JP2017227164A - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高電力の集中による中心電極の摩耗を抑制して、着火性を効果的に向上させる。【解決手段】シリンダブロック１１のシリンダ１２内にピストン１３が往復移動可能に収容されると共に、シリンダブロック１１の上部にシリンダヘッド１４が配置された内燃機関の点火装置であって、シリンダヘッド１４に取り付けられるハウジング２１と、ハウジング２１内に収容保持された絶縁碍子２２と、その上端側を絶縁碍子２２に収容されると共に、その下端側を絶縁碍子２２から露出させてシリンダ１２内に突出させた柱状の中心電極２４と、ピストン１３の頂面からピストン軸方向に凹設されると共に、ピストン１３の上死点にて中心電極２４の少なくとも一部を所定の空隙を隔てて受容し、中心電極２４に電圧が印加されると、その内面と中心電極２４の外面との間に火花放電を生じさせる凹穴２５とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の点火装置に関し、特に、点火プラグを備えた内燃機関の点火装置に関する。

一般的に、この種の点火プラグは、シリンダヘッドに取り付けられるハウジングと、ハウジングに収容保持された絶縁碍子と、絶縁碍子から突出する中心電極と、略Ｌ字状に屈曲形成されて中心電極の先端部と対向する接地電極とを備えている。

このような点火プラグにおいては、中心電極に電圧を印加して、中心電極と接地電極との空隙（以下、ギャップともいう）に火花放電を発生させることで、混合気に着火させている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２０１６−０６２８６５号公報 特開２０１４−１７５０９４号公報

ところで、上記点火プラグにおいて、混合気の着火性を向上させるには、ギャップに大きな火炎核の形成を促すために火花放電のアークエネルギを高める必要がある。また、排気エミッション性能の向上を図るべくＥＧＲ率を上昇させる際には、エンジンの失火を効果的に防止するために、中心電極に印加する電圧値を高める必要がある。

しかしながら、火花放電を発生させる中心電極の先端部は微小形状のため、このような先端部に高電力が集中すると、摩耗の進展によってギャップが拡張され、失火を生じやすくする課題がある。

本開示の技術は、高電力の集中による中心電極の摩耗を抑制して、着火性を効果的に向上させることを目的とする。

本開示の技術は、シリンダブロックのシリンダ内にピストンが往復移動可能に収容されると共に、前記シリンダブロックの上部にシリンダヘッドが配置された内燃機関の点火装置であって、前記シリンダヘッドに取り付けられるハウジングと、少なくともその一部を前記ハウジング内に収容保持された絶縁碍子と、その上端側を前記絶縁碍子に収容されると共に、その下端側を前記絶縁碍子から露出させて前記シリンダ内に突出させた柱状の中心電極と、前記ピストンの頂面からピストン軸方向に凹設されると共に、前記ピストンの上死点にて前記中心電極の少なくとも一部を所定の空隙を隔てて受容し、前記中心電極に電圧が印加されると、その内面と前記中心電極の外面との間に火花放電を生じさせる凹穴と、を備えることを特徴とする。

また、前記凹穴は、前記ピストンの頂面からピストン軸方向に窪む筒穴部を含み、当該筒穴部は、前記ピストンが上死点よりも進角側の所定のクランク角度位置にある時に、前記中心電極の少なくとも一部を受容し、前記中心電極に電圧が印加されると、その内面と前記中心電極の外面との間に火花放電を生じさせることが好ましい。

また、前記凹穴は、前記筒穴部の下端から半球状に窪む球状穴部をさらに含み、前記ピストンが上死点に達すると、前記中心電極の下端が前記筒穴部と前記球状穴部の境界に位置され、前記中心電極に電圧が印加されると、前記筒穴部又は前記球状穴部の少なくとも一方の内面と前記中心電極の外面との間に火花放電を生じさせることが好ましい。

