JP6738806B2

JP6738806B2 - 点火プラグ

Info

Publication number: JP6738806B2
Application number: JP2017523234A
Authority: JP
Inventors: クルーガー，ペトラス，パウルス; ヴィッサー，バレント
Original assignee: ノース−ウエストユニヴァーシティ
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2015-10-28
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2035-10-28
Also published as: US9899803B2; WO2016067209A1; RU2696718C2; RU2017118094A; MY191320A; AU2015338759A1; AU2015338759B2; US20170324222A1; CN107005030A; CN107005030B; RU2017118094A3; KR20170101900A; EP3213379A1; JP2017534149A; BR112017008937A2

Description

本発明は、内燃機関用の点火プラグに関する。

ガソリン内燃機関において排出を改善するために、排気ガス再循環（ＥＧＲ）又はリーン（lean：希薄）混合気を用いて内燃機関を動作させることができる。しかしながら、既知のスパークプラグ及び点火システムを用いる場合、これらの条件下で燃焼安定性は許容できないものとなる可能性がある。これに対する１つの理由は、従来、既知のスパークプラグのスパークギャップ（通常、０．８ｍｍ）にわたって点火されているガスが少量であるということである。

よりギャップの大きいコロナ点火システムを用いることにより、より大量のガスに点火することによって、燃焼安定性を改善することができることが示されている。しかしながら、こうしたシステムではより高い電圧が必要であり、問題であることが多い。例えば、電圧が高くなると、プラグのセラミック本体におけるブレークスルー（breakthrough）、プラグにおけるバックアーク現象等に至る可能性がある。幾つかの既知のコロナシステムは、より大量のガスに点火するために、燃焼チャンバー内に延在する鋭利な電極を備える。しかしながら、これらの電極は、幾つかの条件下では高温になり過ぎる可能性があり、それにより、不適切な時点での燃焼となる可能性がある。さらに、高い電圧（通常、約１００ｋＶ）及び関連する熱により、電極の摩耗が問題となる。

さらに、コロナシステムでは、鋭利な電極に損傷を与えるスパークが発生する可能性もある。従来のコロナシステムでは、電極の摩耗を最小限にするために、可能な限りスパークを防止しなければならず、スパークが発生すると、十分な燃焼を達成するようにそれを制御しなければならない（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。電極は、摩耗すると鈍くなり、コロナを達成するために必要な電圧が高くなる。

米国特許第８，５７８，９０２号米国特許第８，７２６，８７１号

したがって、本発明の目的は、本出願人が上述した不都合を少なくとも軽減することができると考える、又は既知のプラグ及びシステムに対して有用な代替案を提供することができる、点火プラグを提供することである。

本発明によれば、点火プラグであって、
第１の端部、第１の端部とは反対側の第２の端部、及び第１の端部における第１の面を有する、絶縁材料の細長い円筒状本体と、
本体内で長手方向に延在する第１の細長い電極であって、第１の端部及び第２の端部を有し、第１の細長い電極の第１の端部において、本体の第２の端部に向かう方向において本体の第１の端部から第１の距離ｄ１で終端する第１の細長い電極と、
なお、本体は、第１の電極の第１の端部と本体の第１の端部との間に止り穴を画定し、
点火プラグは、
本体の外面に設けられ、ａ）本体の第１の面と同一平面、及びｂ）本体の第２の端部に向かう方向において本体の第１の端部から第２の距離ｄ２のうちの一方で終端する、第２の電極と、
を備える、点火プラグが提供される。

本体は、横断面において円形とすることができ、第１の電極は、本体内で軸方向に延在することができる。

第１の電極の横断面は、第１の電極の第１の端部に向かって縮小することができ、それにより、第１の電極は、止り穴内でその先端において終端する。

第２の電極は、本体のためのスリーブ又はジャケットの形態とすることができる。第２の電極は、本体の第２の端部に向かう領域から、通常、本体の第２の端部から、本体の第１の端部に向かって延在することができる。

