JP2017103179A - 点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】プレチャンバーを有する点火プラグにおいて、着火性を向上させて、エンジンの失火の発生を抑制することができる点火プラグを提供すること。【解決手段】点火プラグ１は、ハウジング１０、絶縁碍子２０、中心電極３０、接地電極４０及びチャンバーカップ５０を備える。チャンバーカップ５０は、ハウジング１０の先端部１１に設けられて、中心電極３０の先端部３１と接地電極４０の対向部４１とを覆ってプレチャンバー６０を形成している。チャンバーカップ５０は、貫通形成された複数の噴口５１を備える。プレチャンバー６０における中心電極３０の先端部３１からプラグ軸方向Ｙにおける先端側Ｙ１の容積をＶ１とし、プレチャンバー６０の全容積をＶ２とし、複数の噴口５１の総面積をＳとしたとき、容積比Ｖ１／Ｖ２と容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓとが、０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１と、８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４とを満たしている。【選択図】図２

Description

本発明は、点火プラグに関する。

従来、ガスエンジン等に用いられる点火プラグとして、点火プラグの先端に噴口を有するチャンバーカップが設けられるとともに、該チャンバーカップの内側にプレチャンバーが形成された点火プラグがある。かかる点火プラグでは、噴口からプレチャンバー内に流入した燃焼ガスと空気との混合気を点火して、燃焼火炎を噴口から燃焼室に噴出させることにより、燃焼室内の混合気に着火するように構成されている。
特許文献１に開示の構成では、接地電極と中心電極との間に形成された放電ギャップを、比較的基端側に位置させることにより、噴口からプレチャンバー内に流入した混合気が放電ギャップに減速して流入するようにしている。これにより、放電ギャップにおける火花の形成を安定させている。

特許第５４５１４９０号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、放電ギャップが比較的基端側に位置しているため、プレチャンバー内で点火した後に放電ギャップに混合気が十分に流入されずに混合気の燃焼により生じる残留ガスが放電ギャップに停留しやすい。そのため、放電ギャップの火花放電によりプレチャンバー内の混合気に点火させにくくなり、着火性が低下してエンジンの失火を招く恐れがある。かかる問題は、点火タイミングが比較的早い場合や、エンジンが低回転、低負荷の場合において、プレチャンバー内に流入する混合気が減少するため、顕著となる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、プレチャンバーを有する点火プラグにおいて、着火性を向上させて、エンジンの失火の発生を抑制することができる点火プラグを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、筒状のハウジング（１０）と、
該ハウジングの内側に保持された筒状の絶縁碍子（２０）と、
先端部（３１）が突出するように上記絶縁碍子の内側に保持された中心電極（３０）と、
該中心電極の上記先端部に対向する対向部（４１）を有し、該対向部と上記中心電極の上記先端部との間に放電ギャップ（Ｇ）を形成する接地電極（４０）と、
上記ハウジングの先端部（１１）に設けられて、上記中心電極の上記先端部と上記接地電極の上記対向部とを覆ってプレチャンバー（６０）を形成するとともに、貫通形成された複数の噴口（５１）を備えるチャンバーカップ（５０）とを備え、
上記プレチャンバーにおける上記中心電極の上記先端部よりもプラグ軸方向（Ｙ）における先端側の容積をＶ１とし、上記プレチャンバーの全容積をＶ２とし、上記複数の噴口の総面積をＳとしたとき、容積比Ｖ１／Ｖ２と容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓとが、
０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１と、
８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４とを満たす、点火プラグ（１）にある。

上記点火プラグでは、プレチャンバーにおいて、上記中心電極の上記先端部から軸方向における先端側の容積Ｖ１と、プレチャンバーの全容積Ｖ２との容積比Ｖ１／Ｖ２が、０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１を満たす。容積比Ｖ１／Ｖ２の値は、混合気が十分存在する位置で放電を発生させることができるかを判断する基準となる。

容積比Ｖ１／Ｖ２の値が大きすぎると、プレチャンバーの全容積Ｖ２に対して上記先端側の容積Ｖ１が大きくなり、放電ギャップがプレチャンバー内において比較的基端側に位置することとなる。そして、プレチャンバー内の基端側の位置は残留ガスが存在しやすい。したがって、容積比Ｖ１／Ｖ２の値が大きすぎると、混合気が十分には存在しない位置で放電を発生させることになる。その結果、放電によって混合気に点火させにくくなり、失火が発生しやすくなる。上記点火プラグにおいては、容積比Ｖ１／Ｖ２の値を０．３１以下とすることにより、放電ギャップを混合気が十分存在する位置に位置させて、放電による混合気の点火を促し、失火の発生を抑制している。

