JP5495980B2 - 火花点火式内燃機関用点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内に電界を生成させ、電界と点火プラグによる火花放電とによりプラズマを生成し混合気に着火する火花点火式内燃機関に取り付けられる点火プラグに関するものである。

従来、着火性を改善するために、マイクロ波を利用して燃焼室内の混合気に点火するエンジンの点火装置が知られている。マイクロ波を利用することにより、着火性は改善されるものの、マイクロ波により生成されるプラズマの熱により、点火プラグの電極が劣化しやすいといった不具合が生じる。

このような不具合を解消するために、例えば特許文献１に記載のものでは、点火プラグの放電部に対してマイクロ波を照射して、放電部に生成されたプラズマを放電部から離すように燃焼室内にガス流動を生起するガス流動生起手段を備えることを示している。この特許文献１のものでは、プラズマが拡大する過程において、ガス流動生起手段が生み出すガス流動によりプラズマを放電部から離して、プラズマの熱の影響が放電部に及ばないようにすることによって上記の不具合を解消している。

しかしながら、ガス流動を生起するために、シリンダ軸心と吸気ポートの中心線とのなす鋭角を９０°に近づくようにエンジンを構成するか、あるいは吸気ポート内に流動生起弁や吸入空気の指向性を改善するための隔壁を設ける必要があり、エンジンの構成を制約するものである。このような制約のために、製造コストの上昇を抑えることが困難である。

特開２００９‐１０３０３９号公報

本発明は、火花点火式内燃機関の構造に依存することなく、プラズマを利用した点火の際のプラズマの熱による電極の劣化を抑制することを目的とする。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関用プラグは、火花放電させるための高電圧を印加する点火コイルと電界を生成する電界生成回路とを電気的に接続する中心電極と中心電極に対向する接地電極とを備えた火花点火式内燃機関用点火プラグであって、火花点火式内燃機関は、火花放電と電界とを反応させることにより生成されるプラズマで混合気に着火するものであり、接地電極が、中心電極に対して中心電極の方向に突出する少なくとも二つの突出部を備えることを特徴とする。

このような構成によれば、火花放電と電界とで生成されたプラズマは、中心電極と接地電極の突出部とを直線で結んだ際に形成される三角形状の領域内に保持されることになる。このため、プラズマが接地電極の突出部に接触することが抑制され、高耐熱性物質により接地電極を構成せずとも接地電極の熱耐久性を確保することが可能になる。

プラズマの移動を効果的に抑制するためには、突出部が、三つであり、ほぼ等間隔をあけて配置されるものが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、プラズマが生成される領域を中心電極と接地電極の突出部とで囲まれる領域に限定することにより、プラズマが接地電極の突出部に接触することが抑制され、高耐熱性物質により接地電極を構成せずとも接地電極の熱耐久性を確保することができる。

本発明の実施形態を適用するエンジンの構成を示す断面図。 同実施形態の正面図。 同実施形態の要部拡大断面図。 同実施形態の要部拡大底面図。 同実施形態の点火コイル、点火プラグ及び電界生成回路の接続を示すブロック図。 同実施形態の電界生成回路を示すブロック図。 図６におけるＨブリッジ回路の一例を示す回路図。 同実施形態の変形例を示す図３相当図。 同実施形態の変形例を示す図４相当図。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜７を参照して説明する。

図１に点火プラグ１の取付部分を拡大して示す火花点火式内燃機関であるエンジン１００は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト（ＤＯＨＣ）形式のもので、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてある。なお、点火プラグ１を除くエンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。

この実施例の点火プラグ１は、図２〜図４に示すように、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１５とを備える。すなわち、点火プラグ１は、ハウジング１３がほぼ円柱形状の絶縁碍子１６を支持し、絶縁碍子１６の上端に取り付けられる接続端子１７が、ハウジング１３の下端から突出する中心電極１４と図示しない中軸により電気的に接続され、ハウジング１３下端から中心電極１４側面に対向する位置まで延びる位置に接地電極１５がハウジング１３に一体的に設けてある構造である。絶縁碍子１６は、中心電極１４とエンジン１００への取付部であるハウジング１３とを絶縁するとともに、中心電極１４と接続端子１７との接続部材である中軸も絶縁するもので、ほぼ円筒形状をしている。

