JP6779823B2 - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火装置に関する。

絶縁碍子によって絶縁保持された中心電極と接地電極とを備え、中心電極と接地電極の間に電圧を印加することによって火花を発生させる内燃機関の点火装置（点火装置１００）が知られている。燃焼室内においては、例えばスワール流やタンブル流といった混合気の気流が形成されている。この気流により中心電極と接地電極との間隙（放電ギャップ）に形成された放電経路が流され、放電経路が伸長することで、混合気の着火性を向上させることができる。

ここで、接地電極において中心電極に対向する一面に中心電極側へ延びる円柱状の突出部が形成されており、中心電極と突出部の直径が共に２．３ｍｍ以下であり、点火エネルギが１７ｍＪ未満とされた点火装置が開示されている（特許文献１）。また、絶縁碍子を覆うハウジングを設け、ハウジングにより内燃機関の燃焼室内の気流を整流すると共に、接地電極の先端を中心軸に対して所定の角度で偏心させた構成を有する点火装置が開示されている（特許文献２）。また、燃焼室内の気流を放電ギャップに向かって導き、安定した着火性を確保するため、ハウジングの接地電極とは異なる位置に設けた先端突起部を設け、接地電極の先端突起部側の側面を傾斜させた点火装置が開示されている（特許文献３）。

特開２００２−３１９４６９号公報 特開２０１０−２３８３７７号公報 特開２０１４−１９２１００号公報

中心電極の突起とそれに対向する接地電極の突起とを、点火装置の中心軸上に配置した構成（針−針型）では、図１５に示すように、接地電極が燃焼室内の気流の上流側に位置する場合、接地電極によって気流が妨げられる。これによって、電極間を流れる気流の速度が低下し、放電経路の伸長が抑制され、その結果、混合気の着火性が低下するおそれがある。

また、接地電極が気流の下流側に位置する場合、図１６に示すように、接地電極の中心電極に対向する内向面が気流を受け止めることにより、接地電極の内向面近傍における気流速度が低下する。これにより放電経路も気流とともに接地電極の内向面に衝突するため、放電経路の伸長が抑制されてしまう。また、内向面に衝突した後の気流は、接地電極腕部の両側面に分かれて流れることになるが、接地電極を回り込む流れは放電ギャップの上流側のわずかな非定常変化やばらつきにより、カルマン渦のように一方の側面から他方の側面へと切り替わりやすく、安定しない。そのため、放電経路が気流に乗って接地電極の側面に沿って伸長したとしても、急に気流の向きが変わり、放電経路の伸長が中断してしまう。

それに対して、接地電極に設けた突起を点火装置の中心軸から偏心させた構成（スラント型）を有する点火装置が知られている（特許文献１および２）。スラント型の点火装置では、図１７に示すように、接地電極が燃焼室内の気流の上流側に位置する場合、接地電極の幅を小さくすることで気流の減速を抑制し、また、電極間を流れる気流を斜め下向きに向けることができるため、放電経路の伸長を促進し、混合気の着火性の向上を図ることができる。

その一方、スラント型の接地電極を備える点火装置では、接地電極が気流の下流側に位置する場合、図１８に示すように、接地電極の内向面に衝突した気流は、接地電極の内向面に衝突し、接地電極の基端部に向かって上向きに流れる。その結果、接地電極では、放電経路は、気流とともに接地電極の内向面に沿って上方向に伸びるが、接地電極とハウジング等に囲まれ、放電経路の伸長が制限されてしまう。

特許文献３に記載された点火装置においても同様に、接地電極が気流の下流側に位置する場合には、接地電極の内向面が気流を受け止めることになる。特許文献３の点火装置の接地電極では、先端突起部に近い側面が傾斜しているため、接地電極の周りの流れ分布が非対称となり、いずれか一方の側面に気流を誘導する作用があるとも考えられる。しかしながら、特許文献３に記載された接地電極は、その内向面の面積が大きいため、接地電極が気流の下流側に位置する場合、気流は接地電極の内向面に衝突することになり、気流を接地電極のいずれか一方の側面に誘導する効果はほとんどないと考えられる。

