JP2015076193A

JP2015076193A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2015076193A
Application number: JP2013210375A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　久雄; Hisao Suzuki; 久雄鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-07
Filing date: 2013-10-07
Publication date: 2015-04-20

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関に関し、点火プラグの放電により生じるスパークが筒内の気流によって流されて燃焼室の上壁面に接触するのを抑制することを目的とする。
【解決手段】点火時に点火プラグ１２に向かう筒内気流の方向に沿って接地電極２２の基端２２ａが中心電極２０に対して上流側に位置するように組み付けられた点火プラグ１２を備える。接地電極２２は、基端２２ａから燃焼室１４内に伸びる延伸部２２ｂと当該延伸部２２ｂに続く部位であって中心電極２０の先端部２０ａに向くように屈曲した先端部２２ｃとを有する。点火プラグ１２には、接地電極２２の基端２２ａ付近のハウジング先端部１８ａの壁面に、中心電極２０の先端部２０ａと接地電極２２の先端部２２ｃとの隙間であるプラグギャップに向けて開口し、かつ、点火プラグ１２の軸線方向に対してプラグギャップに向かって傾斜した方向に延びる貫通孔２６が形成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関に係り、特に、混合気に点火するための点火プラグを備える内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関用の点火プラグが開示されている。この従来の点火プラグは、筒状のハウジングの先端部に、中心電極と接地電極との間に形成される火花放電ギャップ（プラグギャップ）に向けて気流を導くための導風部を備えている。導風部は、ハウジングへの接地電極の接合部付近においてハウジングの外側の側壁面に設けられている。より具体的には、導風部は、ハウジングの先端側へ向かうほど内側に傾斜した傾斜面と、傾斜面における周方向の両側に立設したガイド面とを備えている。

特開２０１２−２４８３８９号公報特開２００６−２８６４０２号公報特開平０１−２９２７７７号公報

点火時に点火プラグのプラグギャップでの放電により生じるスパークが筒内の気流によって上方に伸びて燃焼室の上壁面に接触すると、スパークが切れてしまい、混合気の着火性が低下してしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、点火プラグの放電により生じるスパークが筒内の気流によって流されて燃焼室の上壁面に接触するのを抑制することのできる内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、燃焼室内に突出したハウジング先端部を有する筒状のハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され先端部が前記燃焼室内に突出した中心電極と、前記ハウジング先端部に繋がる基端と前記中心電極の前記先端部よりも大きく前記燃焼室内に突出するように前記基端から伸びる延伸部と当該延伸部に続く部位であって前記中心電極の前記先端部に向くように屈曲した先端部とを有する接地電極と、を備える点火プラグを備え、点火時に前記点火プラグに向かう筒内気流の方向に沿って前記接地電極の前記基端が前記中心電極に対して上流側に位置するように前記点火プラグが組み付けられた内燃機関であって、
前記点火プラグには、前記接地電極の前記基端付近の前記ハウジング先端部の壁面もしくは前記接地電極の前記延伸部の壁面に、前記中心電極の前記先端部と前記接地電極の前記先端部との隙間であるプラグギャップに向けて開口し、かつ、前記点火プラグの軸線方向に対して前記プラグギャップに向かって傾斜した方向に延びる貫通孔が形成されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、貫通孔を通過した気流によって、プラグギャップでの放電により形成されるスパークを燃焼室の下方に伸ばすことができる。その結果、スパークが燃焼室の上壁面に接触することを抑制することができる。これにより、燃焼室の上壁面との接触によってスパークが切れるのを防止して、スパーク経路を安定化させることができる。このため、点火プラグによる混合気の着火性を向上させることができる。また、燃焼初期の火炎伝播の偏りを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る内燃機関の点火プラグに関する特徴的な構成を説明するための図である。燃焼時に初期火炎の伝播方向の偏りを抑制することの必要性を説明するための図である。本発明の実施の形態２に係る点火プラグに関する特徴的な構成を説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関１０の点火プラグ１２に関する特徴的な構成を説明するための図であり、図１は、燃焼室１４内に突出した点火プラグ１２の先端部の形状を模式的に表した側面図（Ａ）と、点火プラグ１２の中心軸方向から上記先端部を見た平面図（Ｂ）とを含んでいる。

図１（Ａ）に示すように、混合気に点火するための点火プラグ１２は、その先端部が内燃機関１０の燃焼室１４内に突出するようにシリンダヘッド１６に取り付けられている。ここでは、点火プラグ１２は、一例として、燃焼室１４の上壁面の中央部付近に配置されているものとする。なお、本実施形態の内燃機関１０では、所定の運転領域において、筒内全体にリーン混合気を均質に形成して行う均質リーンバーン燃焼を利用したリーンバーン運転が行われるものとする。

