JP4650765B2 - 内燃機関用のスパークプラグ - Google Patents

Description

本発明は、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等に使用する内燃機関用のスパークプラグに関する。

自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等に使用する内燃機関においては、燃料と空気とを混合した混合気を燃焼室に導入し、燃焼室において燃料と酸素とを反応させることにより燃焼を起こし、その膨張力を動力源としている。
そして、この燃料と酸素との反応は、スパークプラグによる火花放電によって生じさせる。

しかしながら、燃料と酸素との反応を生じさせるためには、図８に示すごとく、ある程度の活性化エネルギーＥ１，Ｅ２が必要である。図８は、燃料（Ｃ_nＨ_m）を燃焼（酸化）させてＣＯ₂とＨ₂Ｏとする際のエネルギー曲線を示し、曲線Ｌが、通常の状態の酸素（Ｏ₂）と燃料（Ｃ_nＨ_m）とを反応させる際のエネルギー曲線であり、曲線Ｍが、Ｏ⁻イオンと燃料（Ｃ_nＨ_m）とを反応させる際のエネルギー曲線である。曲線Ｌに示すごとく、酸素（Ｏ₂）と燃料（Ｃ_nＨ_m）とを反応させるための活性化エネルギーＥ１は比較的大きい。そのため、混合気へ与えるエネルギーが不充分となると着火性が低下するおそれがある。特に、希薄燃焼エンジン等においては、着火性の低下が問題となる。

特開２００４−７５４３１号公報

そこで、酸素（Ｏ₂）よりも活性化エネルギーＥ２の低いＯ⁻イオンを燃料と反応させることにより、着火性を向上させることが考えられる。即ち、例えば特許文献１に開示されたＯ⁻イオン発生装置を用いて、Ｏ⁻イオンを発生させ、内燃機関の燃焼室に導入することが考えられる。
しかしながら、Ｏ⁻イオンの寿命は数ｍ秒以下と短いため、外部からＯ⁻イオンを供給すると、燃料と反応する前にその殆どが消滅してしまうという問題がある。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、着火性に優れた内燃機関用のスパークプラグを提供しようとするものである。

本発明は、外周に取付け用ネジ部を設けた取付金具と、該取付金具の中心軸側に保持される絶縁碍子と、該絶縁碍子の中心軸側に保持される中心電極と、上記取付金具に取付けられると共に上記中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを備えた内燃機関用のスパークプラグであって、
上記中心電極の先端部には、Ｏ⁻イオンを発生させるＯ⁻イオン発生部を配設してなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記スパークプラグは、上記中心電極の先端部に上記Ｏ⁻イオン発生部を配設してなる。そして、Ｏ⁻イオン発生部から発生したＯ⁻イオンを、スパークプラグの火花放電により燃料と反応させて、容易に混合気に着火することができる。
即ち、Ｏ⁻イオンは、活性化エネルギーが小さいため、低エネルギーで燃料と反応しやすく、燃焼を起こしやすい。それ故、混合気の着火性を向上させることができる。

また、上記Ｏ⁻イオンは寿命が極めて短いが、Ｏ⁻イオン発生部がスパークプラグの中心電極の先端部に備え付けてあることにより、Ｏ⁻イオンが消滅する前に燃料との反応を行うことが可能となる。即ち、Ｏ⁻イオンを外部から導入して燃料と反応させようとしても、反応前にＯ⁻イオンが消滅してしまうおそれがある。これに対し、中心電極の先端部に備え付けたＯ⁻イオン発生部から発生したＯ⁻イオンは、即座に火花放電ギャップ付近における燃焼反応に用いることができる。即ち、火花放電ギャップ付近にＯ⁻イオンと燃料とが充分に共存した状態において火花放電することができ、これにより効率的な着火を行うことができる。
また、上記Ｏ⁻イオン発生部が中心電極の先端部に設けてあるため、中心電極と接地電極との間の電圧を用いて、Ｏ⁻イオン発生部からＯ⁻イオンを発生させることができる。そのため、簡単な構成で、効果的にＯ⁻イオンを発生させることができる。

また、Ｏ⁻イオンを火花放電ギャップ付近に存在させることにより、火花放電ギャップにおける絶縁破壊が生じやすくなり、低電圧で放電させることが可能となる。かかる観点からも、着火性を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、着火性に優れた内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。

本発明（請求項１）において、上記内燃機関用のスパークプラグは、例えば、自動車、コージェネレーション、ガス圧送用ポンプ等の内燃機関における点火手段として用いることができる。

また、上記Ｏ⁻イオン発生部は、イオン導電性の固体電解質体からなることが好ましい請求項２）。
この場合には、Ｏ⁻イオンを効果的に発生させることができる。

また、上記Ｏ⁻イオン発生部は、１２ＣａＯ−７Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃａ₁₂Ａｌ₁₀Ｓｉ₄Ｏ₃₅、及びＣａＦｅ₂Ｏ₅のいずれかからなることが好ましい（請求項３）。
この場合には、上記の各物質が活性酸素含有物質であり、Ｏ⁻イオンを一層効果的に発生させることができる。

