JP5015810B2 - 点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車、自動二輪車等の車両に搭載される内燃機関用の点火プラグの技術分野に関する。

この種の点火プラグには、例えば、中心電極の側面と、先端縁に近づくにつれて厚さが小さくなるように形成された先端部を有する接地電極の先端とが対向するように配置されているセミ沿面放電型の点火プラグが提案されている（特許文献１参照）。或いは、中心電極の段差部テーパ面の先端外周のエッジと、主体金具の先端面の内壁に形成された突出縁との間で沿面放電が起こるように、各部材の寸法が決定された点火プラグが提案されている（特許文献２参照）。

特開２００３−１７２１５号公報 特開平９−１９９２６０号公報

しかしながら上述の背景技術によれば、沿面放電によって生じた火炎の熱が碍子等によって奪われ、火炎の成長が阻害される可能性があるという技術的問題点がある。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、火炎の成長が阻害されることを回避することができる点火プラグを提供することを課題とする。

本発明の点火プラグは、上記課題を解決するために、内燃機関用の点火プラグであって、一の方向に延びる第１部分、及び前記第１部分の先端に接続されると共に、前記一の方向に交わる方向に延びる第２部分を有する中心電極と、該中心電極の根元側の外周面を少なくとも部分的に覆う碍子と、該碍子を外周側から包囲すると共に、前記第２部分と空間を隔てて相対向する接地電極とを備え、前記中心電極は、前記第２部分から前記一の方向に沿う方向に前記接地電極側へ突出する突出部を有し、前記碍子における前記第２部分側の端部の外縁、及び前記接地電極における前記第２部分側の端部の内縁間の距離は、前記第２部分及び前記接地電極間の距離より小さく、前記内燃機関の気筒内の圧力に応じて、前記第２部分及び前記接地電極間における放電の要求電圧と、前記碍子の表面を介する前記第１部分及び前記接地電極間における放電の要求電圧との大小関係が逆転する。

本発明の点火プラグによれば、当該点火プラグは、例えば自動車、自動二輪車等の車両に搭載される、例えばエンジン等の内燃機関に実装される。中心電極は、例えば当該点火プラグの軸方向である一の方向に延びる第１部分、及び第１部分の先端に接続されると共に、一の方向に交わる方向に延びる第２部分を有している。ここに、本発明に係る「一の方向に交わる方向」とは、典型的には、一の方向を法線方向とする面に沿う方向を意味する。

碍子は、中心電極の第１部分の根元側の外周面を少なくとも部分的に覆っている。接地電極は、碍子を外周側から包囲している。即ち、接地電極は、当該点火プラグのハウジングとしての機能も兼ねている。従って、当該点火プラグは、円筒形の接地電極の中心に中心電極が配置され、その周囲に碍子が配置されている。そして、中心電極が接地電極の端部よりも突出しており、中心電極の第２部分が、接地電極に空間を隔てて相対向している。

当該点火プラグの動作時には、中心電極の第２部分及び接地電極間における火花放電と、碍子表面を介する中心電極の第１部分の外周面及び接地電極間における沿面放電とのいずれかが起こる。具体的には例えば、当該点火プラグが実装される内燃機関の気筒内の圧力が比較的低い場合には、中心電極の第２部分及び接地電極間において火花放電が起こる。一方、気筒内の圧力が比較的高い場合、又はくすぶり時には、碍子表面を介する中心電極の第１部分の外周面及び接地電極間において沿面放電が起こる。言い換えれば、当該点火プラグでは、典型的には、気筒内の圧力の上昇に伴い、火花放電から沿面放電に移行するように、中心電極の第２部分及び接地電極間の距離、及び中心電極の第１部分の外周面及び接地電極間の距離が設定されている。

本願発明者の研究によれば、一般に、碍子表面を介して起こる沿面放電では、該沿面放電によって生じた火炎の熱が碍子等によって奪われ、火炎の成長が阻害される可能性がある。加えて、沿面放電の放電路における気中部分が少ないため、着火性が悪化する可能性がある。

