JP2019029139A - 点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグでの伝送損失を抑制し、高周波の放射効率を向上させること。
【解決手段】実施形態に係る点火プラグは、火花放電と電界とを反応させてプラズマを発生させることで混合気に着火する内燃機関に用いられる。点火プラグは、中心導体と、誘電体とを備える。中心導体は、軸方向に延びる。誘電体は、中心導体の外周に設けられ、外径の一部が拡径した誘電体拡径部を有する。そして、中心導体は、誘電体拡径部の誘電体外径に応じて導体外径の一部が拡径した導体拡径部を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、点火プラグに関する。

従来、自動車エンジン等の内燃機関において、点火プラグを用いて燃焼室内に発生させた火花放電をプラズマの核とし、これに高周波を供給することによってプラズマ領域を拡大させて混合気に着火するプラズマ点火方式が提案されている。

かかるプラズマ点火方式において、例えば特許文献１のように点火プラグに高周波を入力することで、点火プラグを高周波のアンテナとして用いる技術が知られている。

特開２００９−３６１９８号公報

しかしながら、特許文献１のように点火プラグを高周波のアンテナとして用いる場合、高周波の放射効率を向上させるという点で更なる改善の余地がある。これは、点火プラグで高周波を伝送させると、伝送損失が発生するためである。損失が大きいと、点火プラグから放射される高周波が小さくなってしまい、高周波の放射効率が低下してしまう。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、点火プラグでの伝送損失を抑制し、高周波の放射効率を向上させることができる点火プラグを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る点火プラグは、火花放電と電界とを反応させてプラズマを発生させることで混合気に着火する内燃機関に用いられる。点火プラグは、中心導体と、誘電体とを備える。中心導体は、軸方向に延びる。誘電体は、中心導体の外周に設けられ、外径の一部が拡径した誘電体拡径部を有する。そして、中心導体は、誘電体拡径部の誘電体外径に応じて導体外径の一部が拡径した導体拡径部を有する。

実施形態の一態様によれば、点火プラグでの伝送損失を抑制し、高周波の放射効率を向上させることができる。

図１は、実施形態に係るプラズマ点火装置の構成を示す図である。 図２は、実施形態に係る点火プラグの構成を示す図である。 図３は、中心導体の外径について説明する図である。 図４は、中心導体の外径について説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する点火プラグの実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

また、実施形態に係る点火プラグは、内燃機関のプラズマ点火装置に用いられる。そこで、まず図１を用いて実施形態に係るプラズマ点火装置１００について説明する。

図１は、実施形態に係るプラズマ点火装置１００の構成を示す図である。図１に示すように、プラズマ点火装置１００は、点火プラグ２と、制御装置１とを備える。

点火プラグ２は、先端がエンジンの燃焼室内に露出するように、エンジン（内燃機関）に取り付けられる。点火プラグ２は、先端に設けられた一対の電極間に火花放電を発生させる。また、点火プラグ２は、燃焼室内に高周波（マイクロ波）を放射するアンテナとしても利用される。

制御装置１は、点火プラグ２に対する高電圧および高周波の供給を制御する。制御装置１は、エンジン制御部３と、高周波制御部４と、点火コイル５と、プラグソケット６と、共振器７とを備える。なお、高電圧は火花放電の発生に用いられ、高周波はプラズマの発生に用いられる。

エンジン制御部３は、点火コイル５に対し、自動車の運転状況等に応じたタイミングで点火信号を出力する。点火信号は、火花放電の発生時期を制御するための信号である。点火信号は、高周波制御部４にも入力される。

高周波制御部４は、点火信号が入力された場合に、共振器７を介して高周波を点火プラグ２に供給する。

点火コイル５は、エンジン制御部３からの点火信号の入力を受けて高電圧を発生させる。具体的には、点火コイル５は、図示しない一次コイルと二次コイルとを備えており、一次コイルに流れる電流を遮断することにより誘導現象によって二次コイルに高電圧を発生させる。

プラグソケット６は、点火プラグ２を保持し、点火コイル５で発生した高電圧を点火プラグ２へ伝達する。

共振器７は、プラグソケット６の周囲に配置され、点火コイル５と共振結合することで高周波制御部４が生成した高周波を点火プラグ２に供給する。

点火プラグ２は、プラグソケット６によって伝達される高電圧を用いて燃焼室内に火花放電を発生させる。また、点火プラグ２は、共振器７から供給された高周波を燃焼室内に放射する。これにより、プラズマの核となる火花放電に高周波が供給されてプラズマ領域が拡大し、燃焼室内の混合気に着火する。

