JP2007035565A - 点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の噴射流によるプラズマ火炎の移動を抑え、好ましい着火位置に着火することができる点火プラグを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の点火プラグ１は、外部電極１０と中心電極１４とチャンバー１６とから構成されている。外部電極１０の底部１０ｂには、長方形形状の貫通孔１０ｄが設けられている。エンジンに点火プラグ１を装着したとき、貫通孔１０ｄの短辺が燃料噴射方向に直交する方向に、長辺が燃料噴射方向になるように設定されている。外部電極１０と中心電極１４の間に高電圧が印加されると、貫通孔１０ｄから断面が長方形形状であるプラズマ火炎１７が噴出される。プラズマ火炎１７の断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法より小さいため、燃料の噴射流の抵抗を低減できる。これにより、プラズマ火炎１７の移動が抑えられ、好ましい着火位置に着火することができる。【選択図】図５

Description

本発明は、点火プラグに関する。

従来、エンジンのシリンダ内に噴射された燃料にプラズマ火炎を噴出して着火する点火プラグとして、特開平６−６８９５２号公報に開示されているプラズマジェット点火プラグがある。このプラズマジェット点火プラグは、中心電極と、絶縁体と、外部電極と、オリフィス部と、放電空間とから構成されている。中心電極の外周側には、筒状の絶縁体及び外部電極がそれぞれ同心状に配設されている。外部電極の先端部には、オリフィス部が電気的に接続されている。また、中心電極の先端面、絶縁体の内周面、及びオリフィス部の端面によって、放電空間が形成されている。さらに、オリフィス部には、放電空間と連通するオリフィス孔が設けられている。

そして、中心電極と外部電極の間に高電圧が印加されると、放電空間内の中心電極とオリフィス部の間で放電が起こる。この放電により、放電空間内に高温のプラズマガスが発生する。プラズマガスは、熱膨張によってオリフィス孔からプラズマ火炎として噴出され、エンジンのシリンダ内に噴射された燃料に着火する。
特開平６−６８９５２号公報

ところで、オリフィス孔の形状として、一般的に円形形状が広く用いられている。この場合、プラズマ火炎１７０は、図１１に示すように、側面が略楕円形状、噴出方向に直交する断面が円形形状となる。しかし、断面が円形形状であると、噴射された燃料の抵抗を受けやすく、図１２に示すように、プラズマ火炎１７０の中心位置が、燃料の噴射流の下流側に流されてしまう。噴射された燃料には、本来好ましい着火位置がある。ところが、前述したように、噴射された燃料によってプラズマ火炎が下流側に流されてしまうため、好ましい着火位置で着火できないという問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、燃料の噴射流によるプラズマ火炎の移動を抑え、好ましい着火位置に着火することができる点火プラグを提供することを目的とする。

そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法より小さくすることで、燃料の噴射流の抵抗を低減し、プラズマ火炎の移動を抑えられることを思いつき、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載の点火プラグは、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に形成される放電空間と、前記放電空間に連通する噴出孔とを備え、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加することで、前記放電空間内で放電して前記噴出孔からプラズマ火炎を噴出し、噴射された燃料に着火する点火プラグにおいて、前記プラズマ火炎は、噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法より小さいことを特徴とする。

請求項２に記載の点火プラグは、請求項１に記載の点火プラグにおいて、さらに、前記プラズマ火炎は、噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法の２／３倍以下であることを特徴とする。

請求項３に記載の点火プラグは、請求項１又は２に記載の点火プラグにおいて、さらに、前記プラズマ火炎は、噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法の１／４倍以上であることを特徴とする。

請求項４に記載の点火プラグは、請求項１〜３のいずれかに記載の点火プラグにおいて、さらに、前記プラズマ火炎は、噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、噴射される燃料の上流側から下流側に向かって大きくなることを特徴とする。

請求項５に記載の点火プラグは、請求項１に記載の点火プラグにおいて、さらに、前記噴出孔は、前記プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法より小さいことを特徴とする。