また、前記シリンダに臨む前記シリンダヘッドの下面が平坦状に形成されると共に、前記ピストンの頂面の前記凹穴を除く他の部分に凹部が形成されてもよい。

また、前記凹部が前記ピストンの頂面の周縁に環状に凹設されてもよい。

本開示の技術によれば、高電力の集中による中心電極の摩耗を抑制して、着火性を効果的に向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の点火装置を示す模式的な部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の点火装置の要部を説明する模式的な部分断面図である 本発明の一実施形態に係る内燃機関の点火装置において、進角側の所定のクランク角度位置にて燃焼室内の混合気に着火する状態を説明する模式図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の点火装置において、ピストンの圧縮上死点近傍にて燃焼室内の混合気に着火する状態を説明する模式図である。 他の実施形態に係る内燃機関の点火装置を示す模式的な部分断面図である。 他の実施形態に係る内燃機関の点火装置を示す模式的な部分断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の点火装置について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、エンジン１０のシリンダブロック１１には、シリンダ１２内にピストン１３が往復移動可能に収容されている。また、シリンダブロック１１の上部には、シリンダヘッド１４が図示しないヘッドボルトによって固定されている。

シリンダヘッド１４には、吸気ポート１５及び排気ポート１６が設けられている。また、シリンダブロック１４には、吸気ポート１５内に燃料（ガソリン又は、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ＣＮＧ等の天然ガス）を噴射するインジェクタ３０が設けられている。また、シリンダヘッド１４には、開閉動作により吸気ポート１５から混合気を燃焼室１７内に導入する吸気バルブ１８及び、開閉動作により燃焼室１７内から排気ガスを排気ポート１６内に導出する排気バルブ１９が設けられている。また、燃焼室１７の上壁を形成するシリンダヘッド１４の下面は略平坦状とされ、その中心部には点火プラグ２０を取り付けるための雌ネジ孔１４Ａが穿設されている。

次に、図２に基づいて、点火プラグ２０の詳細構成について説明する。本実施形態の点火プラグ２０は、少なくとも、ハウジング２１と、絶縁碍子２２と、接続端子２３と、中心電極２４とを備えている。

ハウジング２１は、略円筒状に形成されており、その上端側にはシリンダヘッド１４の雌ネジ孔１４Ａよりも大径の六角部２１Ａが設けられている。また、ハウジング２１の下端側には、雌ネジ孔１４Ａと螺合される雄ネジ部２１Ｂが設けられている。さらに、ハウジング２１の六角部２１Ａと雄ネジ部２１Ｂとの間には、シリンダヘッド１４とハウジング２１との隙間をシールする図示しないガスケットが設けられている。

絶縁碍子２２は、略円筒状に形成されており、その上端部２２Ｂ及び下端部２２Ａをハウジング２１から露出させた状態で、これら上端部２２Ｂ及び下端部２２Ａを除く他の部分をハウジング２１の筒内に収容保持されている。絶縁碍子２２の下端部２２Ａは、燃焼室１７内に突出している。また、絶縁碍子２２の上端部２２Ｂには、接続端子２３が保持されている。

接続端子２３は、その下端側を絶縁碍子２２の筒内に収容されると共に、その上端側を絶縁碍子２２から突出させている。接続端子２３の上端側には、図示しないケーブルを介して外部電源が接続されている。また、接続端子２３の下端側は、中心電極２４の上端側に図示しない中軸等を介して電気的に接続されている。

中心電極２４は、一般的な点火プラグの電極よりも大径の略円柱状に形成されており、その下端部２４Ａを除く他の部分を絶縁碍子２２の筒内に収容保持されている。すなわち、中心電極２４の下端部２４Ａは、絶縁碍子２２の下端部２２Ａから、燃焼室１７内のピストン１３頂面の略中心部に向かってシリンダ１２の軸方向に突出して設けられている。

本実施形態において、ピストン１３には、その頂面の周縁を外側面に向って斜めに切り欠いて形成した環状凹部２６が設けられている。さらに、ピストン１３の略中心部には、燃焼室１７内に突出する中心電極２４の下端部２４Ａを受容可能な接地電極凹穴２５が凹設されている。

