JP4524417B2 - 点火プレート - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関における点火装置に関する発明であり、特にシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装される点火プレートに関するものである。

従来から、レシプロガソリンエンジンのような内燃機関の着火装置としてスパークプラグが使用されている。スパークプラグは、筒状のシリンダを有するシリンダブロックと、その上方に配置されたシリンダヘッド、及びその両者の気密を保持して介装されるガスケット、さらにはピストン、吸排気のバルブ等によって構成される円筒状の燃焼室に自身の火花放電部が面するように取り付けられ、燃焼の起点となる火花放電を繰り返し行っている。

スパークプラグによる火花放電が燃焼の起点となるため、スパークプラグはエンジンヘッドの略中央に配置されている。したがって、燃焼室内に充満した燃料混合ガスの燃焼は燃焼室の略中心から同心円状にその火炎核を広げてゆく。

近年、自然環境に対する意識の高まりから、エンジンには高出力で低公害という相反する性能の両立が求められ、効率のよい燃焼が望まれている。前述の通り、エンジンの燃焼はスパークプラグを起点として発生するため、燃焼室の中心から燃焼室内壁へ向けて順次火炎核が広がり、燃焼が行われている。そのため、燃焼室内壁付近では、ピストンの位置やエンジンの回転数等の様々な要因から燃料混合ガスの着火・燃焼が遅れることがあり、燃焼しなかった未燃焼ガスが上記性能の向上の妨げの一因となっている。

これらの未燃焼ガスの燃焼を促すため、ガスケットの内周面に火花放電が可能な電極を設けた点火プレートや多点点火式の内燃機関が提案されている。例えば、特許文献１のように、絶縁プレートに導電性のリード線（電極）の一部が燃焼室内に突出して火花放電間隙を形成するように保持され、その絶縁プレートの上側、下側にそれぞれガスケットを配置した構成を備えるものがある。しかし、このような構成を備える点火プレートを精度よく作製することは容易ではない。

絶縁プレートを作製する方法は次の通りである。例えばアルミナ等の原料粉末を混合しスラリー（泥漿）としたあと、絶縁プレートの原形を作製し、焼成するという工程がとられる。点火プレートはその構成上、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に装着されるため、プレートの表面は平坦面として構成されていなければ燃焼室の気密が保てず、ガスケット本来の性能を損なってしまうという問題を生じるが、一様に平坦な絶縁プレートを作製することは技術的にも容易ではない。また、絶縁プレートにリード線を狭持させるには２枚の絶縁プレートを貼り合わせるか、予め狭持させたうえで焼成を行うかということが考えられるが、たとえ平坦面を形成することができたとしても、絶縁プレートの貼り合わせ強度や、焼成工程におけるリード線の酸化腐蝕等、プレートの平坦面を形成する以外の別の問題が生じてしまう。

一方、特許文献１の別の実施例や特許文献２のように電極をセラミック製の電極支持体に保持させて一体物を作製した後に、その一体物を絶縁プレート中に埋設し保持させる構成がある。しかし、このためには、例えばガラス等の接着剤を用いることも検討できるが、接着剤の腐食や接合力の面でやはり気密の問題が依然として残る。また、製造コストや工数の増加も同様に懸念事項となる。

また、特許文献２の別の実施例のように、主体金具を備えた小型のスパークプラグを作製し、それを絶縁プレートに取り付ける方法も考えられる。しかし、電極の消耗対策として中心電極には所定の径を有し、高電圧にも耐えうるように所定の肉厚を有する絶縁碍子とし、さらに、気密を保持するために十分な締め付けトルクを得られるような主体金具とする構成とすれば絶縁プレートの厚みは必然的に増大してしまう。絶縁プレートが厚くなれば燃焼室の容積は増大するため、圧縮比が減少し、燃焼効率が低下する問題が生じる。この厚みの限界はエンジンの気筒数、仕様、排気量等により様々ではあるが、一般的には５ｍｍ以下であることが求められている。この厚みを実現しつつ、電極の耐消耗性、絶縁碍子の耐電性、気密性等の性能を得るためには寸法的な限界があり、また、それを実現できたとしても製造公差が殆ど許されない条件での製造となるため、量産が困難であったり、やはり製造コストの増大を避けることが困難である。