請求項６に記載の点火プラグは、請求項４に記載の点火プラグにおいて、さらに、前記噴出孔は、前記プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、噴射される燃料の上流側から下流側に向かって大きくなることを特徴とする。

請求項７に記載の点火プラグは、請求項１〜６のいずれかに記載の点火プラグにおいて、前記放電空間は、前記プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の形状が、前記プラズマ火炎の噴出方向に直交する前記噴出孔の断面の形状と相似形であることを特徴とする。

なお、本明細書でいう第１及び第２電極は、電極をそれぞれ区別するために便宜的に導入したものである。

請求項１に記載の点火プラグによれば、燃料の噴射流によるプラズマ火炎の移動を抑え、好ましい着火位置に着火することができる。プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法より小さくすることで、断面が円形形状の場合に比べ、燃料の噴射流の抵抗を低減することができる。そのため、プラズマ火炎の移動が抑えられ、好ましい着火位置に着火することができる。

請求項２に記載の点火プラグによれば、プラズマ火炎の移動をより確実に抑えることができる。プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法の２／３倍以下、より好ましくは１／２倍以下にすることで、燃料の噴射流の抵抗をより確実に低減することができる。そのため、プラズマ火炎の移動をより確実に抑えることができる。

請求項３に記載の点火プラグによれば、プラズマ火炎の熱密度を効率的に上昇させ、着火性を向上させることができる。プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法より小さくすることで、断面が円形形状の場合に比べ、プラズマ火炎の熱密度を上昇させることができる。しかし、実際には各部での損失があるため、断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法の１／４倍より小さくしても、熱密度は飽和してほとんど上昇しない。つまり、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法の１／４倍以上とすることで、プラズマ火炎の熱密度を効率的に上昇させることができる。そのため、着火性を向上させることができる。

請求項４に記載の点火プラグによれば、プラズマ火炎の移動をさらに抑えることができる。プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、噴射される燃料の上流側から下流側に向かって大きくすることで、燃料の噴射流の抵抗をさらに低減することができる。そのため、プラズマ火炎の移動をさらに低減することができる。

請求項５に記載の点火プラグによれば、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法より確実に小さくすることができる。プラズマ火炎は噴出孔から噴出される。そのため、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の形状は、噴出孔の形状によって決まる。従って、噴出孔の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法より小さくすることで、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法より確実に小さくすることができる。

請求項６に記載の点火プラグによれば、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、噴射される燃料の上流側から下流側に向かって確実に大きくすることができる。前述したように、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の形状は、噴出孔の形状によって決まる。そのため、噴出孔の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、噴射される燃料の上流側から下流側に向かって大きくすることで、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、上流側から下流側に向かって確実に大きくすることができる。

請求項７に記載の点火プラグによれば、プラズマ火炎の噴出の際の抵抗を低減し、プラズマ火炎をよりスムーズに噴出することができる。

本実施形態は、本発明を、車両に搭載されたエンジンにおいて、シリンダ内に噴射された燃料に着火する点火プラグに適用した例を示す。

本実施形態における点火プラグの正面から見た軸方向断面図を図１に、側面から見た軸方向断面図を図２に、図２における点火プラグの底面図を図３に、図２における点火プラグのプラズマ火炎の側面図及びＡ−Ａ矢視断面図を図４に、燃料が噴射されたときの点火プラグのプラズマ火炎の側面図及びＢ−Ｂ矢視断面図を図５に、点火プラグのプラズマ火炎の断面形状を説明する説明図を図６に、点火プラグのプラズマ火炎の別の断面形状を説明する説明図を図７に、プラズマ火炎の断面の寸法比に対する移動量のグラフを図８に、プラズマ火炎の断面の寸法比に対する熱密度のグラフを図９にそれぞれ示す。なお、図５〜図７、及び図１２において、燃料が噴射されていない場合のプラズマ火炎の形状を破線で示す。そして、図１〜図９を参照し構成、動作、効果の順で具体的に説明する。