一方、容積比Ｖ１／Ｖ２の値が小さすぎると、プレチャンバーの全容積Ｖ２に対して上記先端側の容積Ｖ１が小さくなり、中心電極の先端部及び接地電極の先端部が、チャンバーカップの先端に近い位置にまで延びることとなる。そのため、両電極が長くなってしまい、熱引き性が低下する。その結果、点火タイミングではないタイミングでの異常放電、いわゆるプレイグが発生しやすくなる。上記点火プラグにおいては、容積比Ｖ１／Ｖ２の値を０．１６以上とすることにより、両電極の長さを、熱引き性を確保できる程度にして、プレイグの発生を抑制している。

さらに、上記点火プラグにおいては、上記プレチャンバーの全容積Ｖ２と、上記複数の噴口の総面積Ｓとの容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが、８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４を満たす。容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓの値は、噴口を出入りする混合気や火炎の流出入のし難さ、すなわち噴口の流出入抵抗を表す。

容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが大きすぎると、噴口を介したプレチャンバー内への混合気の流入量が過度に減少し、着火性が低下しやすくなる。上記点火プラグにおいては、容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓの値を２４４以下とすることにより、噴口を介したプレチャンバー内への混合気の流入量を確保し、着火性を確保している。

一方、容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが小さすぎると、プレチャンバー内で点火した後に噴口から噴出する火炎の長さが短くなる。これにより、燃焼室内の混合気に着火させにくくなって、エンジン効率の低下を招く。上記点火プラグにおいては、容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓの値を８８以上とすることにより、噴口から火炎が噴出する際の抵抗を適度に与えて、噴口から噴出する火炎の長さを十分に確保している。これにより、燃焼室内の混合気への着火性を向上させて、エンジン効率を向上させている。

したがって、容積比Ｖ１／Ｖ２及び容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓの値をそれぞれ上記範囲内とすることにより、着火性を向上させて、失火の発生を抑制しつつ、プレイグの発生を抑制するとともに、プレチャンバー内の混合気の着火性を確保しつつ、燃焼室内の混合気への着火性を向上させて、エンジン効率を向上させている。

以上のごとく、本発明によれば、プレチャンバーを有する点火プラグにおいて、着火性を向上させて、エンジンの失火の発生を抑制することができる点火プラグを提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、点火プラグの側面一部断面図。 実施形態１における、点火プラグの側面一部断面拡大図。 実施形態１における、チャンバーカップをプラグ軸方向の先端側から見た図。

（実施形態１）
上記点火プラグの実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。
本実施形態の点火プラグ１は、図１に示すように、ハウジング１０、絶縁碍子２０、中心電極３０、接地電極４０及びチャンバーカップ５０を備える。
ハウジング１０は、筒状を成している。
絶縁碍子２０は、筒状を成しているとともに、ハウジング１０の内側に保持されている。
中心電極３０は、先端部３１が突出するように絶縁碍子２０の内側に保持されている。
接地電極４０は、中心電極３０の先端部３１に対向する対向部４１を有する。
接地電極４０の対向部４１と中心電極３０の先端部３１との間には放電ギャップＧが形成されている。
チャンバーカップ５０は、ハウジング１０の先端部１１に設けられて、中心電極３０の先端部３１と接地電極４０の対向部４１とを覆ってプレチャンバー６０を形成している。チャンバーカップ５０は、貫通形成された複数の噴口５１を備える。

そして、図２に示すように、プレチャンバー６０における中心電極３０の先端部３１からプラグ軸方向Ｙにおける先端側Ｙ１の容積をＶ１とし、プレチャンバー６０の全容積をＶ２とし、図３に示すように、複数の噴口５１の総面積をＳとしたとき、容積比Ｖ１／Ｖ２と容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓとが、０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１と、８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４とを満たしている。

以下、本実施形態の点火プラグ１について、詳述する。
点火プラグ１は、例えば、発電機用のガスエンジン等における着火手段として用いることができる。点火プラグ１において、図示しないエンジンの燃焼室へ挿入される側を先端側Ｙ１とし、先端側Ｙ１の端部を先端部とする。また、先端側Ｙ１の反対側を基端側Ｙ２とし、基端側Ｙ２の端部を基端部とする。また、本明細書において、プラグ軸方向Ｙとは、点火プラグ１の軸方向を意味する。

