JP7041873B2 - 点火プラグ装置 - Google Patents

Description

本発明は、点火プラグ装置に関するものである。

例えば、特許文献１には、ハウジングと、ハウジングに接触して固定されたプラグカバーとにより副燃焼室（点火室）が形成されたスパークプラグ（点火プラグ装置）が開示されている。このようなスパークプラグは、内燃機関の燃焼室に取り付けられ、ハウジングの内部に設けられた中心電極に高電圧を印加することにより、中心電極と、プラグカバーに設けられた接地電極との間に火炎核を発生させる。スパークプラグは、この火炎核により燃焼室に充満された燃料と空気との混合気に点火を行う。

特開２０１５－１３０３０２号公報

特許文献１のように、プラグカバーに接地電極が設けられる点火プラグ装置では、接地電極が１箇所に設けられており、スパークを発生させる際に接地電極及び中心電極の先端に大きな負荷がかかるため、接地電極が消耗しやすい。上述のような接地電極を有する点火プラグ装置において、接地電極が損傷すると、スパークを発生させることができず、点火させることができなくなる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、接地電極及び中心電極に加わる負荷を軽減し、点火プラグ装置を長寿命化することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の手段として、棒状の中心電極と、上記中心電極を囲むドーム型のプラグカバーとを備える点火プラグ装置であって、上記中心電極の軸芯方向から見て隙間を設けて上記中心電極を囲む平板状の接地電極を備える、という構成を採用する。

第２の手段として、上記第１の手段において、上記接地電極は、上記プラグカバーとの間に隙間が形成される、という構成を採用する。

第３の手段として、上記第２の手段において、上記プラグカバーは、開口を有し、上記接地電極は、上記プラグカバーとの隙間が上記開口と上記中心電極の軸芯方向から見て対応する位置に設けられる、という構成を採用する。

第４の手段として、上記第２または第３の手段において、上記接地電極と上記プラグカバーとの隙間の面積は、上記中心電極と上記接地電極との隙間の面積よりも大きい、という構成を採用する。

第５の手段として、上記第４の手段において、上記接地電極と上記プラグカバーとの隙間が複数設けられ、全ての上記接地電極と上記プラグカバーとの隙間の面積の総和は、上記中心電極と上記接地電極との隙間の面積よりも大きい、という構成を採用する。

第６の手段として、上記第１～５のいずれかの手段において、上記プラグカバーには、上記接地電極に対してドーム頂部と反対側の空間と外部空間とを連通する気体導入口が形成される、という構成を採用する。

第７の手段として、上記第６の手段において、上記接地電極は、係合片を有し、上記プラグカバーには、上記係合片が係合されるスリットが形成され、上記スリットは、一部が上記気体導入口である、という構成を採用する。

第８の手段として、上記第１～７のいずれかの手段において、上記中心電極の端面は、上記接地電極の上記プラグカバー側の面と同一面上に配置される、という構成を採用する。

第９の手段として、上記第１～８のいずれかの手段において、上記プラグカバーは、内壁面が少なくとも１つの焦点を有する三次元形状に設定され、上記中心電極は、上記軸芯方向から見て上記焦点と重なる位置に設けられる、という構成を採用する。

本発明に係る点火プラグ装置は、ドーム型のプラグカバーと、中心電極を囲む平板状の接地電極とを備えている。中心電極と接地電極との間においてスパークが発生する際に、中心電極と接地電極との間において放電によるエネルギが放出される。このエネルギを、プラグカバーの内壁面により中心電極側に向けて反射することで、中心電極の近傍においてエネルギ密度を高めることができ、中心電極に印加する電圧を低減させることができる。さらに、接地電極を平板状とすることにより、接地電極及び中心電極の放電面積が広くなるため、接地電極及び中心電極において一点に負荷がかかることがない。これにより、接地電極及び中心電極の消耗を抑制でき、接地電極及び中心電極の一部が損傷した場合にも、他の部位で放電させることができる。したがって、接地電極及び中心電極に加わる負荷を軽減し、点火プラグ装置を長寿命化することができる。

本発明の一実施形態に係る点火プラグ装置の部分断面図である。 本発明の一実施形態に係る点火プラグ装置のプラグカバーを含む拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る点火プラグ装置のプラグカバーを含む正面図である。 本発明の一実施形態に係る点火プラグ装置の一部の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る点火プラグ装置の備える接地電極の中心軸線に直交する方向における断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る点火プラグ装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態に係る点火プラグ装置１の部分断面図である。また、図２は、本実施形態に係る点火プラグ装置１のプラグカバー４を含む拡大断面図である。
本実施形態に係る点火プラグ装置１は、例えば内燃機関等の燃焼室に設けられ、図１及び図２に示すように、ハウジング部２と、絶縁碍子３と、プラグカバー４と、中心電極５と、接地電極６と、ターミナル７とを備えている。この点火プラグ装置１は、プラグカバー４の内部に点火室Ａが形成されている。この点火室Ａは、焦点Ａ１を中心とした空間であり、内燃機関の燃焼室の内部に配置されている。