続いて、図２を用いて、実施形態に係る点火プラグ２について説明する。図２は、実施形態に係る点火プラグ２の構成を示す図である。

ここで、図２では、位置関係を明確にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸で規定される直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、以下の説明で用いる他の図面においても示す場合がある。なお、図２は、点火プラグ２をＹ軸方向から見た図を示している。また、図２では、一部を断面で示している。

図２に示すように、点火プラグ２は、軸方向（Ｚ軸方向）に延びる中心導体２０と、中心導体２０の外周に設けられた碍子１０と、碍子１０の外周に設けられたハウジング３０とを備える。

中心導体２０は、Ｚ軸負方向側の第１中心導体２１と、Ｚ軸正方向側の第２中心導体２２とを有する。第１中心導体２１および第２中心導体２２は、抵抗部２６を介して接続される。

第１中心導体２１は、Ｚ軸負方向側から導体端部２３と、導体当接部２４と、導体拡径部２５とを有する。

導体端部２３には、点火コイル５で発生した高電圧が印加される。導体当接部２４は、誘電体４１を介して共振器７に当接する。共振器７は、導体当接部２４と共振結合することで、高周波を中心導体２０に供給する。なお、誘電体４１は、例えばプラグソケット６（図１参照）の一部である。

導体拡径部２５は、碍子１０の誘電体拡径部１１の誘電体外径Ｄ_２に応じて一部が拡径した導体外径ｄ_２を有する。なお、導体外径ｄ_２の詳細については、図３および図４を用いて後述する。

第２中心導体２２は、先端がエンジン内に露出するように設けられる。導体端部２３に例えば点火コイル５で発生した高電圧が印加されると、第２中心導体２２を中心電極、ハウジング３０の先端を外部電極として、かかる電極間に火花放電が発生する。

また、導体当接部２４に高周波が供給されると、当該高周波は点火プラグ２の碍子１０を通って第２中心導体２２の先端まで伝送され、エンジン内に放射される。

碍子１０は、軸方向（Ｚ軸方向）に延びる筒状の誘電体である。筒状の碍子１０内に中心導体２０が配置される。碍子１０は、ハウジング３０に固定するために外径の一部がＤ_２に拡径した誘電体拡径部１１を有する。誘電体拡径部１１は、例えばＺ軸方向において碍子１０の略中央に設けられる。

ハウジング３０は、軸方向（Ｚ軸方向）に延びる筒状の導体である。筒状のハウジング３０内に碍子１０が配置される。ハウジング３０は、Ｚ軸負方向側に設けられた加締部３２を有する。

図２に示すように、誘電体拡径部１１の基端側（Ｚ軸負方向側）にはリング３１、３３およびタルク等の粉末充填材３４が配置される。ハウジング３０が加締部３２によってリング３１、３３および粉末充填材３４を加締固定することで、碍子１０をハウジング３０に係止することができる。このように、加締部３２は、碍子１０をハウジング３０に係止する係止部であるとも言える。

続いて、図３および図４を用いて、実施形態に係る中心導体２０の外径について説明する。図３および図４は、中心導体２０の外径について説明する図である。なお、図３および図４では、図示を簡略化するために、説明に必要な構成要素に符号を付し、それ以外の構成要素の符号を省略する。

また、図３（ｂ）〜図３（ｅ）および図４（ｂ）〜図４（ｅ）に示すグラフは、点火プラグ２、２ａのインピーダンスや誘電体外径、導体外径を模式的に示したグラフである。そのため、例えば点火プラグ２ａの基端側端部など、誘電体拡径部１１ａほど誘電体外径が大きく変化しない位置における誘電体外径は、略一定（Ｄ_１）であるものとして図示している。なお、導体外径も同様である。

図３（ａ）に示すように、碍子１０は、誘電体拡径部１１で誘電体外径Ｄ_２を有し、それ以外の部位で誘電体外径Ｄ_２より小さい誘電体外径Ｄ_１を有する。また、中心導体２０は、導体拡径部２５で誘電体拡径部１１の誘電体外径Ｄ_２に応じた導体外径ｄ_２を有し、それ以外の部位で導体外径ｄ_２より小さい導体外径ｄ_１を有する。これにより、高周波が点火プラグ２を伝送する際の伝送損失を抑制することができる。かかる点について図４を用いて説明する。

図４（ａ）は、導体拡径部２５を有していない点火プラグ２ａを示す図である。図４（ａ）に示す点火プラグ２ａは、中心導体２０ａが導体拡径部２５を有しておらず、略一定の導体外径ｄ_１を有する点を除き、図３に示す点火プラグ２と同じ構成を有する。

