JP2009259776A - 点火装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】中心電極110と、その下端面よりも下方に伸びる略筒状の絶縁体120と、その開口部に連通する開口部131を設けた接地電極130とによって放電空間140を区画し、放電空間140に、放電用電源20からの高電圧の印加とプラズマエネルギ供給用電源30からの大電流の供給とを行って、放電空間140内の気体をプラズマ状態として機関燃焼室400内に噴射して点火を行う点火装置1において、放電空間140から噴出する気体の流れに、該気流の外周から中心に向かう回転力を付与する回転付与機構として、接地電極開口部131を第1の開口部131とし、その先端側に第1の開口部131を囲む筒状の周壁面133によって区画された回転付与空間141を有する第2の開口部132を設ける。
【選択図】図1
Description
機関の燃焼効率の向上と環境負荷の低減とを同時に実現可能な機関として、機関燃焼室内に高温高圧のプラズマ状態にした気体を噴射して、従来の火花放電による点火プラグでは火炎伝播できないような希薄な混合気を効率的に燃焼させる方法が注目されている。
このため、火炎核が成長して機関燃焼室内の混合気に火炎伝播して着火を起こすためには、例えば、200mJと比較的高いエネルギを供給する必要があった。加えて、このような高いエネルギを供給しながらも、燃焼可能な混合気の希薄化に限界を生じていた。さらに、このような高いエネルギを供給すると、電極の消耗が激しく、点火装置としての耐久性、信頼性の向上に限界を生じていた。
また、近年、燃料と圧縮空気との混合を良好にすべく、スワール比を高くしたり、過給器混合などにより燃焼室内に強力なタンブル渦を発生させたりすることがなされ、燃焼室内における高ガス流動化が図られており、従来のプラズマ点火装置では、燃焼室内に噴射された火炎核が強力な筒内気流によって吹き飛ばされ、点火に十分な大きさの火炎核に成長する前にエネルギを消失し、難着火性機関の点火がさらに困難となる虞がある。
加えて、請求項1の発明によれば、上記プラズマエネルギ供給用電源から供給されたエネルギをより長い時間火炎核の内部に保持できるので、火炎核の成長に効率的に利用することができ、より低いエネルギによって着火に導くことができる。したがって、電極の消耗を抑制することができ、耐久性においても信頼性の高い点火装置の実現が可能となる。
1.0×D1<D2<4.5×D1・・・式1
0<H2≦2.7・・・式2
このとき、強い回転力を生じ、渦輪状態を維持したまま火炎核が成長する。したがって、着火性に優れた点火装置の実現が可能となる。
H1/D1≧1.5・・・式3
点火プラグ10は、長軸状の中心電極110と、中心電極110の外周を覆い絶縁保持する略筒状の絶縁体120と、絶縁体120を覆う略筒状の接地電極130とによって構成されている。
接地電極130には、本発明の要部である回転付与機構として、第1の開口部131を囲むように第1の接開口部131の先端側に向かって突出する筒状の周壁面133によって区画された回転付与空間141を有する第2の開口部132が形成されている。
1.0×D1<D2<4.5×D1・・・式1
0<H2≦2.7・・・式2
H1/D1≧1.5・・・式3
図4は、本実施形態における点火プラグ10から高温・高圧のプラズマが噴射されたときの噴流の解析図であり、図4(a)は、0.1ms後の状態をシミュレーションした結果を示し、図4(b)は、0.35ms後の状態をシミュレーションした結果である。
図5は、(a)から(b)に順を追って示す本発明の点火装置から噴射される火炎核の成長の様子を示す模式図である。
図6(a)は、本実施形態における点火プラグ10の放電時の状態を模式的に示す要部断面図であり、図6(b)は、本発明の点火装置1を用いた内燃機関の燃焼室内における火炎核の成長過程を示す模式図である。
また、比較例として、図7に、従来の点火プラグ10zを用いた場合を示す。 図7(a)は、従来の点火プラグ10zの放電時の状態を模式的に示す要部断面図であり、図7(b)は、火炎核の成長過程を示す模式図である。
この渦流によってプラズマ状態の気体PZに回転力が与えられ、図4(b)に示すように、この回転力は、回転力付与空間141から噴出した後も維持され、内部に渦場が形成され、図6(b)に示すように、外径方向に膨張しつつ回転しながら噴射方向へ進むドーナツ状の渦輪(Vortex Ring)となる。
