JPH11297454A - 点火プラグ及び火花点火装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料混合気の着火性を向上させる。 【解決手段】点火プラグ１において、金属筐体２にて絶
縁碍子３の支持並びに点火プラグ１のエンジンＥへの取
付けが行われ、絶縁碍子３にて中心電極４と金属筐体２
とが絶縁される。接地電極５ａ，５ｂは、中心電極４を
挟んで１８０°対向する位置に設けられ、耐熱性，耐腐
食性，導電性を有する金属よりなる。２つの接地電極５
ａ，５ｂのうち、一方の接地電極５ａの外表面は金属露
出部をなす。また、他方の接地電極５ｂにはその外表面
に半導体層６がコーティングされている。半導体層６
は、点火プラグ１への電圧印加に伴い自由電子を放出す
るための電子放出部を構成する。かかる場合、点火用電
源１０は、電圧極性を正負交互に変化させるため、接地
電極５ａ側の放電と接地電極５ｂ側の放電とが交互に繰
り返される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば車両用ガソ
リンエンジンに適用される点火プラグ及び火花点火装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】点火プラグによる燃料混合気の着火性を
向上させるためのこの種の従来技術として、例えばエン
ジンのシリンダヘッドに複数の点火プラグを装着し、そ
の複数の点火プラグにて点火を行う方法がある。これ
は、点火火花を複数にすることで、点火火花と着火可能
状態の混合気とが出合う確率を高めるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、近年のエン
ジンは吸気弁及び排気弁が多弁化される傾向にあり、ス
ペース上の制約からシリンダヘッドに複数の点火プラグ
を装着することが困難になってきた。そのため、単一の
点火プラグを用いた火花点火装置において、その着火性
を向上させることができる技術が要望されている。

【０００４】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、燃料混合気の着
火性を向上させることができる点火プラグ及び火花点火
装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明では、中心電極と接地電極と
を有し、前記接地電極の一部を金属露出部とすると共
に、他の部分を前記中心電極への電圧印加に伴い電子を
放出するための電子放出部としている。そして、上記構
成の点火プラグを有する火花点火装置は、請求項６に記
載したように、点火プラグの中心電極に交流電圧を印加
するための電圧印加手段を備える。

【０００６】要するに、点火プラグの中心電極に電圧が
印加されると、その際に発生する電界により、接地電極
に設けられた電子放出部が自由電子を放出する。つま
り、電子放出部を有する接地電極の周りには自由電子が
多く存在するようになる。従って、仮に中心電極に正電
圧が印加される場合、中心電極と電子放出部側の接地電
極との間で放電が起こり易くなり、それら電極間の放電
ギャップで燃料混合気が着火される。また逆に、中心電
極に負電圧が印加される場合、中心電極から放出された
電子が電子放出部側の接地電極の自由電子によりはね返
されて金属露出部側の接地電極側へ移動する。そのた
め、中心電極と金属露出部側の接地電極との間で放電が
起こり易くなり、それら電極間の放電ギャップで燃料混
合気が着火される。

【０００７】点火プラグの中心電極に印加される電圧は
交互に電圧極性が変化するため、電子放出部側と金属露
出部側との各々の接地電極で放電が交互に繰り返され
る。これにより、複数箇所で放電が起こり、燃料混合気
の着火性が向上する。この場合、点火プラグを複数設け
なくても（単一の点火プラグで）、点火火花を複数箇所
に発生させることが可能となる。

【０００８】より詳細には、エンジン燃焼室内に存在す
る燃料混合気はその燃料密度が必ずしも均一でなく、自
ずと着火し易い部分と着火しにくい部分とができる。し
かしながら上記発明によれば、放電が複数箇所で起こる
ことで、着火し易い燃料混合気と点火火花との出会う確
率が高くなり着火性が向上する。このことは、エンジン
燃焼室内で燃料混合気を成層化する、いわゆる直噴エン
ジンにおいて特に有効であると言える。

【０００９】また、請求項２に記載の発明では、中心電
極と複数の接地電極とを有し、前記複数の接地電極のう
ち、少なくとも一つの接地電極の表面を金属露出部とす
ると共に、他の接地電極の表面を、前記中心電極への電
圧印加に伴い電子を放出するための電子放出部としてい
る。

【００１０】請求項２の発明は、接地電極が複数有るこ
とを明記した以外は上記請求項１の発明と同様であり、
本発明においても複数箇所で放電が起こることになり、
燃料混合気の着火性が向上する。

