JP2013182718A - 点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】混合気への着火性をより一層高めた点火プラグを提供する。
【解決手段】気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグ１２の中心電極１２１と接地電極１２２との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関用の点火プラグ１２において、プラズマに曝されることで酸化する金属１２５を中心電極１２１または接地電極１２２に設けた。
【選択図】図５

Description

本発明は、気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する態様の火花点火式内燃機関に用いられる点火プラグに関する。

火花点火式内燃機関に実装されている点火装置では、イグナイタが消弧した際に点火コイルに発生する高電圧を点火プラグの中心電極に印加することで、点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起、点火する。

近時では、気筒の燃焼室内にある混合気に確実に着火させ、安定した火炎を得ることができるようにするために、電界発生回路、換言すればマグネトロンが出力するマイクロ波若しくは高周波発振器が出力する高周波を燃焼室内に放射する「アクティブ着火」法が試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。アクティブ着火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間に高周波またはマイクロ波電界が形成され、この電界中で発生したプラズマが成長して、火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成することができる。

特開２０１１−１５９４７７号公報 特開２０１１−０６４１６２号公報

本発明は、アクティブ着火法を採用した火花点火式内燃機関において、混合気の着火性をより一層高めることを所期の目的とする。

点火プラグの電極は、主としてニッケルからなっていることが多い。ニッケル材料は必ずしも耐熱性、耐久性に秀でておらず、酸化による劣化や高熱による溶損を招く。とりわけ、アクティブ着火法の実施のために使用される点火プラグの電極は、消耗が早くなるきらいがある。

そこで、現状、耐久性の高い金属体、例えば白金やイリジウム、モリブデン等の貴金属類からなる金属体を電極本体にろう付けし、この金属体を介して火花が飛ぶようにして、ニッケル材料を主体とした電極本体の保護を図っている。

本発明の発明者は、鋭意研究の結果、点火時に火花放電の火花が前記金属体を経由せず、ろう付け部分に飛ぶことがあること、そして、ろう付けに用いている金属が酸化または燃焼して少しずつ損傷してゆく代わりに燃焼室内に大熱量が発生することを初めて発見した。

上記に鑑み、本発明では、気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関用の点火プラグであって、燃焼室内に生成されるプラズマに曝されることで酸化する金属を中心電極または接地電極に設けた点火プラグを構成した。

特に、中心電極と接地電極とのうち、火花放電の際に電位が低くなる方の電極を形成するにあたり、その電極本体にこれとは別種の金属体をろう付けするものとしている。そのろう付けに用いる金属が、燃焼室内に生成されるプラズマに曝されることにより酸化する。

本発明によれば、アクティブ着火法を採用した火花点火式内燃機関において、混合気の着火性をより一層高めることが可能となる。

本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態における火花点火装置の回路図。 同実施形態における電界発生装置の構成を示す図。 同実施形態における電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。 同実施形態の点火プラグの電極部分を示す、一部を破断した拡大側面図。 同実施形態の点火プラグの電極部分を示す、一部を破断した拡大側面図。 本発明の一変形例に係る点火プラグの電極部分を示す、一部を破断した拡大側面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極１２１と接地電極１２２との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

本実施形態の内燃機関には、気筒１の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置を付帯させている。この電界発生装置は、燃焼室内でプラズマを生成する目的のものである。電界発生装置の例としては、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。

図３及び図４に示すように、高周波を発生させる電界発生装置は、車載バッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路を含む。具体的には、バッテリが提供する約１２Ｖの直流電圧を１００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流を交流に変換するＨブリッジ回路６２と、Ｈブリッジ回路６２が出力する交流をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス６３とを構成要素とする。

電界発生装置の出力端には、第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５を介設することが好ましい。第一ダイオード６４は、カソードが昇圧トランス６３の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル１４との結節点であるミキサ６６に接続している。第二ダイオード６５は、アノードが昇圧トランス６３の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地している。これら第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５は、点火タイミングにおいて点火コイル１４の二次側から流れ込む負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。

電界発生装置が発振する高周波電圧は、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後に、点火プラグ１２の中心電極１２１に印加する。つまり、気筒１の燃焼室内に臨む点火プラグ１２の中心電極１２１を、電界を放射するアンテナとする。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の中心電極１２１と接地電極１２２との間の空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電を行うことによりプラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。

上記は、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、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ラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ちプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。

因みに、電界発生装置として脈流電圧発生回路を採用する場合、当該脈流電圧発生回路は周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧、交流電圧を半波整流した電圧、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等をおしなべて含む。電界発生装置が発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。

内燃機関の気筒１に吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

気筒１から排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｈ等が入力される。

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、電界発生装置に対して電界（即ち、高周波）発生指令信号ｌ等を出力する。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、燃焼室内に電界を発生させるか否かやその電界発生のタイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

以降、本実施形態の点火プラグ１２に関して詳述する。一般に、点火プラグ１２は、火花放電に際し、「マイナス放電」を行う場合と、「プラス放電」を行う場合とがある。

前者は、中心電極１２１を接地電極１２２に対して低電位とする、即ち中心電極１２１にマイナスの電圧を印加して放電を惹起するものである。言うまでもなく、接地電極１２２は恒常的に零電位である。火花放電に伴い、電子は中心電極１２１から発し、接地電極１２２に向かって飛ぶ。

翻って、後者は、接地電極１２２を中心電極１２１に対して低電位とする、即ち中心電極１２１にプラスの電圧を印加して放電を惹起するものである。火花放電に伴い、電子は接地電極１２２から発し、中心電極１２１に向かって飛ぶ。

図５または図６に示しているように、本実施形態の点火プラグ１２においては、中心電極１２１及び接地電極１２２の各々に、その電極本体１２３とは別種の金属体１２４を固設している。なお、図５がマイナス放電に用いられる点火プラグ１２の例、図６がプラス放電に用いられる点火プラグ１２の例である。