ハウジング部２は、中心電極５の外周に設けられており、中心電極５を保持する部材である。このハウジング部２は、ハウジング２ａと、ハウジング２ａの外周に固定されたガスケット２ｂとを有している。ハウジング２ａは、外周の直径が日本工業規格に規定されるＭ１４またはＭ１８のボルトと略等しく、中心軸線Ｌを中心とした円筒状であり、一方の端部にプラグカバー４が取り付けられている。
また、ハウジング２ａの他方の端部側は外径が拡径されており、図２に示すように、中心軸線Ｌ方向から見て略六角形形状とされている。ガスケット２ｂは、内燃機関に対して点火プラグ装置１を取り付ける際に、内燃機関に対して隙間を封止する部材である。

絶縁碍子３は、図１に示すように、ハウジング２ａと、中心電極５との間に配設され、中心軸線Ｌを中心とした略円筒状であり、セラミック等により形成される部材である。このような絶縁碍子３は、ハウジング２ａと中心電極５との間、及び、ハウジング２ａとターミナル７との間を絶縁している。

プラグカバー４は、図１～４に示すように、半球ドーム状の底部を有する有底円筒状の金属部材であり、開放端がハウジング２ａの端部に固定されている。また、プラグカバー４には、点火開口４ａが形成されている。図３は、本実施形態に係る点火プラグ装置１のプラグカバー４を含む正面図である。点火開口４ａは、図３に示すように、中心軸線Ｌの頂点を中心として１２０°間隔で３カ所に形成されている。この点火開口４ａは、内燃機関の燃焼室に充満された混合気を、点火室Ａに流入させるための開口である。図４は、点火プラグ装置１の一部の斜視図である。プラグカバー４は、図４に示すように、半球ドーム状の底部と反対側の端部において、１２０度間隔で３箇所に、中心軸線Ｌに沿う方向に接地電極６が係合されるスリットが形成されている。接地電極６が係合された状態でプラグカバー４がハウジング２ａに取り付けられると、プラグカバー４には、図１に示すように、スリットにおいて、接地電極６とハウジング２ａとの間に、気体導入口４ｃが形成される。すなわち、プラグカバー４は、スリットの接地電極６が配置されるよりもハウジング２ａ側（頂部と反対側）の領域が、ハウジング２ａの内側と燃焼室（外部空間）とを連通する気体導入口４ｃとなっている。

プラグカバー４の内壁面４ｂは、中心軸線Ｌ上に形成される焦点Ａ１を中心とした球面形状とされている。このようなプラグカバー４の球面形状の内壁面４ｂと、ハウジング２ａの端面２ａ１と、絶縁碍子３の端面３ａとにより、焦点Ａ１を中心とした略球状の点火室Ａが形成されている。また、内壁面４ｂは、焦点Ａ１を超えてハウジング２ａと接触する位置まで球面形状とされている。すなわち、内壁面４ｂは、焦点Ａ１を中心とする球面の少なくとも半分を超えた範囲により形成されている。

中心電極５は、絶縁碍子３の内側に中心軸線Ｌ上に設けられた略円柱形（棒状）の金属部材であり、絶縁碍子３の端部から先端部５ａが突出している。すなわち、中心電極５は、点火室Ａに向けて先端部５ａが突出している。なお、先端部５ａは、イリジウムやルテニウム等の高融点金属により構成され、焦点Ａ１よりも絶縁碍子３側に配置されている。また、この中心電極５は、先端部５ａと反対側の端部がターミナル７と接触している。この中心電極５にターミナル７を介して電圧が印加されることで、接地電極６との間で放電現象が生じる。

図５は、接地電極６の中心軸線Ｌに直交する方向における断面図である。接地電極６は、図５に示すように、中心に中心開口６ａが形成された平板状の部材であり、中心軸線Ｌを中心として１２０度間隔で３箇所より径方向外側に向けて係合片が突出している。なお、接地電極６は、ニッケル系耐熱合金により全体が構成され、中心開口６ａの外側の部位にイリジウムやルテニウム等により構成された略環状高融点金属部材が埋め込まれている。接地電極６の係合片は、プラグカバー４のスリットに係合する。また、図２に示すように、接地電極６のプラグカバー４側の面と、中心電極５の先端部５ａの端面とは、同一面上に配置される。接地電極６は、中心電極５に対して負極側の電極となっている。接地電極６に流れた電流は、プラグカバー４及びハウジング２ａを介して、内燃機関のシリンダヘッドに放電される。

