JP2010101174A - 火花点火式内燃機関の点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】マグネトロンにより燃焼室内にプラズマを生成する場合、マイクロ波を放射するアンテナが必要になるが、燃焼室内にマイクロ波を放射するためには、ホーン型アンテナであればマイクロ波が進行する通路を燃焼室の壁面に設ける必要があり、またダイポール型アンテナにあってもアンテナを燃焼室内に設置すべく燃焼室の壁に貫通孔をあける必要があった。
【解決手段】導電材料からなるハウジングと、ハウジング内に絶縁体を介して取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火プラグであって、絶縁体内に中心電極とは絶縁した状態に導体を配置し、絶縁体の中心電極側端部の表面に、導体と電気的に接続されて電磁波を燃焼室内に放射するアンテナを設けてなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火プラグに関するものである。

従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火にあって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。

このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献１に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。
特開２００７‐３２３４９号公報

ところで、例えば大気圧下などでプラズマを生成する方法として、マグネトロンを用いるものが考えられている。マグネトロンにより燃焼室内にプラズマを生成する場合、マイクロ波を放射するアンテナが必要になる。マイクロ波を放射するアンテナとしては、例えばホーン型アンテナやダイポール型アンテナなどが挙げられる。

ところが、これらのアンテナの場合、燃焼室内にマイクロ波を放射するためには、ホーン型アンテナであればマイクロ波が進行する通路を燃焼室の壁面に設ける必要があり、またダイポール型アンテナにあってもアンテナを燃焼室内に設置すべく燃焼室の壁に貫通孔をあける必要があった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関の点火プラグは、導電材料からなるハウジングと、ハウジング内に絶縁体を介して取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火プラグであって、絶縁体内に中心電極とは絶縁した状態に導体を配置し、絶縁体の中心電極側端部の表面に、導体と電気的に接続されて電磁波を燃焼室内に放射するアンテナを設けてなることを特徴とする。

このような構成によれば、電磁波を燃焼室内に放射するアンテナを、絶縁体の中心電極側端部の表面に設けるので、火花点火式内燃機関の燃焼室に対して加工を施す必要がなくすことが可能になる。

このように、アンテナを絶縁体の中心電極側端部の表面に設けるためには、アンテナが、導電体の薄板からなるものが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、電磁波を燃焼室内に放射するアンテナを、絶縁体の中心電極側端部の表面に設けるので、火花点火式内燃機関の燃焼室に対して加工を施す必要がなくすことができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に、１気筒における点火プラグ１の取付部分を拡大して示す火花点火式内燃機関であるエンジン１００は、例えば３気筒のダブルオーバーヘッドカムシャフト（ＤＯＨＣ）形式のもので、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてある。なお、点火プラグ１を除くエンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。

この実施例の点火プラグ１は、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１５と、中心電極１４を絶縁する絶縁体である絶縁碍子１６と、電磁波であるマイクロ波を燃焼室６内に放射するアンテナ２０と、アンテナ２０に電気的に接続され絶縁碍子１６内に中心電極１４とは絶縁した状態で設けられる導体２１とを備える。

すなわち、点火プラグ１は、ハウジング１３がほぼ円柱形状の絶縁碍子１６を支持し、絶縁碍子１６の上端に取り付けられる接続端子１７が、ハウジング１３の下端から突出する中心電極１４と図示しない中軸により電気的に接続され、ハウジング１３下端から中心電極１４下端に対向する位置まで延びる位置に接地電極１５がハウジング１３に一体的に設けてある構造である。絶縁碍子１６は、中心電極１４とエンジン１００への取付部であるハウジング１３とを絶縁するとともに、中心電極１４と接続端子１７との接続部材である中軸も絶縁するもので、ほぼ円筒形状をしている。

ハウジング１３は、絶縁碍子１６を収容するのに十分な内部空間を備える円筒形状のもので、導電材料である、例えばステンレス製のものである。ハウジング１３は、その上端部分が、絶縁碍子１６を密着し気密性を維持するために内側に絞り込まれている。また、その長手方向の中央部から下側部分の外周には、シリンダヘッド８への取付のための雄ねじ部１８が形成してある。加えて、雄ねじ部１８と上端部分との間には、取り付ける場合に取付台座部となる主体金具１９が、雄ねじ部１８より大きな外径で形成してある。

