CN103891069A - 火花塞以及内燃机 - Google Patents

Abstract

火花塞（15）具有用于对内燃机（10）的燃烧室（20）辐射高频的天线（54），利用从天线（54）辐射的高频来使火焰的传播速度增大。火花塞（15）具有火花塞主体（30）和天线（54）。天线（54）设于火花塞主体（30）中的大致筒状的第2导电部件（33）的前端侧的表面上，该第2导电部件（33）收容棒状的第1导电部件（31）、和在内侧设有第1导电部件（31）的大致筒状的绝缘部件（32）。

Description

火花塞以及内燃机

技术领域

本发明涉及具有用于辐射电磁波的天线的火花塞、以及具备该火花塞的内燃机。 

背景技术

过去以来，已知具有用于辐射电磁波的天线的火花塞。在JP特开2010－101174号公报公开了这种火花塞。 

在JP特开2010－101174号公报的图2中记载了在绝缘子的下侧前端的表面设置天线的火花塞。天线与中心电极空开间隔地围绕中心电极，且由规定宽度的圆弧状的金属箔构成。在从点火线圈对中心电极施加高电压时，从高压交流产生装置对该火花塞的天线施加微波。在安装了火花塞的引擎中，通过微波生成的等离子体与火花放电进行反应而引燃混合气体。 

在先技术文献 

专利文献 

专利文献1：JP特开2010－101174号公报 

发明的概要 

发明要解决的课题 

于是，现有的火花塞通过从天线辐射的高频而使产生放电的区域的电场强度增强，从而能提高混合气体的引燃性。因此，在使用该火花塞的内燃机中，通过混合气体的稀释化来使泵送损耗（pumping loss）减少，从而能提升燃料利用率。 

但是，高频的能量集中在产生放电的区域，几乎不对引燃后的火焰的传播速度带来影响。另一方面，在内燃机中，由于越使混合气体稀释则火焰的传播速度越降低，因此使未燃烧而排出的燃料增加。因此，在使用现有的火花塞的内燃机中，虽然通过泵送损耗的减少而提升了燃料利用率，但增加了未燃烧的燃料的份，这会使燃料利用率的提升程度降低。 

发明内容

本发明鉴于相关点而提出，其目的在于，在具有用于对内燃机的燃烧室辐射高频的天线的火花塞中，利用从天线辐射的高频使火焰的传播速度增大。 

用于解决课题的手段 

第1发明中，以火花塞为对象，该火花塞具备：火花塞主体，其具有棒状的第1导电部件、在内侧设置该第1导电部件的大致筒状的绝缘部件、和通过该绝缘部件与所述第1导电部件电绝缘并收容所述第1导电部件以及所述绝缘部件的大致筒状的第2导电部件，在对所述第1导电部件与所述第2导电部件间赋予电位差时，从内燃机的燃烧室露出的前端侧产生放电，对所述燃烧室的混合气体进行点火；和天线，其安装于所述火花塞主体，将从外部提供的高频向所述燃烧室辐射，所述天线设于所述第2导电部件的前端侧的表面上。 

在第1发明中，天线设于火花塞主体的第2导电部件的前端侧的表面上。天线在火花塞中被设于远离产生放电的区域的、第2导电部件的表面上。高频从远离产生放电的区域的第2导电部件的表面上的天线进行辐射。 