本体の第１の面は、第１の面内に、窪み、ピット、溝等の中空構造を画定することができる。

本発明はまた、上で定義したような点火プラグとプラグ用の駆動回路とを備える点火システムにも及ぶ。

本発明の範囲内には、本明細書において定義及び／又は記載するようなガス状物質に点火する方法が更に含まれる。

より詳細には、チャンバー内のガス状物質に点火する方法であって、
絶縁材料の本体と、第１の電極であって、全体として本体を通して部分的に延在して、第１の電極の先端において本体とともに本体内に止り穴を画定し、止り穴は本体の口部を通してチャンバーとガス流連通している、第１の電極と、本体の外面にある第２の電極とを備える点火プラグを利用することと、
先端においてコロナを初期状態にして、止り穴内で口部に向かってコロナプラズマを延ばし、かつプラズマをチャンバー内に噴出するように、第１の電極を駆動することと、
ａ）第１の電極の先端から、ガス状物質によって包囲される経路に沿って、チャンバーを通って第２の電極まで延びるスパーク、及びｂ）第１の電極の先端から、ガス状物質によって包囲される経路に沿ってチャンバー内に延びるコロナプラズマ、のうちの一方を形成するように、コロナプラズマを制御することと、
を含む方法が提供される。

ここで、添付の図面を参照して本発明について単に例として更に説明する。

点火プラグの第１の実施形態例の概略断面図である。点火プラグの第２の実施形態例の同様の図である。

点火プラグの第１の実施形態例及び第２の実施形態例は、それぞれ図１及び図２において参照数字１０．１及び１０．２によって示されている。

点火プラグは、第１の端部１２．１と第１の端部とは反対側の第２の端部１２．２とを有する絶縁材料の細長い円筒状本体１２を備える。第１の端部には第１の面１４が設けられている。本体１２内では、第１の細長い電極１６が長手方向に延在している。第１の電極１６は、第１の端部１６．１及び第２の端部１６．２を有する。第１の電極は、第１の電極の第１の端部１６．１において、本体の第２の端部１２．２に向かう方向において本体の第１の端部１２．１から第１の距離ｄ１で終端している。このため、本体は、第１の電極の第１の端部１６．１と本体の第１の端部１２．１における口部１９との間に延在する止り穴１８を画定している。本体１２の外面に第２の電極２０が設けられ、第２の電極は、ａ）（図１に示すような）本体の第１の面１４と同一平面、及びｂ）（図２に示すような）本体の第２の端部１２．２に向かう方向において本体の第１の端部１２．１から第２の距離ｄ２、のうちの一方で終端する。

本体１２は、好ましくは、横断面において円形であり、適当なセラミック材料から作製することができる。

実施形態例では、第２の電極２０は、本体１２のためのスリーブ又はジャケットの形態であり、本体の第２の端部から本体の第１の端部に向かって延在し、使用時、接地するか又は接地電位に接続することができる。

第１の電極１６は、その第２の端部１６．２に向かって、かつその長さの大部分に対して、第１の横断面積を有することができ、第１の横断面積は、電極の第１の端部に向かって縮小することができ、それにより、第１の電極は、第１の横断面積より小さい第２の横断面積を有する先端１６．１において、穴１８の止り端部で終端する。第１の電極は、横断面において円形であり、第１の電極１６が接地された第２の電極２０を通って延在する場所で、第１の電極１６と本体１２との間の接触面における電界がセラミック本体のブレークスルー電界より低いように、十分大きい直径（約１ｍｍ）を有することができる。穴１８の止り端部における先端１６．１は、穴１８内に十分大きい電界を発生させるように０．５ｍｍ未満の直径を有することができる。

図１の実施形態例では、第２の電極２０は、第１の面１４と同一平面で終端している。点火プラグの第１の実施形態は、後述する理由で、スパークプラグと呼ぶことができる。

図２の実施形態例では、第２の電極２０は、第２の端部１２．２に向かう方向において第１の端部（正：end）１２．１から距離ｄ２で終端している。点火プラグの第２の実施形態は、同様に後述する理由で、コロナプラグと呼ぶことができる。