図１に示すように、本実施形態では、ハウジング１０は、プラグ軸方向Ｙに延びる筒状を成しており、ハウジング１０の外周面にはエンジンに螺合するための取付ネジ部１２が形成されている。

図１に示すように、ハウジング１０の内側には、絶縁碍子２０が保持されている。絶縁碍子２０は円筒形であって、絶縁碍子２０の先端部２１は、ハウジング１０の先端部１１から突出している。また、絶縁碍子２０の側周面２２は、絶縁碍子２０における先端側Ｙ１の領域ではハウジング１０の内周面１３から離隔して隙間６１を形成しており、絶縁碍子２０のプラグ軸方向Ｙの中央領域ではハウジング１０の内周面１３に当接している。

図１に示すように、ハウジング１０の先端部１１には、チャンバーカップ５０が設けられている。図２に示すように、チャンバーカップ５０は略円筒形であって、チャンバーカップ５０の先端部５２の外縁部５３は緩やかに湾曲した湾曲面をなしており、先端部５２の中心部５４は平面をなしている。チャンバーカップ５０は、中心電極３０の先端部３１及び接地電極４０の先端部４１を覆うプレチャンバー６０を形成している。本例では、プレチャンバー６０は、チャンバーカップ５０の内側の空間であって、絶縁碍子２０の側周面２２とハウジング１０の内周面１３との間の隙間６１を含む空間である。

図１、２に示すように、チャンバーカップ５０の先端部５２には、複数の噴口５１が形成されている。噴口５１は、例えば、４〜８個形成されており、本例では、図３に示すように、６個の噴口５１が形成されている。噴口５１はいずれも円柱形の貫通孔である。そして、複数の噴口５１は、プラグ軸方向Ｙから見て、中心電極３０の軸線３２を中心とする同一仮想円周５５上に位置している、さらに本例では、複数の噴口５１は、仮想円周５５上において等間隔に配列している。

上記点火プラグ１では、図２に示すプレチャンバー６０における中心電極３０の先端部３１から先端側Ｙ１の容積Ｖ１と、プレチャンバー６０の全容積Ｖ２との容積比Ｖ１／Ｖ２が０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１を満たしている。
さらに、プレチャンバー６０の全容積Ｖ２と、図３に示す複数の噴口５１の総面積Ｓとの容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが、８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４とを満たしている。

次に、本実施形態の点火プラグ１における作用効果について、詳述する。
点火プラグ１では、上記容積比Ｖ１／Ｖ２が、０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１を満たす。これにより、容積比Ｖ１／Ｖ２の値が０．３１以下であるため、放電ギャップＧが混合気の十分存在する位置に位置しており、放電による混合気の点火が促され、失火の発生が抑制されている。そして、容積比Ｖ１／Ｖ２の値が０．１６以上であるため、中心電極３０及び接地電極４０の長さが、熱引き性を確保できる程度となっており、プレイグの発生が抑制されている。

さらに、点火プラグ１では、上記容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが、８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４を満たす。これにより、容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓの値が２４４以下であるため、噴口５１を介したプレチャンバー６０内への混合気の流入量が確保され、着火性が確保されている。そして、容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓの値が８８以上であるため、噴口５１から火炎が噴出する際の抵抗が適度に与えられることにより、噴口５１から噴出する火炎の長さが十分に確保されて、図示しない燃焼室内の混合気への着火性を向上させ、エンジン効率を向上させている。

特に、低回転、低負荷領域で、且つ点火時期が早いエンジン条件下においても、放電時に放電ギャップＧに混合気が十分に存在する状態とすることができるため、着火性の向上及びエンジン効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、複数の噴口５１を４〜８個形成することができる。これにより、各噴口５１における流出入抵抗を適度に維持しつつ、混合気の流入量を確保することができる。

また、本実施形態では、複数の噴口５１は、プラグ軸方向Ｙから見て、中心電極３０の軸線３２を中心とする同一仮想円周５５上に位置している。これにより、放電ギャップＧに対して、複数の噴口５１をバランスよく配置することができるため、放電時に放電ギャップＧに混合気が十分に存在する状態としやすいとともに、各噴口５１から燃焼室内に火炎をバランスよく噴出することができる。その結果、燃焼室内の混合気の着火性が向上して、エンジン効率の向上に寄与する。