上述の通り、従来の点火装置では、接地電極が中心電極に気流の下流側に位置する場合、放電経路の伸長が抑制され、点火装置における混合気の着火性が低下するおそれがある。そのため、接地電極が中心電極に対して気流の下流側に位置する場合であっても、放電ギャップを通過した気流を接地電極のいずれか一方の側面に安定して誘導でき、混合気の着火性を向上させることができる点火装置が求められている。

本発明に係る内燃機関の点火装置は、燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、絶縁碍子と、前記絶縁碍子から先端部が突出するように設けられた中心電極と、前記先端部に向かい合う突起部を有する接地電極と、を備え、前記点火装置の中心軸に直交する平面で前記接地電極を切断した断面の形状が、前記接地電極の基端部から先端までの間の少なくとも一部において、前記中心軸および前記平面の交点と前記断面の重心とを結ぶ直線に対して非対称であること、並びに、前記断面の外形線に含まれ、前記直線に直交し、前記中心電極に近い線分である内向辺の長さをＤ１、前記直線と平行であり、前記断面に外接する２本の直線間の距離をＤ２としたとき、Ｄ１≦（Ｄ２／２）であることを特徴とする内燃機関の点火装置である。

好適な態様では、前記接地電極は、前記接地電極の基端部から先端にかけて、前記中心電極の中心軸に直交する平面で前記接地電極を切断した断面の重心の位置が、前記点火装置の中心軸を中心とする周方向において変位する。

他の好適な態様では、前記中心電極に面し、前記内向辺によって構成される内向面の少なくとも一部が、前記直線に対して傾斜している。

本発明によれば、接地電極が中心電極に対して気流の下流側に位置する場合であっても、放電ギャップを通過した気流の向きに対して接地電極の断面形状を非対称とするとともに、当該気流を受け止める面積が小さくすることで、当該気流を接地電極のいずれか一方の側面に安定して誘導することができ、混合気の着火性を向上させることができる。

本実施形態に係る点火装置の構成を示す図である。 本実施形態に係る点火装置の構成を示す部分拡大図である。 本実施形態に係る点火装置が備える接地電極の形状を示す図である。 実施例１に係る点火装置を流れる気流の数値解析結果を示す図である。 比較例１に係る点火装置を流れる気流の数値解析結果を示す図である。 比較例２に係る点火装置を流れる気流の数値解析結果を示す図である。 変形例１に係る点火装置の構成を示す部分拡大図である。 変形例１に係る点火装置を流れる気流の数値解析結果を示す図である。 変形例２に係る点火装置が備える接地電極の形状を示す図である。 変形例３に係る点火装置が備える接地電極の形状を示す図である。 変形例４に係る点火装置が備える接地電極の形状を示す図である。 変形例５に係る点火装置が備える接地電極の形状を示す図である。 変形例６に係る点火装置が備える接地電極の形状を示す図である。 従来の点火装置の課題を説明するための図である。 従来の点火装置の課題を説明するための図である。 従来の点火装置の課題を説明するための図である。 従来の点火装置の課題を説明するための図である。

本発明の実施形態に係る内燃機関の点火装置について、図面を参照しながら説明する。以下で説明する形状、位置等は、説明のための例示であって、内燃機関に応じて適宜変更することができる。すべての図面において同等の要素には同一の符号を付している。

［構成］
図１に、本実施形態に係る内燃機関の点火装置１００の構成を示す。点火装置１００は、中心電極１０、絶縁碍子１２、ハウジング１４および接地電極１６を備えて構成される。点火装置１００は、内燃機関の燃焼室に装着され、燃焼室内に供給された燃料（混合気）に点火するために用いられる。

点火装置１００では、中心電極１０に設けた中心電極放電チップ２０と、接地電極１６に設けた接地電極対向チップ２２との間に間隙（放電ギャップＧ）が形成されている。放電ギャップＧに電圧を印加し、放電ギャップＧにおいて電気絶縁が破られると、電気火花が発生し、放電経路が形成される。すると、放電経路の周囲に初期火炎核が形成され、混合気の着火に至る。

