JP2019185942A - 内燃機関の点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】乱流制御により安定した火花放電を実現できる点火プラグを提供する。【解決手段】中心電極１０と、中心電極１０に対向する対向部を有する接地電極１６と、を備え、中心電極１０及び接地電極１６の中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２は、中心電極放電チップ２０の突出方向の軸に直交する断面と接地電極対向チップ２２の突出方向の軸に直交する断面が相似形の多角形であり、軸の各々の回転方向において互いに位相差θを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の点火プラグに関する。

絶縁碍子によって絶縁保持された中心電極と接地電極とを備え、中心電極と接地電極の間に電圧を印加することによって火花を発生させる内燃機関の点火装置（点火プラグ）が知られている。

中心電極に設けられた貴金属チップにおける接地電極との対向面の形状を四角形状とすることによりコーナー部を形成し、当該コーナー部と接地電極との間にて火花が容易に発生するようにすることで性能を向上させる技術が開示されている（特許文献１）。ここで、中心電極及び接地電極の貴金属チップの対向面形状をそれぞれ多角形状（四角形状）とすることが開示されている。

また、中心電極の母材の先端面に略四角柱形状のＩｒ合金チップを設け、母材本体の直径Ｄ１、母材先端部の直径Ｄ２、Ｉｒ合金チップにおける軸方向に直交する断面形状の対角線の外接円の直径Ａ、内接円の直径ＢについてＤ１＞Ａ＞Ｄ２＞Ｂの関係を有する構成とすることが記載されている（特許文献２）。また、接地電極のチップ形状を四角形状とする技術も開示されている（特許文献３）。また、先端に貴金属チップを有する中心電極と接地電極において、貴金属チップは軸方向に直交する断面形状が多角形である構成が開示されている（特許文献４）。また、中心電極と接地電極にＩｒ合金からなるＩｒ合金チップが接合されており、その軸と直交する断面の形状が非真円である構成が開示されている（特許文献５）。

特開平１０−２１４６７０号公報 特開２００７−２５０２５７号公報 特開２０１４−２３２７２４号公報 特開２０１７−１７４７５８号公開 特開２００４−１７２０５３号公開

ところで、従来技術では、放電時の火花と気流との関係について検討したものはなく、電極の形状による乱流制御により安定した火花放電を実現することが望まれている。

本発明の１つの態様は、燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火プラグであって、絶縁碍子と、前記絶縁碍子から先端部が突出するように設けられた中心電極と、前記中心電極に対向する対向部を有する接地電極と、を備え、前記中心電極及び前記接地電極の先端部は、前記中心電極の先端部の突出方向の軸に直交する断面と前記接地電極の先端部の突出方向の軸に直交する断面が相似形の多角形であり、前記軸の各々を中心とした回転方向において互いに位相差を有することを特徴とする点火プラグである。

ここで、前記多角形がＮ角形である場合、前記位相差は、３６０°／２Ｎ±３６０°／８Ｎの範囲内であることが好適である。

本発明の別の態様は、燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火プラグであって、絶縁碍子と、前記絶縁碍子から先端部が突出するように設けられた中心電極と、前記中心電極に対向する対向部を有する接地電極と、を備え、前記中心電極の先端部の突出方向の軸に直交する断面と前記接地電極の先端部の突出方向の軸に直交する断面が非相似形の多角形であることを特徴とする点火プラグである。

ここで、前記接地電極は、前記中心電極に対向しない面である側面に第２突起を備えることが好適である。このとき、前記第２突起は、多角形であることが好適である。また、前記第２突起は、前記中心電極に対向しない両側面にそれぞれ設けられ、前記第２突起の中心点同士を結んだ線分に対する回転方向において互いに位相差を有することが好適である。このとき、前記第２突起の多角形がＭ角形である場合、前記第２突起の前記位相差は、３６０°／２Ｍ±３６０°／８Ｍの範囲内であることが好適である。

