JP2007278279A - エンジンの点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コロナ放電による体積的発火を可能とする。
【解決手段】コロナ放電によって混合気に着火を行うエンジンの点火装置において、導電体からなる円筒状の電極（３１）と、導電体からなりこの円筒状電極（３１）の略中心部に突き出した棒状の中心電極（２６）との２つの電極で燃焼室（３）への開口部（３１Ａ）を有する点火室（３２）を区画形成し、中心電極（２６）の軸方向の複数部位でコロナ放電におけるストリーマ（２８）が多数発生するように２つの電極間に凸部（２７）または凹部を設ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、エンジン（内燃機関）の点火装置に関する。

従来のエンジンの点火装置として例えば、マイクロ波を導く導波管内に導波管の終端部からマイクロ波の１／４波長離れた部位に一対の電極を設置し、ピストンが導波管の終端部に接触するほどに接近した状態において、導波管にマイクロ波パルスを伝送し、電極管にコロナ放電を起こして着火を行うものがある（特許文献１参照）。
特開２００２−８１３２１公報

ところで、自動車用エンジンの場合、幅広いエンジン回転速度とエンジン負荷での運転が要求され、空燃比や空気密度毎に火炎伝播速度が異なることに対応して、エンジン回転速度ごとに適切な点火時期に設定することが重要であるため、点火時期の詳細な制御がエンジン性能を低下させず、最良に保つためには欠かせない。

しかしながら、特許文献１の技術では、点火時期におけるピストン高さと一対の電極位置とによって電極部位の電界強度が左右されるため、電極部位の電界強度が点火に適する時期と、熱効率上またはエンジン騒音上の最適な点火時期とが必ずしも一致しない場合が考えられ、点火時期の制御が適切に行えない恐れがある。

そこで本発明は、コロナ放電による体積的発火を可能とする点火装置を提供することを目的としている。

本発明は、コロナ放電によって混合気に着火を行うエンジンの点火装置において、導電体からなる円筒状の電極（３１）と、導電体からなりこの円筒状電極（３１）の略中心部に突き出した棒状の中心電極（２６）との２つの電極で燃焼室（３）への開口部を有する点火室（３２）を区画形成し、前記中心電極（３１）の軸方向の複数部位でコロナ放電におけるストリーマ（２８）を多数発生させる。

また、本発明は、確実にコロナ放電による体積的発火を可能とするために、前記中心電極の軸方向の複数部位でコロナ放電におけるストリーマが多数発生するように前記２つの電極間に凸部（２７）または凹部を設ける。

本発明は、コロナ放電によって混合気に着火を行うエンジンの点火装置において、導電体からなる円筒状の電極と、導電体からなりこの円筒状電極の略中心部に突き出した棒状の中心電極との２つの電極で燃焼室への開口部を有する点火室を区画形成し、前記中心電極の軸方向の複数部位でコロナ放電におけるストリーマを多数発生させるものである。ストリーマにより電子温度が高められ分子活性度が高くなる結果、点火が生じる部位が、従来装置における一対の電極による一箇所のみのプラズマ点火に比べて多数かつ大きな面積を占めることとなる。点火室で発火したのち、燃焼ガスは副室としての点火室より主室としての燃焼室へと噴き出し、副室と主室との連通部位付近から燃焼室内の混合気に対して燃焼が開始される。このような点火室内での所定の空間にわたる多点同時発火は体積的発火と称されるべきものである。

また、本発明では、コロナ放電によって混合気に着火を行うエンジンの点火装置において、導電体からなる円筒状電極と、導電体からなりこの円筒状電極の略中心部に突き出した棒状の中心電極との２つの電極で燃焼室への開口部を有する点火室を区画形成し、中心電極の軸方向の複数部位でコロナ放電におけるストリーマが多数発生するように２つの電極間に突起凸部（又は凹部）を設けるので、２つの電極間への高電圧印加時に点火室内で電界強度が一様にならず凸部の部位で電界強度が強くなり、中心電極と円筒状電極の間の距離が短い部分でストリーマが伸長する。ストリーマにより電子温度が高められ分子活性度が高くなる結果、点火が生じる部位が、従来装置における一対の電極よる一箇所のみのプラズマ点火に比べて多数かつ大きな体積を占めることとなる。点火室で発火したのち、燃焼ガスは副室としての点火室より主室としての燃焼室へと噴き出し、副室と主室との連通部位付近から燃焼室内の混合気に対して燃焼が開始される。このような点火室内での所定の空間にわたる多点同時発火は体積的発火と称されるべきものである。

