JP2013191559A

JP2013191559A - 点火プラグ、点火装置及びエンジン

Info

Publication number: JP2013191559A
Application number: JP2013047503A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Urushibara; 友則漆原; Takashi Egami; 貴江上; Wataru Shionoya; 亘塩野谷; Ryuta Kono; 隆太河野; Katsunori Tanaka; 克典田中
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2013-09-26

Abstract

【課題】火炎を大きく広げることができ、難燃焼条件下であっても、混合気に安定して点火（着火）することができ、燃焼効率を向上させることができる点火プラグ、点火装置及びエンジンを提供する。
【解決手段】中心電極１４の側面から本体金具１８の内面までの半径方向距離をＲ_bod、本体金具１８の先端から絶縁体１２の先端までの軸方向距離をＬ_bod、本体金具１８の内面から接地電極１６の先端までの半径方向距離をＲ_gap、接地電極１６の先端から中心電極１４の先端までの軸方向距離をＬ_gapとしたとき、Ｌ_bod＋Ｒ_bod＞Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bodを満足する。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両用エンジンに使用される点火プラグ、点火装置及びエンジン（内燃機関）に関する。

例えば車両用エンジンにおける点火プラグは、特許文献１に記載されているように、碍子の貫通孔に挿入保持された中心電極と、碍子を取り囲む金属製ハウジングに取り付けた接地電極とを備え、前記中心電極と前記接地電極とをギャップを隔てて対向配置してある。そして、エンジンコントロールユニットからの点火信号により高電圧パルス発生回路のスイッチをオン／オフさせて高電圧パルス発生回路から高電圧パルスを出力させ、該高電圧パルスを中心電極と接地電極との間に印加することによって、電極間に火花放電を発生させ、燃焼室内の混合気に着火するようにしている。

特開２００２−３１３５２３号公報

ところで、図９に示すように、点火プラグ２００は、棒状の中心電極２０２と、該中心電極２０２を覆う筒状の絶縁体２０４と、該絶縁体２０４を保持する金属製の筒状の本体金具２０６と、該本体金具２０６に取付けた接地電極２０８とを有する。

そして、点火プラグ２００の中心電極２０２と接地電極２０８間に、連続して高電圧パルスを印加することにより、多重に火花放電を発生させて、火炎を広がり易くさせることが考えられる。

しかしながら、火花放電が混合気の流動に従って放電経路が広がっていくと、今度は、中心電極２０２と本体金具２０６との間で火花放電（異常放電２１０）が発生し、それ以上、正常な火花放電２１２の放電経路を広げることができず、火炎が広がり難いという問題がある。特に、希薄燃焼が行われる場合等のように、難燃焼条件下においては、火炎が広がり難いことは点火（着火）の安定性を損なうことになる。

本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、火炎を大きく広げることができ、難燃焼条件下であっても、混合気に安定して点火（着火）することができ、燃焼効率を向上させることができる点火プラグ、点火装置及びエンジンを提供することを目的とする。

［１］第１の本発明に係る点火プラグは、高電圧が印加され、接地電位とは絶縁体によって絶縁された概ね棒状の中心電極と、前記中心電極の概ね延長上に放電ギャップを介して配置された接地電極と、前記接地電極が接続される本体金具とを有する点火プラグにおいて、前記中心電極の側面から前記本体金具の内面までの半径方向距離をＲ_bod、前記本体金具の先端から前記絶縁体の先端までの軸方向距離をＬ_bod、前記本体金具の内面から前記接地電極の先端までの半径方向距離をＲ_gap、前記接地電極の先端から前記中心電極の先端までの軸方向距離をＬ_gapとしたとき、
Ｌ_bod＋Ｒ_bod＞Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bod
を満足することを特徴とする。