また、上記Ｏ⁻イオン発生部は、多孔質導電体を介して上記中心電極の先端部に接続されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、Ｏ⁻イオン発生部に対して、中心電極側の面からも酸素（Ｏ₂）を供給することができる。即ち、Ｏ⁻イオン発生部のあらゆる方向から酸素（Ｏ₂）を供給することができる。そのため、Ｏ⁻イオン発生部において、より多くのＯ⁻イオンを発生させることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる内燃機関用のスパークプラグにつき、図１〜図４を用いて説明する。
本例のスパークプラグ１は、図１に示すごとく、外周に取付け用ネジ部２１を設けた取付金具２と、該取付金具２の中心軸側に保持される絶縁碍子３と、該絶縁碍子３の中心軸側に保持される中心電極４と、上記取付金具２に取付けられると共に上記中心電極４の先端部４１との間に火花放電ギャップＧを形成する接地電極５とを備えてなる。
そして、図１、図２に示すごとく、上記中心電極４の先端部４１には、Ｏ⁻イオンを発生させるＯ⁻イオン発生部６が配設してある。

また、上記Ｏ⁻イオン発生部６は、イオン導電性の固体電解質体からなる。該固体電解質体は、活性酸素含有物質からなり、具体的には、１２ＣａＯ−７Ａｌ₂Ｏ₃（アルミナセメント）、Ｃａ₁₂Ａｌ₁₀Ｓｉ₄Ｏ₃₅、ＣａＦｅ₂Ｏ₅等を用いることができる。
図２に示すごとく、上記Ｏ⁻イオン発生部６は、中心電極４の先端部４１において、接地電極５に対向する位置に設けてある。また、中心電極４は負極となり、接地電極５が正極となる。

そして、スパークプラグ１を使用する際には、図３の曲線Ｓに示すごとく、放電タイミングの直前に、中心電極４と接地電極５との間に、放電しない範囲の電圧をかける（図３のＳ１参照）。例えば１Ｖ〜１０ｋＶの電圧を０．１〜５ｍ秒間かける。このとき、中心電極４の先端部４１に配されたＯ⁻イオン発生部６からＯ⁻イオンが発生する。
次いで、中心電極４と接地電極５との間に、例えば１０〜３０ｋＶという大きな電圧をかけ、火花放電ギャップＧに火花放電を生じさせる（図３のＳ２参照）。これにより、上記のごとく発生したＯ⁻イオンと、燃料とが反応して、着火することとなる。

次に、Ｏ⁻イオン発生部６におけるＯ⁻イオン発生の推定メカニズムにつき、図４を用いて説明する。
即ち、Ｏ⁻イオン発生部６が取付けられた中心電極４は、接地電極５に対して、マイナスの電圧がかけられる。そして、正極となる接地電極５の中心電極４側の面には、プラス電荷が現れる。これにより、Ｏ⁻イオン発生部６に包蔵されていたＯ⁻が、接地電極５側すなわち火花放電ギャップＧへ放出される。

また、Ｏ⁻イオン発生部６（固体電解質）には、燃焼室に供給される空気中の酸素Ｏ₂が付着し、負極である中心電極４から電子ｅが供給される。これにより、Ｏ⁻イオン発生部６（固体電解質）においては、酸素Ｏ₂が電子ｅを得てイオン化してＯ₂ ⁻となり、更に、ＯとＯ⁻とが分かれてＯ⁻イオンが発生し、Ｏ⁻イオン発生部６に補充される。そして、またこのＯ⁻イオンが火花放電ギャップＧへ次々と供給されることとなる。

また、中心電極４は、基端側において電圧を供給する接続端子４０４を有する基端側中心電極部４０２と、先端部４１を有する先端側中心電極部４０１とからなり、基端側中心電極部４０２と先端側中心電極部４０１とは抵抗体４０３によって接合されている。
なお、本例の内燃機関用のスパークプラグ１は、自動車のエンジンにおける点火手段として用いることができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記スパークプラグ１は、上記中心電極４の先端部４１に上記Ｏ⁻イオン発生部６を配設してなる。そして、Ｏ⁻イオン発生部６から発生したＯ⁻イオンを、スパークプラグ１の火花放電により燃料と反応させて、容易に混合気に着火することができる。
即ち、Ｏ⁻イオンは、活性化エネルギーが小さいため、燃料と反応しやすく、低エネルギーで燃焼を起こしやすい（図８参照）。それ故、混合気の着火性を向上させることができる。

また、上記Ｏ⁻イオンは寿命が極めて短いが、Ｏ⁻イオン発生部６がスパークプラグ１の中心電極４の先端部４１に備え付けてあることにより、Ｏ⁻イオンが消滅する前に燃料との反応を行うことが可能となる。即ち、Ｏ⁻イオンを外部から導入して燃料と反応させようとしても、反応前にＯ⁻イオンが消滅してしまうおそれがある。これに対し、中心電極４の先端部４１に備え付けたＯ⁻イオン発生部６から発生したＯ⁻イオンは、即座に火花放電ギャップＧ付近における燃焼反応に用いることができる。即ち、火花放電ギャップＧ付近にＯ⁻イオンと燃料とが充分に共存した状態において火花放電することができ、効率的な着火を行うことができる。