本発明によれば、通常の点火プラグによる火花点火とは異なる、このような点火室内における体積的発火を行うので、特に、均質リーンバーン燃焼のように混合気の濃度が燃焼室の全体にわたって希薄である場合や大量のＥＧＲガスが導入されＥＧＲ率（新気量に対するＥＧＲガス量の割合）が大きくなっている場合などのように、従来装置における一対の電極による一箇所のみのプラズマ点火により着火を行ったのでは、単位体積当りの発熱量が小さく、周囲を連鎖的に発熱させることができずに消炎してしまうなど、燃焼が不安定になりやすい条件においても、大きな体積の発火により十分大きな熱発生を得ることができるため、周囲ガスの熱容量を考慮しても十分に火炎伝播可能になり、希薄燃焼限界を大幅に拡大できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の点火装置を取り付けたエンジンの概略構成を示し、図２は点火プラグのうち燃焼室に突き出す火花放電部を拡大して、また図３は同火花放電部のシリンダヘッド１への取付状態をそれぞれ示している。ここでは、本発明の点火装置を４ストロークレシプロカルエンジンに適用した場合で説明するが、４ストロークエンジンに限定されるものでなく、２ストロークエンジンにも適用がある。

まず、４ストロークエンジンの概略から説明すると、図１においてシリンダヘッド１とシリンダブロック２の間に、いわゆるペントルーフ型の燃焼室３が形成され、この燃焼室３に図で左斜め上方から吸気ポート３が、また図で右斜め上方から排気ポート５が開口している。これら吸気ポート４の燃焼室４への開口端、排気ポート５の燃焼室４への開口端には吸気弁６、排気弁７が設けられ、これらの弁６、７は弁頭上より当接する吸気弁用カム８、排気弁用カム９によってそれぞれ所定の時期に開閉される。カム８、９はカムシャフト１１、１２と一体であり、カムシャフト１１、１２は図示しないクランクシャフトによりピストン１３の動きに同期して駆動される。実際には、吸気弁６が２つ、排気弁７が１つの気筒に対して２つずつ合計４つの弁が設けられているが、図示していない。ただし、吸排気弁の数に限定されるものでない。

吸気ポート４には燃料噴射弁１５が設けられ、燃料噴射弁１５からは燃料が吸気ポート４の燃焼室３への開口端に向けて噴射供給される。ピストン１３が下方に向けて移動するとき、燃焼室３の圧力が吸気ポート４より低下するので、このとき吸気弁６が開かれると、吸気ポート４と燃焼室３との圧力差に応じて吸気通路の空気が、吸気ポート４より燃料噴霧と共に燃焼室３に導入される。このとき燃焼室３内に生じるガス流動により、燃料噴霧の気化が促進され、良好な混合気が形成されてゆく。吸気弁６が閉じた後にはピストン１３の上昇により混合気に対して適度の熱エネルギーが与えられ、ピストン１３が圧縮上死点に達する少し手前のクランク角位置で、燃焼室３天井のほぼ中央に位置して設けられている点火プラグ２１によるコロナ放電によって混合気に着火が行われる。

点火プラグ２１は、主に絶縁体、ガラスシール部、火花放電部からなり、このうち火花放電部だけが燃焼室３に突き出して設けられている。

火花放電部では、図２（Ａ）に示したように、絶縁碍子２３の先端部２３Ａと、導電体からなりこの絶縁碍子２３の先端より下方に突出する棒状の中心電極２６との周囲に、有底円筒状の導電体からなる側方電極３１が、中心電極２６を上方から覆うように設けられ、この円筒状電極３１は、主体金具２２（図１参照）にネジ止め固定され、アースされている。

円筒状電極３１と中心電極２６との間には、円筒状の空間である点火室３２が画成され、この点火室３２は燃焼室３への開口部（開口端３１Ａ）を有している。言い換えると、燃焼室３を主室としたとき、点火室３２は、燃焼室３と一つ以上の連通路（３１Ａ）で連通するように遮られた副室を構成している。