中心電極１４は、例えば円柱状の金属材料にて形成されており、その下端が絶縁碍子１６から露出するとともに、ハウジング１３の下端から露出する。中心で極１４の先端はほぼ平坦な円形面で、接地電極１５の上面とほぼ平行に対向している。

このような中心電極１４に対して、接地電極１５は、ハウジング１３下端面に一体的に形成される側面視ほぼＬ字状のもので、その先端は、中心電極１４の中心軸から間隙３０をあけた位置まで延びている。接地電極１５は、このように中心電極１４に比較して長い上面を有しているので、その上面は中心電極１４の先端より大面積の電子放出面となる。接地電極１５は、このようにハウジング１３に一体的に設けられているので、使用時にあってはハウジング１３と同電位すなわち接地電位に維持される。

アンテナ２０は、絶縁碍子１６の中心電極１４側の端部つまり絶縁碍子１６の下側先端の表面に設けられるものである。アンテナ２０は、導電薄膜からなるもので、導体に接続される。この実施形態のアンテナ２０は、中心電極１４とは間隔をあけて中心電極１４を取り巻くように、所定幅の円弧状の金属箔からなるものである。このアンテナ２０は、メッキ処理や、蒸着などの薄膜形成技術により形成する。例えばメッキ処理の場合、絶縁碍子１６を形成する場合に一体に形成する導体２１に、メッキ溶液中において所定の電圧を印加してアンテナ２０を形成する。

このような点火プラグ１の中心電極１４に対して、点火コイルから点火電圧が印加されるとともに、マイクロ波を出力するマグネトロンを備える高圧交流発生装置から、導波管、同軸ケーブル及び導体２１を介してアンテナ２０にマイクロ波が印加される。

このエンジン１００にあっては、通常の運転状態では高圧交流発生装置２６が発生するマイクロ波を、火花放電とほぼ同時あるいはその直後に中心電極から燃焼室６内に放射し、それにより生成されるプラズマと点火プラグ１による火花放電とを反応させて、混合気に着火するように構成されている。

点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル（図示しない）により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室６内の混合気を急速に燃焼させる構成である。

具体的には、点火プラグ１による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。

これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、高周波電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に火炎が大きくなるものである。

この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ１のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室６内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

この場合に、アンテナ２０にマイクロ波が印加されるので、アンテナ２０から接地電極１５の方向に、中心電極１４を囲むようにして高周波電界が形成される。そしてそのような高周波電界中で、中心電極１４と接地電極１５との間隙で火花放電が発生することで、上述したように高周波電界と火花放電とが反応するものである。

このように、点火プラグ１の絶縁碍子１６の先端に、中心電極１４を取り囲むようにアンテナ２０を形成しているので、容易にアンテナ２０を燃焼室６に設置することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態においては、アンテナ２０をメッキ処理により形成したが、例えば物理的蒸着により薄膜を形成し、その後、エッチング処理することによりアンテナを形成するものであってもよい。このような薄膜形成技術を適用する場合、アンテナ形状に関して微細な加工をすることができる。したがって、使用するマイクロ波との整合を容易に取ることができる。又、特性のばらつきを抑えて、アンテナの量産をすることができる。

高圧交流発生装置としては、上述のようなマグネトロンに代えて、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。

本発明の一実施形態を適用するエンジンの要部を拡大して示す断面図。 同実施形態の点火プラグの底面図。

符号の説明

１…点火プラグ
１３…ハウジング
１４…中心電極
１５…接地電極
２０…アンテナ
２１…導体

Claims (2)

1. 導電材料からなるハウジングと、ハウジング内に絶縁体を介して取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火プラグであって、
   絶縁体内に中心電極とは絶縁した状態に導体を配置し、絶縁体の中心電極側端部の表面に、導体と電気的に接続されて電磁波を燃焼室内に放射するアンテナを設けてなる火花点火式内燃機関の点火プラグ。
2. アンテナが、導電体の薄板からなる請求項１記載の火花点火式内燃機関の点火プラグ。

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