なお、本明細書および図１〜図１７では、点火装置１００の中心軸Ｎに沿った方向をｚ軸に規定し、ｚ軸と直交する方向であって、中心電極１０から接地電極１６に向かう方向をｘ軸に規定し、ｘ軸およびｚ軸のそれぞれと直交する方向をｙ軸に規定する。また、本明細書では、特に記載しない限り、燃焼室内を流れる気流は、点火装置１００において、矢印で示す通り、中心電極１０から接地電極１６に向かって（ｘ軸の正方向）流れるものとする。

中心電極１０は、燃料に点火するための電圧が印加される電極である。中心電極１０は、導電性の高い金属材料によって構成される。中心電極１０は、例えば、内材としてＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料が用いられ、外材としてＮｉ合金等の耐久性および耐食性に優れた金属材料を用いて形成することが好適である。中心電極１０は、後述する絶縁碍子１２を貫くようにｚ軸方向に延びた円柱棒状の形状とされる。即ち、中心電極１０の中心軸Ｎは、点火装置１００の中心軸Ｎと一致している。中心電極１０の先端部１０ａは、点火装置１００が内燃機関に装着された状態で燃焼室内に露出するように設けられる。中心電極１０の端子部１０ｂは、点火回路からの導線に接続するために絶縁碍子１２から露出した状態とされる。

中心電極放電チップ２０は、中心電極１０の先端部１０ａの一部であり、耐熱性に優れた導電部材で構成される。中心電極放電チップ２０を構成する導電部材としては、例えば、イリジウム合金やプラチナ合金等の貴金属が好適である。中心電極放電チップ２０は、例えば、円柱形状とされ、後述する接地電極１６の接地電極対向チップ２２に対向する位置に設けられる。中心電極放電チップ２０は、接地電極対向チップ２２の先端面と平行な先端面を有することが好適である。中心電極放電チップ２０の形状およびサイズは、点火装置１００を用いる内燃機関の容量や構成に応じて適宜設定することが好適である。

絶縁碍子１２は、中心電極１０と接地電極１６および他の部材との間の電気的な絶縁を維持するための部材である。絶縁碍子１２は、電気的に絶縁性を有し、耐熱性に優れた材料によって構成される。絶縁碍子１２は、例えば、高純度アルミナ等のセラミック材料を用いて形成することが好適である。絶縁碍子１２は、略円筒形状に形成され、中心軸孔に中心電極１０が挿入されて固定されている。絶縁碍子１２の先端部１２ａには、点火装置１００が内燃機関に装着された状態で燃焼室内に露出するように設けられる。絶縁碍子１２の基端部１２ｂは、内燃機関の取り付け部分から突出した状態とされる。絶縁碍子１２の基端部１２ｂは、コルゲート状に形成することが好適であり、これにより中心電極１０と他の部材との間の絶縁リークを防止することができる。

ハウジング１４は、絶縁碍子１２の先端側を覆って側面電極を形成している。ハウジング１４は、導電性の高い金属材料によって構成される。ハウジング１４は、例えば、低炭素鋼等の高耐熱性の金属材料で構成することが好適である。ハウジング１４には、内燃機関のシリンダヘッドに設けられたネジ穴に固定するためのねじ部１４ａが設けられている。ねじ部１４ａにより点火装置１００を内燃機関のシリンダヘッドに固定することによって、ハウジング１４は内燃機関に電気的に接地される。ねじ部１４ａの先端側には内燃機関の燃焼室内に露出するシュラウド部１４ｂが設けられている。

接地電極１６は、電気的に接地される電極である。接地電極１６は、導電性の高い金属材料によって構成される。接地電極１６を構成する材料としては、例えば、Ｎｉを主成分とするＮｉ合金等が好適である。接地電極１６は、ハウジング１４に電気的に導通するように接続される。