第2发明是第1发明基础上的发明，所述天线设于所述第2导电部件的前端面上。 

在第2发明中，第2导电部件的前端侧中的前端面上设置天线，而不是设于内面或外面。 

第3发明是第2发明的基础的发明，所述天线配置在所述第2导电部件的前端面上的靠外周的位置。 

在第3发明中，天线在第2导电部件的前端面位于远离产生放电的区域一侧。 

第4发明是第1到第3发明的任一者的基础上的发明，所述天线在所述第2导电部件的周方向上延伸。 

在第4发明中，在第2导电部件的前端侧的表面上，设置在第2导电部件的周方向上延伸的天线。因此，在从天线辐射高频时，在第2导电部件的周方向上延伸的区域的电场加强。 

第5发明是第4发明的基础上的发明，所述天线形成为C字状或环状。 

在第5发明中，在第2导电部件的前端侧的表面上设置C字状或环状的天线。 

第6发明是第1到第5发明的任一者的基础上的发明，所述天线设于所述第2导线部件的表面上的绝缘层上。 

在第6发明中，在第2导线部件的表面上形成绝缘层，天线设于该绝缘层上。 

第7发明是内燃机，该内燃机具备：形成有燃烧室的内燃机主体；和安装于所述内燃机主体的第1到第6发明的任一发明所记载的火花塞，与所述火花塞的放电同时期地，从所述天线向所述燃烧室辐射高频。 

在第7发明中，火花塞在第2导电部件的表面上设置有天线，该火花塞安装在内燃机主体。高频与火花塞的放电同时期地，从天线向燃烧室辐射。 

第8发明是内燃机，该内燃机具备：形成有燃烧室的内燃机主体；和安装于所述内燃机主体的第1到第6发明的任一发明所记载的火花塞，在刚引燃混合气体后，从所述天线向所述燃烧室辐射高频。 

在第8发明中，火花塞在第2导电部件的表面上设置有天线，该火花塞安装在内燃机主体上。高频在刚引燃混合气体后，从天线向燃烧室辐射。 

发明的效果 

在本发明中，在火花塞中，在远离产生放电的区域的第2导电部件的表面上设置天线。因此，与现有的火花塞相比，向产生放电的区域提供的高频的能量减少，向产生放电的区域的外侧提供的高频的能量增大。在刚引燃后，对火焰面所通过的区域提供高频的能量。因此，高频的能量带给火焰传播的影响增大，能使火焰的传播速度增大。 

另外，在第3发明中，由于天线在第2导电部件的前端面位于远离产生放电的区域的一侧，因此高频的能量带给火焰传播的影响增大，能使火焰的传播速度增大。 

附图说明

图1是实施方式所涉及的内燃机的概略构成图。 

图2是实施方式所涉及的点火装置以及电磁波辐射装置的框图。 

图3是实施方式所涉及的火花塞的纵截面图。 

图4是实施方式所涉及的内燃机的燃烧室的顶面的主视图。 

具体实施方式

下面，基于附图来详细说明本发明的实施方式。另外，以下的实施方式本质上是优选的例示，并不意图限制本发明、其应用物或其用途的范围。 

《实施方式》 

本实施方式是具有本发明所涉及的火花塞15的内燃机10。内燃机10是活塞23往复运动的往复型的内燃机。内燃机10具备内燃机主体11、点火装置40和电磁波辐射装置50。 

在内燃机主体11形成有燃烧室20。点火装置40生成比火花放电（极细的非体积等离子体）强的强等离子体（体积等离子体），来进行对混合气体点火的点火动作。电磁波辐射装置50具备：振荡千兆赫带的微波（例如2.45GHz的微波）的电磁波振荡器52、和用于将从该电磁波振荡器52提供的微波辐射到燃烧室20的天线54。电磁波辐射装置50从天线54辐射微波并将微波的能量提供给引燃后的火焰，从而使引燃后的火焰的传播速度增大。另外，内燃机10由电子控制装置60（ECU）控制。 

－内燃机主体－ 

如图1所示，内燃机主体11具备：气缸体21、汽缸盖22和活塞23。在气缸体21形成多个横截面为圆形的气缸24。在各气缸24内往复自由地设置活塞23。活塞23介由连杆与曲柄轴连结（图示省略）。曲柄轴旋转自由地被气缸体21所支撑。在各气缸24内，活塞23在气缸24的轴方向上进行往复运动时，连杆将活塞23的往复运动变换为曲柄轴的旋转运动。 

汽缸盖22夹着垫圈18载置于气缸体21上。汽缸盖22与气缸24以及活塞23一起形成圆形截面的燃烧室20。燃烧室20的直径例如为电磁波辐射装置50所辐射的微波的一半波长程度。 