まず、具体的構成について説明する。点火プラグ１は、エンジンのシリンダヘッドに装着され、高電圧を印加されることで放電してプラズマ火炎を噴出し、シリンダ内に噴射された燃料に着火する装置である。図１及び図２に示すように、点火プラグ１は、外部電極１０（第１電極）と、碍子１１と、ターミナル１２と、中軸１３と、中心電極１４（第２電極）とから構成されている。

外部電極１０は、碍子１１を介して、ターミナル１２、中軸１３、及び中心電極１４を収容し、これらをエンジンのシリンダヘッドに一体的に装着するとともに、車体に接地される、例えば金属からなる有底円筒形状の部材である。外部電極１０は、筒部１０ａと、筒部１０ａの端部から縮径方向に延在する底部１０ｂとから構成されている。筒部１０ａの外周面には、点火プラグ１をエンジンのシリンダヘッドに固定するためのネジ部１０ｃが形成されている。また、底部１０ｂの中央には、貫通孔１０ｄ（噴出孔）が設けられている。図３に示すように、貫通孔１０ｄは長方形形状である。エンジンのシリンダヘッドに点火プラグ１を装着したときに、貫通孔１０ｄの短辺が燃料噴射方向に直交する方向に、長辺が燃料噴射方向になるように設定されている。また、短辺の長さは、長辺の長さの例えば２／５倍に設定されている。

図１及び図２に戻り説明する。図１及び図２に示すように、碍子１１は、ターミナル１２、中軸１３、及び中心電極１４を外部電極１０から絶縁して固定する、例えばセラミックからなる略円柱形状の部材である。碍子１１には、中心軸に沿って貫通孔１１ａが形成されている。貫通孔１１ａは、丸孔部１１ｂと、角孔部１１ｃとから構成されている。丸孔部１１ｂは、中軸１３が収容され固定される部分であり、碍子１１の上端面に向かって形成されている。角孔部１１ｃは、中心電極１４が収容され固定されるとともに、後述するチャンバー１６（放電空間）が形成される部分であり、碍子１１の下端面に向かって形成されている。角孔部１１ｃの軸方向に直交する断面は長方形形状であり、貫通孔１０ｄと同一寸法に設定されている。

ターミナル１２は、高電圧が印加される、例えば金属からなる略円柱形状の部材である。ターミナル１２は、碍子１１の上端面に固定されている。

中軸１３は、ターミナル１２に印加された高電圧を中心電極１４に伝達する、例えば金属からなる円柱形状の部材である。中軸１３は、碍子１１の丸孔部１１ｂに収容され固定されている。中軸１３の一端部は、ターミナル１２に電気的に接続されている。

中心電極１４は、ターミナル１２及び中軸１３を介して高電圧が印加され、外部電極１０との間で放電する、例えばニッケルなどからなる角柱形状の部材である。中心電極１４の軸方向に直交する断面は長方形形状であり、角孔部１１ｃに収容できる最適な寸法に設定されている。中心電極１４は、一端部を丸孔部１１ｂに突出させるとともに、他端部の端面を碍子１１の下端面から中軸１３側に後退させた状態で、角孔部１１ｃに収容され固定されている。中心電極１４の一端部は、導電性接着剤１５を介して、中軸１３の他端部に電気的に接続されている。

ターミナル１２、中軸１３、及び中心電極１４の固定された碍子１１は、上端部を外部電極１０の開放端部から突出させるとともに、下端面を外部電極１０の底部１０ｂに当接させた状態で、筒部１０ａに収容され固定されている。このとき、中心電極１４と、碍子１１の角孔部１１ｃと、外部電極１０の底部１０ｂによって、角柱形状の空間であるチャンバー１５（放電空間）が形成される。チャンバー１５の下端面には、外部電極１０の貫通孔１０ｄが、点火プラグ１の軸方向下方に向かって連通している。このとき、チャンバー１６及び貫通孔１０ｄの断面の形状は同一であり、軸方向に段差を有することなく連通している。

次に、具体的動作について説明する。図１及び図２において、ターミナル１２及び中軸１３を介し、中心電極１４に、車体を基準とした高電圧が印加されると、チャンバー１６内の中心電極１４と外部電極１０の間で放電が起こる。この放電により、チャンバー１６内に高温のプラズマガスが発生する。プラズマガスは、チャンバー１６内で熱膨張し、連通する貫通孔１０ｄからプラズマ火炎として噴出される。

