JP5235600B2 - 火花点火式内燃機関の点火プラグ配置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火プラグ配置に関する。

従来、車両、特に自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、点火時期ごとに燃焼室内の混合気に着火するようにしている。このような点火プラグによる点火であって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する形式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことがまれに生じる。

このため、このような内燃機関において、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来のものと比較して高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に着実に着火し、安定して燃焼を行わせるように構成したものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００７−３２３４９号公報

ところで、例えば大気圧下等でプラズマを生成する方法として、マグネトロンを用いるものが考えられている。マグネトロンにより燃焼室内にプラズマを生成する場合、マイクロ波を放射するアンテナを燃焼室内に設置することが必要となる。

また、点火プラグは、燃焼室の天井の略中心位置すなわちシリンダの中心軸線上に取り付けられることが一般的である。このように、点火プラグを燃焼室に取り付け、上述したアンテナを点火プラグの近傍に取り付けると、マイクロ波が存在する空間において点火プラグからの火花放電がプラズマへと成長しながら、混合気に着火する。そして、プラズマにより着火後の火炎核の成長も促進される。ところが、プラズマは、点火プラグとアンテナとの中間位置よりもアンテナ側に近寄った位置で生成される性質があるため、プラズマがこのように燃焼室の中心部分から偏倚した空間に生成されると、燃焼が略均一に混合気に伝播しない不具合が発生しうる。

本発明はこのような課題を解決することを目的とする。

本発明に係る火花点火式内燃機関の点火プラグ配置は、以上に述べた課題を解決すべく、点火プラグによる火花放電と燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関において、プラズマを作るためのアンテナ、及び点火プラグの火花放電部を燃焼室内に露出させて配置する火花点火式内燃機関の点火プラグ配置であって、アンテナと点火プラグの火花放電部とを、燃焼室の中心軸に交わる直線上で中心軸を挟んで配置し、燃焼室の中心軸とアンテナとの距離を、燃焼室の中心軸と点火プラグの火花放電部との距離より短くし、なおかつ、燃焼室の中心軸と燃料噴射口の中心との距離を、燃焼室の中心軸とアンテナとの距離、及び、燃焼室の中心軸と点火プラグの火花放電部との距離よりも長くすることを特徴とする。

このようなものであれば、点火プラグからの火花とプラズマとの反応により混合気に着火すると、プラズマは、点火プラグとアンテナとの中間位置よりもアンテナ側に近寄った位置で生成されることから、燃焼室の中心軸に近い位置から燃焼が燃焼室全体に伝播する。従って、燃焼室の全体において略均一な燃焼を達成することができ、燃焼を良好にすることができる。

前記アンテナを前記点火プラグと別体に設ける際に有効な態様として、アンテナと点火プラグの火花放電部とが、燃焼室の中心軸に交わる直線上で中心軸を挟んで配置されるものが挙げられる。

本発明の火花点火式内燃機関の点火プラグ配置によれば、点火プラグを燃焼室の中心軸上に配置し、プラズマを作るためのアンテナをこの点火プラグの近傍に配置する態様と比較して、より燃焼室の中心軸に近い位置から燃焼を燃焼室全体に伝播させることができる。従って、燃焼室の全体において略均一な燃焼を達成することができ、燃焼を良好にすることができる。

以下、本発明の第一実施形態について述べる。

図１に点火プラグ１の取付部分を拡大して示す火花点火式内燃機関であるエンジン１００は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト（ＤＯＨＣ）形式のもので、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分の中央すなわち燃焼室６の中心軸６ｘを中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。また、前記点火プラグ１は、前記吸気ポート２の開口３及び前記排気ポート４の開口５よりも前記燃焼室６の中心軸６ｘ側に取り付けている。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１に加えて、プラズマを作るためのアンテナ２１が取り付けてある。

