JP2020007922A - 内燃機関用の点火装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】点火エネルギを抑制しつつ着火性を向上させることができる、内燃機関用の点火装置を提供すること。【解決手段】点火装置1は、ハウジング2と、ハウジング2の内側に保持された中心電極3と、中心電極3との間に放電ギャップ11を設けた接地電極4と、を備えた点火プラグ10と、点火プラグ10の点火を制御する制御部と、を有する。点火プラグ10は、ハウジング2の先端部を、燃焼室72における基端側内面721から先端側Z1へ突出させた状態にて、内燃機関に配設されている。基端側内面721から先端側へ突出したハウジング2の先端突出部21は、少なくとも放電ギャップ11よりも燃焼室72における気流Fの下流側に形成されている。制御部は、1サイクル中に複数回、点火プラグ10における点火を実行するよう構成されている。【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関用の点火装置に関する。
内燃機関用の点火装置は、燃焼室内の混合気に、点火プラグの放電によって点火することによって、燃焼を生じさせる。点火によって生じた初期の火炎が、燃焼室内に広がって成長することによって、正常な燃焼が生じることとなる。
このような正常な燃焼を確実に得るべく、内燃機関の1サイクルの間、すなわち1回の圧縮行程の間に、複数回点火させる多重点火を行う点火装置が知られている。例えば、特許文献1には、火炎核の成長速度に基づいて、多重点火を制御する旨が記載されている。
特許第4239607号公報
しかしながら、例えば、燃焼室内の気流が、高速となる場合などにおいては、火炎の成長が促進され難く、着火性の向上が困難となるおそれがある。すなわち、高速気流場などにおいては、多重点火によって生じた複数の火炎が、それぞれ気流に流されて、短時間の間に点火プラグの放電ギャップから遠ざかっていく。そうすると、複数の火炎の間における熱の授受による重合が充分に生じ難くなり、火炎が成長し難くなる。それゆえ、着火性の向上が困難となるという課題がある。
一方、着火性向上のために、点火エネルギを高めると、点火プラグの電極消耗が早まることによる寿命低下や、点火コイルの大型化などに繋がる。それゆえ、単に点火エネルギを高くすることは望ましくない。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、点火エネルギを抑制しつつ着火性を向上させることができる、内燃機関用の点火装置を提供しようとするものである。
本発明の一態様は、ハウジング(2)と、該ハウジングの内側に保持された中心電極(3)と、該中心電極との間に放電ギャップ(11)を設けた接地電極(4)と、を備えた点火プラグ(10)と、
上記点火プラグの点火を制御する制御部と、を有し、
上記点火プラグは、上記ハウジングの先端部を、燃焼室(72)における基端側内面(721)から先端側(Z1)へ突出させた状態にて、内燃機関に配設されており、
上記基端側内面から先端側へ突出した上記ハウジングの先端突出部(21)は、少なくとも上記放電ギャップよりも上記燃焼室における気流(F)の下流側に形成されており、
上記制御部は、1サイクル中に複数回、上記点火プラグにおける点火を実行するよう構成されている、内燃機関用の点火装置(1)。
にある。
上記内燃機関用の点火装置において、上記点火プラグは、上記ハウジングの先端部を、燃焼室における基端側内面から先端側へ突出させた状態にて、内燃機関に配設されている。そして、基端側内面から先端側へ突出したハウジングの先端突出部は、少なくとも放電ギャップよりも燃焼室における気流の下流側に形成されている。
これにより、燃焼室内における先端突出部の下流側に隣接する空間に、気流の淀み部が形成される。すなわち、この空間においては、気流が渦状に循環して停滞することにより、淀んだ状態となる。また、放電ギャップ付近を通過し、先端突出部を通過した気流は、淀み部に引き込まれる。