円筒の略中心部に突出している棒状の中心電極２６には、軸方向に所定間隔をおいて複数の箇所（例えば７箇所）に、径方向に向けて突き出る突起２７（凸部）が設けられている。中心電極２６の周囲に設けられる各突起２７は、一方向でなく、図２（Ｂ）にも示したように、中心電極２６の外周に等間隔で複数個（例えば４つ）設けられている。図２（Ａ）、図２（Ｂ）には、中心電極２６の軸方向に７箇所、外周に４つの突起２７を示しているが、これはモデルとして示したものであり、突起２７の数が７×４＝２８個に限定されるものではない。

中心電極２６の軸方向に等間隔でかつ周方向にも等間隔で複数の突起２７を中心電極２６に設けることで、中心電極２６への高電圧印加時に円筒状の点火室３２内で電界強度が一様にならず各突起２７（凸部）の部位で電界強度が強くなり、中心電極２６と円筒状電極３１の内周壁３１Ｂとの間の距離が短い部分でストリーマと呼ばれるアークになる以前の過渡的なコロナ放電特有のプラズマが伸長する。図２（Ａ）、図２（Ｂ）には各突起２７より所定長さまで伸長したストリーマ２８を示している。ストリーマ２８は、点火室３２内の各突起２４に応じて複数（例えば２８）発生し、各ストリーマ２８により電子温度が高められ分子活性度が高くなるため、点火が生じる部位が、従来装置における一対の電極による一箇所のみのプラズマ点火に比べて多数かつ大きな体積を占めることとなる。点火室３２の複数箇所で発火したのち、燃焼ガスは副室としての点火室３２より下方にある主室としての燃焼室３へと噴き出し、点火室３２の燃焼室３への開口端３１Ａ（副室と主室との連通部位）付近から主室としての燃焼室３内の混合気に対して燃焼が開始される。このような点火室３２内の広い体積を占める多点同時発火は体積的発火と称されるべきものである。

ここでは、中心電極２６に設けた複数の突起２７は、プラズマ点火におけるストリーマ２８を生成させるためのものであるので、円筒状電極の中心軸方向の複数部位にかつ周方向にも複数部位に、内壁面３１Ｂより中心電極２６に向けて突き出すように複数の突起を設けてもかまわない。中心電極２６の軸方向の複数部位に突起を設けるとともに、この突起に対向する円筒状電極の内壁面３１Ｂに同数の突起２７を設けるようにしてもかまわない。さらに、突起２７を中心電極２６と円筒状電極の内壁面３１Ａとの間に設ける凸部とすれば、凹部を中心電極２６と円筒状電極の内壁面３１Ａのうちいずれかの軸方向の複数部位に設けてもかまわない。また、中心電極２６の軸方向の複数部位に凹部を設けるとともに、この凹部に対向する円筒状電極の内壁面３１Ｂに同数の凹部を設けるようにしてもかまわない。要は、中心電極２６の軸方向の複数部位で円筒状電極の内壁面３１Ｂに向けてコロナ放電におけるストリーマ２８が多数発生するように凸部または凹部を設ければよい。

中心電極２６は、図示しないガラスシール部を介して、点火プラグ２１の上端に位置する端子２６に接続されている。この端子２６はさらに、図１に示したように、ディストリビュータ４１を介して、高電圧発生装置４２とパルスジェネレータ４３とに連結されている。

ここで、中心電極２６と円筒状電極３１との２つの電極間に高電圧を長時間印加し、ストリーマ２８が２つの電極間で成長しすぎると、アーク放電へと移行し、アークとして短絡した部位を経由して大きな電流が流れ、電圧降下が起こり、結果として大きな電力を消費してしまう。一方、２つの電極３１、２６間の印加電圧が小さい場合、ストリーマ２８が生成される量が少なかったり、ストリーマ２８自体が生成されない暗流状態となり、点火室３２内の混合気を着火することができなかったりする。従って、中心電極２６の軸方向の複数部位でストリーマ２８が生成されるコロナ放電が行われる条件を満たすためには、短いパルス幅（例えば１μｓｅｃ以下）で高電圧を２つの電極３１、２６間に印加する必要があり、パルスジェネレータ４３および高電圧発生装置４２が設けられている。パルスジェネレータ４３はエンジンコントロールユニット４４によって適切な時期（点火時期）に短いパルスが生じるように制御される。