使用時、プラグ１０．１の電極は、適当な駆動回路（図示せず）に接続され、プラグは、内燃機関（同様に図示せず）のシリンダー（同様に図示せず）のチャンバー２２内に延在する。ガス状物質がチャンバーを充填し、止り穴１８内に広がる。駆動回路は、最初に、先端１６．１においてコロナを発生させ、それは、止り穴内のガス状物質を加熱する。次に、止り穴内のガス状物質及びコロナの双方が燃焼チャンバー２２内に噴出され、その結果、チャンバー内のガス状物質に点火する役割を果たす長いプラズマ本体２４がもたらされる。約１０ｍｍのプラズマ本体長ｌを達成することができる。

止り穴１８の容積は、その中のガス状物質の温度及び圧力を約１ｍＪのエネルギーによって十分に上昇させることができるように、十分小さくなければならない。例えば、ｄ１＝１ｍｍ及び０．５ｍｍ直径の穴を用いることにより、容積Ｖ＝０．２ｍｍ^３が得られる。Ｖ＝０．２ｍｍ^３における３００Ｋ、２０バールの空気は、セラミック内で熱が喪失しない場合、１ｍＪのエネルギーにより、約６５０Ｋの温度及び約４０バールの圧力まで上昇する。

接地された第２の電極２０が第１の面１４と同一平面になるように延在する第１の実施形態の場合、噴出されるコロナは、第２の電極２０に向かって成長する傾向があり、スパークを形成する。このスパークは、本明細書の導入部で言及した、既知のスパークプラグ及びスパーク点火システムにおけるスパークより、はるかに長い。

接地された第２の電極２０が本体１２の第１の端部１２．１から距離ｄ２で終端する第２の実施形態１０．２の場合、コロナ２４は、プラグ１０．２から離れて成長する傾向があり、火花放電を形成しない。第１の面１４は、コロナがプラグから離れて成長するのに役立つように窪み２６、溝及び他の構造を画定することができる。

コロナ噴出を達成するために、第１の電極は、十分に長く十分に高い周波数で十分に高い電圧で駆動しなければならない。コロナが、止り穴１８内部で第１の電極の先端１６．１において形成され、口部に向かって成長するように、電圧は十分に高くなければならない。電極先端１６．１に隣接するセラミックは、先端において十分に高い電界強度を生成するのに寄与し、約３０ｋＶでコロナを開始するのを可能にし、それは、既知のコロナシステムの約１００ｋＶを超える電圧よりはるかに低い。

コロナが形成されると、ガスを加熱するために、ガス状物質にエネルギーを伝達しなければならない。コロナは、抵抗及び容量負荷とみなすことができる。したがって、この負荷に十分なエネルギーを伝達するために、十分に高い電圧を供給しなければならない。電圧が供給される周波数は、燃焼チャンバー内に噴出される前にガスを十分に加熱することができるように十分高く（＞１ＭＨｚ）なければならない。それはまた、コロナがセラミック本体１２の第１の面１４を伝って進まないようにも十分高くなければならない。５ＭＨｚで、電子は、各サイクル中におよそ１ｍｍで移動し、それは、止り穴１８の深さｄ１と同じ程度であり、かつ第１の電極から第２の電極を含む任意の接地金属までの距離よりはるかに短い。

プラグに対して、穴内部でプラズマを加熱し、その後、燃焼チャンバー内に噴出された後のプラズマを更に加熱するために、十分に長く（通常、＞１００μ秒）、エネルギーを供給しなければならない。

このため、本発明の一態様は、燃焼チャンバー内で５ｍｍより長いコロナ又はスパークを発生させるために、穴１８の内部で電極１６．１によってスパークプラグ１０．１、１０．２を駆動し、コロナ又はスパークプラズマがガス状物質によって包囲され、いかなる電極によっても遮られない、方法に関する。ホットスポットになる可能性がある燃焼チャンバー内に延在する電極もない。

点火プラグを駆動する駆動回路及び関連する方法は、「Ignition system for an internal combustion engine and a method of driving an ignition plug of an ignition system」と題する本出願人の同時係属国際出願において定義されかつ記載されており、その内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

結果として、点火されるガスの容量が大きくなることにより、高いＥＧＲ及びリーン混合気において燃焼安定性を向上させることができる。本発明は、燃焼安定性を改善することができ、内燃機関製造業者が強制的な排出基準を満たすのに役立つことができる。