そして、上記制御部は、1サイクル中に複数回、点火プラグにおける点火を実行するよう構成されている。これにより、1サイクル中において、複数の火炎が放電ギャップ付近において、順次生じることとなる。各火炎は、燃焼室内の気流に流されるが、淀み部に引き込まれる気流に乗って、淀み部付近に停滞することとなる。そうすると、時系列的に先に生じた火炎と、その後に生じた火炎とが、淀み部付近において衝突し、重合することとなる。
それゆえ、燃焼室内において火炎が成長しやすくなる。その結果、着火性を向上させることができる。
また、このような複数の火炎の重合によって火炎を成長させることができるため、特に全体の点火エネルギを高くすることなく、着火性を向上させることができる。
以上のごとく、上記態様によれば、点火エネルギを抑制しつつ着火性を向上させることができる、内燃機関用の点火装置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、点火装置の断面説明図。 実施形態1における、点火プラグへ供給される二次電流の波形図。 実施形態1における、点火プラグの先端部の側面説明図。 図3のIV−IV線矢視断面図。 実施形態1における、作用効果を説明する説明図。 実施形態2における、点火信号と一次電流と二次電流との波形図。 実施形態3における、点火装置の断面説明図。 実施形態3における、プラグ軸方向から見た点火装置の断面説明図。 実験例における、流動ベンチの説明図。 実験例における、パターン1のシュリーレン画像。 実験例における、パターン2のシュリーレン画像。 実験例における、パターン3のシュリーレン画像。 実験例における、パターン6のシュリーレン画像。 実験例における、パターン8のシュリーレン画像。 実験例における、評価結果であって、放電間隔と燃焼速度指標との関係を示す線図。
(実施形態1)
内燃機関用の点火装置に係る実施形態について、図1〜図5を参照して説明する。
本形態の点火装置1は、点火プラグ10と、点火プラグ10の点火を制御する制御部と、を有する。
点火プラグ10は、ハウジング2と、ハウジング2の内側に保持された中心電極3と、中心電極3との間に放電ギャップ11を設けた接地電極4と、を備えている。
点火プラグ10は、ハウジング2の先端部を、燃焼室72における基端側内面721から先端側Z1へ突出させた状態にて、内燃機関に配設されている。
基端側内面721から先端側Z1へ突出したハウジング2の先端突出部21は、少なくとも放電ギャップ11よりも燃焼室72における気流Fの下流側に形成されている。
そして、制御部は、図2に示すごとく、1サイクル中に複数回、点火プラグ10における点火を実行するよう構成されている。すなわち、点火装置1は、1回の圧縮行程において、複数回の点火を行うよう構成されている。
点火プラグ10は、筒状のハウジング2の内側に、筒状の絶縁碍子5を介して、中心電極3を配置している。そして、中心電極3の先端部は、ハウジング2及び絶縁碍子5から、先端側Z1へ突出している。
図3に示すごとく、接地電極4は、ハウジング2の先端から先端側Z1へ立設した立設部41を有する。図4に示すごとく、プラグ軸方向から見たとき、放電ギャップ11と立設部41との並び方向Xは、燃焼室72における気流Fの方向と異なる方向である。特に、本形態においては、並び方向Xは、気流Fの方向と略直交する。
図3に示すごとく、接地電極4は、立設部41の先端から点火プラグ10の中心軸側へ向かって屈曲している。そして、接地電極4における立設部41と反対側の端部付近が、軸方向Zにおいて、中心電極3と対向している。これにより、中心電極3と接地電極4との間に、放電ギャップ11が形成されている。
また、先端突出部21は、プラグ周方向の全周にわたり形成されている。すなわち、本形態においては、筒状のハウジング2の先端部が、全周において、基端側内面721から先端側Z1へ突出している。
なお、本明細書においては、点火プラグ10の軸方向Zにおいて、点火プラグ10が燃焼室72へ挿入される側を先端側Z1、その反対側を基端側Z2とする。
図1に示すごとく、燃焼室72の基端側内面721は、点火プラグ10の周囲において、点火プラグ10から遠ざかるにしたがって先端側へ向かうように傾斜している。点火プラグ10の先端突出部21は、点火プラグ10の外周側に隣接した位置における基端側内面721に対して、先端側Z1へ突出している。先端突出部21は、基端側内面721に対して、例えば、1.5mm以上、先端側Z1へ突出させることが望ましい。