渦輪は回転しながら燃焼室400内を移動するので移動時における空気抵抗が小さくなり到達距離を長くできるので、混合気の所望の位置に火炎核を到達させることができる。
加えて、図5(a)に示すように、渦輪内部に高エネルギ状態の気体PZが閉じこめられ、回転によって周囲の混合気を内部に取り込みながら、混合気に渦輪内に閉じこめた高エネルギを与えられる。
さらに、図5(b)及び図6(b)に示すように、輪の回転力によって、周囲の混合気を取り込みながらドーナツ状の形を維持したまま火炎核が大きく成長する。
その結果、火炎核の成長が安定し、難着火性の希薄燃焼機関においても着火性が向上する。したがって、着火性において信頼性の高い点火装置が実現できる。
加えて、渦輪の封じ込み効果によって、プラズマエネルギ供給用電源30から供給されたエネルギをより長い時間火炎核の内部に保持できる。したがって、火炎核の成長に効率的に利用され、より低いエネルギによって着火に導くことができる。
図7(b)に示すように、従来の点火プラグ10zから燃焼室400内に噴射された火炎核は、筒内気流に沿って移動し周囲の混合気と反応しながら帯状に火炎核が成長する。
しかし、従来の点火プラグ10zにおいては、接地電極開口部131zの開口径が小さいため、火炎核に発生する渦流が小さく、直進性に欠け、点火に十分な大きさの火炎核に成長する以前に、筒内気流で容易に流され、火炎核内の高エネルギ状態の気体を火炎核内部に閉じこめる力も小さいので、容易に火炎核内部のエネルギが拡散し火炎核が難着火性機関の点火に十分な大きさまで成長しない虞がある。
比較例として図7に示した従来の点火プラグ10zを用いた試験結果を示し、実施例として、本発明の第1の実施形態における点火プラグ10を用いた試験結果を示す。さらに、図2に示した回路を用いた試験結果を実施例1とし、図3に示した回路を用いた試験結果を実施例2として示す。
本試験は、エンジンを模した気筒に点火プラグを搭載し、燃料と空気とを所定の空燃比で導入して同一条件下で点火したときの、着火性を示す指標として、(1)連続100サイクルの燃焼圧波形を計測し、その変動を算出した図示平均有効圧力の変動(COV IMEP)、(2)COV IMPEP 5%を判定基準として読み取った燃焼安定リーン限界空燃比、(3)初期燃焼期間及び主燃焼期間、(4)所定の空燃比におけるエネルギ低減効果について比較試験を行った。
また、本発明において、1回の点火に対して点火プラグ10へ一度にエネルギ供給を行う場合(実施例1)よりも、1回の点火に対して点火プラグ10へ投入するエネルギを複数回に分けて供給した方(実施例2)がさらに安定した燃焼が得られることが確認された。
図11に示すように、本発明によれば、比較例と同一の空燃比において安定した着火に必要なエネルギを比較例よりも約60%低減できることが判明した。
上述したように、本発明によれば、着火に必要な要求エネルギを低くすることができるので、図12に示すように、投入エネルギを低減することにより電極の消耗を抑制することが可能となり、点火装置としての信頼性をさらに向上できる。
図13に示すように、D2が下記式1の範囲において、本発明の点火プラグ10を用いた方が比較例よりも燃焼変動が小さくなることが判明した。
1.0×D1<D2<4.5×D1・・・式1
また、より望ましくは、1.15×D1≦D2≦4.25×D1の範囲で、D2を設定するのが良いことが判明した。この範囲にD2を設定すれば、COV IMEPが5%以下のさらに安定した着火性が得られる。
図14に示すように、H2が下記式2の範囲において、本発明の点火プラグ10を用いた方が比較例よりも燃焼変動が小さくなることが判明した。
0<H2≦2.7・・・式2
また、より望ましくは、0.5≦H2≦2.3の範囲でH2を設定するのが良いことが判明した。この範囲にH2を設定すれば、COV IMEPが5%以下のさらに安定した着火性が得られる。
H2を2.7mmより大きく設定した場合には、従来よりも燃焼変動が大きくなるが、これは、回転付与による渦輪の発生効果よりも、周壁面133への熱エネルギの拡散による消炎効果が大きくなるためと考えられる。