【００１１】請求項３に記載の発明では、前記点火プラ
グの中心電極において前記接地電極の金属露出部（電子
放出部を設けた接地電極とは異なる接地電極）に対向す
る部位には、電子放出部が設けられる。つまり、点火プ
ラグの中心電極に負電圧が印加されると、その時の電界
によって当該中心電極の電子放出部から放出された電子
が弾き飛ばされ、金属露出部側の接地電極に飛び易くな
る。従って、金属露出部側の接地電極と中心電極との間
において放電が盛んになり、着火性がより一層向上す
る。

【００１２】請求項４に記載の発明では、前記点火プラ
グの中心電極はプラグ軸線に直交する方向に延びる分岐
部を有し、該分岐部の先端と前記接地電極との間に放電
ギャップが形成される。この場合、放電ギャップの位置
がプラグ中心点から分岐部の長さ分だけ離される。その
ため、複数の放電による点火火花が離れ、火炎の拡がり
を促進させることができる。

【００１３】ここで、請求項５に記載したように、前記
電子放出部は半導体層にて構成されればよく、その半導
体材料としては例えばＣｕＯなどが適用される。

【００１４】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明
する。本実施の形態における火花点火装置は、車両用４
サイクルガソリンエンジンに適用され、同装置の点火プ
ラグは、その先端がエンジン燃焼室に突出するようにシ
リンダヘッドに取り付けられる。点火プラグには点火用
電源から交流の点火用高電圧が印加され、点火プラグは
電圧の印加に伴い点火火花を飛ばしエンジン燃焼室内の
ガソリン混合気を燃焼させる。以下にその構成を詳細に
説明する。

【００１５】図１は、火花点火装置の概要を示す構成図
である。図１において、点火プラグ１は、金属筐体２と
絶縁碍子３と電極部（中心電極４，接地電極５ａ，５
ｂ）とを主要部としており、金属筐体２にはプラグ１を
エンジンＥに装着するためのネジ部２ａが設けられてい
る。そして、金属筐体２にて絶縁碍子３の支持並びに点
火プラグ１のエンジンＥへの取付けが行われ、絶縁碍子
３にて中心電極４と金属筐体２とが絶縁される。中心電
極４にはステム６が電気的に接続されている。

【００１６】ここで、接地電極５ａ，５ｂは、中心電極
４を挟んで１８０°対向する位置に設けられ、その上端
部が金属筐体２の下端面に溶接固定されている。接地電
極５ａ，５ｂはＪ字状に屈曲形成され、耐熱性，耐腐食
性，導電性を有する金属よりなる。中心電極４と接地電
極５ａ，５ｂとの間の空隙が火花放電ギャップ部（火花
隙間）となる。そして、点火の際に中心電極４に高電圧
が印加されると、火花放電が開始されて火花が飛び混合
気への着火が行われる。

【００１７】２つの接地電極５ａ，５ｂのうち、一方の
接地電極５ａの外表面は金属露出部をなす。また、他方
の接地電極５ｂにはその外表面に半導体層６がコーティ
ングされている。なおここで、半導体層６は、点火プラ
グ１への電圧印加に伴い自由電子を放出するための電子
放出部を構成する。

【００１８】因みに、半導体層６の半導体材料として
は、ＣｕＯ、Ｃｒ2 Ｏ3 、ＣｏＯ、Ｆｅ3 Ｏ4 などの金
属酸化物が適用できる。例えばＣｕＯからなる半導体層
６を接地電極５ｂにコーティングする場合、先ずは接地
電極５ｂに銅ペーストを塗布し、その後、６００〜７０
０℃で焼成する。またその他の半導体材料として、Ｓｉ
Ｃ、ＴｉＣなどのセラミック材料を適用することも可能
である。

【００１９】次に、点火用電源１０の構成を説明する。
点火用電源１０において、トランス１１の二次側巻線１
１ｂには点火プラグ１のステム６（中心電極４）が接続
されている。また、トランス１１の一次側巻線１１ａの
一方の端子にはダイオード１２を介してトランジスタ１
３のコレクタが接続され、同一次側巻線１１ａの他方の
端子にはダイオード１４を介してトランジスタ１５のコ
レクタが接続されている。トランジスタ１３，１５のエ
ミッタは互いに接続され、それらエミッタと一次側巻線
１１ａの中間点との間にはバッテリ電源１６が接続され
ている。

