい値という）以下のときに、電極２１、２２に付着・堆積した煤の量が所定煤量を超え電極２１、２２の再生の必要があると診断して、電極２１、２２の再生を行う。
【００４０】
また、コントローラ４（再生手段）は、電極２１、２２の再生を、上記ディーゼルエンジン１０の膨張行程後半あるいは排気行程で行う。
【００４１】
次に、図２および図３に基づき本実施形態のスパークプラグシステム１の作動を説明する。
【００４２】
図１および図４に示す本実施形態のスパークプラグシステム１は、ディーゼルエンジン１０の始動補助機能と、気筒別直接燃焼診断・制御を目的としたイオンセンサ機能とを有し、さらに、スパークプラグ２の電極２１、２２間に付着、堆積する煤を所定の条件（診断条件）で診断し再生（煤の除去、焼きだし）する診断・再生機能を有する。
【００４３】
始動補助機能では、コントローラ４は、エンジン１０の始動時（例えば、寒冷始動時）に、始動補助のためにエンジン１０の燃料噴射時期に同期させて、所定の時期および所定のエネルギで、スパークプラグ２を火花放電させ燃料を点火させる。
【００４４】
点火が終了すると、コントローラ４は、電気回路３を切り替えて、スパークプラグ２をイオンセンサのプローブとして用いて、エンジン１０の運転時に気筒別に直接に燃焼状態の検出を行う（イオンセンサ機能）。具体的には、燃焼状態の検出は、燃焼室１１内の圧力（以下、シリンダ内圧力という）を検出することで行われる。
【００４５】
図２に基づき、電気回路３で検出されるイオン電流とシリンダ内圧力との関係について説明する。
【００４６】
図２において、横軸は、クランク角（ｄｅｇ．ＣＡ）であり、縦軸は、シリンダ内圧力（ＭＰａ）およびイオン電流（μＡ）である。ラインＩＯＮは、電気回路３で検出されたイオン電流を示す。ラインＰは、エンジンに筒内圧力センサを取り付けて検出したシリンダ内圧力を示す。点線は点火イベントを示す。
【００４７】
図２に示すように、シリンダ内圧Ｐは圧縮上死点後にピークに到達しており、略同じクランク角で、イオン電流ＩＯＮも同様にピークに到達している。また、ピーク近傍では、シリンダ内圧Ｐとイオン電流ＩＯＮとが略相似な傾向（波形）を示す。
【００４８】
このことから、イオン電流によりシリンダ内圧力を検出することができ、そのシリンダ内圧力のピークから着火時期などを求めることができる。
【００４９】
ここで、燃焼状態を検出する際に、ディーゼルエンジン特有の煤がスパークプラグ２の中心電極２１および／または接地電極２２に付着あるいは堆積し、安定したイオン電流の検出ができなくなった場合には、所定の条件下において異常を検出、診断する必要がある。
【００５０】
広い運転領域（エンジン回転速度・エンジン負荷）で運転されるエンジン１０において、常に定まった燃焼状態を検出できるのは、アイドル運転時である。そこで、本実施形態では、煤の診断を行う診断タイミング（所定の条件）を、エンジン１０のアイドル運転時に設定した。
【００５１】
図３に基づき煤の診断と電極２１、２２の再生とについて詳細に説明する。
【００５２】
図３の横軸はクランク角（ｄｅｇ．ＣＡ）を示す。図３の最上段は、電気回路３により検出されたイオン電流と点火イベントとを示す。最上段において、ラインＮは正常時のイオン電流波形であり、ラインＡは電極２１、２２に煤が付着した異常時のイオン電流波形であり、点線は点火イベントによる波形である。２段目は、コントローラ４からインジェクタ１２に入力される燃料噴射信号を示す。なお、図例では、燃料噴射が２段階で行われる。３段目および４段目は、スパークプラグ２に投入される点火投入エネルギを示し、３段目が正常時を示し、４段目が煤付着時（再生時）を示す。
【００５３】
しきい値Ｔは、予め実験などで、スパークプラグ２に煤の付着がない状態においてアイドル運転下で安定して得られたイオン電流値から求められ、設定される。しきい値は、例えば、コントローラ４に記憶される。
【００５４】
