JP3240093U - 点火強度強化構造、点火強化装置及び点火システム - Google Patents

Abstract

点火強度強化構造を提供し、高圧線（１）を接続するための入力端と、ギャップ型点火装置（１８）を接続するための出力端とを備え、前記入力端と前記出力端との間に第２の放電ギャップ（３）がある。該構造は、電流に対して飛火処理を行うことにより、ギャップ型点火装置内にバースト形状の丸形火花を生成することができ、丸形火花によって運ばれて放出されたエネルギーは、線形火花よりもはるかに強度が大きく、範囲が広く、それにより、点火効果は速度及び強度の点で強化される。また、上記構造を使用した点火強化装置及び点火システムをさらに提供する。

Description

本考案は電気火花点火の技術分野に関し、特に点火強度強化構造、点火強化装置及び点火システムに関する。

現在の点火装置では、電気火花を使用して点火を実現する装置は非常に一般的であり、特に、可燃性ガスを点火する用途において、ほとんど電気火花式点火装置を使用する。既存の電気火花式点火装置は、基本的に高圧線と低圧線（又は接地、アースによって形成された低圧線）との間に放電ギャップを設けて、放電ギャップの間に電気火花を形成することにより作業を完了する。それは、上記放電ギャップ（すなわち、本考案に記載の第１の放電ギャップ５）を介して電気火花を励起して点火することから、ギャップ型点火装置１８と呼ばれる。

ただし、このように形成された電気火花は小さなアークに過ぎず、それが細長い状であるため、ここで線形火花と呼ばれる。線形火花は可燃性ガスを点火する能力を持っているが、エンジンに使用される場合など、点火プロセスの速度、強度等に対する要件が高い場合に、線形火花は、可燃性ガスと非常に小さい接触面積を有することに加えて、自体に運ばれて外部に伝達されるエネルギーが非常に小さいため、油とガスの混合物は非常に小さい点火エネルギーしか得られず、また、それが点火箇所から周辺にしか拡散的に燃焼できないため、燃焼によって放出されたエネルギーが徐々に放出され、その結果、ピストンの推力が弱くて小さくなり、ピストン全体の受けた力が小さくなって仕事が減少し、さらにエンジン全体のエネルギー変換効率が低下する。また、混合ガスでは、燃焼が不十分である現象はよく発生し、特に、高速回転のエンジンの場合、エンジンは毎秒数十回転又は数百回転し、エンジンの吸気、加圧、爆発、排気という４つのプロセスは、非常に短い時間内で完了しなければならず、混合ガスが常に完全に燃焼せずに排出され、その結果、シリンダ及びエンジンの排気管路内の炭素が深刻に堆積され、大気中に直接排出された炭素粉末又は一酸化炭素等は、実際に、すべて燃焼すべき燃料であり、これらの無駄な化学エネルギー及びエンジン内に堆積されてエンジンの通常の動作を妨げる炭素堆積物は、エンジンの全体的な効率をさらに低減させる。

本考案が解決しようとする技術的課題は、従来の線形火花点火方式に比べて、装置の点火強度を強化できる構造、該構造を使用した点火強化装置及び点火システムを提供することである。

上記技術的課題を解決するために、本考案の技術的解決手段は以下のとおりである。点火強度強化構造であって、高圧線を接続するための入力端と、ギャップ型点火装置を接続するための出力端とを備え、前記入力端と前記出力端との間に第２の放電ギャップがある。

さらに、前記入力端に高電圧極が接続され、前記出力端に低電圧極が接続され、前記高電圧極と低電圧極は鋭い先端を有する。

さらに、前記第２の放電ギャップが隔離室内に密閉される。

点火強化装置であって、前述した点火強度強化構造を備える。

さらに、装置本体と、装置本体に直列接続されたスペーサ装置とを備え、前記スペーサ装置は、前述した点火強度強化構造を備え、前記装置本体は点火コイル、分電器又は点火プラグである。

さらに、前記装置本体は点火プラグであり、前記点火プラグは長尺形状の中心電極を備え、前記中心電極の上端に端子Ａがあり、中心電極の軸方向に１層の絶縁体が外嵌され、絶縁体の外に金属シートが外嵌され、金属シートの底端に側方電極が突き出され、側方電極と中心電極の底端との間に第１の放電ギャップがあり、前記中心電極に第２の放電ギャップが設けられる。

さらに、前記第２の放電ギャップが５～１２ｍｍに設定される。

さらに、絶縁スリーブを備え、前記絶縁スリーブの一端には、高圧線を接続するための端子Ｂが設けられ、絶縁スリーブの他端には、既存の点火プラグの既存の端子が挿入するための開口部があり、前記点火強化装置を取り付けた後、端子Ｂと既存の端子との間に第２の放電ギャップがある。