また、接地電極６の中心開口６ａには、中心軸線Ｌ方向（軸芯方向）から見て間隙Ｓ１を空けて中心電極５の先端部５ａが配置されている。中心軸線Ｌ方向から見て接地電極６とプラグカバー４との間に形成される３つの間隙Ｓ２の面積の総和は、接地電極６と中心電極５との間の間隙Ｓ１の面積の総和よりも大きく設定されている。また、間隙Ｓ２は、中心軸線Ｌに沿う方向から見て、点火開口４ａと重なる位置（対応する位置）に設けられている。

ターミナル７は、中心電極５の先端部５ａと反対側の端部に接触すると共に、中心軸線Ｌ上において絶縁碍子３の内側に配設された端子である。このターミナル７は、不図示のイグニッションコイル等に接続され、イグニッションコイル等により生成された電流を中心電極５へと流している。

このような本実施形態に係る点火プラグ装置１の着火動作を説明する。
イグニッションコイル等によって発生した電流は、ターミナル７を介して中心電極５に流れる。これにより、中心電極５と接地電極６との間で放電現象が発生し、火炎核が形成される。このとき、点火室Ａにおいて、中心電極５と接地電極６との間隙Ｓ１を中心として放射状に衝撃波が発生する。この衝撃波は、プラグカバー４の内壁面４ｂと、ハウジング２ａの端面２ａ１と、絶縁碍子３の端面３ａとにより反射され、焦点Ａ１方向へと集められる。これにより、点火室Ａにおいて、焦点Ａ１の周囲に衝撃波のエネルギが集中し、混合気が断熱圧縮され、温度が急激に上昇する。なお、この温度の上昇までの期間は、放電期間と比較して極めて短い。このため、点火室Ａ内の混合気は、温度が上昇することで、より点火しやすい状態となる。したがって、点火プラグ装置１は、与えられる点火エネルギが小さくとも、点火させることが可能となる。

また、燃焼室等（外部）の混合気は、点火開口４ａを介して点火室Ａへと流入すると共に、気体導入口４ｃから流入する。点火開口４ａから流入した混合気は、間隙Ｓ２を通ってハウジング２ａと接地電極６との間の空間へと流入し、さらに、間隙Ｓ１を通って、点火室Ａへと戻される。また、気体導入口４ｃから流入した混合気は、間隙Ｓ１を通って点火室Ａへと流入する。このような点火プラグ装置１における混合気の流れにより、間隙Ｓ１において生成された火炎核が、早期に中心電極５及び接地電極６から離れる。さらに、火炎核が点火室Ａ内において成長し、高温高圧となった火炎が点火開口４ａを通って燃焼室へと広がる。

本実施形態によれば、点火プラグ装置１は、ドーム型のプラグカバー４と、中心電極５を囲む平板状の接地電極６とを備えている。プラグカバー４により、中心電極５と接地電極６との間において放電時に発生する衝撃波を中心電極５の周囲へと戻すことができ、火炎核の周囲を高温にすることができる。したがって、中心電極５に印加する電圧を従来よりも下げても、点火することができる。さらに、接地電極６が平板状であることにより、接地電極６の一部に大きな負荷がかかることなく、また、接地電極６の一部が損傷した場合にも、接地電極６の他の部位により放電させることができる。したがって、接地電極６及び中心電極５に加わる負荷を軽減し、点火プラグ装置１を長寿命化することができる。また、先端部５ａを円柱形とすることにより、中心電極５の放電面積を大きくすることができ、中心電極５を長寿命化できる。

また、本実施形態によれば、接地電極６とプラグカバー４との間に間隙Ｓ２が形成されている。この間隙Ｓ２からハウジング２ａ側に流入した点火室Ａの混合気が間隙Ｓ１より点火室Ａへと戻る流れが形成されることにより、中心電極５の先端部５ａ近傍において形成された火炎核を早期に中心電極５及び接地電極６から離間させることができ、火炎核から中心電極５及び接地電極６への熱損失が低減する。したがって、点火プラグ装置１は、燃焼室において安定して火炎を形成することができる。

また、間隙Ｓ２が、中心軸線Ｌに沿う方向から見て、点火開口４ａに対応する位置に設けられることにより、点火開口４ａから点火室Ａへと流入した混合気が間隙Ｓ２へと流入しやすくなる。これにより、間隙Ｓ２からハウジング２ａ側に流入した点火室Ａの混合気が間隙Ｓ１より点火室Ａへと戻る流れが形成されやすくなり、燃焼室においてより安定して火炎を形成することができる。

さらに、３つの間隙Ｓ２の面積の総和が接地電極６と中心電極５との間の間隙Ｓ１の面積の総和よりも大きく設定されていることによっても、間隙Ｓ２からハウジング２ａ側に流入した点火室Ａの混合気が間隙Ｓ１より点火室Ａへと戻る流れが形成されやすくなり、燃焼室においてより安定して火炎を形成することができる。