中心電極の軸方向の複数部位に設けられている突起２７と、円筒状電極の内壁面３１Ｂとの間のギャップ（最短の間隙）Ｌ１は、図３で示したように、圧縮上死点位置（点火時期にほぼ近い）におけるピストン冠面１３Ａと中心電極下端２６Ａと間の上下方向最短距離Ｌ２に比べて小さくなるように設定されている。こうした設定とするのは、中心電極の外周に設けた各突起２７と円筒状電極の内壁面３１Ｂとの間のギャップＬ１よりも、圧縮上死点位置におけるピストン冠面１３Ａと中心電極２３先端と間の上下方向最短距離Ｌ２のほうを小さく設定すると、中心電極の外周に設けた突起よりストリーマが生成されるよりも前に、中心電極２６よりピストン１３方向へ向けてアークが生成されてしまい、点火室３２内における上記の体積的発火が行われなくなる事態が生じるので、これを避けるためである。これにより、点火室３２内に常に同様な電界を生じさせることができるため、点火時期によらず、点火室３２内の複数箇所で常にストリーマを発生させることができ、ピストン１３方向へアークが生成されてしまい、点火室３２内における上記の体積的発火が行えないなどの問題が生じることを回避できる。

ここでは、燃焼室３内に生成されるタンブル（ピストン軸に直交する軸回りのガス流れ）を助長するため、ピストン冠面１３Ａにキャビティ（くぼみ）を設けているが、キャビティを設けていなくともかまわない。

このように構成した場合の作用効果を説明する。

第１実施形態（請求項２に記載の発明）では、コロナ放電によって混合気に着火を行うエンジンにおいて、導電体からなる円筒状電極３１と、導電体からなりこの円筒状電極３１の略中心部に突き出した棒状の中心電極２６との２つの電極で燃焼室３への開口部（開口端３１Ａ）を有する点火室３２を区画形成し、中心電極２６の軸方向の複数部位でコロナ放電におけるストリーマが多数発生するように中心電極２６の外周に突起２７（２つの電極３１、２６間に凸部）を複数設けているので、中心電極２６への高電圧印加時に点火室３２内で電界強度が一様にならず各突起２７の部位で電界強度が強くなり、中心電極２６と円筒状電極３１の間の距離が短い部分でストリーマ２８が伸長する。ストリーマ２８により電子温度が高められ分子活性度が高くなる結果、点火が生じる部位が、従来装置における一対の電極よる一箇所のみのプラズマ点火に比べて多数かつ大きな体積を占めることとなる。点火室３２で発火したのち、燃焼ガスは副室としての点火室３２より主室としての燃焼室３へと噴き出し、副室と主室との連通部位である開口端３１Ａの付近から燃焼室３内の混合気に対して燃焼が開始される。このような点火室３２内での所定の空間にわたる多点同時発火は体積的発火と称されるべきものとなる。

第１実施形態（請求項２に記載の発明によれば、従来装置における一対の電極よる一箇所のみのプラズマ点火とは異なる、このような点火室内３２における体積的発火を行うので、特に、均質リーンバーン燃焼のように混合気の濃度が燃焼室３の全体にわたって希薄である場合や大量のＥＧＲガスが導入されＥＧＲ率（新気量に対するＥＧＲガス量の割合）が大きくなっている場合などのように、従来装置における一対の電極による一箇所のみのプラズマ点火により着火を行ったのでは、単位体積当りの発熱量が小さく、周囲を連鎖的に発熱させることができずに消炎してしまうなど、燃焼が不安定になりやすい条件においても、大きな体積の発火により十分大きな熱発生を得ることができるため、周囲ガスの熱容量を考慮しても十分に火炎伝播可能になり、希薄燃焼限界を大幅に拡大できる。