在汽缸盖22，相对于各气缸24，一个一个地设置构成点火装置40的一部分的火花塞15。火花塞15的从燃烧室20露出的前端部15a位于燃烧室20的顶面（汽缸盖22中的从燃烧室20露出的面）的中心部。在火花 塞15的前端部15a设置有形成放电间隙的中心电极31以及接地电极34。关于火花塞15的详细在后面叙述。 

汽缸盖22，相对于各气缸24形成有吸气通道25以及排气通道26。在吸气通道25设置开闭吸气通道25的吸气阀27、和喷射燃料的喷射器29。另一方面，在排气通道26设置有开闭排气通道26的排气阀28。 

内燃机10按照在燃烧室20形成强滚流的方式设计吸气通道25。跨吸气冲程到压缩冲程而形成滚流。 

－点火装置－ 

点火装置40对应于各燃烧室20而设置。点火装置40将高频提供给燃烧室20来生成比火花放电强的强等离子体。如图2所示，点火装置40具备：输出高电压脉冲的点火线圈41；输出千赫带到兆赫带的频率的交流（例如100MHz的高频）的交流电压产生器42；将从点火线圈41输出的高电压脉冲和从交流电压产生器42输出的交流进行混合的混合构件43；和被提供从混合构件43输出的高电压脉冲以及交流的上述的火花塞15。点火装置40在从电子控制装置60接受到点火信号时，进行所述点火动作。 

点火线圈41构成高电压脉冲施加部，对火花塞15的中心电极31施加高电压脉冲，来在放电间隙产生火花放电。交流电压产生器42构成等离子体扩大部，通过对中心电极31提供电能量，来扩大伴随火花放电而生成的放电等离子体从而生成强等离子体。 

另外，点火装置40也可以省略点火线圈41和混合构件43。这种情况下，设定交流电压产生器42的交流的输出电压以及输出时间，以使得形成比火花放电强的强等离子体。 

另外，按照在燃烧室20形成感应电场的方式设定交流电压产生器42所输出的交流电压的频率。另一方面，按照在燃烧室20形成放射电场（辐射电场）的方式设定电磁波振荡器52所振荡的微波的频率。交流电压的频率低于电磁波振荡器52输出的微波的频率。 

点火线圈41以及交流电压产生器42与直流电源（例如汽车用的蓄电池）连接（图示省略）。点火线圈41在从电子控制装置60接受到点火信号时，使从直流电源施加的电压升压，将升压后的高电压脉冲输出给混合构件43。交流电压产生器42在从电子控制装置60接受到点火信号时，使 从直流电源施加的电压升压并将其变换为交流，并将高电压的交流输出给混合构件43。交流电压产生器42在与点火线圈41输出高电压脉冲相同的时期输出高电压的交流。混合构件43将通过各个输入端子接受到的高电压脉冲以及交流从相同输出端子输出到火花塞15的中心电极31。在火花塞15中，在对中心电极31施加高电压脉冲以及高电压的交流时，由于高电压脉冲而在放电间隙产生火花放电，并且由于高电压的交流而在放电间隙形成电场。通过火花放电而产生的放电等离子体接受交流的电能量而扩大，由此成为强等离子体。即，在生成火花放电的区域，火花放电和电场进行反应而生成强等离子体。强等离子体是热等离子体。 

另外，在本实施方式中，对火花塞15的中心电极31施加交流电压，但也可以对火花塞15的中心电极31跨规定的期间连续性地施加电压（CW电压）来生成强等离子体。不管哪种情况，都使强等离子体相对于强的滚流不发生灭失地，在1次的点火动作中设定提供给火花塞15的电能量的大小。 

－电磁波辐射装置－ 

如图2所示，电磁波辐射装置50具备：电磁波用电源51、电磁波振荡器52、分配器53和多个天线54。对于内燃机10，例如仅各设置1个电磁波用电源51、电磁波振荡器52和分配器53。在各燃烧室20分别设置一个天线54。另外，在图2中，仅记载了与1个燃烧室20对应的天线54。 