また、ガスケットを金属プレートとし、電極を保持させたセラミック製絶縁体（及びセラミック製栓体）を金属プレートに保持させる特許文献３に記載の構成では、絶縁体と金属プレートとの接合をガラスシール材にて行うとの記載ではあるが、金属とセラミックという極めて接合性の良好ではない物同士の接合、まして燃焼室に面するため高圧力が付加される環境下においては、絶縁体が燃焼圧力によって抜けてしまったり、気密を十分に保てるかどうかという問題がある。
特開昭５７−１４８０２０号公報 特開昭５７−１４８０２１号公報 実開昭５８−１４４０７７号公報

このように上記従来のいずれの構成もガスケットの本来の性能である気密確保の点における信頼性は決して高い構成ではなかった。また、気密確保の点で期待ができる構成ではプレート厚が大きくなってしまい、燃焼の高効率化の妨げとなる構成であった。

本発明の目的は、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装するガスケットとして燃焼室の気密を確実に保ちつつ、エンジンの圧縮比を損なわないように厚くなりにくい構成を備えた点火プレートを提供するものである。

上記目的を達成するため、第１の構成の点火プレートは、
自身の内周面と外周面とを連通し軸線を径方向とする貫通孔を有し、
シリンダボディとシリンダヘッドとの間に介装して前記内周面が燃焼室内壁の一部をなす環状の金属プレートと、
前記貫通孔内に位置し、自身の一端部を前記貫通孔から径方向内周側へ突出させ、当該一端部と前記金属プレートの内周面との間で火花放電間隙を形成する中心電極と、
前記中心電極を保持する絶縁碍子と、
を備えた点火プレートであって、
前記金属プレートの内周面よりも径方向外側に前記中心電極と前記絶縁碍子間及び該絶縁碍子と前記金属プレート間を気密に保持するハウジングを備えてなることを特徴としている。

この第１の構成の点火プレートは、エンジンに装着されたときにシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装されることによって自身の内周面が燃焼室内壁の一部を形成する。この内周面よりも径方向外側に燃焼室の気密を保持する部分であるハウジングを設けることによって、ガスケットとしての機能を損なうことなく点火プレートを実現することが可能となる。具体的に例示すると、シリンダブロックとシリンダヘッドとに挟まれる部分（以後、狭持部と称する。）には貫通孔を形成しているのみで気密を保持する部分を形成しない。この狭持部よりも外側でエンジンの構成部材に邪魔にならない場所にハウジングを形成することによって従来のガスケットと同等の厚さを維持しつつ燃焼室の気密を保持することが可能となる。なお、内周面よりも外側にて気密を保持するハウジングを設けているが、上記の狭持部の如く金属プレートが燃焼圧力に耐えうる幅だけ内周面から離間させてハウジングを形成すればよい。

さらに、第２の構成の点火プレートは、 前記絶縁碍子は、前記貫通孔の軸線方向に延びる軸孔を有し、
前記貫通孔内に位置する小径の脚長部と、
前記貫通孔から径方向外周側へ突出し前記脚長部よりも大径の鍔部を有し、
前記ハウジングは、前記絶縁碍子の鍔部を取り囲んで気密に保持し、
自身の先端部が前記金属プレートの外周面に溶接されてなることを特徴としている。

上記の点火プレートはガスケットの内周面と外周面とを連通する貫通孔において次のように気密を保持することができる。絶縁碍子と中心電極との間の気密については、あたかも従来のスパークプラグの構成のように、中心電極を絶縁碍子の軸孔内にて気密に保持する構成をとる。例えば、軸孔内に中心電極の後端部が位置するように配置し、その後端部をガラスシール材にて封着する。この封着は従前のスパークプラグと同様の方法とすることができるため、気密の確保における信頼性は確かである。