本発明の別の態様は、絶縁碍子と、前記絶縁碍子から先端部が突出するように設けられた中心電極と、前記中心電極に対向する対向部を有する接地電極と、を備え、前記接地電極は、前記中心電極に対向する面に前記中心電極に向かい合う第１突起と、前記中心電極に対向しない面である両側面に第２突起がそれぞれ設けられ、前記第２突起は多角形であることを特徴とする点火プラグである。

本発明によれば、乱流制御により安定した火花放電を実現できる点火プラグを提供することができる。

本発明の実施の形態における内燃機関の点火プラグの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における点火プラグの構成を示す部分拡大図である。 本発明の実施の形態における中心電極放電チップ及び接地電極対向チップの断面形状の例を示す図である。 本発明の実施の形態における中心電極放電チップ及び接地電極対向チップの断面形状の例を示す図である。 本発明の実施の形態における点火プラグの作用を説明する図である。 本発明の実施の形態における点火プラグの作用を説明する図である。 本発明の実施の形態における点火プラグの作用を説明する図である。 従来の点火プラグの作用を説明する図である。 従来の点火プラグの作用を説明する図である。 従来の点火プラグの作用を説明する図である。 本発明の実施の形態における点火プラグの作用を説明する図である。 本発明の実施の形態における点火プラグの作用を説明する図である。 本発明の変形例における点火プラグの構成を示す部分拡大図である。 本発明の変形例における点火プラグの作用を説明する図である。 本発明の実施の形態における位相差と流れ場の変化との関係例を示す図である。

本発明の実施の形態における内燃機関の点火プラグ１００は、図１に示すように、中心電極１０、絶縁碍子１２、ハウジング１４及び接地電極１６を備えて構成される。点火プラグ１００は、内燃機関の燃焼室に装着され、燃焼室内に供給された燃料（混合気）に点火するために用いられる。

中心電極１０は、燃料に点火するための電圧が印加される電極である。中心電極１０は、導電性の高い金属材料によって構成される。中心電極１０は、例えば、内材としてＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料が用いられ、外材としてＮｉ合金等の耐久性及び耐食性に優れた金属材料を用いて形成することが好適である。中心電極１０は、後述する絶縁碍子１２を貫くように円柱棒状の形状とされる。中心電極１０の先端部１０ａは、点火プラグ１００が内燃機関に装着された状態で燃焼室内に露出するように設けられる。中心電極１０の端子部１０ｂは、点火回路からの導線に接続するために絶縁碍子１２から露出した状態とされる。

絶縁碍子１２は、中心電極１０と接地電極１６及び他の部材との間の電気的な絶縁を維持するための部材である。絶縁碍子１２は、電気的に絶縁性を有し、耐熱性に優れた材料によって構成される。絶縁碍子１２は、例えば、高純度アルミナ等のセラミック材料を用いて形成することが好適である。絶縁碍子１２は、略円筒形状に形成され、中心軸孔に中心電極１０が挿入されて固定されている。絶縁碍子１２の先端部１２ａは、点火プラグ１００が内燃機関に装着された状態で燃焼室内に露出するように設けられる。絶縁碍子１２の基端部１２ｂは、内燃機関の取り付け部分から突出した状態とされる。基端部１２ｂは、コルゲート状に形成することが好適であり、これにより中心電極１０と他の部材との間の絶縁リークを防止することができる。

ハウジング１４は、絶縁碍子１２を保持し、先端側を覆っている。ハウジング１４は、導電性の高い金属材料によって構成される。ハウジング１４は、例えば、低炭素鋼等の高耐熱性の金属材料で構成することが好適である。ハウジング１４には、内燃機関のシリンダヘッドに設けられたネジ穴に固定するためのねじ部１４ａが設けられている。ねじ部１４ａにより点火プラグ１００を内燃機関のシリンダヘッドに固定することによって、ハウジング１４は内燃機関に電気的に接地される。ねじ部１４ａの先端側には内燃機関の燃焼室内に露出するシュラウド部１４ｂが設けられている。