电磁波用电源51在从电子控制装置60接受到电磁波驱动信号时，向电磁波振荡器52提供脉冲电流。电磁波驱动信号是脉冲信号。电磁波用电源51跨电磁波驱动信号的上升沿时间点到下降沿时间点，以规定的占空比反复输出脉冲电流。脉冲电流跨电磁波驱动信号的脉冲宽度的时间反复输出。 

电磁波振荡器52例如是半导体振荡器。电磁波振荡器52在接受到脉冲电流时输出微波脉冲。电磁波振荡器52跨电磁波驱动信号的脉冲宽度的时间反复输出微波脉冲。另外，作为电磁波振荡器52，也可以取代半导体振荡器而使用磁电管（magnetron）等其它的振荡器。 

在多个天线54间，分配器53切换提供从电磁波振荡器52输出的微波的天线。分配器53在从电子控制装置60接受到切换信号时，对多个天 线54依次提供微波。电子控制装置60输出切换信号，以使得能在各燃烧室20在刚进行点火动作后就能从天线54辐射电磁波。天线54设于火花塞15的前端面。关于天线54的详细在后面叙述。 

－火花塞－ 

如图3所示，火花塞15具备火花塞主体30和所述天线54。火花塞主体30具备：中心电极31、绝缘子32、外壳33和接地电极34。 

中心电极31构成棒状的第1导电部件。绝缘子32构成在内侧设置中心电极31的大致圆筒状的绝缘部件。外壳33通过绝缘子32而与中心电极31电绝缘，构成收容中心电极31以及绝缘子32的大致圆筒状的第2导电部件。 

火花塞主体30安装在汽缸盖22的火花塞安装孔。火花塞主体30在中心电极31与外壳33间被赋予电位差时，在从燃烧室20露出的前端侧产生放电，对燃烧室20的混合气体进行点火。 

具体地，中心电极31是圆体柱状的金属，嵌入到绝缘子32的内侧。中心电极31的轴心与绝缘子32的轴心一致。在中心电极31的基端形成连接端子31a。在连接端子31a电连接混合构件43的输出端子。 

在本实施方式中，火花塞15是未在中心电极31设置电阻的无电阻火花塞。另外，火花塞15并不一定非得需要是无电阻火花塞，也可以在中心电极31的中途设置电阻。 

绝缘子32形成为：在长度方向上外径阶段性地变化的大致圆筒状。绝缘子32例如由陶瓷构成。绝缘子32的从燃烧室20露出一侧的外径最小。 

外壳33是大致圆筒状的金属。在外壳33的内侧形成圆形截面的第1贯通孔37。第1贯通孔37相对于外壳33的外周面的轴心而偏心地形成。即，第1贯通孔37的轴心从外壳33的外周面的轴心偏离。在第1贯通孔37嵌入绝缘子32。第1贯通孔37的壁面除了火花塞主体30的前端侧以外都与绝缘子32的外周面抵接。在火花塞主体30的前端侧，在外壳33的内周面与绝缘子32的外周面间形成间隙。 

另外，外壳33的外径随着从火花塞主体30的前端远离而阶段性地变大。外壳33的外周面，在外径最小的前端侧形成螺纹槽（图示省略）。 火花塞主体30通过使外壳33的外周面的螺纹槽螺合在汽缸盖22的火花塞安装孔的螺纹槽来安装于汽缸盖22。外壳33通过与汽缸盖22抵接而接地。如图1所示，在安装于汽缸盖22的状态下，火花塞主体30的前端部15a在燃烧室20露出。 

接地电极34与外壳33的前端面连结。接地电极34从火花塞15的前端面，向火花塞15的轴方向突出，在中途折弯向火花塞15的内侧，与中心电极31的前端面面对面。在接地电极34，折弯部位的基端侧构成基端部34a，折弯部位的前端侧构成前端部34b。在接地电极34的前端部34b与中心电极31的前端面间形成放电间隙。 