図１および図４に示すように、まず、コントローラ４は、圧縮行程でインジェクタ１２に燃料噴射信号を送る際、電気回路３のコンデンサＣ１を充電するために、電気回路３のスイッチ３３をＯＮ・ＯＦＦしてスパークプラグ２に、火花放電が生じない程度の点火投入エネルギを投入する。
【００５５】
次に、コントローラ４は、電気回路３から検出されたイオン電流が、しきい値Ｔを下回る（以下である）か否かを判断する。
【００５６】
図３のラインＡに示すように、電極２１、２２に煤が付着した場合、電気回路３により検出されるイオン電流は、正常時のラインＮに比べて全体的に低くなり、特に、圧縮工程後半や膨張行程前半におけるイオン電流のピークがしきい値Ｔ以下となる。
【００５７】
このようにイオン電流のピークがしきい値Ｔを下回る場合、コントローラ４は、電極２１、２２に付着した煤を焼き切り再生するために、エンジン１０の燃焼に影響を及ぼさない時期である膨張行程後半あるいは排気行程中に、電極２１、２２の間に、火花放電が生じるような高電圧をかける。
【００５８】
図例では、コントローラ４は、膨張行程の後半で、コンデンサＣ１の充電時よりも大きなエネルギを投入する。また、コントローラ４は、再生のためのエネルギの投入を、電気回路３から検出されるイオン電流がしきい値Ｔ以下になるまで、複数サイクルにわたり、繰り返し行う（再生モード）。
【００５９】
その後、電気回路３から検出されたイオン電流が前述のしきい値Ｔを上回った場合（超えた場合）には、コントローラ４は再生モードを停止する。
【００６０】
以上のように、本実施形態では、ディーゼルエンジン１０の始動補助、気筒別直接燃焼状態診断・制御を目的としたイオンセンサ機能を有したスパークプラグシステム１が、スパークプラグ２の電極２１、２２間に付着、堆積する煤を所定の条件で診断し再生（煤の除去、焼きだし）する制御を有することにより、電極２１、２２間で検出されるイオン電流のばらつきが抑制され安定した気筒別直接燃焼診断が行え、燃焼制御に反映できる。
【００６１】
すなわち、本実施形態のスパークプラグシステム１は、スパークプラグ２の電極２１、２２間に付着および堆積する煤を診断および再生（煤の除去、焼きだし）するシステムにおいて、煤の付着および堆積の診断をアイドル運転時に行い、再生の要否の判断を、煤の付着および堆積量が所定の煤量を上回った場合に行い、かつイオンセンサ機能を有する場合に、その判断をイオンセンサのイオン電流（または電圧）が所定値を下回った場合に行うものである。
【００６２】
このようにスパークプラグ２の電極２１、２２への煤の付着あるいは堆積の診断をアイドル運転中に行うことで、診断を確実に行うことができ、電極２１、２２の再生を適宜行うことができる。
【００６３】
また、再生する時期を、膨張行程後半あるいは排気行程に設定することで、燃焼室に可燃のガスが存在しない状態で再生を行うことになり、かつ焼き切った煤が排気行程で燃焼室から速やかに排出され、その結果、エンジン１０の燃焼に影響を及ぼすことなく再生を行うことができる。
【００６４】
なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るスパークプラグシステムの概略構成図である。
【図２】図２は、イオン電流とシリンダ内圧力との関係を示す図である。
【図３】図３は、本実施形態のスパークプラグシステムの作動を説明するための図である。
【図４】図４は、本実施形態のディーゼルエンジンの概略構成図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  スパークプラグシステム
２  スパークプラグ
３  電気回路（イオン電流検出手段）
４  コントローラ（診断手段、再生手段）
１０  ディーゼルエンジン
１１  燃焼室
２１  中心電極
２２  接地電極
【図１】
2009019612.tif 000003
【図２】
2009019612.tif 000004
【図３】
2009019612.tif 000005
【図４】
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