本形態の点火装置1は、例えば、自動車等の車両用の内燃機関における着火手段として用いることができる。
点火装置1は、図示を省略する点火コイルにて生じさせた高電圧を、点火プラグ10に印加することにより、放電ギャップ11に火花放電を生じさせるよう構成されている。この放電のタイミング、すなわち高電圧の印加タイミング等を、制御部において制御している。
点火コイルは、互いに磁気的に結合した一次コイルと二次コイルとを有し、一次コイルに流れる一次電流を制御することで、二次コイルに流れる二次電流が制御される。すなわち、一次コイルへ流す一次電流の遮断に伴って、二次コイルに二次電圧が誘起される。そして、二次コイルの二次電圧が、点火プラグ10へ供給され、放電ギャップ11に高電圧が印加されることで、放電ギャップ11に放電が形成され、二次電流が流れる。
上述のように、制御部は、内燃機関の1サイクル中に複数回、点火プラグ10における点火を実行する。すなわち、1サイクル中に、点火コイルから点火プラグ10へ投入される二次電流P1、P2が、図2に示すごとく、時系列的に複数回に分かれて流れる。なお、図2において、P1にて示す波形が、1回目の放電における二次電流を示し、P2にて示す波形が、2回目の放電における二次電流を示す。
換言すると、点火エネルギ(すなわち、電気エネルギ)が、1サイクル中に点火コイルから点火プラグ10へ時系列的に複数回に分かられて供給される。ここで、複数回の点火の間隔、すなわち放電間隔Δtは、例えば、2m秒以下とする。本形態においては、1サイクル中に2回の点火を実行する。
また、本形態においては、2回の放電にそれぞれ用いられる点火エネルギ(すなわち、電気エネルギ)の大きさは、互いに略同等としている。
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記内燃機関用の点火装置1において、点火プラグ10は、ハウジング2の先端部を、燃焼室72における基端側内面721から先端側Z1へ突出させた状態にて、内燃機関に配設されている。そして、ハウジング2の先端突出部21は、少なくとも放電ギャップ11よりも燃焼室72における気流Fの下流側に形成されている。
これにより、図5に示すごとく、燃焼室72内における先端突出部21の下流側に隣接する空間に、気流Fの淀み部Sが形成される。すなわち、この空間(すなわち淀み部S)においては、気流Fが渦状に循環して停滞することにより、淀んだ状態となる。また、放電ギャップ11付近を通過し、先端突出部21を通過した気流は、淀み部Sに引き込まれる。
そして、制御部は、図2に示すごとく、1サイクル中に複数回、点火プラグ10における点火を実行するよう構成されている。これにより、1サイクル中において、図5に示すごとく、複数の火炎B1、B2が放電ギャップ11付近において、順次生じることとなる。各火炎B1、B2は、燃焼室72内の気流Fに流されるが、淀み部Sに引き込まれる気流Fに乗って、淀み部S付近に停滞することとなる。そうすると、時系列的に先に生じた火炎B1と、その後に生じた火炎B2とが、淀み部S付近において衝突し、重合することとなる。
それゆえ、燃焼室72内において火炎が成長しやすくなる。その結果、着火性を向上させることができる。
また、このような複数の火炎B1、B2の重合によって火炎を成長させることができるため、特に全体の点火エネルギを高くすることなく、着火性を向上させることができる。
プラグ軸方向Zから見たとき、放電ギャップ11と立設部41との並び方向Xは、気流Fの方向と異なる方向である。それゆえ、放電ギャップ11において生じた放電が、気流Fによって大きく引き伸ばされやすい。その結果、着火性を向上させることができる。特に、本形態においては、並び方向Xが、気流Fの方向と略直交する。そのため、上記の効果を一層高めることができ、着火性を一層向上させることができる。
また、先端突出部21は、プラグ周方向の全周にわたり形成されている。これにより、内燃機関への点火プラグ10の取付姿勢に関わらず、確実に、先端突出部21を、放電ギャップ11に対して気流の下流側に配置することができる。また、ハウジング2の形状を単純化することができ、製造コストを低減することができる。
以上のごとく、本形態によれば、点火エネルギを抑制しつつ着火性を向上させることができる、内燃機関用の点火装置を提供することができる。