他方、内燃機関の高性能化に伴い気筒内の圧力が上昇するため、放電を起こすための電極間の要求電圧も上昇している。すると、例えばイグニッションコイル等の点火装置を高出力化及び高耐電圧化する必要があり、点火装置が大型化し、コストアップしてしまう。更に、内燃機関が搭載される車両等の規格の制約により、要求電圧に対し点火装置が成立しない（即ち、要求電圧に対応する点火装置を車両等に搭載できない）可能性があることが判明している。

しかるに本発明では、気筒内の圧力に応じて、火花放電及び沿面放電のいずれかが起こる。このため、火花放電が起こる気筒内の圧力が比較的低い場合には、火炎の熱が周囲の物質によって奪われることがないので、火炎の成長が阻害されることを回避することができる。加えて、比較的広い空間において火花放電が起こるので、着火性が悪化することを回避することができる。

一方、沿面放電が起こる気筒内の圧力が比較的高い場合は、気筒内に供給される燃料による気流が比較的強いため、典型的には、沿面放電によって生じた放電火花が気流の下流側に流される。このため、気流の下流側に中心電極の第２部分が配置されるように、当該点火プラグを実装すれば、流された放電火花が第２部分に達し、第２部分及び接地電極間において火炎が成長することとなる。従って、この場合も火炎の成長が阻害されることを回避することができると共に、着火性が悪化することを回避することができる。尚、供給される燃料による気流とは、典型的には、内燃機関の吸気弁が閉じる前に生じた、例えばタンブル流やスワール流等の混合気の運動が、吸気弁が閉じた後も持続することによって維持される気流を意味する。

更に、気筒内の圧力が高い場合、沿面放電が起こる要求電圧は、火花放電が起こる要求電圧よりも低い。従って、内燃機関の高性能化に伴い気筒内の圧力が上昇したとしても、要求電圧の上昇を抑制することができる。加えて、一旦放電が起これば、該放電を維持する電圧は比較的低くてもよいので、上述の如く、沿面放電によって生じた放電火花が気流によって流され、第２部分及び接地電極間における火花放電になったとしても、該火花放電を維持することは比較的容易である。即ち、第２部分及び接地電極間における火花放電の要求電圧より低い電圧によって、最終的には火花放電を起こすことが可能である。このため、点火装置の大型化等を回避することができ、実用上非常に有利である。

以上の結果、本発明の点火プラグによれば、気筒内の圧力変化の影響が少ない沿面放電の利点を生かしつつ、火炎の成長が阻害されること及び着火性の悪化を回避することができる。
本発明の点火プラグの中心電極は、第２部分から一の方向に沿う方向に接地電極側へ突出する突出部を有する。このため、突出部及び接地電極間において火花放電が起こることになる。そして、突出部を、例えばイリジウム合金等で構成すれば、着火性能を向上することができると共に、耐用期間を長くすることができる。加えて、中心電極全体を、例えばイリジウム合金等にする場合に比べて、極めて安価に当該点火プラグを製造することができる。
本発明の点火プラグでは、碍子における第２部分側の端部の外縁、及び接地電極における第２部分側の端部の内縁間の距離（即ち、沿面放電の放電路における気中部分）は、第２部分及び接地電極間の距離（即ち、火花放電の放電路）より小さい。そして、典型的には、中心電極の第１部分の外縁及び碍子における第２部分側の外縁間の距離は、碍子における第２部分側の端部の外縁及び接地電極における第２部分側の端部の内縁間の距離と同程度に設定されている。このように設定すれば、気筒内の圧力が比較的低い場合には、中心電極の第２部分及び接地電極間において火花放電を起こすことができ、気筒内の圧力が比較的高い場合には、中心電極の第１部分及び接地電極間において沿面放電を起こすことができる。
本発明の点火プラグは、内燃機関の気筒内の圧力に応じて、中心電極の第２部分及び接地電極間における火花放電の要求電圧と、中心電極の第１部分及び接地電極間における沿面放電の要求電圧との大小関係が逆転する。典型的には、気筒内の圧力が比較的低い場合は、火花放電の要求電圧が、沿面放電の要求電圧より低く、気筒内の圧力が比較的高い場合は、火花放電の要求電圧が、沿面放電の要求電圧より高くなる。尚、要求電圧が逆転する気筒内の圧力は、気流によって沿面放電の放電火花が流される圧力より高いことが望ましい。