接地電極１６は、電気的に接地される電極である。接地電極１６は、導電性の高い金属材料によって構成される。接地電極１６は、例えば、Ｎｉを主成分とするＮｉ合金等を用いて構成することが好適である。接地電極１６は、ハウジング１４に電気的に導通するように接続される。接地電極１６は、内燃機関の燃焼室内に突出し、中心電極１０に対向するように略Ｌ字型に形成される。

本実施の形態における点火プラグ１００では、図２の部分拡大図に示すように、中心電極１０の先端部１０ａに中心電極放電チップ２０と、接地電極１６の先端部に接地電極対向チップ２２と、が設けられる。

中心電極放電チップ２０は、中心電極１０の先端部１０ａに設けられた突起部であり、耐熱性に優れた導電部材で構成される。中心電極放電チップ２０は、例えば、イリジウム合金やプラチナ合金等の貴金属から構成することが好適である。

中心電極放電チップ２０は、接地電極１６の接地電極対向チップ２２に対向する位置に設けられる。本実施の形態では、中心電極放電チップ２０は、中心電極放電チップ２０の突出方向の軸に直交する断面が多角形状とされる。なお、中心電極放電チップ２０の形状及びサイズは、点火プラグ１００を用いる内燃機関の容量や構成に応じて適宜設定することが好適である。

接地電極対向チップ２２は、接地電極１６の先端部に設けられた突起部であり、耐熱性に優れた導電部材で構成される。接地電極対向チップ２２は、例えば、イリジウム合金やプラチナ合金等の貴金属から構成することが好適である。

接地電極対向チップ２２は中心電極放電チップ２０と向かい合うように配置される。本実施の形態では、接地電極対向チップ２２は、接地電極対向チップ２２の突出方向の軸に直交する断面が多角形状とされる。なお、接地電極対向チップ２２の形状及びサイズは、点火プラグ１００を用いる内燃機関の容量や構成に応じて適宜設定することが好適である。

本実施の形態では、中心電極１０の中心電極放電チップ２０の突出方向の軸に直交する断面と接地電極１６の接地電極対向チップ２２の突出方向の軸に直交する断面が相似形の多角形であり、軸の回転方向において互いに位相差を有することが好適である。

例えば、図３（ａ）に示すように、中心電極放電チップ２０の断面と接地電極対向チップ２２の断面が相似する四角形状である場合、軸方向からみた平面内において回転角の位相差θを有することが好適である。同様に、図３（ｂ），図３（ｃ）に例示するように、中心電極放電チップ２０と接地電極対向チップ２２の断面が相似する他の多角形である場合も軸方向からみた平面内において回転角の位相差θを有することが好適である。このとき、多角形がＮ角形である場合、位相差θは、３６０°／２Ｎ±３６０°／８Ｎの範囲内であることが好適である。

また、中心電極１０の中心電極放電チップ２０の突出方向の軸に直交する断面と接地電極１６の接地電極対向チップ２２の突出方向の軸に直交する断面が非相似形の多角形であることが好適である。

例えば、図４（ａ）に示すように、中心電極放電チップ２０の断面を三角形状とし、接地電極対向チップ２２の断面をこれに非相似の四角形状とすることが好適である。同様に、図４（ｂ），図４（ｃ）に例示するように、中心電極放電チップ２０と接地電極対向チップ２２の断面が非相似である多角形としてもよい。

中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２の断面形状を多角形とすることで、電極の周囲を通過する気流の剥離位置が多角形の角部に固定される。これにより、角部の下流に形成される剪断層により乱流の渦を下流に多く放出することができ、中心電極１０及び接地電極１６の下流域において乱流強度を増すことができる。

このとき、図５に示すように、気流により下流域において伸張した放電経路（火花）に乱流の渦による皺を多く形成することができる。放電経路に皺が形成されることで、放電経路の長さが増し、混合気との接触面積が増すとともに、放電経路全体の電気抵抗が増加する。その結果、周囲の混合気をより早く加熱することができ、着火性を向上させることができる。また、乱流強度が増すことで、乱流燃焼速度が増加し、火炎伝播による火炎の成長速度を増すことができる。