(実施形態2)
本形態は、図6に示すごとく、点火プラグ10における放電の制御の仕方を変更した形態である。
すなわち、本形態において、制御部は、互いに前後する2回の点火のうち、1回目の点火における放電P1を、途中で強制的に終了させる。
図6には、点火信号IGtと、点火コイルにおける一次電流及び二次電流の時間変化を示す。同図に示すように、二次電流は、1回目の放電P1と、2回目の放電P2とにおいて、それぞれ点火プラグ10に供給される。各放電P1、P2においては、それぞれ、放電開始直後に電流のピークが生じ、その後、徐々に電流が小さくなる。
図2に示すごとく、2回目の放電P2においては、実施形態1(図2参照)と同様に、電流は徐々に低下して、ゼロになる。しかしながら、1回目の放電P1においては、実施形態1(図2参照)とは異なり、ピークから徐々に減少した二次電流がゼロに達する前に、急激に遮断される。この状態が、1回目の放電P1が強制的に終了させた状態である。
これを実現するために、図6に示すごとく、点火信号IGtを制御する。つまり、まず、点火信号IGtをオンして、一次電流を点火コイルに供給する。これにより、点火コイルに電気エネルギを蓄積する。その後、所定のタイミングにて、点火信号IGtをオフとして、一次電流を遮断することで、二次電流を点火プラグ10へ供給する。これにより、点火コイルに蓄積されていた電気エネルギが点火プラグ10へ供給されるが、蓄積されていた電気エネルギがすべて移動する前に、点火信号IGtを再びオンとする。
これにより、再び、点火コイルに一次電流が流れると共に、点火プラグ10へ供給される二次電流は遮断される。これにより、再び、点火コイルに電気エネルギが蓄積される。この電気エネルギは、1回目の放電時に残されていた電気エネルギに、重畳して、点火コイルに蓄えられる。それゆえ、2回目の放電P2に要する電気エネルギを、比較的短時間にて蓄えることができる。
その後、点火信号IGtをオフとして、一次電流を遮断することで、再び、二次電流を点火プラグ10へ供給する。これにより、点火コイルに蓄積されていた電気エネルギが再び、点火プラグ10へ供給され、2回目の放電P2が形成される。
その他の構成は、実施形態1と同様である。なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
本形態においては、1回目の放電P1と2回目の放電P2との間の時間間隔、すなわち放電間隔Δtを短くすることができる。すなわち、1回目の放電P1を、途中で強制的に終了させることにより、点火コイルに、電気エネルギを残しておくことができる。それゆえ、1回目の放電P1終了後から短時間で、2回目の放電P2に必要な電気エネルギを蓄積することができる。
これにより、1回目の放電P1終了後から短時間で、2回目の放電P2を行うことができる。つまり、放電間隔Δtを短くすることができる。その結果、後述するように、複数の点火によってそれぞれ生じた複数の火炎B1、B2同士が互いに近接しやすくなり、重合しやすくなる。それゆえ、着火性を一層向上させることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
(実施形態3)
本形態は、図7、図8に示すごとく、ハウジング2が衝立部211を有する形態である。
すなわち、本形態において、ハウジング2は、放電ギャップ11よりも燃焼室72における気流Fの下流側において、先端側へ突出した衝立部211を有する。そして、この衝立部211が先端突出部21を構成している。すなわち、衝立部211が、燃焼室72における基端側内面721よりも先端側Z1へ突出している。
衝立部211は、プラグ周方向の一部に形成されている。本形態においては、図8に示すごとく、衝立部211は、プラグ周方向の全体の略半分に形成されている。また、プラグ周方向において、衝立部211は、接地電極4の立設部41から、立設部41に対してプラグ中心軸を挟んで反対側の位置までにわたり形成されている。
そして、プラグ軸方向Zから見て、衝立部211が、放電ギャップ11に対して、気流Fの下流側となる姿勢にて、点火プラグ10が内燃機関に取り付けられている。
図7に示すごとく、衝立部211の先端は、放電ギャップ11よりも基端側に位置している。