また、本実施形態では、複数の噴口５１は、仮想円周５５上において等間隔に配列している。これにより、放電ギャップＧに対して、複数の噴口５１を一層バランスよく配置することができるため、各噴口５１から燃焼室内に火炎を一層バランスよく噴出することができる。その結果、燃焼室内の混合気の着火性が一層向上して、エンジン効率の向上に一層寄与する。

以上のごとく、本実施形態によれば、プレチャンバー６０を有する点火プラグ１において、着火性を向上させて、エンジンの失火の発生を抑制することができる点火プラグ１を提供することができる。

本実施形態の点火プラグ１について、評価試験を行った。
本実施形態の点火プラグ１である実験例１〜１９と、比較形態の点火プラグである比較例１〜１１をそれぞれ用意した。そして、実験例１〜１９及び比較例１〜１１における、噴口の総面積Ｓ、プレチャンバーにおける中心電極の先端部よりもプラグ軸方向Ｙにおける先端側の容積Ｖ１、プレチャンバーの全容積Ｖ２及び、容積比Ｖ１／Ｖ２、容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓの値をそれぞれ表１に示した。なお、表１は、Ｖ１／Ｖ２の値が昇順となるように並べたものである。

実験例１〜１９は、表１に示すように、噴口の総面積Ｓ、容積Ｖ１及び全容積Ｖ２がそれぞれ異なっている。そして、実験例１〜１９は、容積比Ｖ１／Ｖ２が０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１を満たし、且つ容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４を満たしている。

一方、比較例１〜３、６〜１１は、表１に示すように、容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４を満たすが、容積比Ｖ１／Ｖ２が０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１を満たしていない。また、比較例４、５は、表１に示すように、容積比Ｖ１／Ｖ２が０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１を満たすが、容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４を満たしていない。比較例１〜１１について、その他の構成は実施形態１の点火プラグ１と同様である。

（着火性評価試験）
まず、実験例１〜１９及び比較例１〜１１について、着火性評価試験を行った。試験条件及び判定基準は以下のとおりである。
・エンジン：４気筒、２０００ｃｃ
・使用燃料：都市ガス１３Ａ
・評価条件：５００ｒｐｍ、トルク４０Ｎ・ｍ
・酸素濃度：７．８％（λ≒１．５）
・点火時期：ＮＯｘ（Ｏ₂＝０％換算）＜５０ｐｐｍで点火進角制限
・判定基準：運転５分間において、排気ガス中のＴＨＣ濃度の過度に高い状態であるＴＨＣスパイクの発生回数が２回以上である場合に、着火性が悪い×と判定し、ＴＨＣスパイクの発生回数が１回以下である場合に、着火性が良いと判定した。

上記のように、着火性の試験条件は低負荷条件とした。これは、低負荷条件は、エンジンの筒内圧力が低いため、チャンバーカップへの混合気流入量が少なくなって残留ガスが残りやすく、失火が生じやすい条件であって、着火性の評価に適しているためである。

実験例１〜１９、及び比較例１〜５ではいずれも、着火性が○、すなわち着火性が良かった。一方、比較例６〜１１では着火性が×、すなわち着火性が悪かった。

（エンジン効率向上評価試験）
次に、実験例１〜１９及び比較例１〜１１について、エンジン効率向上評価試験を行った。試験条件及び判定基準は以下のとおりである。
・エンジン：４気筒、２０００ｃｃ
・使用燃料：都市ガス１３Ａ
・評価条件：１４５０ｒｐｍ、トルク８６Ｎ・ｍ
・酸素濃度：７．８％（λ≒１．５）
・点火時期：ＮＯｘ＜５００ｐｐｍで点火進角制限
・判定基準：正味エンジン効率を算出し、従来プラグと比較して正味エンジン効率の上昇値、すなわち効率上昇値が０．３以上である場合に、エンジン効率向上の効果が十分である○と判定し、効率上昇値が０．３未満である場合に、エンジン効率向上の効果が不十分である×と判定した。

正味エンジン効率の上昇値は、プレチャンバーを有さない従来の点火プラグにおいて、本試験条件と同一の条件のもと算出された従来エンジン効率との差分をいうものとする。具体的には、正味エンジン効率は、「２π×トルク［Ｎ・ｍ］×回転数［ｒｐｍ］÷６０［ｓｅｃ］÷１０００」で算出する正味出力［ｋＷ］を投入燃料量［ｋＷ］で除することで算出し、正味エンジン効率の上昇値は、「プレチャンバー６０を有する点火プラグ１を用いた場合の正味効率［％］−プレチャンバー６０を有さない従来の点火プラグを用いた場合の正味効率［％］」で算出することができる。