一方、絶縁碍子とハウジングとの間においてもスパークプラグ同様の構成を採用することができる。絶縁碍子に大径の鍔部を設けているので、ハウジングのうち貫通孔の軸線方向における外周側の部位を加締めて絶縁碍子を固定することもでき、この構成とすれば、従前のスパークプラグと同様に絶縁碍子とハウジングとの間の気密を確保することができる。

さらに、金属プレートの貫通孔とハウジングとの間の気密は、ハウジングと金属プレートとを溶接することによって確保している。この溶接が確実であるほど気密の確保に対しても信頼性は増加する。特に限定はしないが、溶接をより確実なものとするためには、構造が複雑であるのでレーザ溶接を好適に利用することができる。

一方、狭持部にはハウジングが位置しないように構成することが望ましい。点火プレートのうち、ハウジングと溶接している部分は溶接によるダレ等のため平坦面とならない虞があるので、狭持部にハウジングが位置することは気密を確保する点において望ましいものではない。このため、中心電極を保持する絶縁碍子がハウジングから大きく突出する脚長部を備えることによってハウジングと金属プレートとの溶接部を狭持部よりも外周側に位置させることが可能となる。なお、脚長部は貫通孔と接していてもよく、逆に空隙を有し接していなくてもよい。空隙を有するように構成すれば、その空隙をいわゆるガスボリュームとして設計することが可能となり、点火プレートの熱価の調整が可能となる。

このように構成した点火プレートの火花放電間隙は燃焼室の円筒状に沿って周回状に複数形成することが可能である。点火プレートの火花放電間隙が複数に形成されることによって発火部が増える構成となり、未燃焼ガスを燃焼する効果は一層向上する。その燃焼の際、各部位ごとに燃焼のバラツキが発生しないようにするためには、複数の火花放電間隙は周回状に等間隔に形成されているとよい。

また、本発明の点火プレートを構成する中心電極は、その一端部を曲折させて構成することができる。一端部を曲折させることによって、火花放電を行う部位を特定することが可能となるとともに、燃焼室の中央へ向かって突出する部分を少なくすることができる。燃焼室内に突出する部分が多いとピストン形状の設計の自由度を妨げ燃焼効率の低下となるばかりか、中心電極とピストンの接触により、エンジンの破壊をも招来する虞がある。本構成を採用すればこの虞を最小限に抑制することができる。なお、複数の火花放電間隙を形成している場合は、それぞれの曲折の度合いを揃えることが望ましい。

また、金属プレートの内周面に火花放電間隙を形成するにあたり、内周面の一部を金属プレートの中心側が凹となるように凹部を設け、その凹部の底部に金属プレートの外周面へ通ずる貫通孔を形成するようにすることが望ましい。金属プレートの内周面に凹部を設けることによって、火花放電間隙を形成するための中心電極の突出量を低減することができるためである。

本発明の点火プレートは必ずしも金属プレートとハウジングとを別体として構成したものを溶接して構成する必要はない。すなわち、
自身の内周面と外周面とを連通し、軸線を径方向とする貫通孔を有し、
シリンダボディとシリンダヘッドとの間に介装される環状の金属プレート部と、
前記金属プレート部の外周面に、前記貫通孔に連続して形成され、該金属プレート部の厚さよりも大きい外径を有する筒状部を備えるハウジングと、
前記貫通孔の軸線方向に延びる軸孔を有し、
前記貫通孔内に配置される小径の脚長部と、
前記貫通孔から外周へ突出し前記脚長部よりも大径の鍔部を形成した絶縁碍子と、
前記絶縁碍子の軸孔内で気密に保持され、
自身の一端部を前記脚長部から突出させ、前記金属プレートの内周面との間で火花放電間隙を形成する中心電極と、
前記筒状部にて前記絶縁碍子の鍔部を保持するように構成しても、燃焼室の気密を確保しつつ圧縮比が低くならないような薄いガスケットとして点火プレートを構成することが可能となる。