図４に示すように、プラズマ火炎１７は、点火プラグ１の軸方向下方に向かって噴出される。このとき、プラズマ火炎１７の側面の形状は略楕円形状である。また、噴出方向に直交する断面の形状は概略長方形形状である。ここで、貫通孔１０ｄの短辺が燃料噴射方向に直交する方向に、長辺が燃料噴射方向になるように設定されているため、プラズマ火炎１７の断面の短辺及び長辺も、同様に、それぞれ燃料噴射方向に直交する方向及び燃料噴射方向となる。また、貫通孔１０ｄの短辺の長さが、長辺の長さの２／５倍に設定されているため、プラズマ火炎１７の断面の短辺の長さも、同様に、長辺の長さの２／５倍となる。

図５に示すように、燃料が噴射されると、プラズマ火炎１７に噴射された燃料の抵抗が加わる。しかし、プラズマ火炎１７の断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法（短辺の寸法）が、燃料噴射方向の寸法（長辺の寸法）の２／５倍であるため、従来のように断面が円形形状の場合に比べ、プラズマ火炎１７に加わる燃料の噴射流の抵抗が低減する。これにより、プラズマ火炎１７の燃料噴射方向の下流側への移動が抑えられる。

ところで、図６に示すように、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法と等しい円形形状の場合、プラズマ火炎１８は、噴射された燃料によって下流側に流され移動する。これに対し、図７に示すように、円形形状を基準として、燃料噴射方向に直交する方向の寸法のみを小さくした長方形形状の場合、噴射された燃料の抵抗が低減し、プラズマ火炎１９の移動が抑えられる。

ここで、プラズマ火炎の断面において、燃料噴射方向の寸法に対する燃料噴射方に直交する方向の寸法の比率と、燃料の噴射流によるプラズマ火炎の中心位置の移動量の関係について説明する。図８に示すように、プラズマ火炎の断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法より小さくなるに従って、プラズマ火炎の移動量も小さくなる。つまり、燃料噴射方向に寸法に対する燃料噴射方に直交する方向の寸法の比率を１未満、より好ましくは２／３倍以下、さらに好ましくは１／２倍以下にすることで、プラズマ火炎の移動を抑えることができる。

また、プラズマ火炎の断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法より小さくなるに従って、プラズマ火炎の断面の面積が小さくなる。プラズマ火炎の熱エネルギーは変わらないため、断面の面積が小さくなることで熱密度が上昇する。しかし、実際には各部での熱損失があるため、断面の面積がある値より小さくなると、プラズマ火炎の熱密度は飽和する。図９に示すように、プラズマ火炎の断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法の１／４倍未満になると、プラズマ火炎の熱密度は飽和しほとんど増加しない。つまり、燃料噴射方向に寸法に対する燃料噴射方に直交する方向の寸法の比率を１／４倍以上１倍未満の範囲に設定することで、プラズマ火炎の熱密度を効率的に上昇させることができる。

最後に、具体的効果について説明する。第１の実施形態によれば、貫通孔１０ｄの短辺の寸法を長辺の寸法の２／５倍に設定することで、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、燃料噴射方向の寸法の２／５倍にすることができる。これにより、従来のように断面が円形形状の場合に比べ、プラズマ火炎１７に加わる燃料の噴射流の抵抗が低減される。従って、燃料の噴射流によるプラズマ火炎１７の移動が抑えられ、好ましい着火位置に着火することができる。

また、第１実施形態によれば、貫通孔１０ｄの短辺の寸法を長辺の寸法の２／５倍に設定することで、プラズマ火炎１７の熱密度を効率的に上昇させ、着火性を向上させることができる。

さらに、第１実施形態によれば、貫通孔１０ｄが、チャンバー１６に対して、軸方向に段差を有することなく連通しているため、プラズマ火炎１７の噴出抵抗を低減することができる。