【００２０】一方のトランジスタ１３のベースにはイン
バータ１７を介して入力端子１８が接続され、他方のト
ランジスタ１５のベースにはそのまま入力端子１８が接
続されている。

【００２１】点火用電源１０の入力端子１８に入力され
る点火用制御信号は以下のように生成される。つまり、
発振回路２１は数ｋＨｚの周波数の矩形信号を生成し、
その矩形信号がアンド回路２２に出力される。点火信号
ＩＧＴは、その時々のエンジン運転状態（例えば、エン
ジン回転数やエンジン負荷）に基づき図示しないＥＣＵ
（電子制御装置）により生成され、アンド回路２２に出
力される。アンド回路２２は前記矩形信号とＩＧＴ信号
とを入力しその論理積を点火用電源１０に対して出力す
る。

【００２２】点火用電源１０の動作を図２を用いて簡単
に説明する。点火信号ＩＧＴのＯＮ期間内において入力
端子１８には数ｋＨｚ程度の矩形信号が入力され、入力
端子１８が論理ハイレベルの時、トランジスタ１５がＯ
Ｎされる。従って、トランス１１の一次側巻線１１ａに
は図２（ａ）の矢印方向の電流が流れる。一方、入力端
子１８が論理ローレベルの時、トランジスタ１３がＯＮ
される。従って、トランス１１の一次側巻線１１ａには
図２（ｂ）の矢印方向の電源が流れる。以上のように入
力端子１８が論理ハイレベルの時と論理ローレベルの時
とでトランス１１の一次側巻線１１ａに逆方向の電流が
流れる。その結果、二次側巻線１１ｂに、交流の高電圧
が発生する。

【００２３】次に、上記の如く構成される火花点火装置
の作用を図３を用いて説明する。図３（ａ）は点火プラ
グ１の中心電極４に点火用電源１０から正電圧が印加さ
れている時の動作状態を示す図、図３（ｂ）は点火プラ
グ１の中心電極４に点火用電源１０から負電圧が印加さ
れている時の動作状態を示す図である。

【００２４】図３（ａ），（ｂ）において、半導体層６
は、電圧印加に伴い電界を加えられると自由電子を放出
し、そのために接地電極５ｂの周りには自由電子が多く
存在する。従って、図３（ａ）に示されるように、中心
電極４に正電圧が印加される場合、中心電極４と接地電
極５ｂとの間で放電が起こり易くなる。そして、中心電
極４と接地電極５ｂとの間の放電ギャップで燃料混合気
が着火される。

【００２５】また、図３（ｂ）に示されるように、中心
電極４に負電圧が印加される場合、接地電極５ｂの周り
に自由電子が多く存在することから、中心電極４から放
出された電子が接地電極５ｂからはね返され、接地電極
５ａ側へ移動する。その結果、中心電極４と接地電極５
ａとの間で放電が起こり易くなる。そして、中心電極４
と接地電極５ａとの間の放電ギャップで燃料混合気が着
火される。

【００２６】点火用電源１０は、電圧極性を変化させる
ので、接地電極５ａ側の放電と接地電極５ｂ側の放電と
が交互に繰り返される。こうして２箇所で放電が起こる
ため、着火可能な混合気と点火火花との出会う確率が高
くなり着火性が向上する。つまり、エンジン燃焼室内に
存在する燃料混合気はその燃料密度が必ずしも均一でな
く、自ずと着火し易い部分と着火しにくい部分とができ
る。しかしながら、本実施の形態によれば、放電が複数
箇所で起こることで、着火し易い燃料混合気と点火火花
との出会う確率が高くなり着火性が向上する。

【００２７】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。本実施の形態では、中心電極４
と２つの接地電極５ａ，５ｂとを点火プラグ１に設け、
一方の接地電極５ａの表面を金属露出部とすると共に、
他方の接地電極５ｂの表面を、中心電極４への電圧印加
に伴い電子を放出する半導体層６（電子放出部）とし
た。また、点火プラグ１の中心電極４に交流電圧を印加
するための点火用電源（電圧印加手段）１０を設けた。
上記構成によれば、接地電極５ａ，５ｂの各々で放電が
交互に繰り返される。これにより、複数箇所で放電が起
こり、燃料混合気の着火性が向上する。この場合、点火
プラグを複数設けなくても（単一の点火プラグ１で）、
点火火花を複数箇所に発生させることが可能となる。

