JP5289156B2 - 火花点火式内燃機関用点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内に電界を生成させ、電界と点火プラグによる火花放電とによりプラズマを生成し混合気に着火する火花点火式内燃機関に取り付けられる点火プラグに関するものである。

従来、車両、特には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、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火にあって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型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、着火しないことが希に生じる。

このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献１に記載のもののように、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、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。

特開２００７‐３２３４９号公報

ところで、特許文献１に記載のもののように、プラズマとアーク放電とを組み合わせる場合、通常の火花点火に比較して放電部分の温度が高くなる。また、補助電極の代わりに放電用電極を利用しプラズマを生成する場合は、放電領域に効率良く電界を集中させるために放電用電極の先端を細くする必要がある。このため、点火プラグの電極の耐久性を向上させるために、電極をイリジウムやプラチナで作製することが必要になり、製造コストの低減が困難であった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関用点火プラグは、ハウジング内に絶縁されて取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、中心電極と接地電極との間の間隙において発生する火花放電を燃焼室内に中心電極を介して供給される電界で振動させ、増幅させて混合気に着火する火花点火式内燃機関に取り付けられる火花点火式内燃機関用点火プラグであって、接地電極の先端面が、間隙を介して中心電極の側面に対向している。

このような構成によれば、中心電極と接地電極との間に電界を形成すべく電磁波や交流電圧を中心電極に印加する場合に、接地電極の先端面が中心電極の側面に対向しているので、中心電極と接地電極との間に発生する火花放電を、中心電極の側面に形成された電界の強度が強い部分に位置させることが可能になる。

また、火花放電領域が中心電極の側部であるため、中心電極の先端部分周辺に電界を集中させる必要がなく、中心電極の先端を細くする必要がないため、ニッケル合金等の安価な材料を用いても耐久性の高い中心電極を持つ点火プラグを作成することができる。

火花放電が発生する位置に効率よく電界を形成するために本発明の火花点火式内燃機関用点火プラグは、接地電極の先端面が、アンテナとして機能している中心電極より放射される電磁波の電界強度を最大にする中心電極の長さ方向のほぼ中央の側面の位置に間隙を介して対向することを特徴とする。

本発明は、以上説明したような構成であり、火花放電を中心電極周辺の電界強度が強い位置に発生させることができ、火花放電を効率よく振動させて増幅することにより、着火性を向上させることができる。

本発明の実施形態を適用するエンジンの構成を示す断面図。 同実施形態の正面図。 同実施形態の要部拡大図。 本発明における電界をマグネトロンを用いずに生成するための構成を示すブロック図。 図４におけるＨブリッジ回路の一例を示す回路図。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜５を参照して説明する。

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の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１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。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が取り付けられてある。なお、点火プラグ１を除くエンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。

この実施例の点火プラグ１は、図２〜図３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、ハウジング１３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側面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への取付のための雄ねじ部１８が形成してある。加えて、雄ねじ部１８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、雄ねじ部１８より大きな外径で形成してある。

中心電極１４は、例えば円柱状のニッケル合金からなる金属材料にて形成されており、その下端が絶縁碍子１６から露出するとともに、ハウジング１３の下端から露出する。中心電極１４の先端面１４ａは、接地電極１５より下側まで延びている。

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、その先端面１５ａは、間隙をあけて中心電極１４の側面１４ｂに対向している。この実施形態の場合、先端面１５ａは、中心電極１４の長さ方向のほぼ中央位置に対して対向するものである。先端面１５ａをこのように配置することにより、中心電極１４側面周辺の高周波電界ＥＦの電界強度が強い箇所に放電領域を位置させることができるとともに、中心電極１４から放射されたマイクロ波が、先端面１５ａに集中するものとなる。この結果、高周波電界ＥＦの電界強度は、マイクロ波の集中により最大となる。

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、火花放電を行う本来の機能とともに、後述するプラズマ生成のためのアンテナとしても機能するものである。すなわちこのエンジン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内に生成する電界と反応させることにより、点火プラグ１の火花放電を電界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、点火プラグ１の中心電極１４には、火花放電のための点火コイルが接続されるとともに、電界を生成するための電磁波であるマイクロ波を出力する図示しないマグネトロンが接続されている。