また、図６に示すように、従来の円形の電極断面形状の場合と比較して、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２の断面形状を多角形とすることで、中心電極１０及び接地電極１６の下流域において気流の剥離により生じる低速領域の範囲が広くなる。図６（ａ）は、従来の円形の断面形状とした場合の気流の様子を示し、図６（ｂ）は、四角形状の断面形状とした場合の気流の様子を示す。図６（ｂ）では、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２の角部から放出された小さなスケールの渦による強い乱流場となっている。すなわち、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２の断面形状を多角形とすることで、乱流強度の増加に加えて、中心電極１０及び接地電極１６の下流域における低速で乱れのスケールの小さい領域が広くなる効果が得られる。これにより、気流の流速Ｕに対する乱流強度ｕ’の比を大きくすることができる。こうすることで、気流による放電経路の伸長の効果に対して、乱れの渦により形成される皺による放電経路長の増加の効果が相対的に大きくなり、狭い範囲の混合気をより効率的に加熱することができる。

さらに、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２の断面形状を多角形とすることで、中心電極１０及び接地電極１６から放出されるカルマン渦の放出頻度を抑制することができる。例えば、ガソリンエンジンの点火タイミング相当の温度（７００Ｋ）、圧力（１０気圧）において、チップ代表長さ１ｍｍ、気流速度３０ｍ／ｓとした場合、カルマン渦の放出頻度は従来の断面が円形形状の場合には約６ｋＨｚであるのに対して、断面を正方形にした場合には約４ｋＨｚとなる。カルマン渦による交互の渦放出は、中心電極１０及び接地電極１６の下流域の放電経路をばたつかせ、放電経路の短絡や吹き消えの原因となる。したがって、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２の断面形状を多角形とすることで、放電経路の短絡や吹き消えを抑制することができ、その結果として着火性も向上させることができる。

ここで、中心電極放電チップ２０と接地電極対向チップ２２の断面形状の回転角の位相を揃えずに両者に位相差θを持たせることによって、気流の向きの変化に対するロバスト性を確保することができる。例えば、断面形状が四角形状である場合、図７（ａ）に示すように気流の流れに対して四角形状の辺が正対する状態と、図７（ｂ）に示すように気流の流れに対して四角形状の角が正対する状態では下流域の流れ場が大きく変化する。そこで、中心電極放電チップ２０と接地電極対向チップ２２の断面形状を相似する多角形にした場合、互いの回転角に位相差θを設ければ、気流の流れ方向に対しても中心電極放電チップ２０と接地電極対向チップ２２とが位相差θをもって正対することになる。これにより、気流の流れ方向の変化に対して中心電極放電チップ２０による流れ場の変化と接地電極対向チップ２２による流れ場の変化とを平均化させることができ、中心電極１０と接地電極１６の下流域において流れ場の変化を抑制することができる。特に、位相差θは、３６０°／２Ｎ±３６０°／８Ｎの範囲内とすることで、図１５に示すように、気流の向きの変化に対するロバスト性の向上効果が顕著になると推察される。

また、中心電極放電チップ２０と接地電極対向チップ２２の断面形状を非相似形とすることによっても、気流の向きの変化に対するロバスト性を確保することができる。すなわち、中心電極放電チップ２０と接地電極対向チップ２２の断面形状が非相似の多角形である場合、中心電極１０及び接地電極１６の下流域における流れの場は、中心電極放電チップ２０により発生する流れの場と接地電極対向チップ２２により発生する流れの場の平均となる。これにより、気流の流れの方向の変化に対して中心電極１０と接地電極１６の下流域において流れ場の変化を抑制することができる。

図８は、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２の断面形状が共に円形である場合について、中心電極１０及び接地電極１６の付近の気流の状態をシミュレーションした結果を示す。流れ込む気流の流速は３０ｍ／ｓとした。このとき、下流の乱流強度は最大約５ｍ／ｓであった。