Claims

点火プラグ（１０．１、１０．２）であって、
第１の端部（１２．１）、該第１の端部とは反対側の第２の端部（１２．２）、及び前記第１の端部における第１の面（１４）を有する、絶縁材料の細長い円筒状本体（１２）と、
前記本体内で長手方向に延在する第１の細長い電極（１６）であって、第１の端部（１６．１）及び第２の端部（１６．２）を有し、該第１の細長い電極（１６）の該第１の端部（１６．１）において、前記本体の前記第２の端部（１２．２）に向かう方向において該本体の前記第１の端部（１２．１）から第１の距離ｄ１で終端する第１の細長い電極と、
穴（１８）を画定する前記本体の内部側壁と、
前記本体の外面に設けられ、
ａ）該本体の前記第１の面と同一平面、及び
ｂ）前記本体の前記第２の端部に向かう方向において該本体の前記第１の端部から第２の距離ｄ２、
のうちの一方で終端する、第２の電極（２０）と、
を備え、
前記穴（１８）は、前記本体の前記第１の端部（１２．１）における口部（１９）から前記第１の電極の前記第１の端部（１６．１）を越えて前記本体の前記第２の端部（１２．２）に向かって軸線方向に延在するセグメントを有し、
前記第１の電極（１６）の前記第１の端部（１６．１）は前記セグメントの内部に位置し、
前記セグメントは、所定の範囲に沿って一定の横断面積を有し、かつ
前記側壁は、前記第１の電極（１６）の前記第１の端部（１６．１）と合わせて止り穴を形成し、
前記止り穴は、前記口部（１９）から延在し前記第１の電極の前記第１の端部（１６．１）にて終端する範囲で一定の横断面積を有し、
前記第２の電極（２０）が前記本体の前記第１の面と同一面で終端するとき、使用時において前記第１の電極の前記第１の端部（１６．１）と前記第２の電極との間でスパークを発生させるスパークプラグを形成し、
前記第２の電極（２０）が前記本体の前記第２の端部に向かう方向において前記本体の前記第１の端部から前記第２の距離ｄ２で終端するとき、使用時において前記第１の電極の前記第１の端部（１６．１）からコロナを発生させるコロナプラグを形成する、
点火プラグ。
前記本体は、横断面において円形であり、前記第１の電極及び前記止り穴は、前記本体内で中心にかつ軸方向に延在している、請求項１に記載の点火プラグ。
前記第１の電極は、該第１の電極の前記第２の端部（１２．２）に向かって第１の部分を備え、該第１の部分は、前記第１の電極の前記第１の端部（１６．１）に向かって縮小する第１の横断面積を有し、前記第１の電極は、前記第１の断面積より小さい第２の断面積を有する前記第１の端部（１６．１）において終端する、請求項１又は２に記載の点火プラグ。
前記第１の断面積及び前記第２の断面積は円形である、請求項３に記載の点火プラグ。
前記第２の電極は、前記本体のためのスリーブ又はジャケットの形態である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の点火プラグ。
前記本体の前記第１の面は、窪み、中空ピット及び溝のうちの少なくとも１つを画定する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の点火プラグ。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の点火プラグと、該点火プラグ用の駆動回路とを備える点火システム。
チャンバー内のガス状物質に点火する方法であって、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の点火プラグを利用することと、
前記第１の電極の前記第１の端部においてコロナを初期状態にして、前記止り穴内で前記口部に向かってコロナプラズマを延ばし、かつ該プラズマを前記チャンバー内に噴出するように、前記第１の電極を駆動することと、
ａ）前記点火プラグの前記第２の電極が、前記第１の面と同一平面で終端する場合、前記第１の電極の前記第１の端部から、前記ガス状物質によって包囲される経路に沿って前記チャンバーを通して前記第２の電極まで延びるスパークを形成するように、前記コロナプラズマを制御すること、又は
ｂ）前記点火プラグの前記第２の電極が、前記本体の前記第２の端部に向かう方向において前記本体の前記第１の端部から第２の距離ｄ２で終端する場合、前記第１の電極の前記第１の端部から、前記ガス状物質によって包囲される経路に沿って前記チャンバー内に延びるように、前記コロナプラズマを制御することと、
を含む、方法。