【００２８】また、本実施の形態における火花点火装置
では、着火し易い燃料混合気と点火火花との出会う確率
が高くなる。そのため、本火花点火装置は、エンジン燃
焼室内で燃料混合気を成層化する、いわゆる直噴エンジ
ンにおいて特に有効であると言える。

【００２９】なお従来より、中心電極の周りに複数の接
地電極を設け、それにより複数の火花発生箇所（放電ギ
ャップ）を有するものも知られているが、既存の装置は
中心電極に直流電圧を印加するものであって、複数の放
電ギャップを有していても１回の燃焼行程で実際に火花
放電が発生するのは１箇所のみに限定される。そのた
め、本実施の形態のような優れた作用効果は奏し得な
い。

【００３０】次に、本発明における第２，第３の実施の
形態を説明する。但し、以下の各実施の形態の構成にお
いて、上述した第１の実施の形態と同等であるものにつ
いては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化
する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を
中心に説明する。

【００３１】（第２の実施の形態）第２の実施の形態を
図４を用いて説明する。本実施の形態では、点火プラグ
１の中心電極４において金属露出部となる接地電極５ａ
（半導体層６を設けた接地電極５ｂとは異なる接地電
極）に対向する部位に、電子放出部としての半導体層３
１を設ける。半導体層３１は接地電極５ｂの半導体層６
と同一材料からなるものでよい。

【００３２】この場合、図４（ａ）に示されるように、
中心電極４に正電圧が印加されると、接地電極５ｂの周
りに自由電子が多く存在することから中心電極４と接地
電極５ｂとの間で放電が起こり、これら両電極４，５ｂ
間の放電ギャップで燃料混合気が着火される（前記図３
（ａ）に同じ）。

【００３３】また、図４（ｂ）に示されるように、中心
電極４に負電圧が印加されると、当該中心電極４の半導
体層３１から放出された電子が、中心電極４に印加され
た電界により弾き飛ばされ、接地電極５ａ側に飛び易く
なる。そして、両電極４，５ａ間の放電ギャップで燃料
混合気が着火される。こうして中心電極４の印加電圧の
極性が入れ替わるたびに、放電位置が接地電極の５ａ側
と５ｂ側との間で入れ替わる。

【００３４】以上第２の実施の形態によれば、正電圧の
印加時において中心電極４と接地電極５ｂとの間で確実
に放電するのは勿論のこと、負電圧の印加時において中
心電極４と接地電極５ａとの間の放電が盛んになる。そ
のため、着火性がより一層向上する。

【００３５】（第３の実施の形態）次に、第３の実施の
形態を図５を用いて説明する。本実施の形態では、図５
（ａ）に示されるように、中心電極４においてプラグ軸
線方向に直交する方向（図の左右方向）に延びる分岐部
４１を連続的に設け、その分岐部４１の先端と接地電極
５ａ，５ｂとの間に放電ギャップＧ１，Ｇ２を形成す
る。また、接地電極５ｂにおいてその先端部（分岐部４
１との対向部）には電子放出部としての半導体層４２が
設けられている。但し、半導体層４２は、図示のように
接地電極５ｂの先端部のみに設ける他、接地電極５ｂの
全面に設けてもよい。

【００３６】この場合にも、上記各実施の形態の如く中
心電極４に印加される電圧の極性が正負交互に入れ替わ
ることで、放電ギャップＧ１，Ｇ２で交互に放電が起こ
る。そのため、燃料混合気の着火性が向上する。また特
に、本実施の形態によれば、放電ギャップＧ１，Ｇ２の
位置がプラグ中心点から分岐部４１の長さ分だけ離され
る。そのため、複数の放電による点火火花が離れ、火炎
の拡がりを促進させることができる。

【００３７】また、図５（ｂ）では、中心電極４の分岐
部４１において金属露出部となる接地電極５ａ（半導体
層４２を設けた接地電極５ｂとは異なる接地電極）に対
向する部位に、電子放出部としての半導体層４３を設け
ている。この場合、正電圧の印加時において中心電極４
と接地電極５ｂとの間で確実に放電するのは勿論のこ
と、負電圧の印加時において中心電極４と接地電極５ａ
との間の放電が盛んになる。そのため、着火性がより一
層向上する。