図１とともに、図２および図３を参照しながら、本実施形態に係る接地電極１６の詳細な形状について説明する。図２は、本実施形態に係る点火装置１００の部分拡大図である。接地電極１６は、ハウジング１４と接続する基端部１６ａから、内燃機関の燃焼室内に突出するように設けられ、中心電極１０よりもｙ軸正方向に長く延びながら、中心電極１０に向かって屈曲した形状を有する。接地電極１６は、中心電極１０に面する内向面３０、内向面３０の反対側に形成される外向面３２、および、内向面３０と外向面３２とを繋ぐ一対の側面３４を有する。また、本実施形態に係る接地電極１６が中心電極１０に向かって屈曲し、気流の流れる向き（ｘ軸）に対して傾斜している。

接地電極１６の先端付近には、突起部として接地電極対向チップ２２が設けられている。接地電極対向チップ２２は、中心電極１０の中心電極放電チップ２０と向かい合うように配置される。接地電極対向チップ２２は、耐熱性に優れた導電部材で構成される。接地電極対向チップ２２を構成する導電部材としては、例えば、イリジウム合金やプラチナ合金等の貴金属が好適である。接地電極対向チップ２２は、例えば、円柱形状とされる。なお、接地電極対向チップ２２の形状およびサイズは、点火装置１００を用いる内燃機関の容量や構成に応じて適宜設定することが好適である。

点火装置１００は、接地電極１６に設けた接地電極対向チップ２２を中心電極１０の中心軸Ｎから偏心させたスラント型の構成を有する。即ち、図１に示す通り、点火装置１００では、接地電極１６に設けた接地電極対向チップ２２の先端と中心電極１０の中心電極放電チップ２０の先端とを結ぶ直線Ｍが、中心電極１０の中心軸Ｎに対して偏心角度θをなすように構成されている。なお、本実施形態に係る点火装置１００は、図１および図２に示すスラント型の構成を有するもののみに制限されず、針−針型等の一般的な点火装置１００に広く適用可能である。

図３は、点火装置１００の中心軸Ｎ（図２中の一点鎖線）に直交する平面Ｐ１（図２中の二点鎖線）で接地電極１６を切断した断面形状を示す。接地電極１６の断面形状の特徴を説明するため、図３に示す通り、接地電極１６の断面形状の外形線を内向辺３６、第１側辺３８、外向辺４０、第２側辺４２に区分される。内向辺３６および外向辺４０はｙ軸に沿って延びる線分であって、点火装置１００の中心軸Ｎおよび平面Ｐ１の交点と断面形状の重心とを結ぶ直線Ｌ１と直交する。第１側辺３８は、内向辺３６のｙ軸正方向側の端点である点Ｑ１と外向辺４０のｙ軸正方向側の端点である点Ｑ２とを結び、第２側辺４２は、内向辺３６のｙ軸負方向側の端点である点Ｑ４と外向辺４０のｙ軸負方向側の端点である点Ｑ３とを結んでいる。図３に示す直線Ｌ２およびＬ３は、直線Ｌ１と平行であり、接地電極１６の断面に外接する線である。このときの直線Ｌ２およびＬ３間の距離を、接地電極１６の厚みＤ２と規定する。

図２中の接地電極１６の内向面３０は、図３中の接地電極１６の断面形状における内向辺３６によって構成される。同様に、接地電極１６の外向面３２は、断面形状における外向辺４０によって構成され、接地電極１６の側面３４は、それぞれ断面形状における第１側辺３８および第２側辺４２によって構成されている。図２に示す接地電極１６では、内向面３０の一部がｘ軸方向に対して傾斜している。

本実施形態に係る接地電極１６では、中心電極１０の中心軸Ｎに直交する平面で接地電極１６を切断した断面の形状が、接地電極１６の基端部１６ａから先端までの間の少なくとも一部において、下記の外形的特徴を有する。