この実施例の点火プラグ１は、図２に示すように、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１５とを備える。すなわち、点火プラグ１は、ハウジング１３がほぼ円柱形状の絶縁碍子１６を支持し、絶縁碍子１６の上端に取り付けられる接続端子１７が、絶縁碍子１６の下端から突出する中心電極１４と図示しない中軸により電気的に接続され、ハウジング１３下端から中心電極１４下端に対向する位置まで延びる位置に接地電極１５がハウジング１３に一体的に設けてある構造である。絶縁碍子１６は、中心電極１４とエンジン１００への取付部であるハウジング１３とを絶縁するとともに、中心電極１４と接続端子１７との接続部材である中軸も絶縁するもので、ほぼ円筒形状をしている。

ハウジング１３は、絶縁碍子１６を収容するのに十分な内部空間を備える円筒形状のもので、導電材料である、例えばステンレス製のものである。ハウジング１３は、その上端部分が、絶縁碍子１６を密着し気密性を維持するために内側に絞り込まれている。また、その長手方向の中央部から下側部分の外周には、シリンダヘッド８への取付のための図示しない雄ねじ部が形成してある。加えて、前記雄ねじ部と上端部分との間には、取り付ける場合に取付台座部となる主体金具１９が、前記雄ねじ部より大きな外径で形成してある。

中心電極１４は、例えば柱状の金属材料にて形成されており、その下端が絶縁碍子１６から露出しているとともに、ハウジング１３の下端面を越えて燃焼室６内に露出し、さらに接地電極１５に対するギャップを開ける位置まで突出している。

このような中心電極１４に対して、接地電極１５は、ハウジング１３下端面に一体的に形成される側面視ほぼＬ字状のもので、その先端は、中心電極１４の中心軸にほぼ一致する位置まで延びている。接地電極１５は、このようにハウジング１３に一体的に設けられているので、使用時にあってはハウジング１３と同電位に維持される。

このような構成において、点火プラグ１はエンジン１００のそれぞれの気筒に対して取り付けられる。このエンジン１００は、燃焼室６内の混合気に点火プラグ１を用いて着火する場合に、点火プラグ１の火花放電を燃焼室６内に生成するプラズマと反応させることにより、点火プラグ１の火花放電をプラズマと反応させない場合の火花放電に比較して、大きくしている。このために、エンジン１００は、マイクロ波によりプラズマを生成するためのアンテナ２１を、燃焼室６内に備えている。アンテナ２１は、例えばホーン型アンテナで、燃焼室６の天井に取り付けられている。アンテナ２１は、円錐型のホーン形状をしており、その先端部分はセラミックスなどの誘電体２２により塞がれている。このアンテナ２１には、図示しないマグネトロンが接続されている。マグネトロンから出力されるマイクロ波は、アンテナ２１に印加されるものである。そして、燃焼室６内には、マイクロ波により、点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５との間で生じる火花放電に対して直交する方向に高周波電界が形成される。ここで、燃焼室６の天井を図３に概略的に示す。さらに、エンジン１００には、燃焼室６内に直接燃料を噴射するようにすべく、燃料噴射口２３を設けている。なお、本発明において、アンテナ２１の形状は、ホーン型アンテナに限られない。

点火に際しては、点火プラグ１に図示しない点火コイルにより火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室６内の混合気を急速に燃焼させる構成である。

具体的には、点火プラグ１による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。

これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、高周波電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に火炎が大きくなるものである。

この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ１のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室６内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

しかして本実施形態では、前記アンテナ２１を燃焼室６内に露出させて配置しているとともに、前記点火プラグ１の火花放電部たる中心電極１４は燃焼室６に連通する前記内部空間内に位置する。そして、燃焼室６の中心軸６ｘとアンテナ２１との距離Ｌ２を、燃焼室６の中心軸６ｘと点火プラグ１の中心電極１４との距離Ｌ１より短くして配置している。

具体的には、図３に概略的に示すように、燃焼室６の中心軸６ｘから距離Ｌ１だけ離間した位置に中心電極１４が配置されるように点火プラグ１を取り付けているとともに、燃焼室６の中心軸６ｘから前記点火プラグ１と反対方向に距離Ｌ２（＜Ｌ１）だけ離間した位置にアンテナ２１を取り付けている。これら点火プラグ１の中心電極１４とアンテナ２１とは、燃焼室６の中心軸６ｘに直交する直線上で中心軸６ｘを挟んで配置している。また、燃料噴射口２３の中心は、燃焼室６の中心軸６ｘから距離Ｌ３（＞Ｌ１）だけ離間した位置に配している。