本発明の点火プラグの一態様では、前記碍子の表面に導電性物質が付着している場合、前記第２部分及び前記接地電極間における放電の要求電圧は、前記表面を介する前記第１部分及び前記接地電極間における放電の要求電圧より高い。

この態様によれば、碍子の表面に、例えばカーボン等の導電性物質が付着している場合（即ち、くすぶり時）、中心電極の第２部分及び接地電極間における火花放電の要求電圧は、中心電極の第１部分及び接地電極間における沿面放電の要求電圧より高い。従って、くすぶり時には、確実に沿面放電が起こり付着した導電性物質を焼き切ることができ、実用上非常に有利である。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための最良の形態から明らかにされよう。

以下、本発明の点火プラグに係る実施形態を、図１乃至図５を参照して説明する。ここに、図１（ａ）は、本実施形態に係る点火プラグを中心電極の軸方向から見た平面図であり、図１（ｂ）は、当該点火プラグの側面図である。尚、以下の側面図では、説明の便宜上、接地電極の一部を除いて記載している。

図１において、点火プラグ１は、一の方向（即ち、図１（ｂ）における上下方向）に延びる第１部分１１ｂ、及び第１部分１１ｂの先端に接続されると共に、一の方向に交わる方向（即ち、図１（ｂ）における左右方向）に延びる第２部分１１ｃを有する中心電極１１と、該中心電極１１の根元側の外周面を少なくとも部分的に覆う碍子１３と、該碍子１３を外周側から包囲する接地電極１３とを備えて構成されている。

中心電極１１の第２部分１１ｃには、該第２部分１１ｃから一の方向に沿う方向に接地電極１２の側へ突出する突出部１１ａが形成されている。そして、突出部１１ａの先端の側において、突出部１１ａと接地電極１２とが空間を隔てて相対向している。尚、点火プラグ１が、内燃機関に実装される場合、典型的には、供給される燃料による気流において突出部１１ａが、第１部分１１ｂの下流側に配置される。

次に、点火プラグ１における放電の様子について、図２乃至図４を参照して説明する。ここに、図２は、ここでは図示しない気筒内の圧力が比較的低い場合の放電の様子を示す概念図であり、図３は、気筒内の圧力が比較的高い場合の放電開始時の様子を示す概念図であり、図４は、気筒内の圧力が比較的高い場合の放電開始後の様子を示す概念図である。

図２に示すように、気筒内の圧力が比較的低い場合（即ち、内燃機関の負荷が低い場合）、突出部１１ａ及び接地電極１２間において火花放電が起こり、放電火花ｅ１が生じる。気筒内の圧力が上昇すると（即ち、内燃機関の負荷が高くなると）、突出部１１ａ及び接地電極１２間における火花放電の要求電圧も上昇する。そして、突出部１１ａ及び接地電極１２間における火花放電の要求電圧が、碍子１３の表面を介する中心電極１１の第１部分及び接地電極１２間における沿面放電の要求電圧よりも高くなると、図３に示すように、沿面放電による放電火花ｅ２が生じる。

ここで、気筒内の圧力と要求電圧の関係について、図５を参照して説明を加える。ここに、図５は、気筒内の圧力と要求電圧の関係を示す特性図の一例である。図５において、実線Ｖａは、突出部１１ａ及び接地電極１２間における火花放電の要求電圧を示し、実線Ｖｂは、第１部分１１ｂ及び接地電極１２間における沿面放電の要求電圧を示している。

図５における実線Ｖａ及び実線Ｖｂの傾きは、内燃機関の特性に応じて変化するが、どの内燃機関においても、実線Ｖａの傾きは実線Ｖｂの傾きよりも大きい。これは、沿面放電の方が火花放電に比べて、気筒内の圧力の影響を受けにくいためである。また、実線Ｖａ及び実線Ｖｂは、夫々、突出部１１ａ及び接地電極１２間の距離（即ち、図１中の距離ａ）、及び第１部分１１ｂ及び接地電極１２間の距離（即ち、図１中の距離ｂ＋ｃ）の大きさに応じて、上下に平行移動する。