［２］第２の本発明に係る点火プラグは、高電圧が印加され、接地電位とは絶縁体によって絶縁された概ね棒状の中心電極と、前記中心電極の概ね延長上に放電ギャップを介して配置された接地電極と、前記接地電極が接続される本体金具とを有する点火プラグにおいて、前記中心電極の側面から前記本体金具の内面までの半径方向距離をＲ_bod、前記本体金具の先端から前記絶縁体の先端までの軸方向距離をＬ_bod、前記本体金具の内面から前記接地電極の先端までの半径方向距離をＲ_gap、前記接地電極の先端から前記中心電極の先端までの軸方向距離をＬ_gapとしたとき、
√（Ｌ_bod ²＋Ｒ_bod ²）＞√｛Ｌ_gap ²＋（Ｒ_gap＋Ｒ_bod）²｝
を満足することを特徴とする。

［３］第１及び第２の本発明において、前記本体金具に接続された前記接地電極は、途中で屈曲され、且つ、先端部が前記中心電極の先端と対向するように延在し、ガス流動の進行方向と前記接地電極の先端部の延在方向とが向かい合う位置関係での前記進行方向と前記延在方向とのなす角が−１２０°〜＋１２０°の範囲であることが好ましい。

［４］第３の本発明に係る点火装置は、上述した第１又は第２の本発明に係る点火プラグと、該点火プラグの前記中心電極と前記接地電極との間にパルス電圧を複数回印加するパルス電圧印加手段と、を備えることを特徴とする。

［５］第４の本発明に係るエンジンは、吸気管と、吸気バルブと、燃焼室と、排気管と、排気バルブと、シリンダと、ピストンとを有するエンジンにおいて、上述した第１又は第２の本発明に係る点火プラグの先端部分が前記燃焼室内に露出させて設置されていることを特徴とする。

［６］第５の本発明に係るエンジンは、吸気管と、吸気バルブと、燃焼室と、排気管と、排気バルブと、シリンダと、ピストンとを有するエンジンにおいて、上述した第３の本発明に係る点火装置における点火プラグの先端部分が前記燃焼室内に露出させて設置されていることを特徴とする。

本発明に係る点火プラグ、点火装置及びエンジンによれば、火炎を大きく広げることができ、難燃焼条件下であっても、混合気に安定して点火（着火）することができ、燃焼効率を向上させることができる。

図１Ａは本実施の形態に係るエンジンの吸気行程を本実施の形態に係る点火装置及び点火プラグと共に示す説明図であり、図１Ｂはピストンが下死点に到達した状態を示す説明図であり、図１Ｃはエンジンの圧縮工程を示す説明図である。本実施の形態に係る点火プラグを示す側面図である。第１点火プラグの主要部を示す側面図である。正常な火花放電の経路と異常放電の経路を説明するための図である。多重の正常な火花放電がガス流動に沿って進展、広がる様子を示す説明図である。接地電極の先端部の延在方向とガス流動の方向との好ましい角度範囲を示す説明図である。図７Ａは（Ｌ_bod＋Ｒ_bod）と（Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bod）との大小関係による放電異常の有無を示す特性図であり、図７Ｂは上述の大小関係による放電異常の発生頻度の変化を示す特性図である。第２点火プラグの主要部を示す側面図である。従来の点火プラグにおいて発生する異常放電を正常な火花放電と共に示す説明図である。

以下、本発明に係る点火プラグ、点火装置及びエンジンの実施の形態例を図１Ａ〜図８を参照しながら説明する。図において、点火プラグを構成する各部材の寸法等は任意に設定したものであって、必ずしも後述する関係式（１）及び（２）に従った寸法を採用しているわけではない。

先ず、本実施の形態に係る点火プラグ及び点火装置が使用されるエンジンの主要部について図１Ａ〜図１Ｃを参照しながら説明する。

エンジン１００は、例えば図１Ａ〜図１Ｃに示すように、吸気管１０２、吸気バルブ１０４、燃焼室１０６、排気管１０８、排気バルブ１１０、シリンダ１１２、ピストン１１４及び本実施の形態に係る点火プラグ１０とを有する。

点火プラグ１０は、その先端部分が燃焼室１０６内に露出させて設置される。図１Ａ〜図１Ｃの例では、燃焼室１０６のうち、ピストン１１４のほぼ軸線上の位置に点火プラグ１０を設置した例を示す。