なお、図４（ａ）に示すように、点火プラグ２ａの碍子１０ａは、碍子１０ａをハウジング３０に固定するために誘電体拡径部１１ａを有している。そのため、点火プラグ２ａでは、図４（ａ）のＺ軸方向の位置Ｌ_１における誘電体外径がＤ_１であり、位置Ｌ_２における誘電体外径がＤ_２（Ｄ_２＞Ｄ_１）であるのに対し、導体外径は、Ｚ軸方向によらず略一定のｄ_１となっている。

ここで、点火プラグ２ａのＺ軸方向の各位置におけるインピーダンスＺ_ｉは、式（１）で求まる。このように、インピーダンスＺ_ｉは、式（１）に示すように、碍子１０ａの誘電体外径Ｄ_ｉおよび中心導体２０ａの導体外径ｄ_ｉによって定まる。

なお、式（１）のＺ_ｉはＺ軸方向の各位置における点火プラグ２ａのインピーダンスであり、εは碍子１０ａの比誘電率である。

式（１）に示すように、点火プラグ２ａのインピーダンスＺ_ｉは、碍子１０ａの誘電体外径Ｄ_ｉおよび中心導体２０ａの導体外径ｄ_ｉによって定まる。そのため、図４（ｃ）で示すように位置Ｌ_１でＤ_１であった誘電体外径が位置Ｌ_２でＤ_２に変化すると、図４（ｂ）に示すように点火プラグ２ａのインピーダンスＺ_ｉもＺ_１からＺ_２に変化する。

同様に、位置Ｌ_３でＤ_２であった誘電体外径が、位置Ｌ_４でＤ_１に変化すると、点火プラグ２ａのインピーダンスＺ_ｉもＺ_２からＺ_１に変化する。

このように、位置Ｌ_１〜Ｌ_４でインピーダンスＺ_ｉが変化しインピーダンス不整合が発生すると、図４（ｅ）に示すように各位置Ｌ_１〜Ｌ_４で高周波が減衰し、伝送損失が大きくなる。したがって、中心導体２０ａの外径が略一定のｄ_１である場合、誘電体拡径部１１で高周波が大きく減衰することで伝送損失が大きくなり、伝送効率が低下する。

そこで、実施形態に係る点火プラグ２では、図３（ｄ）に示すように、誘電体拡径部１１の誘電体外径Ｄ_２に応じて、導体外径をｄ_２に拡径した導体拡径部２５を中心導体２０に設ける。

点火プラグ２のインピーダンスＺ_ｉは、上述した式（１）に示すように碍子１０の誘電体外径Ｄ_ｉおよび中心導体２０の導体外径ｄ_ｉによって定まる。

そのため、誘電体拡径部１１の誘電体外径Ｄ_２に応じて導体外径ｄ_２に拡径した導体拡径部２５を中心導体２０に設けることで、図３（ｂ）に示すように誘電体拡径部１１におけるインピーダンスＺ_ｉの変動を抑制することができる。

これにより、高周波の伝送損失を抑制することができ、高周波の伝送効率を向上させることができる。

なお、導体拡径部２５の導体外径ｄ_２を誘電体外径Ｄ_２に応じて拡径させる場合、例えば導体拡径部２５の導体外径ｄ_２を、式（２）に示すように点火プラグ２のインピーダンスＺ_ｉが略一定になるよう決定する。

これにより、図３（ｂ）に示すように、点火プラグ２のインピーダンスＺ_ｉを略一定にすることができ、高周波の伝送損失をより抑制することができる。

ここで、式（２）の点火プラグ２のインピーダンスＺ_１は、例えば誘電体拡径部１１を除く碍子１０の誘電体外径Ｄ_１および導体拡径部２５を除く中心導体２０の導体外径ｄ_１に応じて式（１）に基づいて算出されるものとする。

なお、誘電体外径Ｄ_１、導体外径ｄ_１は、例えば点火プラグ２の大きさや碍子１０の絶縁性能等によって決定される。また、誘電体拡径部１１の誘電体外径Ｄ_２は、点火プラグ２の大きさやハウジング３０の形状等によって決定される。

このように、誘電体外径Ｄ_１、Ｄ_２および導体外径ｄ_１から算出した点火プラグ２のインピーダンスＺ_１に基づいて、導体拡径部２５の導体外径ｄ_２を決定する。これにより、導体拡径部２５におけるインピーダンスＺ_２を点火プラグ２のインピーダンスＺ_ｉに整合することができ、高周波の伝送損失をより抑制することができる。

なお、比誘電率εは碍子１０の材料となる物質に応じて決まる定数である。そのため、インピーダンスＺ_ｉを略同一に定めると、式（２）に示す導体外径ｄ_２は、比例定数ｋで誘電体外径Ｄ_２に比例するとも言える。比例定数ｋは、式（２）に示すように、軸方向（Ｚ軸方向）のインピーダンスＺ_１および碍子１０の比誘電率εに応じて定まる係数である。