第１実施形態（請求項５に記載の発明）によれば、中心電極２６の外周に設けられる突起２７と円筒状電極の内周壁３１Ｂとの間隙Ｌ１は、圧縮上死点におけるピストン冠面１３Ａと中心電極先端２６Ａの間の上下方向最短距離Ｌ２よりも小さいので、中心電極２６からピストン１３へのアーク放電を防ぐとともに、点火時期におけるピストン位置によらず点火室３２内での体積的発火を行わせることができ、これにより点火時期の設定が点火時期におけるピストン位置に制限されることがない。

図４、図５は、燃焼室３内に強いタンブルが生じるように吸気ポート４などにタンブル制御弁（図示しない）を設けてある場合（あるいは燃焼室内に特にガス流動を強化しない場合）を対象とする、本発明の第２実施形態の火花放電部を示している。このうち、図４は第１実施形態の図３と、図５は第１実施形態の図２（Ｂ）と置き換わるものである。

ここで、タンブルとは、燃焼室３内における、ピストン軸に直交する軸回りのガス流れのことであり、図１に示すエンジン構成の場合、図４では左側に吸気ポート４があるので、図４において時計回りにタンブルが生成される。

この生成されるタンブルによるガス流れ方向に合わせて、つまり、円筒状電極３１の下端のうち吸気ポート４に最も近い部位（図４で左）と、排気ポート５に最も近い部位（図４で右）とにそれぞれ切欠き５１、５２を設けている。この場合、図５に示したように各切欠き５１、５２の周方向長さをｂ２、ｂ３、それ以外の円筒状電極開口端３１Ａの周方向長さをａ１、ａ２としたとき、ａ１＋ａ２＞ｂ１＋ｂ２となるように切欠き５１、５２の周方向長さを設定する。なお、第２実施形態では２つの切欠き５１、５２を設けているが、切欠きは少なくとも一つあればよい。

このように、タンブルによるガス流動の流れ方向に沿って切欠き５１、５２を設けることで、燃焼前の混合気を点火室３２内にスムーズに導入することが可能となり（白抜き矢印を参照）、副室（点火室３２）内の既燃ガスが掃気されずに次サイクルまで持ち越されてしまうことがない。その結果、主室（燃焼室３）と副室（点火室３２）内の空燃比、ＥＧＲ率は局所的にも同様となり、点火性能を悪化させずに済む。

図６は、燃焼室３内に強いスワールが生じるように吸気ポート４などにスワール制御弁（図示しない）を設けてある場合（あるいはタンブルに加えてスワール成分が生じるようにガス流動制御弁を設けている場合）を対象とする、本発明の第３実施形態の火花放電部を示している。図６は第２実施形態の図５と置き換わるものである。

ここで、スワールとは、燃焼室３内における、ピストン軸周りのガス流れのことであり、図６では反時計回りにスワールが生じている。このスワールによるガス流れより分岐した流れに乗って燃焼前の混合気が点火室３２内に流れ込むように、複数例えば４つの切欠き６１、６２、６３、６４を円筒状電極開口端３１Ａに等間隔で設けている。なお、第３実施形態では４つの切欠き６１〜６４を設けているが、切欠きは少なくとも一つあればよい。

このように、燃焼室３内にスワール成分を持つガス流動を生起した場合に好適な切欠き形状とすることで、切欠き６１〜６４から導入された燃焼前の混合気は点火室３２内を旋回しつつ、点火室の上方奥まで達することが可能となり、点火の前により点火室３２内における混合気の形成を促進させることができる。

第２、第３の実施形態（請求項６に記載の発明）によれば、円筒状電極の燃焼室側開口端３１Ａに燃焼前の混合気通過用の切欠き（第２実施形態では５１、５２、第３実施形態では６１〜６４）を有するので、点火室３２内での体積的発火に続く燃焼によって円筒状電極の燃焼室側開口端３１Ａが加熱され、点火室３２内に熱がこもることによって生じるプレイグニッションを防ぐことができる。

第２実施形態（請求項７に記載の発明）によれば、円筒状電極の燃焼室側開口端３１Ａに設けられる切欠き５１、５２の円周方向長さ（ｂ２＋ｂ３）を、円筒状電極３１の燃料室側開口端３１Ａのうちからこの切欠きを除いた部位の円周方向長さ（ａ１＋ａ２）より短く設定するので、点火室３２内の既燃ガスを逃しつつ、点火室３２内における大きな体積での発火（体積的発火）を可能とすることができる。