図９及び図１０は、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２の断面形状が共に相似する四角形状であり、位相差θが無い（０°）である場合について、中心電極１０及び接地電極１６の付近の気流の状態をシミュレーションした結果を示す。流れ込む気流の流速は、同様に３０ｍ／ｓとした。図９は、中心電極１０及び接地電極１６の四角形の辺に直角に気流が流れ込んだ場合を示し、図１０は、中心電極１０及び接地電極１６の四角形の辺に対して４５°に気流が流れ込んだ場合を示す。流入角度が０°である場合、下流の乱流強度は最大約５ｍ／ｓであったが、乱流強度の高い領域が円形の場合に比べて下流まで広く分布した。流入角度が４５°である場合、乱流強度は最大約７ｍ／ｓとなり、大幅に増加した。すなわち、気流の流入角度に対する下流の乱流のロバスト性がないことが示された。

図１１及び図１２は、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２の断面形状が共に相似する四角形状であり、位相差θが４５°である場合について、中心電極１０及び接地電極１６の付近の気流の状態をシミュレーションした結果を示す。流れ込む気流の流速は、同様に３０ｍ／ｓとした。図１１は、接地電極１６の四角形の辺に直角に気流が流れ込んだ場合を示し、図１２は、接地電極１６の四角形の辺に対して２２．５°に気流が流れ込んだ場合を示す。流入角度が接地電極１６の四角形の辺に直角である場合、下流の乱流強度は最大約６ｍ／ｓであった。流入角度が接地電極１６の四角形の辺に対して２２．５°である場合も乱流強度は最大約６ｍ／ｓとなり、乱流の分布は接地電極１６の四角形の辺に対して直角に気流が流れ込んだ場合とほぼ同様であった。なお、流入角度が接地電極１６の四角形の辺に対して４５°である場合は、接地電極１６の四角形の辺に対して直角に気流が流れ込んだ場合と同様であった。すなわち、気流の流入角度に対する下流の乱流のロバスト性が高いことが示された。

［変形例］
変形例における点火プラグ１００は、図１３の一部拡大図に示すように、接地電極側面チップ２４を備える。接地電極側面チップ２４は、接地電極１６の先端部に設けられた第２突起部であり、耐熱性に優れた導電部材で構成される。接地電極側面チップ２４は、例えば、イリジウム合金やプラチナ合金等の貴金属から構成することが好適である。中心電極１０の中心電極放電チップ２０に対向しない面（側面）に設けられる。すなわち、接地電極側面チップ２４は中心電極放電チップ２０と向かい合わないように配置される。なお、接地電極側面チップ２４の形状及びサイズは、点火プラグ１００を用いる内燃機関の容量や構成に応じて適宜設定することが好適である。

接地電極側面チップ２４の形状は、例えば、断面が四角形状の四角柱とされる。ただし、接地電極側面チップ２４の形状は、これに限定されるものではなく、断面が円形の円柱や多角形の多角柱としてもよい。なお、接地電極側面チップ２４の断面を多角形にした場合、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２を多角形にしなくてもある程度の発明の効果を得ることができる。

本変形例のように接地電極側面チップ２４を設けた構成では、図１４に示すように、中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２が接地電極１６によって気流の流れの陰になったときでも接地電極側面チップ２４によって上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。当該効果は、接地電極側面チップ２４の断面形状が多角形である場合に顕著となる。

このとき、接地電極１６を介して対向する２つの接地電極側面チップ２４の突出方向の軸に直交する断面を相似形の多角形とし、軸の回転方向において互いに位相差φが０としてもよい。また、一方の接地電極側面チップ２４と他方の接地電極側面チップ２４を異なる大きさにしてもよい。

さらに、接地電極１６を介して対向する２つの接地電極側面チップ２４の突出方向の軸に直交する断面が相似形の多角形であり、軸の回転方向において互いに位相差φを有することが好適である。例えば、図３に示した中心電極１０と接地電極１６との関係と同様に２つの接地電極側面チップ２４の位相差を設定すればよい。この場合、上記実施の形態と同様に、多角形がＭ角形である場合、位相差φは、３６０°／２Ｍ±３６０°／８Ｍの範囲内であることが好適である。