さらに、前記端子Ｂと既存の端子の形状は同じである。

点火システムであって、前述した点火強化装置を備える。

上記技術的解決手段を採用することにより、本考案の技術的効果は、従来の線形火花点火方式に比べて装置の点火強度を強化できる構造を提供することであり、該構造は、電流に対して飛火処理を行うことにより、ギャップ型点火装置内にバースト形状の丸形火花を生成することができ、丸形火花によって運ばれて放出されたエネルギーは、線形火花よりもはるかに強度が大きく、範囲が広く、それにより、点火効果は速度及び強度の点で強化される。特にエンジンに使用された後、燃料を完全で迅速に燃焼させるため、エンジンの出力トルクを増加し、燃料を節約し且つ有害な排気ガスを削減することができ、特に、エンジンの炭素堆積の問題を解決して、エンジンの耐用年数を延ばし、エンジンの全体的な効率を向上させることができる。上記機構を使用した点火強化装置及び点火システムも同様に上記技術的効果を有する。

本考案の回路論理図である。 本考案の点火プラグの構造模式図である。 本考案の点火強化装置の取り付けられた後の構造模式図である。

図１の回路原理図に示すように、既存の電気火花式点火装置に比べて、本考案の主な革新は第２の放電ギャップ３の追加である。既存の電気火花式点火装置では、その回路構造は、高圧線１と低圧線７との間に第１の放電ギャップ５（並列接続された複数の第１の放電ギャップ５を有するケースを含む）が設けられるという構造に簡略化されてもよい。本考案では、第１の放電ギャップ５と高圧線１との間に直列接続された第２の放電ギャップ３が追加され、その具体的な構造は、第２の放電ギャップ３を形成する２つの放電電極がそれぞれ高電圧極１５及び低電圧極１６であり、高電圧極１５が高圧線１に接続され、低電圧極１６が中間線４を介して第１の放電ギャップ５を有する一方の放電電極に接続され、第１の放電ギャップ５の他方の放電電極が低圧線７に接続されることである。

このように配置すると、最終的に、２つの直列接続された放電ギャップを有するダブルギャップ型点火システムを形成することができる。上記構造を有する点火システムでは、第１の放電ギャップ５は依然として点火に使用され、第２の放電ギャップ３の主な機能は「飛火」であり、つまり、点火放電の時、電流は１つの放電ギャップをスキップして、正常な線形火花を形成し、「飛火」後の電流は、２番目の放電ギャップ、即ち前記第１の放電ギャップ５に遭うと、バースト形状の丸形火花を形成する。丸形火花及び線形火花は、自然界における雷が長尺形状の枝状雷と球雷とに分けられることに本質的にほぼ類似している。実験的観測によると、丸形火花によって運ばれて放出されたエネルギーは、線形火花よりもはるかに強度が大きく、範囲が広い。発明者は自動車の点火プラグで試験し、従来、単一の第１の放電ギャップ５のみを有する点火プラグは点火の時に長さ２ｍｍの無音のアーク（すなわち線形火花）しか放出できず、点火プラグの外に第２の放電ギャップ３を追加した後、従来の点火プラグは、直径が約十数ミリメートルで非常に大きな爆発音が伴われる丸形火花を放出することができ、最初に計算したところ、電気火花が放出したエネルギーは当初の５０～１００ｍＪから約ｌ０００ｍＪまで急激に増加した。従ってエンジンシリンダ内の混合ガスの得られる点火エネルギーが倍増され、且つ線形火花に比べて、丸形火花と混合ガスとの間により大きい接触範囲があるので、最終的に、混合ガスは広範囲で迅速に燃焼し、且つ燃焼が十分である。発明者による長期試験の後、第２の放電ギャップ３を追加した自動車は、既存の条件が変化しない状況で、車両の動力が著しく増加し、且つ燃料消費量が約１０％～１５％削減され、特に、エンジンが長期動作する場合、シリンダヘッドを取り外した後、通常、黒い炭素堆積物が深刻に蓄積される箇所において、非常に薄い層の灰白色物質のみが見られ、これは燃料が十分に燃焼され、十分に燃焼されていない炭素堆積物が形成されないことを表し、それにより、燃料の化学エネルーが十分に放出され、燃料消費量が削減されてエンジンの変換効率が向上し、現在の省エネルギーで排出削減の大きな傾向に適合し、また、炭素堆積の問題が解決されるため、エンジンは、故障率が低減され、オーバホール時間が長くなり、より堅牢で耐久性がある。

なお、上記ダブルギャップ型点火システムは、エンジンに適用できるだけでなく、点火効果を高めるように、ガスストーブ等、従来線形火花を使用して点火する場合にも適用できる。それがエンジンに具体的に実装されることは本考案の好ましい実施形態である。