先ず、図１Ａに示すように、吸気バルブ１０４が開いて、ピストン１１４が燃焼室１０６から遠ざかる方向に移動することによって、燃焼室１０６内に燃料（混合気）が導入される。このとき、燃焼室１０６内では混合気の導入に伴って、混合気の流動（ガス流動１１６）が発生する。その後、図１Ｂに示すように、ピストン１１４が下死点まで移動した段階で吸気バルブ１０４を閉じる。この状態でも慣性によってガス流動１１６が生じている。その後、図１Ｃに示すように、ピストン１１４が燃焼室１０６に向かって移動することで、燃焼室１０６の圧力が高められる。この状態でも慣性によってガス流動１１６が生じている。このとき、パルス電源１１８（パルス電圧印加手段）において発生した高電圧パルス（パルス電圧）が、点火プラグ１０の陽極（中心電極）と陰極（接地電極）との間に印加される。高電圧パルスが点火プラグ１０の陰極と陽極との間に印加されると、陰極と陽極との間でプラズマが発生した後、燃焼室１０６内全体で混合気が燃焼する。混合気が燃焼すると、図示しないが、発生した排気ガスが排気バルブ１１０及び排気管１０８を介して外部へと排出されると共に、混合気が燃焼室１０６内に再び導入されることになる。点火プラグ１０とパルス電源１１８にて本実施の形態に係る点火装置１１が構成される。

点火プラグ１０は、図２に示すように、高電圧パルスが印加され、接地電位とは絶縁体１２によって絶縁された概ね棒状の中心電極１４と、該中心電極１４の概ね延長上に放電ギャップを介して配置された接地電極１６と、接地電極１６が接続される本体金具１８とを有する。すなわち、点火プラグ１０は、棒状の中心電極１４と、該中心電極１４を覆う筒状の絶縁体１２と、該絶縁体１２を保持する金属製の筒状の本体金具１８と、該本体金具１８に取付けた接地電極１６と、中心電極１４の後端部に電気的に接続した端子部２０とを有する。本体金具１８に接続された接地電極１６は途中から屈曲し、その先端部１６ａが中心電極１４の先端と対向するように延在している。

そして、第１の実施の形態に係る点火プラグ（以下、第１点火プラグ１０Ａと記す）は、図３に示すように、中心電極１４の側面から本体金具１８の内面１８ａまでの半径方向距離をＲ_bod、本体金具１８の先端から絶縁体１２の先端までの軸方向距離をＬ_bod、本体金具１８の内面１８ａから接地電極１６の先端までの半径方向距離をＲ_gap、接地電極１６の先端から中心電極１４の先端までの軸方向距離をＬ_gapとしたとき、下記関係式（１）を満足する。
Ｌ_bod＋Ｒ_bod＞Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bod ……（１）

すなわち、図４に示すように、ガス流動によって進展する正常な火花放電の放電経路２２は、中心電極１４の先端からガス流動の方向に向かって延び、ほぼ本体金具１８の外周面１８ｂに対応した位置で湾曲し、接地電極１６の先端に向かう経路である。一方、ガス流動によって進展する異常放電の放電経路２４は、中心電極１４と絶縁体１２との境界部分からガス流動の方向に向かって延び、ほぼ本体金具１８の外周面１８ｂに対応した位置で湾曲し、本体金具１８の端部に向かう経路である。

（１）式の左辺（Ｌ_bod＋Ｒ_bod）は、異常放電の放電経路２４をＬ字状に近似した経路２４ａ（図３参照）の長さを示し、（１）式の右辺（Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bod）は、正常な火花放電の放電経路２２を矩形状に近似した経路２２ａ（図３参照）の長さを示しており、（１）式の関係を満足することで、正常な火花放電の放電経路２２の長さが異常放電の放電経路２４の長さよりも短くなり、異常放電が発生し難くなる。