その他の構成は、実施形態1と同様である。
本形態においては、点火プラグ10の先端部の燃焼室72への突き出し量を、特に放電ギャップ11に対する気流Fの上流側において、低減することができる。それゆえ、気流Fがより放電ギャップ11に到達し易くなり放電が伸び易くなる。また、衝立部211を、プラグ周方向の一部のみに形成することで、全周に形成する場合に比べて、ハウジング2の体積を小さくすることができる。その結果、衝立部211を含めたハウジング2による、初期火炎の冷却損失を低減することができる。これにより、失火を効果的に防ぎ、着火性を向上させることができる。
その他、実施形態1と同様の作用効果を有する。
(実験例)
本例は、図9〜図15に示すごとく、実施形態1に係る内燃機関用の点火装置につき、その効果確認試験を行った例である。
具体的には、図9に示す流動ベンチ8に点火プラグ10を取り付けて、模擬燃焼室82内における燃焼の様子を確認した。流動ベンチ8は、ベンチ筐体81内に、円環状の模擬燃焼室82を形成している。模擬燃焼室82の内側に、ロータ83が取り付けられており、ロータ83の回転Rによって、模擬燃焼室82内に気流Fを生じさせる。また、ベンチ筐体81には、外部から模擬燃焼室82の一部を目視するための可視化窓84が取り付けられている。
模擬燃焼室82内に混合気(空燃比A/F=26)を導入して、流速5m/sにて、流動させた。点火プラグ10は、気流Fの向きとの関係が、実施形態1に示した状態と同様になるように、流動ベンチ8に取り付けてある。また、模擬燃焼室82に、ハウジング2の先端突出部21が突き出している。この突出長さa(図1参照)は、約5mmである。この状態において、点火プラグ10を、下記の種々の放電パターンにて、放電させた。
パターン1は、1サイクル中の放電回数を1回とした放電パターンである。
パターン2〜8は、1サイクル中の放電回数を2回とした放電パターンである。そして、これらの放電間隔Δtは、下記の表1に示したとおりである。
いずれの放電パターンも、1サイクル中に点火プラグ10に供給する合計の電気エネルギを約80mJとして、略同等となるようにした。
このような放電パターンにて放電させたときのそれぞれの燃焼状態を、観察した。燃焼状態の観察は、流動ベンチ8の可視化窓84から、高速度カメラにて撮影した撮影画像にて行った。なお、この撮影は、シュリーレン法を用いて行った。シュリーレン法を用いた撮影画像(以下、「シュリーレン画像」という。)は、必ずしも火炎の外観と一致するわけではないが、燃焼反応が活発な部位ほど黒く(すなわち濃く)映ることになる。それゆえ、撮影画像において、黒い部分が燃焼部分と略一致しており、火炎と略一致していると考えることができる。本例においては、この黒く映った燃焼部分をも、便宜的に火炎と呼ぶこととする。
このような撮影を、放電開始時点から10m秒後、15m秒後、40m秒後の3つの時点にて、行った。2回放電の場合は、1回目の放電開始時点からの時間経過を基準とする。
各放電パターンによって得られた燃焼の撮影画像(すなわち、シュリーレン画像)の一部を、図10〜図14に示す。各図において、左から順に、放電開始10m秒後、15m秒後、40m秒後の画像をそれぞれ示す。
図10が、パターン1の場合のシュリーレン画像である。図11が、パターン2の場合のシュリーレン画像である。図12が、パターン3の場合のシュリーレン画像である。図13が、パターン6の場合のシュリーレン画像である。図14が、パターン8の場合のシュリーレン画像である。他の放電パターンのシュリーレン画像は、割愛する。
これらのシュリーレン画像から分かるように、火炎は、気流Fに流されて、一旦点火プラグ10から下流側(すなわち、各画像の右側)へ遠ざかるが、その後、火炎が拡大して、点火プラグ10に向って逆流する。そして、特に、パターン2及びパターン3は、燃焼部分が大きく拡大している。つまり、2回放電で、放電間隔Δtが短いパターンの場合、燃焼が拡大しやすいと考えられる。