本考案は、主に第１の放電ギャップ５で生成された丸形火花を利用して点火するため、第２の放電ギャップ３での火花も燃焼対象物に点火して点火効果に影響を与えることを回避するように、好ましくは、第１の放電ギャップ５と第２の放電ギャップ３との間は隔離され、たとえば、第１の放電ギャップ５のみを燃焼室６（たとえばエンジンシリンダ室）内に包み、又は開放式空間内の可燃物に点火することに適用される場合、第１の放電ギャップ５を隔離室２内に密閉する。

また、アークを形成して「飛火」することを容易にするために、高電圧極１５と低電圧極１６は鋭い先端を有し得る。

また、本考案の顕著な特徴は、既存の点火システムの第１の放電ギャップ５のみを有するギャップ型点火装置１８を利用することができることであり、点火システム内の対応する位置に第２の放電ギャップ３のみを備えるスペーサ装置１７を直列接続すれば十分であり、スペーサ装置１７が点火強化装置として使用され、元の点火システムを必ずしもダブルギャップを有する点火装置に交換する必要がない。従って、これは既存の元の装置の改造に非常に有利であり、少ないコストを投入して、既存の点火システムの高圧線１の任意の箇所に第２の放電ギャップ３を備えるスペーサ装置１７を追加すればよい。特に、既存の燃料車の場合、投入コストが少なく、省エネルギーで排出削減の効果が大きく、アップグレードや改造が簡便で実行されやすいという特徴を有する。

ただし、自動車エンジンの場合、スペーサ装置１７は、高圧線１中の新たに追加された単一部材であってもよく、又は、点火コイル、分電器等の点火システム部材と一体に統合されて、既存の点火プラグ（すなわち、ギャップ型点火装置１８に相当）と連携して使用されてもよく、さらに、スペーサ装置１７を既存の点火プラグと一体に統合して、統合された点火強化装置を形成することもよい。

発明者の長年の実践の経験に基づき、スペーサ装置１７を既存の点火プラグと一体に統合することは好ましく、このような解決手段は構成が簡単で、効果も優れる。以下、新型点火プラグの具体的な実施例を説明する。

図２に示すように、本考案の点火プラグは既存の点火プラグと基本的に同じであり、いずれも長尺形状の中心電極１０を備え、中心電極１０の上端に端子Ａ８があり、中心電極１０の軸方向に１層の絶縁体９が外嵌され、絶縁体９の外に雄ねじ付きの金属シート１１が外嵌され、金属シート１１の底端に側方電極１２が突き出され、側方電極１２と中心電極１０の底端との間に第１の放電ギャップ５があり、使用する場合、端子Ａ８は高圧線１に接続され、金属シート１１はエンジンブロック（アースとも呼ばれる）にねじで接続されて低圧線７を形成する。本点火プラグと既存の点火プラグとの区別は、中心電極１０に第２の放電ギャップ３が設けられて、中心電極１０が２つの部分に分けられることである。第２の放電ギャップ３を形成する両端は、好ましくは、放電を容易にするために鋭い先端である。

実践の経験に基づきまとめると、他の条件が変化しない場合、第２の放電ギャップ３の距離が大きいほど、第１の放電ギャップ５に形成された丸形火花の直径が大きくなり、エネルギー放出強度が高くなり、しかし、装置全体の点火時間、すなわち２段階の電気火花の点火を完了する合計時間は長くなる。エンジン、特に高速回転のエンジンに適用される場合、点火時間が長すぎると、エンジンの点火の不良（シリンダ起動遅延とも呼ばれる）を引き起こす恐れがあり、従って第２の放電ギャップ３の距離を適切に制限する必要がある。発明者の長年の実践の経験に基づき、第２の放電ギャップ３は、好ましくは、５～１２ｍｍである。第２の放電ギャップ３が５ｍｍである場合、第１の放電ギャップ５で十分な丸形火花を形成することができ、その丸形火花の直径が比較的小さいが、十分な点火強化効果を有し、また、点火時間が短いため、シリンダ起動遅延の問題が発生せずに、様々なエンジンに適用できる。第２の放電ギャップ３が１２ｍｍである場合、シリンダ内の丸形火花の強度が非常に高く、非常に優れた点火強化効果を得ることができ、また、その点火時間が比較的長いが、ほとんどのエンジンの高速で回転する場合の要件を満たすことができ、基本的にシリンダ起動遅延の問題を引き起こさない。