在本实施方式中，在外壳33的从燃烧室20露出的前端部15a的表面上，隔着绝缘层55（绝缘体）设置所述天线54。具体地，天线54设于外壳33的前端面上。天线54通过绝缘层55而与外壳33电绝缘。天线54形成为C字的薄板状。如图4所示，天线54配置为其两端夹着基端部34a。天线54在外壳33的周方向上延伸。天线54的宽度在外壳33的周方向上恒定。天线54在主视观察下，其外周与外壳33的外周基本上一致。天线54在外壳33的前端面上配置在靠外周的位置。 

在外壳33，通过如上述那样偏心地形成第1贯通孔37，而存在第1贯通孔37偏心一侧的薄壁部33a、和厚度大于该薄壁部33a的厚壁部33b。上述接地电极34的基端部34a位于厚壁部33b。 

在厚壁部33b，为了形成用于提供给天线54的微波流过的同轴线路，形成贯通了外壳33的轴方向的第2贯通孔38。在第2贯通孔38，通过棒状的中心导体35、圆筒状的绝缘体36、和形成圆筒面的第2贯通孔38的壁面来构成同轴线路。中心导体35通过绝缘体36而与外壳33电绝缘。中心导体35的前端介由绝缘层55与天线54的一端（C字的端）电容耦合。中心导体35的基端介由同轴线（图示省略）与分配器53连接。另外，中心导体35的前端也可以贯通绝缘层55而与天线54直接连接。 

－点火动作、以及辐射动作－ 

说明点火装置40进行的混合气体的点火动作、以及刚进行该点火动作后的电磁波辐射装置50进行的辐射动作。 

内燃机10中，在活塞23位于压缩上死点的跟前处的点火定时，点火 装置40进行点火动作。点火动作通过电子控制装置60输出点火信号来进行。在点火装置40中，从接受到点火信号的点火线圈41输出高电压脉冲，并从接受到点火信号的交流电压产生器42输出高电压的交流。在提供了高电压脉冲以及高电压的交流的火花塞15的放电间隙，如上述那样生成强等离子体，引燃混合气体。利用强等离子体，能使稀薄的混合气体引燃。 

电子控制装置60在混合气体的引燃后（点火信号的输出起的规定时间后）输出电磁波驱动信号。电磁波驱动信号在从天线54的内侧扩展的火焰面通过前被输出。 

电磁波辐射装置50中，接受到电磁波驱动信号的电磁波用电源51跨电磁波驱动信号的脉冲宽度的期间反复输出脉冲电流。电磁波振荡器52接受脉冲电流并将微波脉冲向分配器53反复输出。输入到分配器53的微波从天线54向刚引燃后的燃烧室20辐射。微波跨火焰面通过天线54前到火焰面通过后辐射。 

在天线54的附近，在燃烧室20形成电场强度相对较强的强电场区域。在本实施方式中，在火花塞15的前端面的主视观察下，由于天线54位于产生放电的区域（放电间隙）的外侧，因此，在产生放电的区域的外侧形成强电场区域。在强电场区域中，生成等离子体从而生成OH基团等的活性种。通过强电场区域的火焰的氧化反应将通过活性种而被促进。进而，在强电场区域，火焰中的电子等接受电磁波的能量。其结果，通过强电场区域的火焰的传播速度增大。 

－实施方式的效果－ 

本实施方式在火花塞15中，在远离产生放电的区域的外壳33的表面上设置天线54。为此，由于能对引燃后的火焰面所通过的区域提供微波的能量，因此能增大火焰的传播速度。 

另外，本实施方式中，由于天线54位于外壳33的前端面的远离产生放电的区域的一侧，因此能有效果地使引燃后的火焰的传播速度增大。 

－实施方式的变形例－ 

在变形例中，与火花塞15的放电同时期地从天线54向燃烧室20辐射微波。电子控制装置60在活塞23位于压缩上死点的跟前处的点火定时输出点火信号以及电磁波驱动信号。 

在燃烧室20，在生成由点火装置40生成的强等离子体的期间从天线54辐射微波。由点火装置40生成的强等离子体吸收微波的能量而进一步扩大。通过微波而扩大的等离子体与扩大前相比温度整体变低。由此，与扩大前相比，OH基团等的活性种的生存期间变长。因此，促进了混合气体的化学反应（氧化反应），能通过活性种使火焰的传播速度增大。 