ハウジング１３は、絶縁碍子１６を収容するのに十分な内部空間を備える円筒形状のもので、導電材料である、例えばステンレス製のものである。ハウジング１３は、その上端部分が、絶縁碍子１６を密着し気密性を維持するために内側に絞り込まれている。また、その長手方向の中央部から下側部分の外周には、シリンダヘッド８への取付のための雄ねじ部１８が形成してある。加えて、雄ねじ部１８と上端部分との間には、取り付ける場合に取付台座部となる主体金具１９が、雄ねじ部１８より大きな外径で形成してある。

中心電極１４は、例えば円柱状のニッケル合金からなる金属材料にて形成されており、その下端が絶縁碍子１６から露出するとともに、ハウジング１３の下端から露出する。中心電極１４の先端面１４ａは、接地電極１５の下面とほぼ面一になる位置まで延びている。

このような中心電極１４に対して、接地電極１５は、ハウジング１３下端面に一体的に形成される側面視ほぼＬ字状のもので、その先端面１５ａは、間隙をあけて中心電極１４の下端部の側面１４ｂに対向している。接地電極１５は、その先端面１５ａに、中心電極１４の方向に突出する２つの突出部１５ｂを備えている。この実施形態における突出部１５ｂは、端面形状がほぼ矩形の先端面１５ａの両端部分に、ほぼ同一高さ位置で配置される。突出部１５ｂは高耐熱性物質であるイリジウムで形成してあり、それ以外の接地電極１５の部分はニッケルで形成してある。突出部１５ｂの形状は、直方体又は立方体である。なお、高耐熱性物質としては、イリジウム合金や白金などであってもよい。又、突出部１５ａは、それらの高耐熱性物質で形成するもの以外に、例えばニッケルで形成されてその表面を高耐熱性物質でコーティングするものであってもよい。

このような構成において、点火プラグ１はエンジン１００のそれぞれの気筒に対して取り付けられ、火花放電を行う本来の機能とともに、後述するプラズマ生成のための電界を生成するための電極としても機能するものである。すなわちこのエンジン１００は、燃焼室６内の混合気に点火プラグ１を用いて着火する場合に、点火プラグ１の火花放電を燃焼室６内に生成する電界と反応させることにより、点火プラグ１の火花放電を電界と反応させない場合の火花放電に比較して、大きくしている。このために、点火プラグ１の中心電極１４には、図５に示すように、火花放電のための点火コイル２０がミキサ２１を介して接続されるとともに、電界を生成するための電界生成回路２２が接続されている。

電界生成回路２２は例えば、図６に示すように、車両用のバッテリ２３の電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ‐ＤＣコンバータ２４にて３００〜５００Ｖに昇圧し、昇圧された直流をＨブリッジ回路２５にて周波数が約２００ｋＨｚ〜６００ｋＨｚの交流に変化させ、さらに昇圧トランス２６により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧した交流を出力する構成である。電界生成回路２２が出力する交流電圧を中心電極１４とシリンダヘッド８と間に交流電圧を印加することで、放電域である中心電極１４と接地電極１５との間隙に上記周波数帯であって極性が交互に入れ替わる電界が生成されるように構成してある。

点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル２０により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後に電界生成回路２２が出力する交流により電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室６内の混合気を急速に燃焼させる構成である。

具体的には、中心電極１４と接地電極１５の突出部１５ｂとの間の最も距離が短い部分から火花放電が始まる。その後、点火プラグ１による火花放電が、電界中で振動され、増幅されてプラズマになり、火炎核を形成する。

これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、火花放電のみの火炎核に比較して飛躍的に火炎核が大きくなるものである。

この結果、電界と反応することにより増大した火花放電つまりプラズマにより混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ１のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室６内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