また、接地電極１６を介して対向する２つの接地電極側面チップ２４の突出方向の軸に直交する断面を非相似形の多角形とすることが好適である。例えば、図４に示した中心電極１０と接地電極１６との関係と同様に２つの接地電極側面チップ２４の断面形状を非相似な形状にすればよい。

これにより、接地電極１６が上流側に位置するような気流の流れ方向である場合であっても、上記実施の形態のように中心電極放電チップ２０及び接地電極対向チップ２２を相似形の多角形で位相差θを設けた構成や非相似の多角形の構成にしたときと同様の効果を得ることができる。例えば、接地電極側面チップ２４の下流における乱流の強度を増やすことができる。また、接地電極側面チップ２４の断面形状を多角形とすることで、接地電極側面チップ２４の下流域において気流の剥離により生じる低速領域の範囲が広くなる。さらに、接地電極側面チップ２４の断面形状を多角形とすることで、接地電極側面チップ２４から放出されるカルマン渦の放出頻度を抑制することができる。また、２つの接地電極側面チップ２４の突出方向の軸に直交する断面が相似形の多角形で軸の回転方向において互いに位相差を設ける又は断面形状を非相似な形状にすることで、気流の向きに対するロバスト性を高めることができる。

１０ 中心電極、１０ａ 先端部、１０ｂ 端子部、１２ 絶縁碍子、１２ａ 先端部、１２ｂ 基端部、１４ ハウジング、１４ａ ねじ部、１４ｂ シュラウド部、１６ 接地電極、２０ 中心電極放電チップ、２２ 接地電極対向チップ、２４ 接地電極側面チップ、１００ 点火プラグ。

Claims (8)

1. 燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火プラグであって、
   絶縁碍子と、前記絶縁碍子から先端部が突出するように設けられた中心電極と、前記中心電極に対向する対向部を有する接地電極と、を備え、
   前記中心電極及び前記接地電極の先端部は、前記中心電極の先端部の突出方向の軸に直交する断面と前記接地電極の先端部の突出方向の軸に直交する断面が相似形の多角形であり、前記軸の各々の回転方向において互いに位相差を有することを特徴とする点火プラグ。
2. 請求項１に記載の点火プラグであって、
   前記多角形がＮ角形である場合、前記位相差は、３６０°／２Ｎ±３６０°／８Ｎの範囲内であることを特徴とする点火プラグ。
3. 燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火プラグであって、
   絶縁碍子と、前記絶縁碍子から先端部が突出するように設けられた中心電極と、前記中心電極に対向する対向部を有する接地電極と、を備え、
   前記中心電極の先端部の突出方向の軸に直交する断面と前記接地電極の先端部の突出方向の軸に直交する断面が非相似形の多角形であることを特徴とする点火プラグ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の点火プラグであって、
   前記接地電極は、前記中心電極に対向しない面である側面に第２突起と、
   を備えることを特徴とする点火プラグ。
5. 請求項４に記載の点火プラグであって、
   前記第２突起は、多角形であることを特徴とする点火プラグ。
6. 請求項５に記載の点火プラグであって、
   前記第２突起は、前記中心電極に対向しない両側面にそれぞれ設けられ、前記第２突起の中心点同士を結んだ線分に対する回転方向において互いに位相差を有することを特徴とする点火プラグ。
7. 請求項６に記載の点火プラグであって、
   前記第２突起の多角形がＭ角形である場合、前記第２突起の前記位相差は、３６０°／２Ｍ±３６０°／８Ｍの範囲内であることを特徴とする点火プラグ。
8. 燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火プラグであって、
   絶縁碍子と、前記絶縁碍子から先端部が突出するように設けられた中心電極と、前記中心電極に対向する対向部を有する接地電極と、を備え、
   前記接地電極は、
   前記中心電極に対向する面に前記中心電極に向かい合う第１突起と、
   前記中心電極に対向しない面である両側面に第２突起がそれぞれ設けられ、前記第２突起は多角形であることを特徴とする点火プラグ。