これらのシュリーレン画像を基に、より客観的な評価を行うべく、以下の燃焼速度指標を定めて、各パターンの評価を行った。すなわち、放電開始後40m秒の時点において、逆流する火炎の先端位置(すなわち、左端位置)を、5段階で分類した。すなわち、逆流する火炎の先端が、可視化窓84の中央と点火プラグ10との間となるものを、レベル3とする。逆流する火炎の先端が、点火プラグ10にかかるものを、レベル4とする。逆流する火炎の先端が、点火プラグ10よりも上流側(すなわち各画像の左側)となるものを、レベル5とする。なお、レベル1、2は、一応設定したが、今回の試験では該当するものがなかったため、ここでは割愛する。
燃焼速度指標の評価結果を、上記の表1及び図15に示す。なお、表1における燃焼速度指標において「4〜4」、「5〜5」、「4〜5」との表記は、2度の繰り返し試験の結果が、それぞれ、「いずれもレベル5」或いは「レベル4とレベル5」であったことを示す。パターン1、2、3、5以外の放電パターンについては、試験は1度ずつ行った。また、図15において、白抜きのプロットは、2度の試験において、同じ燃焼速度指標が得られたことを示す。
表1及び図15から分かるように、パターン2、3は、特に燃焼速度指標が高い。これらの結果から、放電回数を1回とするよりも、放電回数を2回とした実施形態1の点火装置によって、燃焼速度を向上させ、着火性の向上を図ることが可能であることが分かる。そして、放電間隔Δtを短くすることにより、燃焼速度を確実に高くすることができる。例えば、放電間隔Δtを1.5m秒以下とすることが好ましいといえる。
なお、放電間隔の制御については、例えば、以下のような制御を行うこともできる。例えば、エンジン回転数や負荷に応じて、放電間隔を変更させるように制御することもできる。すなわち、エンジン回転数が高い場合は、燃焼室内の気流が速くなるため、より放電間隔を短くすることが好ましい。また、負荷が低くなると、燃焼室内の温度が低くなるため、放電間隔をより短くすることが好ましい。
このような制御を行うにあたり、例えば、燃焼室内の流速や温度を検出する手段を設けて、それらの検出値に応じて、放電間隔を制御することも考えられる。
また、各放電における電気エネルギが小さいほど、放電間隔をより短くする等の制御も考えられる。
本発明は上記各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 点火装置
10 点火プラグ
11 放電ギャップ
2 ハウジング
21 先端突出部
3 中心電極
4 接地電極
72 燃焼室
721 基端側内面

Claims (5)

  1. ハウジング(2)と、該ハウジングの内側に保持された中心電極(3)と、該中心電極との間に放電ギャップ(11)を設けた接地電極(4)と、を備えた点火プラグ(10)と、
    上記点火プラグの点火を制御する制御部と、を有し、
    上記点火プラグは、上記ハウジングの先端部を、燃焼室(72)における基端側内面(721)から先端側(Z1)へ突出させた状態にて、内燃機関に配設されており、
    上記基端側内面から先端側へ突出した上記ハウジングの先端突出部(21)は、少なくとも上記放電ギャップよりも上記燃焼室における気流(F)の下流側に形成されており、
    上記制御部は、1サイクル中に複数回、上記点火プラグにおける点火を実行するよう構成されている、内燃機関用の点火装置(1)。
  2. 上記制御部は、互いに前後する2回の点火のうち、1回目の点火における放電(P1)を、途中で強制的に終了させるよう構成されている、請求項1に記載の内燃機関用の点火装置。
  3. 上記接地電極は、上記ハウジングの先端から先端側へ立設した立設部(41)を有し、プラグ軸方向(Z)から見たとき、上記放電ギャップと上記立設部との並び方向(X)は、上記燃焼室における気流の方向と異なる方向である、請求項1又は2に記載の内燃機関用の点火装置。
  4. 上記先端突出部は、プラグ周方向の全周にわたり形成されている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の内燃機関用の点火装置。
  5. 上記ハウジングは、上記放電ギャップよりも上記燃焼室における気流の下流側において、先端側へ突出した衝立部(211)を有し、該衝立部が上記先端突出部を構成している、請求項1〜3のいずれか一項に記載の内燃機関用の点火装置。
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