したがって、換言すると、中心導体２０は、インピーダンスＺ_ｉおよび碍子１０の比誘電率εに応じて定まる比例定数ｋで誘電体外径Ｄ_ｉに比例する部位（図３では導体拡径部２５に相当）を有するとも言える。これにより、点火プラグ２のＺ軸方向におけるインピーダンスＺ_ｉを略一定に定めることができ、点火プラグ２における高周波の伝送損失を抑制することができる。

以上のように、実施形態に係る点火プラグ２は、導体拡径部２５の導体外径ｄ_２を誘電体拡径部１１の誘電体外径Ｄ_２に応じて拡径させることで、点火プラグ２のＺ軸方向におけるインピーダンスＺ_ｉの変動を抑制することができる。これにより、点火プラグ２における高周波の伝送損失を抑制することができ、高周波の放射効率を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、点火プラグ２のインピーダンスＺ_ｉを中心導体２０の導体外径ｄ_１および碍子１０の誘電体外径Ｄ_１に基づいて算出するとしたが、これに限定されない。例えば、点火プラグ２のインピーダンスＺ_ｉが、中心導体２０の導体当接部２４におけるインピーダンスＺ_ｉとなるように定めてもよい。

すなわち、導体当接部２４における点火プラグ２のインピーダンスと、誘電体拡径部１１における点火プラグ２のインピーダンスＺ_２とが略同一になるように、導体拡径部２５の導体外径ｄ_２を定めてもよい。

例えば導体当接部２４におけるインピーダンスを、共振器７（図１参照）のインピーダンスと略同一になるように定めることで、共振器７から導体当接部２４に高周波を入力するときの伝送損失を抑制することができる。

さらに、導体拡径部２５における点火プラグ２のインピーダンスＺ_２が導体当接部２４における点火プラグ２のインピーダンスと略同一になるようする。これにより、共振器７から入力される高周波の伝送損失を抑制しつつ高周波を点火プラグ２の先端まで伝送することができる。

なお、上記実施形態では、中心導体２０において誘電体外径に比例させる部位を導体拡径部２５としたが、これに限定されない。例えば中心導体２０の各部位における導体外径ｄ_ｉを誘電体外径Ｄ_ｉの各部位に比例させてもよい。

これにより、点火プラグ２の各部位におけるインピーダンスＺ_ｉを略同一に定めることができ、高周波の伝送損失をより抑制することができる。

また、上記実施形態では、ハウジング３０の先端を外部電極として火花放電を発生させるとしたが、これに限定されない。例えばハウジング３０に外部電極となる突起を設け、中心導体の先端と突起との間で火花放電を発生させるようにしてもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 制御装置
２ 点火プラグ
７ 共振器
１０ 碍子
１１ 誘電体拡径部
２０ 中心導体
２４ 導体当接部
２５ 導体拡径部
３０ ハウジング
３２ 加締部

Claims (6)

1. 火花放電と電界とを反応させてプラズマを発生させることで混合気に着火する内燃機関に用いられる点火プラグであって、
   軸方向に延びる中心導体と、
   前記中心導体の外周に設けられ、外径の一部が拡径した誘電体拡径部を有する誘電体と、
   を備え、
   前記中心導体は、
   前記誘電体拡径部の誘電体外径に応じて導体外径の一部が拡径した導体拡径部を有すること
   を特徴とする点火プラグ。
2. 前記導体拡径部は、
   前記点火プラグのインピーダンスが略同一になるように前記導体外径が定められること
   を特徴とする請求項１に記載の点火プラグ。
3. 前記中心導体は、
   前記点火プラグにおける軸方向のインピーダンスに応じて定まる比例定数で前記誘電体外径に比例する部位を有すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の点火プラグ。
4. 前記中心導体の前記部位は、
   前記誘電体の比誘電率に応じて定まる前記比例定数で前記誘電体外径に比例すること
   を特徴とする請求項３に記載の点火プラグ。
5. 前記誘電体は、
   前記プラズマを発生させるために高周波を供給する高周波共振器と当接する当接部を有し、
   前記導体拡径部は、
   前記当接部における前記点火プラグのインピーダンスと、前記誘電体拡径部における前記点火プラグの前記インピーダンスとが略同一になる前記導体外径を有すること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の点火プラグ。
6. 前記誘電体の外周に設けられるハウジングをさらに備え、
   前記ハウジングは、
   前記誘電体拡径部を係止する係止部を有すること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の点火プラグ。

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