従来、プラズマ状態となった気体の噴出距離を長くするためには、アスペクト比H1/D1をできるだけ大きくするのが望ましく、例えばH1/D1>2とするのが良いとされてきた。しかし、アスペクト比H1/D1を大きくすると、放電空間140内の絶縁を破壊するのに必要な要求電圧が高くなり、電極の消耗も早くなる虞がある。そこで、従来の点火プラグ10zのアスペクト比H1/D1を2に設定した場合を比較例として、本発明の第1の実施形態における点火プラグ10のアスペクト比を種々と変化させて、従来と同等のリーン限界A/F(25.3)でも安定した燃焼変動を得られるアスペクト比H1/D1を調査した。その結果、図15に示すように、本発明によれば、H1/D1を1.5としても比較例と同等の燃焼変動が得られることが判明し、第1の開口部131の内径φD1と放電空間140の長さH1とのアスペクト比H1/D1を下記式3を満たす範囲に設定することにより、電極消耗を押さえつつ安定した着火性を得られるとの知見を得た。
H1/D1≧1.5・・・式3
本図(a)に示すように、第2の開口部132の周壁面133を、内径φD2の円筒状に形成しても良いし、(b)に示すように、第2の開口部132aの周壁面133aを、短軸方向の壁面間距離がD2で長軸方向の壁面間距離がD3aの楕円筒状又は、オーバル筒状に形成しても良いし、(c)に示すように、第2の開口部132bの周壁面133bを、短軸方向の壁面間距離がD2で長軸方向の壁面間距離がD3bの矩形筒状に形成しても良い。
少なくとも、壁面間距離D2を、上記式1に示した関係を満たすように設定すれば、本発明の効果が得られ、長軸方向の壁面間距離D3a、D3bは、適用する内燃機関燃焼特性に応じて、火炎核の広がり方向を変更すべく適宜変更可能である。
図17(a)は、本発明の第2の実施形態として、接地電極130cを肉厚に形成し、第1の開口部131cの先端側の一部を外径方向に拡径した周壁面133cを形成して第2の開口部132cとすることによって、回転力付与空間141cを区画した点火プラグ10cの要部断面図であり、図17(b)は、本実施形態におけるプラズマ点火プラグ10cに高エネルギを印加した後0.35ms経過したときのプラズマ噴流のシミュレーション結果を示す流れ解析図であり、図17(c)は、本図(b)中A部の拡大図である。
上記実施形態と同様に渦輪の発生により、従来のプラズマ式点火装置に比べて着火性の向上が見られたが、第2の開口部132、132a、132bを筒状に設けて燃焼室内に突出した上記実施形態に比べて、渦輪の回転力が弱く、着火性が劣ることが判明した。これは、図17(c)に示すように、第2の開口部132cの表面上において噴射方向に対して垂直方向の流れが強く、噴射速度が抑制されてしまうためと推察される。
本発明の第3の実施形態として、図19(a)に示すように、接地電極開口部131dの開口径を、放電空間140を形成する絶縁体120の開口径よりも径大とし、回転付与空間141dを形成しても良い。
本実施形態においては、上記実施形態と同様に渦輪の発生により、従来のプラズマ式点火装置に比べて着火性の向上が見られたが、第2の開口部132、132a、132bを筒状に設けて燃焼室内に突出した上述の第1の実施形態に比べて、渦輪の回転力が弱く、着火性が劣ることが判明した。
なお、第2の開口部132gの内周壁面133gを先端に向かって径大となるように逆円錐面状の回転付与空間141gを区画すると、上記実施形態と同様に渦輪が形成され、従来のプラズマ式点火装置に比べて着火性の向上が見られたが、上記実施形態に比べて、渦輪の回転力が弱く、着火性が劣ることが判明した。
このような形状とすれば、上記実施形態と同様の効果に加えて、上記凹面状の周壁によって区画された回転付与空間141hにおいて外径方向に膨張しながら回転する渦輪を形成し、さらに上記回転付与空間141h内で渦輪が滞留し、その間に、放電空間140から噴出された後続のプラズマ状態の気体によって、該渦輪の周速度が加速され、渦の周速度がある程度大きくなると、その一部が回転付与空間141hから抜け出し、これに引っ張られてより大きな渦輪が上記第2の開口部132hの先端から機関燃焼室内に噴射される。このとき、強い回転力を生じ、渦輪状態を維持したまま火炎核が成長する。回転付与空間141hよって速やかに気流に回転が発生し、より安定した着火の実現が期待できる。
また、本実施形態においては、図2(b)に示したような、1回の点火において一度に高エネルギを印加した場合には、渦輪の移動速度は大きくなったものの、期待した程の着火性の向上効果が得られず、図3(b)に示したように、1回の点火において複数回に分けて高エネルギを印加することにより、より安定した着火が実現できることが判明した。