第１の特徴として、本実施形態に係る接地電極１６の断面形状は、直線Ｌ１に対して非対称である。例えば、接地電極１６の断面形状の外形線において、内向辺３６の両端点に連接する第１側辺３８および第２側辺４２の内向辺３６に対する傾斜が異なる場合、断面形状は直線Ｌ１に対して非対称となる。図３に示すように、第１側辺３８に含まれ、内向辺３６と連接し、法線ベクトルＶ１とｘ軸正方向に向かうベクトルＶｘとが鈍角をなす区間を第１傾斜辺４４と、第２側辺４２に含まれ、内向辺３６と連接し、法線ベクトルＶ２とベクトルＶｘとが鈍角をなす区間を第２傾斜辺４６と、それぞれ規定する。このとき、第１傾斜辺４４および第２傾斜辺４６が、ｘ軸と平行な直線Ｌ１に対して非対称である場合、内向辺３６の両側に異なる傾斜が形成されて、断面形状は非対称となる。

図３に示すように、接地電極１６の断面形状の外形線において、内向辺３６に対して傾斜した第１傾斜辺４４および第２傾斜辺４６を設けることにより、放電ギャップＧを通過して接地電極１６に向かう気流を側方に受け流すことができる。さらに、第１傾斜辺４４と第２傾斜辺４６とで内向辺３６に対する傾斜角が異なり、第１傾斜辺４４に比して第２傾斜辺４６の傾斜は緩く形成されている。このように内向辺３６の端点Ｑ１，Ｑ４に、第１傾斜辺４４，第２傾斜辺４６を有する形状とすること、即ち、接地電極１６の内向面３０の両側それぞれに異なる傾斜を有する側面３４を設けることにより、接地電極１６に向かう気流を受け流すとともに、気流を一方の側面３４に誘導することができる。

また、図３に示すように、内向辺３６の中点Ｑ５が直線Ｌ１上に位置しない場合も、接地電極１６の断面形状は直線Ｌ１に対して非対称となる。内向辺３６の中点Ｑ５が直線Ｌ１上に位置しないとは、換言すれば、気流の上流側であるｘ軸負方向から見て、第１傾斜辺４４と第２傾斜辺４６のｙ軸方向の幅が異なることと同義である。気流を正面から受け止める内向面３０がｙ軸方向のいずれか一方にシフトすることで、接地電極１６周辺の気流の速度分布が直線Ｌ１を含むｘｚ平面に対して非対称となり、結果として、気流を接地電極１６の一方の側面３４に導くことができる。

なお、流体が柱状物体に当たると、当該物体の背後から２列の規則正しい渦が下流に流れるカルマン渦という現象が生じる。燃焼室内の気流が接地電極１６に衝突することでカルマン渦が発生すると、気流の向きが短い時間間隔で交互に入れ替わるため、放電経路を効果的に伸長させることができない。それに対して、本実施形態に係る接地電極１６は、直線Ｌ１に対して非対称な断面形状を有することにより、カルマン渦の形成を抑制する作用を有する。カルマン渦の形成を抑制することにより、接地電極１６の一方の側面３４への気流の誘導効果をさらに安定させることができる。

本実施形態に係る接地電極１６の断面形状における第２の特徴は、内向辺３６の距離Ｄ１と接地電極１６の厚さＤ２とが、
Ｄ１≦（Ｄ２／２）
を満たすことである。

内向辺３６の距離Ｄ１を接地電極１６の厚さＤ２に対して１／２以下とすることにより、放電ギャップＧを通過した気流を内向面３０が受け止める面積が小さくなり、内向面３０の近傍に形成される気流速度の低い低速領域を小さくすることができる。これにより、距離Ｄ１が厚さＤ２の１／２を超える場合と比較して、より多くの気流を速やかに接地電極１６の側面３４方向へ誘導することができる。

本実施形態に係る接地電極１６の断面形状において、内向辺３６の距離Ｄ１は、接地電極１６の厚さＤ２に対して４分の１以下であることが好適である。内向辺３６の距離Ｄ１の下限は特に制限されず、内向辺３６の距離Ｄ１が接地電極１６の厚さＤ２に対して実質的に０、即ち、第１側辺３８と第２側辺４２とが中心電極１０側において直接接していてもよい。