なお、本実施形態では、貫通孔１０ｄとして長方形形状の例を挙げているが、これに限られるものではない。例えば、貫通孔１０ｄにおいて、噴射される燃料の上流側の短辺を下流側の短辺より短くし、図１０に示すように、台形形状の貫通孔１０ｅとしてもよい。また、噴射される燃料の上流側の短辺を下流側の短辺よりさらに短くし、三角形形状の貫通孔１０ｆとしてもよい。つまり、噴射される燃料の上流側から下流側に向かって大きくなるような形状としてもよい。これにより、プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面において、燃料噴射方向に直交する方向の寸法を、噴射される燃料の上流側から下流側に向かって大きくすることができる。従って、燃料の噴射流の抵抗を低減し、プラズマ火炎の移動をさらに抑えることができる。

また、本実施形態では、チャンバー１６及び貫通孔１０ｄの断面の形状が同一である例を挙げているが、これに限られるものではない。チャンバー１６の断面の形状が、貫通孔１０ｄの断面の形状と相似形であってもよい。この場合でも、プラズマ火炎１７の噴出抵抗を低減することができる。さらに、チャンバー１６及び中心電極１４の作りやすさを考慮し、チャンバー１６の断面の形状は円形形状とし、貫通孔１０ｄの断面の形状のみを長方形形状としてもよい。

本実施形態における点火プラグの正面から見た軸方向断面図である。 図１における点火プラグの側面から見た軸方向断面図である。 図２における点火プラグの底面図である。 図２における点火プラグのプラズマ火炎の側面図及びＡ−Ａ矢視断面図である。 燃料が噴射されたときの点火プラグのプラズマ火炎の側面図及びＢ−Ｂ矢視断面図である。 点火プラグのプラズマ火炎の断面形状を説明する説明図である。 点火プラグのプラズマ火炎の別の断面形状を説明する説明図である。 プラズマ火炎の断面の寸法比に対する移動量のグラフである。 プラズマ火炎の断面の寸法比に対する熱密度のグラフである。 他の実施形態における点火プラグの底面図である。 従来の点火プラグのプラズマ火炎の側面図、及びＣ−Ｃ矢視断面図である。 燃料が噴射されたときの従来の点火プラグのプラズマ火炎の側面図及びＤ−Ｄ矢視断面図である。

符号の説明

１・・・点火プラグ、１０・・・外部電極（第１電極）、１０ａ・・・筒部、１０ｂ・・・底部、１０ｃ・・・ネジ部、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ・・・貫通孔（噴出孔）、１１・・・碍子、１１ａ・・・貫通孔、１１ｂ・・・丸孔部、１１ｃ・・・角孔部、１２・・・ターミナル、１３・・・中軸、１４・・・中心電極（第２電極）、１５・・・導電性接着剤、１６・・・チャンバー（放電空間）、１７、１８、１９、１７０・・・プラズマ火炎

Claims (7)

1. 第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記第２電極の間に形成される放電空間と、前記放電空間に連通する噴出孔とを備え、前記第１電極と前記第２電極の間に電圧を印加することで、前記放電空間内で放電して前記噴出孔からプラズマ火炎を噴出し、噴射された燃料に着火する点火プラグにおいて、
   前記プラズマ火炎は、噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法より小さいことを特徴とする点火プラグ。
2. 前記プラズマ火炎は、噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法の２／３倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の点火プラグ。
3. 前記プラズマ火炎は、噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法の１／４倍以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の点火プラグ。
4. 前記プラズマ火炎は、噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、噴射される燃料の上流側から下流側に向かって大きくなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の点火プラグ。
5. 前記噴出孔は、前記プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、燃料噴射方向の寸法より小さいことを特徴とする請求項１に記載の点火プラグ。
6. 前記噴出孔は、前記プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の燃料噴射方向に直交する方向の寸法が、噴射される燃料の上流側から下流側に向かって大きくなることを特徴とする請求項４に記載の点火プラグ。
7. 前記放電空間は、前記プラズマ火炎の噴出方向に直交する断面の形状が、前記プラズマ火炎の噴出方向に直交する前記噴出孔の断面の形状と相似形であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の点火プラグ。

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