これは、回転力付与空間141h内における滞留時間が長くなった分、接地電極130を介してシリンダヘッド40への熱エネルギが放射される消炎効果が大きくなり、一度で高エネルギを印加した場合には、放電経路近傍のプラズマが飽和状態となり、放電空間140内に投入したエネルギがプラズマ化に利用されることなく浪費され、複数回に分けて高エネルギを印加することによって、放電空間140内の気体が連続的に励起され、次々と高温高圧のプラズマ状態となって噴射され、放電空間140内の新たな気体のプラズマ化に投入されたエネルギが無駄なく利用されるためと推察される。
また、上記実施形態においては、高電圧電源を放電用電源20とプラズマ発生用電源30との2電源により構成した場合について説明したが、1の電源からDc−Dcコンバータ等を介して異なる電圧に調整して放電用電源とプラズマ発生用電源として引加しても良い。さらに、上記実施形態においては、放電用電源の昇圧回路として、通常の点火コイルを用いた場合を例に説明したが、コンデンサ放電型点火コイル(C.D.I.)、圧電トランス等を用いても良い。
10 点火プラグ
110 中心電極
120 絶縁体
130 接地電極
131 第1の開口部
132 第2の開口部
133 周壁面
140 放電空間
141 回転付与空間
φD1 放電空間内径(絶縁体内周壁内径)
D2 第2の開口部壁面間距離
H1 放電空間長さ
H2 第2の開口部長さ(回転付与空間長さ)
20 放電用電源
30 プラズマエネルギ供給用電源
40 内燃機関
400 機関燃焼室
Claims (8)
- 長軸状の中心電極と、該中心電極を覆いつつ、その下端面よりも下方に伸びる略筒状に形成した絶縁体と、該絶縁体を覆いつつ、該絶縁体の開口部に連通する接地電極開口部を設けた接地電極とによって放電空間を区画し、
該放電空間に、放電用電源からの高電圧の印加とプラズマエネルギ供給用電源からの大電流の供給とを行って、該放電空間内の気体を高温・高圧のプラズマ状態となして、機関燃焼室内に噴射して該機関の点火を行う点火装置において、
上記放電空間から噴出する高温・高圧状態の気体の流れに、該気流の外周から中心に向かう回転力を付与する回転付与機構を設けることを特徴とする点火装置。 - 上記接地電極開口部を第1の開口部とし、その先端側に上記第1の開口部を囲む略筒状の周壁面によって区画された回転付与空間を有する第2の開口部を設けて、上記回転付与機構となすことを特徴とする請求項1に記載の点火装置。
- 上記第1の開口部の開口径をφD1とし、上記第2の開口部の対向する壁面間の距離をD2としたときに、D1とD2とが下記式1の関係を満たす請求項2に記載の点火装置。
1.0×D1<D2<4.5×D1・・・式1 - 上記第2の開口部の周壁面の高さをH2(mm)としたときに、H2が下記式2の関係を満たす請求項2に記載の点火装置。
0<H2≦2.7・・・式2 - 上記第2の開口部の内周壁面の一部を外側に向かって略環状に窪ませた凹面状に設けることを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1項に記載の点火装置。
- 上記第2の開口部の内周壁面の一部を先端に向かって径小となる略円錐面状の回転付与空間を設けることを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1項に記載の点火装置。
- 上記放電空間を形成する上記中心電極下端面から上記接地電極開口部の内周壁上端縁に至る上記絶縁体内周壁の長さをH1とし、上記絶縁体内周壁の内径をφD1としたときに、H1とD1とが下記式3の関係を満たす請求項1ないし6のいずれか1項に記載の点火装置。
H1/D1≧1.5・・・式3 - 上記放電用電源からの1回の高電圧の印加に対して、上記プラズマエネルギ発生用電源からの大電流の供給は、パルス電流によって複数回に分割して供給することを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の点火装置。基礎出願に追記、変更した記載に下線を施してあります。
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