これにより、パルス電源１１８から高電圧パルスを印加することで、図５に示すように、中心電極１４と接地電極１６間の最短距離に沿って火花放電２６ａが発生するが、パルス電源１１８から連続して複数の高電圧パルスを印加することにより、異常放電はほとんど発生せずに、正常な火花放電２６ｂが多重に発生し、混合気の流動（ガス流動１１６）に沿って正常な火花放電２６ｂの放電経路が広がり、多重の正常な火花放電２６ｂが進展、広がることとなる。

従って、第１点火プラグ１０Ａにおいては、火炎を大きく広げることができ、希薄燃焼が行われる場合等のように難燃焼条件下であっても、混合気に安定して点火（着火）することができ、燃焼効率を向上させることができる。

また、図６に示すように、ガス流動１１６の進行方向と接地電極１６の先端部１６ａの延在方向（ｘ方向）とが向かい合う位置関係での前記進行方向と前記延在方向とのなす角θが−１２０°〜＋１２０°の範囲であれば、ガス流動１１６による火炎の大きな広がりを最大限にすることができる。

ここで、１つの実験例を示す。

この実験例は、（Ｌ_bod＋Ｒ_bod）と（Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bod）との大小関係による異常放電の有無、並びに異常放電の発生頻度を確認したものである。発生頻度は、１００回の火花放電に対する異常放電の回数の百分率を示したものである。上述の大小関係による異常放電の有無を図７Ａに示し、上述の大小関係による異常放電の発生頻度の変化を図７Ｂに示す。図７Ａにおいて、直線Ｌ０は、Ｌ_bod＋Ｒ_bod＝Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bodの関係を示し、網掛けで示す領域は異常放電の発生頻度が１００％未満であることを示す。また、異常放電は、中心電極１４と本体金具１８との間で発生する火花放電（図９の異常放電２１０参照）を指す。

図７Ａ及び図７Ｂからもわかるように、（Ｌ_bod＋Ｒ_bod）−（Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bod）の値が０のとき、異常放電の発生頻度はほぼ５０％であるが、値が負であって、その絶対値が上昇するにつれて発生頻度が高くなり、ある一定の絶対値｜ａ｜以上になると、発生頻度が１００％となり、全ての火花放電が異常放電であった。反対に、（Ｌ_bod＋Ｒ_bod）−（Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bod）の値が正であって、その絶対値が上昇するにつれて発生頻度が低くなり、ある一定の絶対値｜ｂ｜以上になると、発生頻度が０％となり、全ての火花放電が正常な放電であった。

従って、（Ｌ_bod＋Ｒ_bod）−（Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bod）の値が正であって、その絶対値が｜ｂ｜以上を採用することで、異常放電の発生を抑制でき、混合気に安定して点火（着火）することができ、燃焼効率を向上させることができる。なお、上述の値の上限は、点火プラグ１０を設置する燃焼室１０６の容積等に応じて適宜選択すればよい。

次に、第２の実施の形態に係る点火プラグ（以下、第２点火プラグ１０Ｂと記す）について図８を参照しながら説明する。

第２点火プラグ１０Ｂは、図８に示すように、上述した第１点火プラグ１０Ａとほぼ同様の構成を有するが、下記関係式（２）を満足する点で異なる。
√（Ｌ_bod ²＋Ｒ_bod ²）＞√｛Ｌ_gap ²＋（Ｒ_gap＋Ｒ_bod）²｝ …（２）

すなわち、（２）式の左辺（√（Ｌ_bod ²＋Ｒ_bod ²））は、異常放電の放電経路２４（図４参照）の始端と終端を最短に結んだ直線状の経路２４ｂの長さを示し、（２）式の右辺（√｛Ｌ_gap ²＋（Ｒ_gap＋Ｒ_bod）²｝）は、正常な火花放電の放電経路２２（図４参照）を屈曲線に近似した経路２２ｂの長さを示している。特に、右辺の式は、計算を簡単にするために、屈曲線の頂点から中心電極１４の先端に延びる線分を左右反転させて、異常放電の放電経路と同様に、正常な火花放電の放電経路を直線状の経路２２ｃに置換した式となっている。