また、Ｏ⁻イオンを火花放電ギャップＧ付近に存在させることにより、火花放電ギャップＧにおける絶縁破壊が生じやすくなり、低電圧で放電させることが可能となる。かかる観点からも、着火性を向上させることができる。

また、Ｏ⁻イオン発生部６が中心電極４の先端部４１に設けてあるため、中心電極４と接地電極５との間の電圧を用いて、Ｏ⁻イオン発生部６からＯ⁻イオンを発生させることができる。そのため、簡単な構成で、効果的にＯ⁻イオンを発生させることができる。
また、上記Ｏ⁻イオン発生部６は、イオン導電性の固体電解質体からなるため、Ｏ⁻イオンを効果的に発生させることができる。

以上のごとく、本例によれば、着火性に優れた内燃機関用のスパークプラグを提供することができる。

（実施例２）
本例は、図５に示すごとく、Ｏ⁻イオン発生部６と中心電極４との間に、多孔質導電体１２を配設してなるスパークプラグ１の例である。
多孔質導電体１２としては、例えば、白金系の多孔質導電体を用いることができる。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、Ｏ⁻イオン発生部６に対して、中心電極４側の面からも酸素（Ｏ₂）を供給することができる。即ち、Ｏ⁻イオン発生部６のあらゆる方向から酸素（Ｏ₂）を供給することができる。
そのため、Ｏ⁻イオン発生部６において、より多くのＯ⁻イオンを発生させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図６に示すごとく、Ｏ⁻イオンによる酸化速度を、酸素（Ｏ₂）による酸化速度と比較した例である。
本例においては、ＮＯをＮＯ₂に酸化する場合の酸化速度を測定した。測定結果を図６に示す。
同図より、Ｏ⁻イオンによる酸化速度は、酸素（Ｏ₂）による酸化速度の約３×１０⁷倍と極めて大きいことが分かる。
従って、上述したごとく、内燃機関の燃焼室において、Ｏ⁻イオンを燃料と反応させることにより、容易に燃焼し、着火性を向上させることができることが分かる。

（実施例４）
本例は、図７に示すごとく、火花放電ギャップＧ付近におけるＯ⁻イオンの濃度と、着火性との関係を調べた例である。
即ち、火花放電ギャップＧ付近におけるＯ⁻イオンの濃度を種々変更したときの、リーン燃焼限界となる空燃比Ａ／Ｆを測定した。このリーン燃焼限界空燃比が高くなるほど、着火性に優れていることとなる。
測定結果を図７に示す。

同図より分かるように、Ｏ⁻イオン濃度が高くなるほどリーン燃焼限界空燃比が高くなる。そして、例えば、Ｏ⁻イオン濃度を１０００ｐｐｍ以上に高めると、リーン燃焼限界空燃比がＡ／Ｆ＝約２５以上と高くなる。
従って、火花放電ギャップ付近におけるＯ⁻イオン濃度を高くすることにより、着火性を向上させることができることが分かる。

実施例１における、スパークプラグの縦断面図。 実施例１における、スパークプラグのＯ⁻イオン発生部付近の説明図。 実施例１における、中心電極にかける電圧波形を示す線図。 実施例１における、Ｏ⁻イオン発生の推定メカニズムを示す説明図。 実施例２における、スパークプラグのＯ⁻イオン発生部付近の説明図。 実施例３における、酸化速度の測定結果を示す線図。 実施例４における、Ｏ⁻イオン濃度とリーン燃焼限界空燃比との関係を示す線図。 燃料（Ｃ_nＨ_m）を燃焼（酸化）させる際のエネルギー曲線を示す線図。

符号の説明

１ スパークプラグ
２ 取付金具
３ 絶縁碍子
４ 中心電極
４１ 先端部
５ 接地電極
６ Ｏ⁻イオン発生部

Claims (4)

1. 外周に取付け用ネジ部を設けた取付金具と、該取付金具の中心軸側に保持される絶縁碍子と、該絶縁碍子の中心軸側に保持される中心電極と、上記取付金具に取付けられると共に上記中心電極の先端部との間に火花放電ギャップを形成する接地電極とを備えた内燃機関用のスパークプラグであって、
   上記中心電極の先端部には、Ｏ⁻イオンを発生させるＯ⁻イオン発生部を配設してなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
2. 請求項１において、上記Ｏ⁻イオン発生部は、イオン導電性の固体電解質体からなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
3. 請求項２において、上記Ｏ⁻イオン発生部は、１２ＣａＯ−７Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃａ₁₂Ａｌ₁₀Ｓｉ₄Ｏ₃₅、及びＣａＦｅ₂Ｏ₅のいずれかからなることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記Ｏ⁻イオン発生部は、多孔質導電体を介して上記中心電極の先端部に接続されていることを特徴とする内燃機関用のスパークプラグ。

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