より詳しくは、接地電極凹穴２５は、ピストン１３頂面の略中心部からピストン軸方向に円筒状に所定の深さで窪む筒穴部２５Ａと、筒穴部２５Ａの下端から半球状に窪む球状穴部２５Ｂとを備えている。

筒穴部２５Ａの穴径（直径）Ｄは、ピストン１３が上死点に位置する際に、その内部に絶縁碍子２２の下端部２２Ａ及び中心電極２４の下端部２４Ａを受容しつつ、その内周面と中心電極２４の下端部２４Ａ外周面との間に微小な空隙Ｇが確保されるように、当該下端部２４Ａの外径よりも僅かに大きく形成されている。空隙Ｇは、好ましくは、一般的な点火プラグのギャップ（中心電極と接地電極との空隙）と略同等の値で設定されている。球状穴部２５Ｂの半径Ｒは、好ましくは、筒穴部２５Ａの穴径Ｄの半分（１／２）の値で設定されている。

筒穴部２５Ａの深さＬは、ピストン１３が上死点に達する前の進角側の所定のクランク角度位置（例えば、約２５〜３０度）にある時に、中心電極２４の下端部２４Ａが筒穴部２５Ａの上端側に受容され（図３参照）、さらに、ピストン１３が上死点に達した時に、中心電極２４の下端部２４Ａ先端が筒穴部２５Ａと球状穴部２５Ｂとの境界に位置される長さで設定されている（図４参照）。すなわち、ピストン１３の上死点前後の所定のクランク角度範囲に亘って、中心電極２４の下端部２４Ａが接地電極凹穴２５内に確実に受容されるようになっている。

次に、図３，４に基づいて、本実施形態に係る内燃機関の点火装置による作用効果を説明する。

図３は、エンジン１０の高負荷運転時等、着火タイミングを早める場合に、進角側の所定のクランク角度位置（例えば、約２５〜３０度）で燃焼室１７内の混合気に着火する状態を説明する図である。ピストン１３が上死点よりも進角側の所定のクランク角度位置（例えば、約２５〜３０度）に達すると、中心電極２４の下端部２４Ａは、接地電極凹穴２５の筒穴部２５Ａ内の上端側に受容された状態になる。この状態で図示しない外部電源から接続端子２３を介して中心電極２４に高電圧を印加すると、中心電極２４の外周面と筒穴部２５Ａの内周面との間に複数の火花放電を生じさせて、混合気が効果的に着火されるようになっている。

このように、面積の広い中心電極２４の外周面と、これを取り囲む筒穴部２５Ａの内周面との間で複数の花火放電を生じさせることで、中心電極２４の極部的な電力集中が防止されるようになる。これにより、中心電極２４の摩耗によるギャップ拡大が効果的に抑止されるようになり、進角時の着火性能を確実に向上することができる。

図４は、ピストン１３の圧縮上死点近傍にて、燃焼室１７内の混合気に着火する状態を説明する図である。ピストン１３が圧縮上死点近傍に達すると、中心電極２４の下端部２４Ａは、その全体が接地電極凹穴２５内に受容された状態になる。この状態で図示しない外部電源から接続端子２３を介して中心電極２４に高電圧を印加すると、中心電極２４の外周面と接地電極凹穴２５（筒穴部２５Ａ及び球状穴部２５Ｂ）の内周面との間に複数の火花放電を生じさせて、混合気が効果的に着火されるようになっている。

このように、面積の広い中心電極２４の外周面と、これを取り囲む接地電極凹穴２５（筒穴部２５Ａ及び球状穴部２５Ｂ）の内周面との間で複数の火花放電を生じさせることで、上述の進角時と同様に中心電極２４の極部的な電力集中が防止されて、中心電極２４の摩耗によるギャップ拡大を効果的に抑止することが可能となり、圧縮上死点の着火性能も確実に向上することができる。