接地電極１５は、上述したように、その先端面１５ａが中心電極１４の側面１４ｂに対向しているので、中心電極１４にマイクロ波を供給すると、中心電極１４がアンテナとして機能して、マイクロ波を放射する。放射されたマイクロ波により、図３に示すように、中心電極１４の側面１４ｂと先端面１５ａとの間の間隙を満たすように、高周波電界ＥＦが形成される。言い換えれば、マイクロ波による高周波電界ＥＦは、点火に際して発生する火花放電を包囲する位置に形成されるものである。

なお、上述したように中心電極１４はアンテナとして機能しているため、中心電極１４の先端部分の周辺よりも側面の周辺により強い電界を形成する性質がある。また、中心電極１４はアンテナとして機能しているため、その側面の周辺でも長さ方向の中央位置に近いほど強い電界を形成する性質がある。

点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル（図示しない）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ＥＦ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ＥＦ中で振動され、増幅されてプラズマになり、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ＥＦ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ＥＦ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。

このように、接地電極１５の先端面１５ａが中心電極１４の長手方向のほぼ中央位置に向いているので、火花放電が中心電極１４の長手方向のほぼ中央位置で発生し、かつマイクロ波による高周波電界ＥＦがその周囲には他の位置よりも強く形成されるので、発生した火花放電のほぼすべてが効率よく高周波電界により振動させられる。従って、中心電極１４をアンテナとして利用し、効率よくプラズマを生成することが可能になるとともに火花放電と電界とが反応する領域が、中心電極１４の側面と接地電極１５との間の間隙に限定され、燃焼室６内の他の領域で火炎が形成されることを抑制することができる。また、中心電極１４の先端部に電界を集中させる必要がないため、中心電極１４を細くする必要がなく、中心電極１４を安価なニッケル合金等の材料で作成することが可能となる。しかも、プラズマが点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５との間に集中するので、着火効率を向上させることができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

上述の実施形態にあっては、中心電極１４の先端面１４ａが、接続端子１７とは反対側に接地電極１５を超えて延びるものを説明したが、接地電極１５の先端面１５ａが中心電極１４の側面１４ｂに対面する構成であれば、中心電極４の長さは上述の実施形態のものに限定するものではない。

マイクロ波を出力するものとしては、上述のようなマグネトロン以外に、進行波管などであってよく、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。

さらに、上述の実施形態にあっては、マイクロ波により高周波電界を形成したが、いわゆる長波と呼ばれる周波数範囲に属する電磁波を使用して、高周波電界を形成するものであってよい。この場合、長波は、火花点火と同時か、もしくは火花点火直後に中心電極１４を介して燃焼室６に放射するものが好適である。

また、高周波電界ＥＦを生成する方法としては、マイクロ波を利用することに代えて交流電圧を中心電極１４とシリンダヘッド８との間に印加する方法が考えられる。

具体的には、図４に示すように車両用のバッテリ２０の電圧例えば約１２Ｖ（ボルト）を昇圧回路であるＤＣ−ＤＣコンバータ２１にて３００〜５００Ｖに昇圧し、その後、図５に例示するＨブリッジ回路２２にて周波数が約１ＭＨｚ〜５００ＭＨｚの交流に変化させ、さらに昇圧トランス２３により約４ｋＶｐ‐ｐ〜８ｋＶｐ‐ｐに昇圧する構成とする。

中心電極１４およびシリンダヘッド８は、Ｈブリッジ回路２２から出力後に昇圧された交流電圧を導く送電ケーブルに接続してあり、中心電極１４とシリンダヘッド８と間に交流電圧を印加することで、放電域である中心電極１４と接地電極１５との間隙に上記周波数帯であって極性が交互に入れ替わる電界が生成されるように構成してある。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。

１…点火プラグ
６…燃焼室
１３…ハウジング
１４…中心電極
１４ｂ…側面
１５…接地電極
１５ａ…先端面

Claims (1)

1. ハウジング内に絶縁されて取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、中心電極と接地電極との間の間隙において発生する火花放電を燃焼室内に中心電極を介して供給される電界で振動させ、増幅させて混合気に着火する、火花点火式内燃機関に取り付けられる火花点火式内燃機関用点火プラグであって、
   接地電極の先端面が、アンテナとして機能している中心電極より放射される電磁波の電界強度を最大にする中心電極の長さ方向のほぼ中央位置の側面に間隙を介して対向している火花点火式内燃機関用点火プラグ。

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