より具体的には、本実施形態の点火プラグ１２は、ハウジング先端部１８ａが燃焼室１４内に突き出すように配置される円筒状のハウジング１８を備えている。点火プラグ１２は、ハウジング先端部１８ａ付近には、中心電極２０、接地電極（放電電極）２２および絶縁碍子２４を備えている。点火プラグ１２は、ハウジング１８の外周面に切られたねじ（図示省略）によって、燃焼室１４の上壁面を構成するシリンダヘッド（図示省略）に固定される。

中心電極２０は、ハウジング先端部１８ａの内側において点火プラグ１２の中心軸に沿って配置されており、燃焼室１４内に突出した先端部２０ａを備えている。中心電極２０には、端子金具（図示省略）を介して高電圧が印加される。絶縁碍子２４は、中心電極２０の外周側に配置され、中心電極２０の先端部２０ａが露出した状態で当該中心電極２０を絶縁状態に保持する絶縁体である。

接地電極２２の基端２２ａは、ハウジング先端部１８ａに接合されている。接地電極（放電電極）２２は、中心電極２０の先端部２０ａよりも大きく燃焼室１４内に突出するようにハウジング先端部１８ａから伸びる延伸部２２ｂと当該延伸部２２ｂに続く部位であって中心電極２０の先端部２０ａに向くように鉤状に屈曲した先端部２２ｃとを有している。

本実施形態の点火プラグ１２には、接地電極２２の基端２２ａ付近のハウジング先端部１８ａの壁面（図１に示す例では、基端２２ａの直上の壁面）に、中心電極２０の先端部２０ａと接地電極２２の先端部２２ｃとの隙間であるプラグギャップに向けて開口し、かつ、点火プラグ１２の軸線方向に対してプラグギャップに向かって傾斜した方向に延びるように貫通孔２６が形成されている。また、ここでは、貫通孔２６の径は、プラグギャップの寸法と同程度の寸法での流路有効径が得られるように形成されている。

そのうえで、本実施形態の点火プラグ１２は、図１に示すように、点火時に点火プラグ１２に向かう筒内の気流の方向に沿って接地電極２２の基端２２ａが中心電極２０よりも上流側に位置するように（すなわち、貫通孔２６が筒内の気流と対向するように）、シリンダヘッド１６に組み付けられるようになっている。なお、このような位置決めがなされる点火プラグ１２の組み付けは、組み付け作業時に目視可能な点火プラグ１２の部位に目印を付けておき、その目印を手掛かりに点火プラグ１２を固定することによって可能となる。

以上説明したように、点火時に点火プラグ１２に向かう筒内の気流の方向に向くように接地電極２２が組み付けられた点火プラグ１２の当該基端２２ａ付近のハウジング先端部１８ａの壁面に、中心電極２０の先端部２０ａと接地電極２２の先端部２２ｃとの隙間であるプラグギャップに向けて開口し、かつ、点火プラグ１２の軸線方向に対してプラグギャップに向かって傾斜した方向に延びるように貫通孔２６が形成されている。これにより、ハウジング先端部１８ａの内側に、点火プラグ１２の軸線方向成分（図１に示す構成例では、シリンダ軸線方向成分でもある）を有する気流を貫通孔２６から導入することができる。その結果、図１に示すように、貫通孔２６を通過した気流によって、プラグギャップでの放電により形成されるスパークを燃焼室１４の下方（燃焼室中心方向）に伸ばすことができる。特に、中心電極２０の先端部２０ａに向くように接地電極２２の先端部２２ｃを鉤状に屈曲させたことにより、貫通孔２６を通過した気流によって、接地電極２２の存在によって気流を妨げずにスパークを燃焼室１４の下方に伸ばし易くすることができる。その結果、スパークが燃焼室１４の上壁面に接触することを抑制することができる。これにより、燃焼室１４の上壁面との接触によってスパークが切れるのを防止して、スパーク経路を安定化させることができる。このため、点火プラグ１２による混合気の着火性を向上させることができる。特に、均質なリーン混合気下でのリーンバーン運転時であれば、リーン限界を向上させられるようになる。

図２は、燃焼時に初期火炎の伝播方向の偏りを抑制することの必要性を説明するための図であり、点火時の燃焼室内の様子を表した図である。
火花点火式の内燃機関の熱効率の向上に寄与するリーンバーン運転時には、混合気濃度のリーン化に伴う燃焼速度の緩慢化を補うために、図２に示すようにタンブル流を用いて筒内のガス流動を強化することで火炎伝播速度を高めることが好ましい。このようなガス流動の強化時には、点火プラグの近傍では一定方向のガス流動が強くなるため、点火時のスパークが図２に示すように筒内の気流方向に伸長する。リーンバーン運転時には、着火に必要な放電エネルギーが理論空燃比運転の場合よりも多く必要となり、燃焼初期における放電経路の伸長は着火率向上のためにある程度は必要である。しかしながら、その一方で、放電経路が一方向に大きく伸長すれば、燃焼初期の火炎伝播の進行が放電経路の伸長側（筒内気流の下流側）に偏ってしまうため、その反対側（筒内気流の上流側）への火炎伝播が遅くなってしまう。その結果、ガス流動強化による燃焼速度向上の効果が低減し、燃焼変動に及ぼす影響が大きくなる。したがって、スパークの伸長による火炎の伸長を適切に確保しつつ、初期火炎の伝播方向の偏りを抑制することが必要となる。