以下、本発明の点火プレートについて図面を参照して説明する。
図１は本発明の点火プレート１００の全体上面図を示している。この点火プレート１００は、概略、金属プレート１０、ハウジング３０、絶縁碍子４０、中心電極５０等が一体となって構成される。この点火プレート１００はエンジンのシリンダブロック（図示外）とシリンダヘッド（図示外）との間に介装され、両者の燃焼室の気密を保つガスケットとしての機能を果たす。

金属プレート１０は例えば炭素鋼製、厚さ５ｍｍの金属板を打ち抜き加工や切削加工等、周知の加工技術によって円環状に形成した部材であり、略円形の内周面１１が形成されている。この内周面１１で形成される内径はエンジンのシリンダ径よりも僅かに大きく形成している。一方、外周面１２は点火プレート１００を取り付けるエンジンの外形形状に合わせて適宜形成すればよいが、本実施例においては内周面１１と略同心円となる外周面１２を形成している。

金属プレート１０には燃焼室の内外を連通する貫通孔２０が形成されている。この連通孔２０は内周と外周を連通するように形成され、内周面１１のうち貫通孔２０が穿設された部位は、金属プレート１０の中心側に対して凹となるように凹部１５が凹設されており、貫通孔２０はこの凹部１５の底部１６に穿設された構成となっている。これらの加工はいかなる方法によって形成してもよいが、例えば、外周から内周に向けてドリルで穿設すると、内周面１１にはその切り粉やバリが生じるため、貫通孔２０を穿設した後に凹部１５を研削加工によって形成することが望ましい。また、外周面１２のうち貫通孔２０が穿設された部位はハウジング３０を溶接するため、ハウジング３０の先端部の外径（後述する接合小径部３４）と略同一の外径を有する突設部１９を形成している。

次にハウジング３０、絶縁碍子４０、中心電極５０について図２を用いて説明する。図２は金属プレート１０に接合する前のハウジング３０、絶縁碍子４０、中心電極５０等を有する一体成形物９０の一部断面拡大図である。

絶縁碍子４０はアルミナ等の絶縁性セラミックからなる円筒状の部材であって、軸孔４１を有し、軸方向の中間部に大径の鍔部４２を形成し、点火プレート１００の中心側（図２における下方。以後単に中心側と称する。）に向かって鍔部４２よりも小径の中胴部４３、さらに小径となる脚長部４４を形成している。一方、絶縁碍子４０のうち点火プレート１００の外周方向（図２における上方）には、鍔部４２よりも小径の胴部４５が形成されている。この軸孔４１には、中心電極５０が挿入されており、中心電極５０の一端部５１が絶縁碍子４０のうち中心側の端面である絶縁碍子内端面４６よりも突出した状態で絶縁碍子４０に保持されている。一方、中心電極５０の後端部は軸孔４１内にて導電性のガラスシール５によって封着固定されている。このガラスシール５よりも図面上方には抵抗体６、ガラスシール７が隣接しており、このガラスシール７によって絶縁碍子４０の後端部から突出する端子電極８が封着固定され、端子電極８から中心電極５０まで電気的に導通した状態を形成している。

ハウジング３０はＳ４５Ｃ等の鉄系素材に塑性加工、切削加工等を施してなる筒状の部材であり、内部に径の異なる軸孔を形成し、絶縁碍子４０を気密に保持するための部材である。このために、軸孔は中心側から順に小径孔３１、中径孔３２、大径孔３３を形成している。小径孔３１には絶縁碍子４０の脚長部４４がハウジング３０から突出するように挿通し、中径孔３２には中胴部４３を、大径孔３３には鍔部４２を配置し、リングパッキン２、３及びタルク（滑石）４等を公知のスパークプラグと同様に組み付け、ハウジング３０の上端の部分を加締めることによって絶縁碍子４０を保持し、両者の間での気密を確保する。一方、ハウジング３０の外形は公知のスパークプラグと略同等であるが、スパークプラグのようにエンジンへ取り付けるための雄ネジは必要なく、その代わりに先端部が金属プレート１０の突設部１９と略同一の外径を有するように接合小径部３４が形成されている。