なお、本明細書において「直交する」とは、例えば、直線Ｌ１および内向辺３６を例に説明すると、直線Ｌ１と内向辺３６とのなす角度が８５°以上９５°以下である場合を包含していてもよい。また、内向辺３６および外向辺４０は、曲線を含んでいてもよく、曲線のみで構成されていてもよい。例えば、内向辺３６および外向辺４０は、接地電極１６の断面形状の外形線において、その法線ベクトルと直線Ｌ１とのなす角度が５°以内である区間を含んでいてもよく、当該区間で構成されていてもよい。

以上で説明した接地電極１６の断面形状の特定方法は、本実施形態に係る点火装置１００に用いる接地電極１６の外形的特徴を説明するための方法の一つに過ぎず、本発明は、上記の区分方法に厳密に当てはまる形状を有する接地電極１６のみに限定されるものと理解すべきではない。また、本実施形態に係る点火装置１００に用いる接地電極１６は、例えば、点火装置１００の中心軸Ｎに直交し、中心電極放電チップ２０（先端部１０ａ）と接地電極対向チップ２２（突起部）との間を通る平面で接地電極１６を切断した断面の形状が、上記の外形的特徴を有していてもよいし、或いは、点火装置１００の中心軸Ｎに直交し、中心電極放電チップ２０を通る平面で接地電極１６を切断した断面の形状が、上記の外形的特徴を有していてもよい。

本実施形態に係る点火装置１００を用いて混合気の着火を行うときの放電経路の挙動を解説し、これにより本実施形態に係る点火装置１００の作用を説明する。点火装置１００では、中心電極放電チップ２０と接地電極対向チップ２２との間の放電ギャップＧに電圧を印加して形成した放電経路により、初期火炎核を形成し、混合気を着火させる。接地電極１６が中心電極１０に対して気流の下流側に位置する場合、放電開始時に中心電極放電チップ２０の先端面と接地電極対向チップ２２の先端面との間に形成された放電経路は、気流によって下流に湾曲しながら伸長する。このとき、放電経路の端点も、電極表面上を下流方向に移動するが、気流などの条件によっては、放電経路の接地電極１６側の端点が接地電極対向チップ２２から接地電極１６の内向面３０へ移動することもある。

本実施形態に係る点火装置１００では、接地電極１６の断面形状を直線Ｌ１に対して非対称とするとともに、内向辺３６の距離Ｄ１を接地電極１６の厚さＤ２の１／２以下としたことにより、接地電極１６に向かう気流を、接地電極１６のどちらか一方の側面３４に安定して誘導することができる。気流が接地電極１６の一方の側面３４に安定して誘導されると、気流に乗って放電経路も流れるため、放電経路の接地電極１６側の端点を、接地電極対向チップ２２の先端面から気流が誘導された側の接地電極１６の側面３４上へ移動させ、さらに、当該側面３４の下流側に移動させることができる。

本実施形態に係る点火装置１００では、このように、放電ギャップを通過した気流を接地電極１６のどちらか一方の側面３４方向へ安定して誘導すること、および、放電経路の接地電極１６側の端点を、接地電極１６の気流が誘導された側の側面３４上において側方から後方にかけて移動させることで、接地電極１６を回り込むように放電経路を伸長させることができる。その結果、放電経路長が長くなり、放電経路の周囲に形成される初期火炎核が大きくなって、混合気の着火性が向上する。

なお、点火装置１００は、内燃機関にネジ止めで取り付けられるため、エンジン筒内に露出する接地電極１６の中心電極１０に対する周方向の角度にはバラつきが生じる。本実施形態に係る点火装置１００では、接地電極１６が中心電極１０の下流に位置する場合において、ある取付角度を境に気流が誘導される側面３４を一方から他方へと速やかに切り替えることができる。

［数値解析］
本実施形態に係る点火装置１００が有する作用について、数値解析結果を参照しながら、より詳しく説明する。図４〜図６に、本実施形態に係る点火装置１００および従来の点火装置１００について、各点火装置１００を流れる気流の流線および速度分布の数値解析を行った結果を示す。なお、図４〜図６では、矢印で示すように、気流は紙面の左側から右側に向かって流れる。