上述したような初期火炎の伝播方向の偏りの抑制という点に関しても、以上説明した構成を有する本実施形態の点火プラグ１２は優れている。すなわち、貫通孔２６を通過した気流によってスパークを燃焼室１４の下方（燃焼室中心方向）に伸ばせるようになることで（すなわち、図２に示すように筒内気流の下流側に一方的に偏ってスパークが流れるのを抑制できるようになることで）、初期火炎の伝播方向の偏りを抑制できるようになる。このような初期火炎の伝播方向の偏りの抑制によっても、着火性の向上、更にはリーン限界の拡大を図ることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、接地電極２２の基端２２ａ付近のハウジング先端部１８ａに貫通孔２６を設けることとしている。しかしながら、本発明における貫通孔２６の設置場所は、上記に限定されるものではなく、接地電極の延伸部の壁面であってもよい。

実施の形態２．
次に、図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
図３は、本発明の実施の形態２に係る点火プラグ３０に関する特徴的な構成を説明するための図である。尚、図３において、上記図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図３に示す点火プラグ３０では、貫通孔２６の軸線方向がプラグギャップの方向と垂直となるように設定されている。また、貫通孔２６には、貫通孔２６を通過する気流をよりプラグギャップに近い位置まで案内できるようにするために、筒状のカラー３２が挿入されている。このために、カラー３２として、接地電極２２の延伸部２２ｂの厚さよりも長いものが使用されている。ただし、カラー３２は、その先端と中心電極２０の先端部２０ａとの距離がプラグギャップよりも大きくなるように取り付けられている。カラー３２と中心電極２０との間で放電が生じることを防止するためである。

以上説明した点火プラグ３０によれば、貫通孔２６内に挿入されるカラー３２を備えたことにより、貫通孔２６を通過した気流を、プラグギャップでの放電により形成されるスパークに向けてより正確に誘導できるようになる。これにより、当該気流によってスパークを燃焼室１４の下方（燃焼室中心方向）により正確に伸ばせるようになる。このため、着火性をより確実に向上させられるようになる。また、貫通孔２６の軸線方向がプラグギャップの方向と垂直となるように設定していることで、プラグギャップ間に生じるスパークに対して垂直な方向から気流を当てることができるので、スパークを効果的に伸長させられるようになる。

ところで、上述した実施の形態１および２においては、以上説明した構成を有する点火プラグ１２、３０を均質なリーン混合気の下でのリーンバーン運転を行う内燃機関１０に適用した例について説明を行ったが、本発明における点火プラグの適用対象となる内燃機関は、上記に限定されるものではなく、例えば、理論空燃比で運転される内燃機関に対して適用することもできる。

１０内燃機関
１２、３０点火プラグ
１４燃焼室
１６シリンダヘッド
１８ハウジング
１８ａハウジング先端部
２０中心電極
２０ａ中心電極の先端部
２２接地電極
２２ａ接地電極の基端
２２ｂ接地電極の延伸部
２２ｃ接地電極の先端部
２４絶縁碍子
２６貫通孔
３２カラー

Claims

燃焼室内に突出したハウジング先端部を有する筒状のハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され先端部が前記燃焼室内に突出した中心電極と、前記ハウジング先端部に繋がる基端と前記中心電極の前記先端部よりも大きく前記燃焼室内に突出するように前記基端から伸びる延伸部と当該延伸部に続く部位であって前記中心電極の前記先端部に向くように屈曲した先端部とを有する接地電極と、を備える点火プラグを備え、点火時に前記点火プラグに向かう筒内気流の方向に沿って前記接地電極の前記基端が前記中心電極に対して上流側に位置するように前記点火プラグが組み付けられた内燃機関であって、
前記点火プラグには、前記接地電極の前記基端付近の前記ハウジング先端部の壁面もしくは前記接地電極の前記延伸部の壁面に、前記中心電極の前記先端部と前記接地電極の前記先端部との隙間であるプラグギャップに向けて開口し、かつ、前記点火プラグの軸線方向に対して前記プラグギャップに向かって傾斜した方向に延びる貫通孔が形成されていることを特徴とする内燃機関。