また、本実施形態によれば、プラグカバー４に気体導入口４ｃが形成されていることにより、気体導入口４ｃからも混合気を取り込んで、火炎核を早期に中心電極５及び接地電極６から離間させることができ、消炎現象の防止に有効である。

また、プラグカバー４にスリットが形成され、スリットに接地電極６の係合片が係合された状態で、プラグカバー４がハウジング２ａに固定される。これにより、プラグカバー４と接地電極６との固定が容易であると共に、部品点数を最小限とすることができる。

また、本実施形態によれば、中心電極５の端面は、接地電極６のプラグカバー４側の面と同一面上に配置されている。これにより、点火を繰り返し行う際に、中心電極５から放たれるスパークが、接地電極６の中心開口６ａの内周面端部において１箇所に偏ることなく一様に飛ぶため、接地電極６が均一に消耗する。また、中心電極５及び接地電極６の消耗を抑制することができる。

また、本実施形態に係る点火プラグ装置１によれば、プラグカバー４の内壁面４ｂが半球状であるため、点火室Ａの内部で発生した衝撃波のエネルギが反射されて焦点Ａ１へと集中する。焦点Ａ１の周囲における混合気は、断熱圧縮されることで温度が上昇し、点火されやすくなる。これにより、本実施形態に係る点火プラグ装置１は、中心電極５に印加される電圧を小さくしても、混合気に点火させることができる。したがって、中心電極５の負荷を軽減し、長寿命化させることが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態においては、プラグカバー４に設けられたスリットに接地電極６の係合片が係合されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。点火プラグ装置１は、接地電極６を固定する窪みを有する筒部材を別体として備え、プラグカバー４と筒部材とにより接地電極６を固定するものとしてもよい。

（２）また、上記実施形態においては、中心電極５の端面が接地電極６のプラグカバー４側の面と同一面上に配置されるものとしたが、本発明はこれに限定されない。中心電極５の端面が接地電極６よりもプラグカバー４側に突出した状態としても良い。

（３）また、点火開口４ａ及び間隙Ｓ２の位置は、３箇所に限定されるものではなく、等間隔に形成されていなくともよい。

（４）また、プラグカバー４には、頂点（中心軸線Ｌとの交点）に開口を形成するものとしてもよい。この場合、組立時において中心電極５の位置を確認することができ、各部品を正確な位置に設置することができる。

１……点火プラグ装置
４……プラグカバー
５……中心電極
６……接地電極
Ａ……点火室
Ｓ１……間隙
Ｓ２……間隙
Ｌ……中心軸線

Claims (8)

1. 棒状の中心電極と、前記中心電極を囲むドーム型のプラグカバーとを備える点火プラグ装置であって、
   前記中心電極の軸芯方向から見て隙間を設けて前記中心電極を囲む平板状の接地電極を備え、
   前記プラグカバーは、内壁面が少なくとも１つの焦点を有する三次元形状に設定され、 前記中心電極は、前記軸芯方向から見て前記焦点と重なる位置に設けられ、
   前記プラグカバーの内部に形成された点火室にて、前記プラグカバーの前記内壁面と前記中心電極の先端部との間であって前記内壁面よりも前記中心電極の前記先端部寄りに前記焦点が配置されている
   ことを特徴とする点火プラグ装置。
2. 前記接地電極は、前記プラグカバーとの間に隙間が形成されることを特徴とする請求項１記載の点火プラグ装置。
3. 前記プラグカバーは、開口を有し、
   前記接地電極は、前記プラグカバーとの隙間が前記開口と前記中心電極の軸芯方向から見て対応する位置に設けられる
   ことを特徴とする請求項２記載の点火プラグ装置。
4. 前記接地電極と前記プラグカバーとの隙間の面積は、前記中心電極と前記接地電極との隙間の面積よりも大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の点火プラグ装置。
5. 前記接地電極と前記プラグカバーとの隙間が複数設けられ、
   全ての前記接地電極と前記プラグカバーとの隙間の面積の総和は、前記中心電極と前記接地電極との隙間の面積よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の点火プラグ装置。
6. 前記プラグカバーには、前記接地電極に対してドーム頂部と反対側の空間と外部空間とを連通する気体導入口が形成されることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の点火プラグ装置。
7. 前記接地電極は、係合片を有し、
   前記プラグカバーには、前記係合片が係合されるスリットが形成され、
   前記スリットは、一部が前記気体導入口である
   ことを特徴とする請求項６記載の点火プラグ装置。
8. 前記中心電極の端面は、前記接地電極の前記プラグカバー側の面と同一面上に配置されることを特徴とする請求項１～７のいずれか一項に記載の点火プラグ装置。

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