特别地，在变形例中，由于天线54配置于远离产生放电的区域的位置，因此避免了电能量在产生放电的区域过度集中。微波从点火装置40生成的强等离子体的外侧辐射，有效果地扩大了强等离子体。因此，能通过微波有效果地使火焰的传播速度增大。 

《其它的实施方式》 

所述实施方式也可以如以下那样构成。 

在所述实施方式中，内燃机10既可以是直喷式的引擎，也可以是旋转引擎。 

另外，在所述实施方式中，点火装置40也可以通过火花放电对混合气体点火。这种情况下，点火装置40不具有交流电压产生器42以及混合构件43。 

另外，在所述实施方式中，火花塞15也可以为等离子体喷射式。在火花塞15的前端部15a形成构成燃烧室20的一部分的小空间。火花塞15被施加连续的电压、或反复的电压脉冲，从而在所述小空间所生成的强等离子体向该小空间的外侧的燃烧室20喷射等离子体。 

另外，在所述实施方式中，也可以在刚从点火线圈41对火花塞15瞬间地施加高电压脉冲后，通过将积蓄在电容器的大电流提供给火花塞15来生成强等离子体。 

另外，在所述实施方式中，天线54也可以不是C字状而是形成为圆环状。 

另外，在所述实施方式中，天线54也可以被绝缘体（或电介质）覆盖。天线54成为被绝缘层55、和所被覆的绝缘体夹持的状况。 

另外，在所述实施方式中，也可以通过对火焰面所通过后的区域辐射微波来生成微波等离子体，由此，从火焰面的后方使火焰的传播速度增大。 

另外，在所述实施方式中，也可以在外壳33的内部，同轴线路分为 多个分支线路，各分支线路与天线54连接或电容耦合。 

产业上的利用可能性 

如以上说明那样，本发明对于具有用于辐射电磁波的天线的火花塞、以及具备该火花塞的内燃机来说有用。 

符号的说明 

10 内燃机 

15 火花塞 

20 燃烧室 

30 火花塞主体 

31 中心电极（第1导电部件） 

32 绝缘子（绝缘部件） 

33 外壳（第2导电部件） 

34 接地电极 

54 天线 。

Claims (8)

1.一种火花塞，具备：

火花塞主体，其具有棒状的第1导电部件、在内侧设置该第1导电部件的大致筒状的绝缘部件、和通过该绝缘部件与所述第1导电部件电绝缘并收容所述第1导电部件以及所述绝缘部件的大致筒状的第2导电部件，在对所述第1导电部件与所述第2导电部件间赋予电位差时，从内燃机的燃烧室露出的前端侧产生放电，对所述燃烧室的混合气体进行点火；和

天线，其安装于所述火花塞主体，使从外部提供的高频向所述燃烧室辐射，

所述火花塞的特征在于，

所述天线设于所述第2导电部件的前端侧的表面上。

2.根据权利要求1所述的火花塞，其特征在于，

所述天线设于所述第2导电部件的前端面上。

3.根据权利要求2所述的火花塞，其特征在于，

所述天线配置在所述第2导电部件的前端面上的靠外周的位置。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的火花塞，其特征在于，

所述天线在所述第2导电部件的周方向延伸。

5.根据权利要求4所述的火花塞，其特征在于，

所述天线形成为C字状或环状。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的火花塞，其特征在于，

所述天线设于所述第2导线部件的表面上的绝缘层上。

7.一种内燃机，其特征在于，具备：

形成有燃烧室的内燃机主体；和

安装于所述内燃机主体的权利要求1～6中任一项所述的火花塞，

与所述火花塞的放电同时期地，从所述天线向所述燃烧室辐射高频。

8.一种内燃机，其特征在于，具备：

形成有燃烧室的内燃机主体；和

安装于所述内燃机主体的权利要求1～6中任一项所述的火花塞，

在刚引燃了混合气体后，从所述天线向所述燃烧室辐射高频。

Images