従って、（２）式の関係を満足することで、正常な火花放電の放電経路の長さが異常放電の放電経路の長さよりも短くなり、異常放電が発生し難くなる。

これにより、パルス電源１１８から連続して複数の高電圧パルスを印加することにより、図５に示すように、異常放電はほとんど発生せずに、正常な火花放電２６ａが多重に発生し、混合気の流動（ガス流動）に沿って正常な火花放電２６ａの放電経路が広がり、多重の正常な火花放電２６ａが進展、広がることとなる。その結果、火炎を大きく広げることができ、希薄燃焼が行われる場合等のように難燃焼条件下であっても、混合気に安定して点火（着火）することができ、燃焼効率を向上させることができる。

なお、本発明に係る点火プラグ、点火装置及びエンジンは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…点火プラグ１１…点火装置
１２…絶縁体１４…中心電極
１６…接地電極１６ａ…先端部
１８…本体金具２０…端子部
２２…正常な火花放電の経路２４…異常放電の経路
２６ａ…火花放電２６ｂ…正常な火花放電
１００…エンジン１０２…吸気管
１０４…吸気バルブ１０６…燃焼室
１０８…排気管１１０…排気バルブ
１１２…シリンダ１１４…ピストン
１１６…ガス流動１１８…パルス電源

Claims

高電圧が印加され、接地電位とは絶縁体によって絶縁された概ね棒状の中心電極と、
前記中心電極の概ね延長上に放電ギャップを介して配置された接地電極と、
前記接地電極が接続される本体金具とを有する点火プラグにおいて、
前記中心電極の側面から前記本体金具の内面までの半径方向距離をＲ_bod、
前記本体金具の先端から前記絶縁体の先端までの軸方向距離をＬ_bod、
前記本体金具の内面から前記接地電極の先端までの半径方向距離をＲ_gap、
前記接地電極の先端から前記中心電極の先端までの軸方向距離をＬ_gapとしたとき、
Ｌ_bod＋Ｒ_bod＞Ｌ_gap＋Ｒ_gap＋Ｒ_bod
を満足することを特徴とする点火プラグ。
高電圧が印加され、接地電位とは絶縁体によって絶縁された概ね棒状の中心電極と、
前記中心電極の概ね延長上に放電ギャップを介して配置された接地電極と、
前記接地電極が接続される本体金具とを有する点火プラグにおいて、
前記中心電極の側面から前記本体金具の内面までの半径方向距離をＲ_bod、
前記本体金具の先端から前記絶縁体の先端までの軸方向距離をＬ_bod、
前記本体金具の内面から前記接地電極の先端までの半径方向距離をＲ_gap、
前記接地電極の先端から前記中心電極の先端までの軸方向距離をＬ_gapとしたとき、
√（Ｌ_bod ²＋Ｒ_bod ²）＞√｛Ｌ_gap ²＋（Ｒ_gap＋Ｒ_bod）²｝
を満足することを特徴とする点火プラグ。
請求項１又は２記載の点火プラグにおいて、
前記本体金具に接続された前記接地電極は、途中で屈曲され、且つ、先端部が前記中心電極の先端と対向するように延在し、
ガス流動の進行方向と前記接地電極の先端部の延在方向とが向かい合う位置関係での前記進行方向と前記延在方向とのなす角が−１２０°〜＋１２０°の範囲であることを特徴とする点火プラグ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の点火プラグと、
前記点火プラグの前記中心電極と前記接地電極との間にパルス電圧を複数回印加するパルス電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする点火装置。
吸気管と、吸気バルブと、燃焼室と、排気管と、排気バルブと、シリンダと、ピストンとを有するエンジンにおいて、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の点火プラグの先端部分が前記燃焼室内に露出させて設置されていることを特徴とするエンジン。
吸気管と、吸気バルブと、燃焼室と、排気管と、排気バルブと、シリンダと、ピストンとを有するエンジンにおいて、
請求項４記載の点火装置をさらに有し、
前記点火装置における前記点火プラグの先端部分が前記燃焼室内に露出させて設置されていることを特徴とするエンジン。