上記のように、エンジン効率向上の試験条件は高負荷条件とした。これは、高負荷条件は、単位時間当たりの燃料消費量が多い条件であって、エンジン効率向上の評価に適しているためである。

実験例１〜１９、及び比較例１〜３、６、７ではいずれも、エンジン効率上昇値が○、すなわちエンジン効率向上の効果が十分にあった。一方、比較例４、５、８〜１１ではエンジン効率上昇値が×、すなわちエンジン効率向上の効果が十分ではなかったか、エンジン効率向上の効果がなかった。

（耐プレイグ性評価試験）
次に、実験例１〜１９及び比較例１〜１１について、耐プレイグ性評価試験を行った。試験条件はエンジン効率向上評価試験と同様である。判定基準は以下のとおりである。
・判定基準：トルクが最大となる点火時期であるＭＢＴ（すなわち、Minimum
advance for the Best Torque）、から点火時期を進角させていき、５ｄｅｇ進角以内にプレイグが発生した場合に、耐プレイグ性が悪い×と判定し、プレイグが発生しなかった場合に、耐プレイグ性が良い○と判定した。

実験例１〜１９、及び比較例４〜１１ではいずれも、耐プレイグ性が○、すなわち耐プレイグ性が良かった。一方、比較例１〜３１では耐プレイグ性が×、すなわち耐プレイグ性が悪かった。

以上の評価試験の結果から、容積比Ｖ１／Ｖ２が０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１を満たし、且つ容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４を満たす実験例１〜１９において、すべての評価試験で良い結果が得られた。これにより、容積比Ｖ１／Ｖ２及び容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが上記要件をいずれも満たすことにより、プレチャンバーを有する点火プラグにおいて、着火性を向上させて、エンジンの失火の発生を抑制することができることが確認された。

さらに、以上の評価試験の結果から、表１に示すように、容積比Ｖ１／Ｖ２が０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．１９を満たす場合には、いずれの場合も、容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓが上記要件を満たすため、容積比Ｖ１／Ｖ２が０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．１９を満たすことがより好ましいことが示された。さらに、表１に示すように、実験例５の構成、すなわちＶ１／Ｖ２＝０．１９、且つＶ２／Ｓ＝１６３である場合にエンジン効率上昇値が最も良く、当該実施例５の構成が最も好ましいことが示された。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１ 点火プラグ
１０ ハウジング
２０ 絶縁碍子
３０ 中心電極
４０ 接地電極
５０ チャンバーカップ
５１ 噴口
５５ 仮想円周
６０ プレチャンバー
Ｇ 放電ギャップ

Claims (4)

1. 筒状のハウジング（１０）と、
   該ハウジングの内側に保持された筒状の絶縁碍子（２０）と、
   先端部（３１）が突出するように上記絶縁碍子の内側に保持された中心電極（３０）と、
   該中心電極の上記先端部に対向する対向部（４１）を有し、該対向部と上記中心電極の上記先端部との間に放電ギャップ（Ｇ）を形成する接地電極（４０）と、
   上記ハウジングの先端部（１１）に設けられて、上記中心電極の上記先端部と上記接地電極の上記対向部とを覆ってプレチャンバー（６０）を形成するとともに、貫通形成された複数の噴口（５１）を備えるチャンバーカップ（５０）とを備え、
   上記プレチャンバーにおける上記中心電極の上記先端部よりもプラグ軸方向（Ｙ）における先端側の容積をＶ１とし、上記プレチャンバーの全容積をＶ２とし、上記複数の噴口の総面積をＳとしたとき、容積比Ｖ１／Ｖ２と容積噴口総面積比Ｖ２／Ｓとが、
   ０．１６≦Ｖ１／Ｖ２≦０．３１と、
   ８８≦Ｖ２／Ｓ≦２４４とを満たす、点火プラグ（１）。
2. 上記複数の噴口は４〜８個形成されている、請求項１に記載の点火プラグ。
3. 上記複数の噴口は、上記プラグ軸方向から見て、上記中心電極の軸線（３２）を中心とする同一仮想円周（５５）上に位置している、請求項１又は２に記載の点火プラグ。
4. 上記複数の噴口は、上記仮想円周上において等間隔に配列している、請求項３に記載の点火プラグ。

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