このようにして生じるプラズマは、接地電極１５が対をなす突出部１５ｂを備えているので、中心電極１４と２つの突出部１５ｂとを頂点とする三角形状の領域内に保持される。したがって、シリンダ内に混合気の気流つまり筒内流が生じていても、そのような筒内流に影響されて移動することがない。しかも突出部１５ｂは、ほぼ同じ高さに設けてあるので、上述の三角形状の領域がシリンダ内にほぼ水平に形成されることになり、燃焼室内に上述の筒内流が生じた場合であっても、その筒内流によりプラズマが流されることを抑制することができる。

それゆえ、突出部１５ｂを含む接地電極１５がプラズマにさらされる状態が低減され、接地電極１５の劣化を抑えることができる。このことは、接地電極１５全体を高耐熱性物質により形成することなく、接地電極１５の熱耐久性を確保することができることを示すものである。

さらに、プラズマが移動しないために、混合気に対して定位置において着火することができ、燃焼を安定させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態にあっては、接地電極１５の先端部分の幅方向において突出部１５ｂを配置したものを説明したが、図８に示すように、同先端部分の厚み方向の同一直線上において突出部１５１ｂを配置するものであってもよい。この場合にあっては、中心電極１４の先端面が、突出部１５１ｂの中央高さ位置になるように、両突出部１５１ｂを形成する。中心電極１４の先端面１４ａの外周部の一部分と突出部１５１ｂとで形成する三角形状の領域は、シリンダの中心軸と平行に形成されるものとなる。この例にあっても、上述の実施形態同様に、その三角形状の領域にプラズマが保持されるものである。

又、突出部２１５ｂは、図９に示すように、ほぼ等間隔をあけて配置される３つであってもよい。すなわち、突出部２１５ｂは、接地電極１５の先端部分の幅方向のほぼ中央と幅方向のほぼ両端とに形成する。このように突出部分を配置することにより、中心電極１４と中央の突出部２１５ｂと一方の端部の突出部２１５ｂとにより三角形状の領域が形成されるとともに、中心電極１４と中央の突出部２１５ｂと他方の端部の突出部２１５ｂとにより三角形状の領域が形成される。つまり、中心電極１４と中央の突出部２１５ｂとを結ぶ線分の両側に線対称となる形状の領域が形成されるものとなる。

このように、三角形状の領域を二つ形成することで、そのいずれか一方の領域にプラズマが生成され保持される。したがって、プラズマ生成の開始時に筒内流が生じても、どちらかの領域にプラズマを保持することができる。このため、着火性を向上させることができる。

接地電極の突出部の形状は、上述の実施形態以外に、円錐や角錐であってもよい。この場合、頂点を中心電極の方向に向けて形成する。頂点は、針状の尖端以外に、球状や半球状であってよい。

電界生成回路としては、上述した交流を発生させるもの以外に、交流を整流した脈流や、直流をオンオフするもの、さらには高周波発生回路などであってもよい。

高周波発生回路は、例えば６００ｋＨｚの高周波を発生させる送信機と、送信機の出力端に同軸ケーブルで接続されるマッチングチューナ（又はアンテナチューナ）と、マッチングチューナの出力端に不平衡ケーブルで接続されるとともに点火コイルにも接続され送信機からの高周波と点火コイルからの放電高圧信号を混合するミキサとを備えている。なお、高周波の周波数としては、約２００ｋＨｚ〜６００ＭＨｚのものが使用できる。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。

１…点火プラグ
６…燃焼室
１４…中心電極
１５…接地電極
１５ｂ…突出部

Claims (2)

1. 火花放電させるための高電圧を印加する点火コイルと電界を生成する電界生成回路とを電気的に接続する中心電極と中心電極に対向する接地電極とを備えた火花点火式内燃機関用点火プラグであって、
   火花点火式内燃機関は、火花放電と電界とを反応させることにより生成されるプラズマで混合気に着火するものであり、
   接地電極が、中心電極に対して中心電極の方向に突出する少なくとも二つの突出部を備え、
   火花放電及び電界生成により生じるプラズマが中心電極と接地電極の複数の突出部とを頂点とする領域内に保持される火花点火式内燃機関用プラグ。
2. 突出部が、三つであり、ほぼ等間隔をあけて配置される請求項１記載の火花点火式内燃機関用プラグ。

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