本実施形態では、例えば、気流によって、図３に示した放電火花ｅ２が流され、該流された放電火花ｅ２が突出部１１ａ及び接地電極１２間において、図４に示すような放電火花ｅ３に移行するような気筒内の圧力において、実線Ｖａ及び実線Ｖｂが相互に交差するように（即ち、火花放電の要求電圧と、沿面放電の要求電圧とが逆転するように）、距離ａ及び距離ｂ＋ｃが設定されている。

尚、図１において、距離ｂは、距離ａよりも小さくなるように設定されており、距離ｃは、距離ｂと同程度になるように設定されている。

上述したように、気筒内の圧力が比較的低い場合には、突出部１１ａ及び接地電極１２間において火花放電が起こるため、放電によって生じた火炎の熱が周囲の物質によって奪われることがないので、火炎の成長が阻害されること及び着火性の悪化を回避することができる。一方、気筒内の圧力が比較的高い場合には、初めに第１部分１１ｂ及び接地電極１２間において沿面放電が起こり、該放電による放電火花が気流によって流され、突出部１１ａ及び接地電極１２間における火花放電へと移行する。このため、放電の要求電圧の上昇を抑制できると共に、火炎の成長が阻害されること及び着火性の悪化を回避することができる。

碍子１３の表面に例えばカーボン等の導電性物質が付着するくすぶり時には、図３に示したような、第１部分１１ｂ及び接地電極１２間において沿面放電が起こる。言い換えれば、くすぶり時には、突出部１１ａ及び接地電極間における火花放電の要求電圧より、第１部分１１ｂ及び接地電極１２間における沿面放電の要求電圧が低くなるように、図１における距離ａ及び距離ｂ＋ｃが夫々設定されている。このため、くすぶり時には、確実に沿面放電が起こり付着した導電性物質を焼き切ることができる。

（第１変形例）
次に、本実施形態に係る点火プラグの第１変形例を、図６を参照して説明する。ここに、図６（ａ）は、図１（ａ）と同趣旨の、本実施形態に係る点火プラグを中心電極の軸方向から見た平面図であり、図６（ｂ）は、図１（ｂ）と同趣旨の、当該点火プラグの側面図である。

図６に示すように、本変形例に係る点火プラグ２では、中心電極１１の第２部分１１ｃが十字型に形成されており、第２部分１１ｃには複数の突出部１１ａが形成されている。突出部１１ａ及び接地電極１２間において火花放電が起こる場合には、複数の突出部１１ａのいずれかと接地電極１２との間において火花放電が起こる。

碍子１３の表面を介して第１部分１１ｂ及び接地電極１２間において沿面放電が起こった後に、生じた放電火花が気流によって流され、突出部１１ａ及び接地電極１２間において火花放電が起こる場合には、複数の突出部１１ａのうち気流の下流側に位置する突出部１１ａ及び接地電極１２間において火花放電が起こる。

このため、気流の方向を厳密に考慮することなく、点火プラグ２を内燃機関に実装することができるので、作業時間の短縮を図ることができ、実用上非常に有利である。尚、第２部分１１ｃの形状は十字型に限られない。また、突出部１１ａの個数も４つに限られない。

（第２変形例）
次に、本実施形態に係る点火プラグの第２変形例を、図７を参照して説明する。ここに、図７（ａ）は、図１（ａ）と同趣旨の、本実施形態に係る点火プラグを中心電極の軸方向から見た平面図であり、図７（ｂ）は、図１（ｂ）と同趣旨の、当該点火プラグの側面図である。

図７に示すように、本変形例に係る点火プラグ３では、接地電極１２に、中心電極１１の突出部１１ａの先端の側で、該突出部１１ａと空間を隔てて相対向する放電用部材１２ａが形成されている。尚、突出部１１ａ及び放電用部材１２ａ間の距離ｄ１は、図１（ｂ）に示した距離ａと同様に設定されている。