ここで、点火プラグ１による火花放電を行うのとほぼ同時あるいはその直後に、前記アンテナ２１からマイクロ波を点火プラグの接地電極に向けて照射すると、上述したように火花放電がプラズマに増幅され、前記点火プラグ１の直下から前記アンテナ２１側に偏倚した位置、すなわち燃焼室６の中心軸６ｘ側に偏倚した位置において混合気に着火する。

以上に述べたように、本実施形態に係るエンジン１００の点火プラグ１とアンテナ２１との配置を採用すれば、前記点火プラグ１より燃焼室６の中心軸６ｘに近い位置で混合気に着火させることができる。すなわち、点火プラグ１を燃焼室６の中心軸６ｘ上に配置する従来の態様と比較して、より燃焼室６の中心軸６ｘに近い位置で混合気に着火させることができる。従って、燃焼を燃焼室６全体により伝播させやすくし、燃焼を良好にすることができる。

また、前記アンテナ２１を前記点火プラグ１と別体に設けるとともに、アンテナ２１と点火プラグ１の中心電極１４とを燃焼室６の中心軸６ｘに直交する直線上で中心軸６ｘを挟んで配置しているので、より効果的にプラズマの発生部位を燃焼室６の中心軸６ｘに近づけ、燃焼室６の中心軸６ｘに近い位置で混合気に着火させることができる。

なお、燃焼室６の中心軸６ｘと点火プラグ１の中心電極１４との距離Ｌ１、及び燃焼室６の中心軸６ｘからアンテナ２１との距離Ｌ２がＬ１＜Ｌ２の条件を満たしていれば、前記中心電極１４及びアンテナ２１の配置は前記第一実施形態に示した以外のものでもよい。例えば図４に示すように、前記吸気ポート２の開口３の中心及び前記排気ポート４の開口５の中心よりも前記燃焼室６の中心軸６ｘから離間した位置に前記中心電極１４及び前記アンテナ２１を設けてもよい。また、図５は、前記燃焼室６の中心軸６ｘから同方向に離間させて前記中心電極１４及び前記アンテナ２１を設けた参考例である。

また、前記第一実施形態では、各気筒に吸気弁及び排気弁をそれぞれ２つずつ設けているが、図６に示すように、各気筒に前記吸気ポート２の開口３及び前記排気ポート４の開口５をそれぞれ１つずつ設けたエンジンにおいて、燃焼室６の中心軸６ｘと点火プラグ１の中心電極１４との距離Ｌ１、及び燃焼室６の中心軸６ｘからアンテナ２１との距離Ｌ２が、Ｌ１＜Ｌ２を満たすように燃焼室６に前記中心電極１４及び前記アンテナ２１を設けてもよい。

図７は、点火プラグ１の中心電極１４とアンテナ２１とを結ぶ線分ＬＬが、燃焼室６の中心軸６ｘを通らないように配置した参考例であるが、このようなものであっても、燃焼室６の中心軸６ｘと点火プラグ１の中心電極１４との距離Ｌ１、及び燃焼室６の中心軸６ｘからアンテナ２１との距離Ｌ２が、Ｌ１＜Ｌ２を満たすものであれば、燃焼室６の中心軸６ｘに近い位置で着火させることができる効果は得られる。

次いで、本発明の第二実施形態について以下に述べる。

本実施形態に係る内燃機関は、以下に述べる点で上述した第一実施形態に係る内燃機関１００と異なる構成を有し、それ以外の点では上述した第一実施形態に係る内燃機関１００と同様の構成を有する。以下、上述した第一実施形態に係る内燃機関１００との相違点についてのみ述べる。また、第一実施形態に係る内燃機関１００におけるものに対応する部位には、同一の名称及び符号を付している。