（実施例１）
図４（ａ）〜（ｃ）に、本実施形態に係る点火装置１００に基づいて行った数値解析結果を示す。図４（ａ）〜（ｃ）に示す点火装置１００は、図３で示す断面形状を有する接地電極１６を備える。即ち、実施例１で用いた接地電極１６は、直線Ｌ１に対して非対称な断面形状を有する。ここで、第１傾斜辺４４の法線ベクトルＶ１とｘ軸の正方向のベクトルＶｘとでなす角度は１１０°であり、第２傾斜辺４６の法線ベクトルＶ２とｘ軸の正方向のベクトルＶｘとでなす角度は１４０°であった。内向辺３６の中点Ｑ５は直線Ｌ１上に位置しておらず、直線Ｌ１およびＬ２におけるｙ座標をそれぞれ０および０．５としたとき、内向辺３６の中点Ｑ５はｙ座標が０．２５となる位置にあった。内向辺３６の距離Ｄ１と接地電極１６の厚さＤ２との比Ｄ１／Ｄ２は、０．２であった。

図４（ａ）はｙ軸の負方向から各点火装置１００を見た正面図である。図４（ｂ）は、点火装置１００の中心軸Ｎと直交する平面による図４（ａ）の部分断面図である。図４（ａ）および（ｂ）には、数値解析結果である放電ギャップＧを始点とした気流の流線が記載されている。図４（ｃ）には、中心軸Ｎと直交する平面内における気流の速度分布を示す。図４（ｃ）中の等高線は、放電ギャップＧよりも上流の気流速度に対して１０％刻みで気流速度を表示している。

（比較例１）
比較例１として、図５（ａ）〜（ｃ）に示すスラント型の接地電極１６を備える従来の点火装置１００を用いて、数値解析を行った。比較例１の点火装置１００が備える接地電極１６の断面形状は、直線Ｌ１に対して対称な形状であって、第１傾斜辺４４の法線ベクトルＶ１とｘ軸の正方向のベクトルＶｘとでなす角度は１１０°であり、第２傾斜辺４６の法線ベクトルＶ２とｘ軸の正方向のベクトルＶｘとでなす角度は１１０°であった。また、内向辺３６の中点Ｑ５は直線Ｌ１上に位置しており、内向辺３６の距離Ｄ１と接地電極１６の厚さＤ２との比Ｄ１／Ｄ２は、０．７であった。図５（ａ）〜（ｃ）に、比較例１の数値解析結果を示す。図４（ａ）〜（ｃ）と同様に、図５（ａ）および（ｂ）には、放電ギャップＧを始点とした気流の流線が記載され、図５（ｃ）には、中心軸Ｎと直交する平面内における気流の速度分布が示されている。

（比較例２）
比較例２として、図６（ａ）〜（ｃ）に示すスラント型の接地電極１６を備える従来の点火装置１００を用いて、数値解析を行った。比較例２の点火装置１００が備える接地電極１６では、両側面３４に異なる傾斜が付されており、その断面形状は直線Ｌ１に対して非対称である。比較例２の接地電極１６の断面形状において、第１傾斜辺４４の法線ベクトルＶ１とｘ軸の正方向のベクトルＶｘとでなす角度は１１５°であり、第２傾斜辺４６の法線ベクトルＶ２とｘ軸の正方向のベクトルＶｘとでなす角度は１４０°であった。また、内向辺３６の中点Ｑ５は直線Ｌ１上に位置しておらず、直線Ｌ１およびＬ２におけるｙ座標をそれぞれ０および０．５としたとき、内向辺３６の中点Ｑ５はｙ座標が０．０８となる位置にあった。また、内向辺３６の距離Ｄ１と接地電極１６の厚さＤ２との比Ｄ１／Ｄ２は、０．６５であった。図６（ａ）〜（ｃ）に、比較例２の数値解析結果を示す。図４（ａ）〜（ｃ）と同様に、図６（ａ）および（ｂ）には、放電ギャップＧを始点とした気流の流線が記載され、図６（ｃ）には、中心軸Ｎと直交する平面内における気流の速度分布が示されている。