本変形例では、中心電極１１の突出部１１ａ及び接地電極１２の放電用部材１２ａ間において火花放電が起こる。或いは、中心電極１１の第１部分１１ｂ及び放電用部材１２ａ間において沿面放電が起こる。

（第３変形例）
次に、本実施形態に係る点火プラグの第３変形例を、図８を参照して説明する。ここに、図８（ａ）は、図１（ａ）と同趣旨の、本実施形態に係る点火プラグを中心電極の軸方向から見た平面図であり、図８（ｂ）は、図１（ｂ）と同趣旨の、当該点火プラグの側面図である。

図８に示すように、本変形例に係る点火プラグ４では、接地電極１２に、中心電極１１の突出部１１ａの先端の側で、該突出部１１ａと空間を隔てて相対向する放電用部材１２ｂ、及び、中心電極１１の第１部分１１ｂの外周と相対向する複数の放電用部材１２ｃが形成されている。尚、突出部１１ａ及び放電用部材１２ｂ間の距離ｄ２は、図１（ｂ）に示した距離ａと同様に設定されている。

本変形例では、中心電極１１の突出部１１ａ及び接地電極１２の放電用部材１２ｂ間において火花放電が起こる。或いは、中心電極１１の第１部分１１ｂと複数の放電用部材１２ｃのいずれかとの間において沿面放電が起こる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨、或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う点火プラグもまた、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

（ａ）は、本発明の実施形態に係る点火プラグを中心電極の軸方向から見た平面図であり、（ｂ）は、当該点火プラグの側面図である。 本発明の実施形態に係る点火プラグの気筒内の圧力が比較的低い場合の放電の様子を示す概念図である。 本発明の実施形態に係る点火プラグの気筒内の圧力が比較的高い場合の放電開始時の様子を示す概念図である。 本発明の実施形態に係る点火プラグの気筒内の圧力が比較的高い場合の放電開始後の様子を示す概念図である。 本発明の実施形態に係る気筒内の圧力と要求電圧の関係を示す特性図の一例である。 （ａ）は、本発明の実施形態の第１変形例に係る点火プラグを中心電極の軸方向から見た平面図であり、（ｂ）は、当該点火プラグの側面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態の第２変形例に係る点火プラグを中心電極の軸方向から見た平面図であり、（ｂ）は、当該点火プラグの側面図である。 （ａ）は、本発明の実施形態の第３変形例に係る点火プラグを中心電極の軸方向から見た平面図であり、（ｂ）は、当該点火プラグの側面図である。

符号の説明

１〜４…点火プラグ、１１…中心電極、１１ａ…突出部、１１ｂ…第１部分、１１ｃ…第２部分、１２…接地電極、１２ａ〜１２ｃ…放電用部材、１３…碍子

Claims (2)

1. 内燃機関用の点火プラグであって、
   一の方向に延びる第１部分、及び前記第１部分の先端に接続されると共に、前記一の方向に交わる方向に延びる第２部分を有する中心電極と、
   該中心電極の根元側の外周面を少なくとも部分的に覆う碍子と、
   該碍子を外周側から包囲すると共に、前記第２部分と空間を隔てて相対向する接地電極と
   を備え、
   前記中心電極は、前記第２部分から前記一の方向に沿う方向に前記接地電極側へ突出する突出部を有し、
   前記碍子における前記第２部分側の端部の外縁、及び前記接地電極における前記第２部分側の端部の内縁間の距離は、前記第２部分及び前記接地電極間の距離より小さく、
   前記内燃機関の気筒内の圧力に応じて、前記第２部分及び前記接地電極間における放電の要求電圧と、前記碍子の表面を介する前記第１部分及び前記接地電極間における放電の要求電圧との大小関係が逆転する
   ことを特徴とする点火プラグ。
2. 前記碍子の表面に導電性物質が付着している場合、前記第２部分及び前記接地電極間における放電の要求電圧は、前記表面を介する前記第１部分及び前記接地電極間における放電の要求電圧より高いことを特徴とする請求項１に記載の点火プラグ。

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