第２実施形態（請求項８に記載の発明）によれば、燃焼室３に生成されるガス流動がタンブルであり、２つの切欠き５１、５２を、このタンブルによるガス流動に沿って燃焼前の混合気が点火室３２を通過可能なように設けているので、また、第３実施形態（請求項９に記載の発明）によれば、燃焼室に生成されるガス流動がスワールであり、切欠き６１〜６４を、このスワールによるガス流れより分岐する流れに沿って燃焼前の混合気が点火室３２に導入されるように設けているので、この切欠きにより点火室３２内からの既燃ガスの掃気と未燃混合気の導入とがスムーズに行われ、点火室３２内が局所的に過剰な希釈混合気濃度にならずに安定した燃焼を行うことができる。

実施形態では、２つの電極間に凸部または凹部を設けるものとしたが、これに限られるものでなく、他の態様でもコロナ放電による体積的発火が可能である。具体的には、第１実施形態において中心電極２６に突起２７を設けず中心電極２６を円柱状に形成しているだけでも、中心電極２６の軸方向の複数部位でコロナ放電におけるストリーマを多数発生させることができる。

本発明の第１実施形態の点火装置を取り付けたエンジンの概略構成図。 点火プラグのうちの火花放電部の拡大図。 火花放電部のシリンダヘッドへの取付状態を示す概略図。 第２実施形態の火花放電部のシリンダヘッドへの取付状態を示す概略図。 第２実施形態の火花放電部を下から見た図。 第３実施形態の火花放電部を下から見た図。

符号の説明

２１ 点火プラグ
２６ 中心電極
２７ 突起（凸部）
２８ ストリーマ
３１ 円筒状電極
３１Ａ 開口端（開口部）
５１、５２ 切欠き
６１〜６４ 切欠き

Claims (10)

1. コロナ放電によって混合気に着火を行うエンジンの点火装置において、
   導電体からなる円筒状の電極と、導電体からなりこの円筒状電極の略中心部に突き出した棒状の中心電極との２つの電極で燃焼室への開口部を有する点火室を区画形成し、
   前記中心電極の軸方向の複数部位でコロナ放電におけるストリーマを多数発生させることを特徴とするエンジンの点火装置。
2. コロナ放電によって混合気に着火を行うエンジンの点火装置において、
   導電体からなる円筒状の電極と、導電体からなりこの円筒状電極の略中心部に突き出した棒状の中心電極との２つの電極で燃焼室への開口部を有する点火室を区画形成し、
   前記中心電極の軸方向の複数部位でコロナ放電におけるストリーマが多数発生するように前記２つの電極間に凸部または凹部を設ける
   を備えることを特徴とするエンジンの点火装置。
3. 前記凹部または凸部を、前記２つの電極の一方または両方に設けることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの点火装置。
4. 前記凸部は前記中心電極の軸方向かつ周方向の複数部位より前記円筒状電極の内周壁に向かって突き出る突起であることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの点火装置。
5. 前記中心電極の突起と前記円筒状電極の内周壁との間隙は、圧縮上死点におけるピストン冠面と中心電極先端の間の上下方向最短距離よりも小さいことを特徴とする請求項４に記載のエンジンの点火装置。
6. 前記円筒状電極の燃焼室側開口端に混合気通過用の切欠きを有することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの点火装置。
7. 前記切欠きの円周方向長さは、前記円筒状電極の燃料室側開口端のうちこの切欠きを除いた部位の円周方向長さより短いことを特徴とする請求項６に記載のエンジンの点火装置。
8. 燃焼室に生成されるガス流動がタンブルであり、前記切欠きを、このタンブルによるガス流動に沿って燃焼前の混合気が前記点火室を通過可能なように少なくとも１つ設けることを特徴とする請求項６に記載のエンジンの点火装置。
9. 燃焼室に生成されるガス流動がスワールであり、前記切欠きを、このスワールによるガス流れより分岐する流れに沿って燃焼前の混合気が前記点火室に導入されるように設けることを特徴とする請求項６に記載のエンジンの点火装置。
10. 前記燃焼室はペントルーフ型であり、前記２つの電極をこのペントルーフ型燃焼室の略中心部に設けることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの点火装置。