電極本体１２３は、主としてニッケルからなる。ニッケル材料は必ずしも耐熱性、耐久性に秀でていない。これに対し、金属体１２４は、耐久性の高い金属体１２４、例えば白金やイリジウム、モリブデン等の貴金属類からなるものとし、火花放電時にこの金属体１２４を介して火花を飛ばす、換言すれば火花の両端がそれぞれの金属体１２４に接続する（電子が金属体１２４を経由する、火花が金属体１２４を介さず直接電極本体１２３に接触することがない）ようにして、電極本体１２３の保護を図っている。典型的には、中心電極１２１側にイリジウム片１２４を、接地電極１２２側に白金片１２４を、それぞれ接着する。

また、少なくとも、火花放電の際に電位が低くなる方の電極（つまり、マイナス放電における中心電極１２１、プラス放電における接地電極１２２）については、電極本体１２３に金属体１２４をろう付けすることとしている。ろう付けに用いる金属、即ち硬ろう１２５は、例えばインコネル（登録商標。ニッケル基の超合金。ニッケルに鉄、クロム、ニオブ、モリブデン等の合金元素を加えたもの）等とする。

火花放電による火花は、常に金属体１２４を経由するわけではない。時には、火花がろう付けに用いた硬ろう１２５に向かって飛び、この硬ろう１２５を酸化または燃焼させてしまうことがある。硬ろう１２５の酸化または燃焼は、点火プラグ１２の寿命を縮めるという面では不利である。一方で、硬ろう１２５が酸化または燃焼することで、火花点火の初期における気筒１の燃焼室内の温度が高まり、混合気への着火性が顕著に向上するという副効用が得られる。

このことに鑑み、本実施形態では、酸化または燃焼させて火花点火時の燃焼室内温度を高める目的で、電極本体１２３に金属体１２４を接着するのに必要十分な量を上回る量の硬ろう１２５を、金属体１２４の周囲に、金属体１２４を取り巻くように設けている。金属体１２４は、その一部が硬ろう１２５に埋没する。硬ろう１２５は、所定走行距離（例えば、十万キロメートル）点火プラグ１２が性能を維持できる程度の量、設けておくことが望ましい。この硬ろう１２５の体積は、金属体１２４のそれを上回ることがある。

中心電極１２１及び接地電極１２２の双方に硬ろう１２５をろう付けして実験した結果、火花放電の際に電位が低くなる方の電極の硬ろう１２５が激しく酸化または燃焼して消耗してゆくが、電位が高くなる方の電極の硬ろう１２５はあまり消耗しないことが分かった。故に、火花放電の際に電位が低くなる方の電極の硬ろう１２５の量をより多くすることが好ましい。電位が高くなる方の電極の硬ろう１２５は、それと比べて少なくしてよい。

本実施形態では、気筒１の燃焼室内に臨むアンテナ（中心電極１２１）を介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグ１２の中心電極１２１と接地電極１２２との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関用の点火プラグであって、燃焼室内、特に中心電極１２１と接地電極１２２との空隙に生成されるプラズマに曝されることで酸化する金属１２５を中心電極１２１または接地電極１２２に設けた点火プラグ１２を構成した。

本実施形態によれば、点火時に火花放電の火花が前記金属１２５部分に飛び、この金属１２５が酸化または燃焼して少しずつ損傷してゆく代わりに気筒１の燃焼室内に大熱量のエネルギ（酸化熱）を発生させるため、混合気への着火性をより一層向上させることができる。従って、出力及び燃費の向上、及びエミッションの良化に貢献し得る。

また、中心電極１２１と接地電極１２２とのうち、火花放電の際に電位が低くなる方の電極を形成するにあたり、その電極本体１２３にこれとは別種の金属体１２４をろう付けすることとし、そのろう付けに用いる金属１２５が、燃焼室内に生成されるプラズマに曝されることにより酸化するものとしているため、電極本体１２３に金属体１２４を接着する工程を通じて自然に金属１２５が電極１２１、１２２に設けられることとなり、点火プラグ１２の生産性を高く保つことができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、図７に示すように、電極本体１２３に金属体１２４をろう付けする硬ろう１２５とは別に、プラズマに曝されることで酸化または燃焼する金属１２６を、別途中心電極１２１または接地電極１２２に設けるようにしてもよい。図７に示す例は、マイナス放電に用いられる点火プラグ１２を表しており、中心電極１２１側に金属１２６を設けている。

また、内燃機関の気筒１の燃焼室内でプラズマを生成する目的で燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路に限定されない。

気筒１の燃焼室内に電界を放射するアンテナもまた、点火プラグ１２の中心電極１２１には限定されない。点火プラグ１２とは異なる、気筒１の燃焼室内に電界を放射するアンテナを設置した内燃機関を構成しても構わない。

その他各部の具体的構成は、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。

本発明は、車両等に搭載される火花点火式内燃機関に利用することができる。

１２…点火プラグ
１２１…中心電極
１２２…接地電極
１２３…電極本体
１２４…金属体
１２５…プラズマに曝されて酸化する金属（ろう付けに用いられる硬ろう）
１２６…プラズマに曝されて酸化する金属

Claims (2)

1. 気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関用の点火プラグであって、
   燃焼室内に生成されるプラズマに曝されることで酸化する金属を中心電極または接地電極に設けた点火プラグ。
2. 中心電極と接地電極とのうち、火花放電の際に電位が低くなる方の電極を形成するにあたり、その電極本体にこれとは別種の金属体をろう付けしており、
   ろう付けに用いる金属が燃焼室内に生成されるプラズマに曝されることで酸化する請求項１記載の点火プラグ。

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