上記したのは新型点火プラグであるが、既存の装置を容易に改造するために、発明者は既存の点火プラグを改造した点火強化装置をさらに提案する。図３に示すように、その下部は連通する中心電極１０を備える既存の点火プラグであり、中心電極１０の上端は既存の端子１９である。本点火強化装置は既存の点火プラグの上部に追加されて、絶縁スリーブ１３を備え、絶縁スリーブ１３の一端には、高圧線１を接続するための端子Ｂ１４が設けられ、絶縁スリーブ１３の他端には、既存の端子１９が挿入され、取り付けた後、端子Ｂ１４と既存の端子１９との間に第２の放電ギャップ３があり、好ましくは、第２の放電ギャップ３を５～１２ｍｍに設定する。本装置の顕著な特徴の１つは既存の点火プラグの既存の端子１９を第２の放電ギャップ３の放電電極の１つとして利用し、材料を節約することである。絶縁スリーブ１３上の既存の端子１９が挿入される開口部は本装置の出力端に相当する。明らかに、装置の出力端と入力端の両方は、既存のデバイスに接続して固定され、第２の放電ギャップ３を形成するための放電電極にすることができれば、材料節約の効果がより良好であり、構造も比較的よりシンプルになる。本装置は開放式の露出構造に製造されてもよいが、裸火が他の物体に引火するのを防止するために、第２の放電ギャップ３を絶縁スリーブ１３等の密閉空間（すなわち隔離室２に相当）内に密閉することは好ましい。また、端子Ｂ１４は、既存の端子１９と同様の外形に製造することができるため、既存の回路の取り付けを容易にすることができ、既存の回路の接続ヘッドを変更する必要がない。

上記点火強化装置を自動車のエンジンに適用した後、発明者が長期に試験したところ、車両は、動力が増加し、燃料消費量が節約されて排出量が減少するだけでなく、長期に動作するとエンジンに他の異常が発生せず、逆に、炭素堆積物の除去によりエンジンのオーバホール周期が長くなり、且つ点火システムの故障率も低下の傾向がある。従って、それは省エネルギーで排出削減の大きな傾向に適合して、極めて大きな普及価値を持ち、市場の将来性が高い。

１－高圧線、２－隔離室、３－第２の放電ギャップ、４－中間線、５－第１の放電ギャップ、６－燃焼室、７－低圧線、８－端子Ａ、９－絶縁体、１０－中心電極、１１－金属シート、１２－側方電極、１３－絶縁スリーブ、１４－端子Ｂ、１５－高電圧極、１６－低電圧極、１７－スペーサ装置、１８－ギャップ型点火装置、１９－既存の端子

Claims (10)

1. 点火強度強化構造であって、高圧線（１）を接続するための入力端と、ギャップ型点火装置（１８）を接続するための出力端とを備え、前記入力端と前記出力端との間に第２の放電ギャップ（３）がある、ことを特徴とする点火強度強化構造。
2. 前記入力端に高電圧極（１５）が接続され、前記出力端に低電圧極（１６）が接続され、前記高電圧極（１５）と低電圧極（１６）は鋭い先端を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の点火強度強化構造。
3. 前記第２の放電ギャップ（３）が隔離室（２）内に密閉される、ことを特徴とする請求項１に記載の点火強度強化構造。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の点火強度強化構造を備える、ことを特徴とする点火強化装置。
5. 装置本体と、装置本体に直列接続されたスペーサ装置（１７）とを備え、前記スペーサ装置（１７）は、請求項１～３のいずれか１項に記載の点火強度強化構造を備え、前記装置本体は、点火コイル、分電器又は点火プラグである、ことを特徴とする請求項４に記載の点火強化装置。
6. 前記装置本体は点火プラグであり、前記点火プラグは長尺形状の中心電極（１０）を備え、前記中心電極（１０）の上端に端子Ａ（８）があり、中心電極（１０）の軸方向に１層の絶縁体（９）が外嵌され、絶縁体（９）の外に金属シート（１１）が外嵌され、金属シート（１１）の底端に側方電極（１２）が突き出され、側方電極（１２）と中心電極（１０）の底端との間に第１の放電ギャップ（５）があり、前記中心電極（１０）に第２の放電ギャップ（３）が設けられる、ことを特徴とする請求項５に記載の点火強化装置。
7. 前記第２の放電ギャップ（３）が５～１２ｍｍに設定される、ことを特徴とする請求項６に記載の点火強化装置。
8. 絶縁スリーブ（１３）を備え、前記絶縁スリーブ（１３）の一端には、高圧線（１）を接続するための端子Ｂ（１４）が設けられ、絶縁スリーブ（１３）の他端には、既存の点火プラグの既存の端子（１９）が挿入するための開口部があり、前記点火強化装置を取り付けた後、端子Ｂ（１４）と既存の端子（１９）との間に第２の放電ギャップ（３）がある、ことを特徴とする請求項４に記載の点火強化装置。
9. 前記端子Ｂ（１４）と既存の端子（１９）の形状は同じである、ことを特徴とする請求項８に記載の点火強化装置。
10. 請求項４～９のいずれか１項に記載の点火強化装置を備える、ことを特徴とする点火システム。

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