また、ピストン１３の頂面周縁に環状凹部２６を設けたことで、ピストン１３が圧縮上死点に近づくと、混合気の一部は環状凹部２６内に流れ込むようになる。これにより、天井面が平坦状の燃焼室１７においても、圧縮比の過度な上昇が抑止されるようになり、ノッキングの発生を効果的に防止することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、環状凹部２６の形状は上記実施形態に限定されず、図５に示すように、ピストン１３頂面の周縁と接地電極凹穴２５との間に設けられてもよい。また、その形状も環状に限定されず、複数の凹部を個別に設けるものであってもよい。

また、図６に示すように、中心電極２３の先端側を球状穴部２５Ｂの形状に沿うように半球状に突出させてもよい。このように構成することで、中心電極２３と接地電極凹穴２５との空隙が全体的に均一化されて、着火性をより安定さることができる。

また、燃焼室１７の形状は上記実施形態に限定されず、ペントルーフ型等の他の形状の燃焼室であってもよい。

また、燃料噴射形式は吸気ポート１５内に噴射する予混合形式に限定されず、燃焼室１７内に噴射する直噴式であってもよい。

また、エンジン１０は、ガソリンエンジンやガスエンジンに限定されず、上記実施形態の点火プラグ２０によって着火可能な燃料を用いる他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０ エンジン
１１ シリンダブロック
１２ シリンダ
１３ ピストン
１４ シリンダヘッド
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
１７ 燃焼室
１８ 吸気バルブ
１９ 排気バルブ
２０ 点火プラグ
２１ ハウジング
２２ 絶縁碍子
２３ 接続端子
２４ 中心電極
２５ 接地電極凹穴
２５Ａ 筒穴部
２５Ｂ 球状穴部
２６ 環状凹部
３０ インジェクタ

Claims (5)

1. シリンダブロックのシリンダ内にピストンが往復移動可能に収容されると共に、前記シリンダブロックの上部にシリンダヘッドが配置された内燃機関の点火装置であって、
   前記シリンダヘッドに取り付けられるハウジングと、
   少なくともその一部を前記ハウジング内に収容保持された絶縁碍子と、
   その上端側を前記絶縁碍子に収容されると共に、その下端側を前記絶縁碍子から露出させて前記シリンダ内に突出させた柱状の中心電極と、
   前記ピストンの頂面からピストン軸方向に凹設されると共に、前記ピストンの上死点にて前記中心電極の少なくとも一部を所定の空隙を隔てて受容し、前記中心電極に電圧が印加されると、その内面と前記中心電極の外面との間に火花放電を生じさせる凹穴と、を備える
   ことを特徴とする内燃機関の点火装置。
2. 前記凹穴は、前記ピストンの頂面からピストン軸方向に窪む筒穴部を含み、当該筒穴部は、前記ピストンが上死点よりも進角側の所定のクランク角度位置にある時に、前記中心電極の少なくとも一部を受容し、前記中心電極に電圧が印加されると、その内面と前記中心電極の外面との間に火花放電を生じさせる
   請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 前記凹穴は、前記筒穴部の下端から半球状に窪む球状穴部をさらに含み、前記ピストンが上死点に達すると、前記中心電極の下端が前記筒穴部と前記球状穴部の境界に位置され、前記中心電極に電圧が印加されると、前記筒穴部又は前記球状穴部の少なくとも一方の内面と前記中心電極の外面との間に火花放電を生じさせる
   請求項２に記載の内燃機関の点火装置。
4. 前記シリンダに臨む前記シリンダヘッドの下面が平坦状に形成されると共に、前記ピストンの頂面の前記凹穴を除く他の部分に凹部が形成された
   請求項１〜３の何れか一項に記載内燃機関の点火装置。
5. 前記凹部が前記ピストンの頂面の周縁に環状に凹設された
   請求項４に記載の内燃機関の点火装置。

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