本実施形態に係る内燃機関は、燃焼室６の天井を概略的に図９に示すように、点火プラグ１を、燃焼室６の中心軸６ｘから離間させた位置に配しているとともに、前記点火プラグ１の前記図９には示していないハウジング内に、火花を発生させるための中心電極１４と、電磁波を照射させるためのアンテナ２１と、前記ハウジングと一体をなす図９には示していない接地電極とを備えている。その上で、同図に示すように、燃焼室６の中心軸６ｘと前記アンテナ２１との距離Ｌ２を、燃焼室６の中心軸６ｘと前記中心電極１４との距離Ｌ１より短くして配置している。なお、図８は参考例である。

具体的には、燃焼室６の中心軸６ｘから延伸させた直線上に前記中心電極１４及びアンテナ２１が位置するように点火プラグ１を取り付けているとともに、燃焼室６の中心軸６ｘに近い側にアンテナ２１を配し、燃焼室６の中心軸６ｘから遠い側に中心電極１４を配している。

ここで、中心電極１４から前記接地電極に向けて火花放電を行った直後に、前記アンテナ２１からマイクロ波を前記接地電極に向けて照射すると、前記中心電極１４の直下から前記アンテナ２１側、すなわち燃焼室６の中心軸６ｘ側に偏倚した位置においてプラズマが生成され、混合気に着火する。

従って、本実施形態に係るエンジン１００の点火プラグ配置を採用すれば、前記中心電極１４からの火花放電と前記アンテナ２１からのマイクロ波により生成したプラズマとが反応する位置を前記中心電極１４より燃焼室６の中心軸６ｘに近い位置とし、その位置で混合気体に着火させることができる。すなわち、本実施形態の構成を採用しても、燃焼を燃焼室６全体により伝播させやすくし、燃焼を良好にすることができる。

図９に示すように、燃焼室６の中心軸６ｘ近傍に点火プラグ１を配するものにおいて、この点火プラグ１の中心電極１４とアンテナ２１とを燃焼室６の中心軸６ｘを挟んで反対側に配するとともに、燃焼室６の中心軸６ｘから中心電極１４までの距離Ｌ１よりも燃焼室６の中心軸６ｘからアンテナ２１までの距離Ｌ２を短くする態様を採用することが好ましい。

また、本発明は以上に述べた実施形態に限られない。

例えば、高周波発生源としては、上述のようなマグネトロン以外にも、進行波管等であってもよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。

加えて、上述した実施形態においては、ビーム型のアンテナを説明したが、モノポール型のアンテナであってもよい。

その他、本発明は、その趣旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

本発明の第一実施形態の要部を拡大して示す断面図。 同実施形態の点火プラグの断面図。 同実施形態の燃焼室の天井を示す概略図。 本発明の一変形例の燃焼室の天井を示す概略図。 本発明に関連のある参考例の燃焼室の天井を示す概略図。 本発明の一変形例の燃焼室の天井を示す概略図。 本発明に関連のある参考例の燃焼室の天井を示す概略図。 本発明に関連のある参考例の燃焼室の天井を示す概略図。 本発明の第二実施形態の燃焼室の天井を示す概略図。

符号の説明

１００…エンジン
１…点火プラグ
６…燃焼室
６ｘ…燃焼室の中心軸
１４…中心電極（火花放電部）
２１…アンテナ

Claims (1)

1. 点火プラグによる火花放電と燃焼室内に生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関において、プラズマを作るためのアンテナ、及び点火プラグの火花放電部を燃焼室内に露出させて配置する火花点火式内燃機関の点火プラグ配置であって、
   アンテナと点火プラグの火花放電部とを、燃焼室の中心軸に交わる直線上で中心軸を挟んで配置し、
   燃焼室の中心軸とアンテナとの距離を、燃焼室の中心軸と点火プラグの火花放電部との距離より短くし、
   なおかつ、燃焼室の中心軸と燃料噴射口の中心との距離を、燃焼室の中心軸とアンテナとの距離、及び、燃焼室の中心軸と点火プラグの火花放電部との距離よりも長くしている火花点火式内燃機関の点火プラグ配置。

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