以上のように図２に示す一体成形物９０は作成される。なお、本実施例では、中心電極５０の先端部５１を曲折させているが、一体成形物９０が完成した時点で曲折されている必要はなく、適宜任意の工程にて曲げ加工を行えばよい。

次いで金属プレート１０と一体成形物９０との接合が行われる。本実施例では、ハウジング３０の接合小径部３４と金属プレート１０の突設部１９を衝合させ、その衝合面にレーザビームを照射してレーザ溶接を行っている。なお、この接合を容易に行えるようにするために、ハウジング３０の接合小径部３４の先端にはさらに外径の小さい係合部３５を、その外径が金属プレート１０の貫通孔２０の内径と略同一か僅かに小さくなるように形成し、溶接の際の位置合わせが容易に行えるようにしている。さらに、その係合部３５の長さを調整することによって絶縁碍子４０の脚長部４４と貫通孔２０との間隙として形成されるガスボリューム２１を調整し、点火プレート１００の熱価を調整することができるという効果も奏している。

上記の金属プレート１０と一体成形物９０との接合により点火プレート１００は完成する。完成時には以下の構成を備えるように形成されている。
金属プレート１０は内周面１１に凹部１５が形成されている。この凹部１５は一体成形物９０が組み付けられたときに中心電極５０の先端部５１と火花放電間隙を形成する中心電極一端対向側面１７と、先端部５１が指向する側とは反対側（背面側）の中心電極背面側面１８と、そして貫通孔２０の内周面開口が形成されている底部１６とによって形成されている。なお、本実施例においては絶縁碍子４０の脚長部４４の先端である内端面４６は金属プレート１０の底部１６と面一となるようにハウジング３０から大きく突出する長さを有している。

以上のように作製された点火プレート１００は、エンジンのシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に介装され、端子電極８に外部からの電力を供給する電源コードが接続される。点火プレート１００は金属プレート１０によって構成されているので、エンジンに装着されることによってエンジンと導通し電気的に接地された状態となる。このようにして点火プレート１００はその内周面１１に形成された火花放電間隙にて火花放電を行うことができ、未燃焼ガスの燃焼を促進し、高効率、高出力、また低公害のエンジンを実現することが可能となる。なお、気密性に関しては、従前から使用されているスパークプラグと同等の構成を採用しているため、また、溶接という機械的にも化学的にも結合した構成を採用しているため、信頼性確かなものを実現することができる。

次に、本発明の変形例１について説明する。変形例１の構成は概略、前述の実施例と同じ構成を備えるので、共通する点に関する説明は省略する。
図３に変形例１を示す。この変形例１の点火プレート２００は貫通孔２２０の穿設方向が前述の実施例と異なり、金属プレート１０の中心に指向しておらず、複数穿設された貫通孔２２０がいずれも同じ角度をもって傾いた構成である。このため、中心電極の先端部２５１を曲折させることなく火花放電間隙を形成することができる。また、一体成形物９０の後端部である端子電極８が上記実施例に比較して金属プレート１０の中心寄りに構成されるため、点火プレート２００をエンジンに装着したときに省スペース化を実現することができる。

次いで、変形例２について説明する。
図４は変形例２の作製過程を示す図である。上記実施例においては、金属プレート１０、ハウジング３０を別部材として構成し、後工程にて両者を接合する作製方法としていたが、この変形例２では予め図５に示す金属プレートとハウジングが一体となった金属ケース３１０を作製しておく。そして、ハウジング３０の後端部に相当する加締め部３３６によって中心電極５０を保持した絶縁碍子４０を固定することによって、実施例である図１に記載の点火プレート１００を作製することができる。もちろん、この変形例２のように金属プレートとハウジングとを一体に作製したものを用いて変形例１に示す点火プレート２００を作製してもよい。