【００３８】なお、本発明の実施の形態は、上記以外に
次の形態にて具体化できる。上記各実施の形態では、金
属筐体２に２つの接地電極５ａ，５ｂを設けたが、この
構成を変更する。例えば３つ以上の接地電極を設けて構
成する。図６（ａ），（ｂ）はそれぞれ３つ、４つの接
地電極を設けた場合において、点火プラグ１を先端電極
側から見た平面図である。図６（ａ）において、金属筐
体２には等間隔に３つの接地電極５１ａ，５１ｂ，５１
ｃが設けられており、そのうち、２つの接地電極５１
ａ，５１ｂの外表面が金属露出部で構成され、１つの接
地電極５１ｃの外表面に電子放出部としての半導体層５
２が構成されている。

【００３９】また、図６（ｂ）において、金属筐体２に
は等間隔に４つの接地電極５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５
３ｄが設けられており、そのうち、２つの接地電極５３
ａ，５３ｂの外表面が金属露出部で構成され、残りの２
つの接地電極５３ｃ，５３ｄの外表面に電子放出部とし
ての半導体層５４が構成されている。上記図６（ａ），
（ｂ）何れの場合にも、上記実施の形態と同様に、中心
電極４に交流電圧が印加されることで放電が複数箇所で
起こり、燃料混合気の着火性が向上する。

【００４０】上記図６（ａ），（ｂ）の場合にも、例え
ば上記第２の実施の形態と同様に、中心電極４の一部に
電子放出部（半導体層）を設け、負電圧印加時の放電を
促進させて更なる着火性の向上を図るようにしてもよ
い。

【００４１】さらに、点火プラグ１を図７の如く構成す
ることも可能である。図７では、金属筐体２に環状の接
地電極５５が設けられている。そして、接地電極５５の
一部に半導体層５６が設けられている。この場合にもや
はり、中心電極４に交流電圧が印加されることで、接地
電極５５の金属露出部と半導体層（電子放出部）５６と
の間の放電が複数箇所で起こり、燃料混合気の着火性が
向上する。かかる場合、中心電極４において接地電極５
５の金属露出部に対向する部位に、電子放出部としての
半導体層を設け、これにより負電圧印加時の放電を促進
させるようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態における火花点火装置の概要
を示す構成図。

【図２】点火用電源の動作を説明するための電気的構成
図。

【図３】点火プラグによる火花発生の様子を示す図。

【図４】第２の実施の形態における点火プラグの要部を
示す図。

【図５】第３の実施の形態における点火プラグの要部を
示す図。

【図６】接地電極を３つ、４つ設けた場合に、点火プラ
グを先端電極側から見た平面図。

【図７】環状の接地電極を設けた場合に、点火プラグを
先端電極側から見た平面図。

【符号の説明】

１…点火プラグ、 ４…中心電極、 ５ａ，５ｂ，５１ａ〜５１ｃ，５３ａ〜５３ｄ，５５…
接地電極、 ６，３１，４２，４３，５２，５４，５６…電子放出部
としての半導体層、 １０…電圧印加手段としての点火用電源、 ４１…分岐部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武山 雅樹 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 池田 正俊 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 加藤 毅彦 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心電極と接地電極とを有し、前記接地電
   極の一部を金属露出部とすると共に、他の部分を前記中
   心電極への電圧印加に伴い電子を放出するための電子放
   出部としたことを特徴とする点火プラグ。
2. 【請求項２】中心電極と複数の接地電極とを有し、前記
   複数の接地電極のうち、少なくとも一つの接地電極の表
   面を金属露出部とすると共に、他の接地電極の表面を、
   前記中心電極への電圧印加に伴い電子を放出するための
   電子放出部としたことを特徴とする点火プラグ。
3. 【請求項３】前記点火プラグの中心電極において前記接
   地電極の金属露出部に対向する部位には、電子放出部が
   設けられる請求項１又は請求項２に記載の点火プラグ。
4. 【請求項４】前記点火プラグの中心電極はプラグ軸線に
   直交する方向に延びる分岐部を有し、該分岐部の先端と
   前記接地電極との間に放電ギャップが形成される請求項
   １〜請求項３のいずれかに記載の点火プラグ。
5. 【請求項５】前記電子放出部は、半導体層にて構成され
   る請求項１〜請求項４のいずれかに記載の点火プラグ。
6. 【請求項６】請求項１〜請求項５のいずれかに記載の点
   火プラグと、前記点火プラグの中心電極に交流電圧を印
   加するための電圧印加手段とを備えることを特徴とする
   火花点火装置。