本発明はその主旨を逸脱しない範囲での各種変形が可能である。例えば、火花放電間隙を形成する中心電極の先端部や金属プレートの内周面には貴金属を配置することが可能である。この構成を採用すれば、火花消耗や酸化消耗に対する寿命を格段に向上させることが可能となる。

また、上記実施例ではガスボリュームを設けているが、その有無を問うものではなく、エンジンの仕様に合わせてガスボリュームの量を増減させたり無くしたりしてもよい。

また、本発明の点火プレートは、エンジンに装着するときにスパークプラグを用いなくてもエンジンを駆動させることが可能であるが、もちろんスパークプラグと併用することを禁止するものではない。

図１は、本発明の実施形態の点火プレート１００を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図を示すものである。 図２は、本発明の点火プレート１００として完成する過程に作製される中間物であるハウジング３０、絶縁碍子４０、中心電極５０等を有する一体成形物９０を示す図である。 図３は、本発明の別の実施形態である変形例の点火プレート２００を示す図である。 図４は、本発明の別の実施形態である変形例を示し、その作成過程における金属ケース３１０を示す図である。

符号の説明

１０ 金属プレート
２０ 貫通孔
３０ ハウジング
４０ 絶縁碍子
５０ 中心電極
１００，２００ 点火プレート
３１０ 金属ケース

Claims (7)

1. 自身の内周面と外周面とを連通し軸線を径方向とする貫通孔を有し、
   シリンダボディとシリンダヘッドとの間に介装して前記内周面が燃焼室内壁の一部をなす環状の金属プレートと、
   前記貫通孔内に位置し、自身の一端部を前記貫通孔から径方向内周側へ突出させ、当該一端部と前記金属プレートの内周面との間で火花放電間隙を形成する中心電極と、
   前記中心電極を保持する絶縁碍子と、
   を備えた点火プレートであって、
   前記金属プレートの内周面よりも径方向外側に前記中心電極と前記絶縁碍子間及び該絶縁碍子と前記金属プレート間を気密に保持するハウジングを備えることを特徴とする点火プレート。
2. 前記絶縁碍子は、前記貫通孔の軸線方向に延びる軸孔を有し、
   前記貫通孔内に位置する小径の脚長部と、
   前記貫通孔から径方向外周側へ突出し前記脚長部よりも大径の鍔部とを有し、
   前記ハウジングは、前記絶縁碍子の鍔部を取り囲んで気密に保持し、
   自身の先端部が前記金属プレートの外周面に溶接されること
   を特徴とする請求項１に記載の点火プレート。
3. 前記貫通孔において当該貫通孔と前記絶縁碍子との間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の点火プレート。
4. 前記火花放電間隙が複数形成されていることを特徴とする請求項１ないし３に記載の点火プレート。
5. 前記中心電極の一端部を曲折させてなることを特徴とする請求項１ないし４に記載の点火プレート。
6. 前記貫通孔は、凹部として形成された前記金属プレートの内周面の一部と、該金属プレートの外周とが連通していることを特徴とする請求項１ないし５に記載の点火プレート。
7. 自身の内周面と外周面とを連通し、軸線を径方向とする貫通孔を有し、
   シリンダボディとシリンダヘッドとの間に介装される環状の金属プレート部と、
   前記金属プレート部の外周面に、前記貫通孔に連続して形成され、該金属プレート部の厚さよりも大きい外径を有する筒状部を備えるハウジングと、
   前記貫通孔の軸線方向に延びる軸孔を有し、
   前記貫通孔内に配置される小径の脚長部と、
   前記貫通孔から外周へ突出し前記脚長部よりも大径の鍔部を形成した絶縁碍子と、
   前記絶縁碍子の軸孔内で気密に保持され、
   自身の一端部を前記脚長部から突出させ、前記金属プレートの内周面との間で火花放電間隙を形成する中心電極と、
   前記筒状部にて前記絶縁碍子の鍔部を保持する点火プレート。

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