（数値解析の評価）
実施例１に係る点火装置１００では、図４（ａ）および（ｂ）に示す通り、放電ギャップＧを通過した気流は、接地電極１６の傾斜した内向面３０に沿ってやや上方に流されつつも、すべて接地電極１６の一方の側面３４の方向（図４（ｂ）ではｙ軸の正方向側の第１側辺３８方向）に誘導されている。気流をこのように接地電極１６の一方の側面３４に誘導することで、放電経路が接地電極１６の内向面３０やハウジング１４に衝突することを防ぐとともに、放電経路を気流に乗せて伸長させ、また、放電経路の接地電極１６側の端点を、気流が誘導された方の側面３４に移動させ、当該側面３４上を側方から後方にかけて移動させることができる。これにより、放電経路を、接地電極１６を回り込むように安定的に伸長させることができる。その結果、放電経路長が長くなり、放電経路周囲に形成される初期火炎核が大きくなって、混合気の着火性が向上する。

一方、比較例１および比較例２に係る点火装置１００では、図５および図６から明らかな通り、放電ギャップを通過した気流は、下流の接地電極１６の内向面３０に衝突し、接地電極１６の傾斜した内向面３０に沿ってｚ軸の負方向（接地電極１６の基端部１６ａ方向）に流れる。これにより、放電経路は、接地電極１６の内向面３０およびハウジング１４によって伸長が阻害される。その結果、放電経路周囲に形成される初期火炎核は小さくなるとともに、初期火炎核が、中心電極１０、接地電極１６の内向面３０およびハウジング１４で囲まれる狭い領域内に制限されるため、初期火炎核の成長が阻害され、混合気の着火性が低下する。

また、接地電極１６の断面形状が気流方向（直線Ｌ１）に対して対称な比較例１では、図５（ｂ）に示す通り、気流は接地電極１６の内向面３０に衝突後、接地電極１６の両側に分かれて流れている。この場合、気流が接地電極１６を回り込む向きは、放電ギャップの上流側の気流のわずかな非定常変化やばらつきにより、カルマン渦のように一方の側面３４から他方の側面３４へと不安定に切り替わりやすくなると推測される。例えば、放電経路が伸長する途中で気流の回り込む方向が切り替わった場合、それまでに形成されていた放電経路が中断される。よｔって、気流の向きが安定せずに頻繁に切り替わると、放電により着火した初期火炎もカルマン渦状に交互に放出されるため、個々の初期火炎は小さくなり、混合気の着火性が低下すると考えられる。

図４（ｃ）、図５（ｃ）および図６（ｃ）に示す気流の速度分布を対比する。放電ギャップＧよりも上流に対する気流の速度が２０％以下である低速領域を、各図中に示した。接地電極１６よりも中心電極１０側に形成された低速領域の面積を比較すると、実施例１が最も小さく、内向面３０を構成する内向辺３６が最も長い比較例２が最も大きい。この気流の速度分布の対比から明らかなように、本実施形態に係る点火装置１００では、内向面３０のｙ軸方向の幅を小さくし、内向面３０が気流を受け止めることで形成される低速領域を、従来よりも小さくすることで、より多くの気流を接地電極１６の側面３４方向へ誘導することができる。

［変形例１］
図７に、本実施形態の変形例１に係る点火装置１００を示す。図７（ａ）は、変形例１に係る点火装置１００の部分拡大図である。図７（ｂ）には、点火装置１００の中心軸Ｎに直交し、接地電極１６の基端部１６ａを通る平面Ｐ２（図７（ａ）中の二点鎖線）における点火装置１００の断面図を示す。図７に示す通り、変形例１に係る点火装置１００が備える接地電極１６は、基端部１６ａから先端にかけて、中心電極１０に向かって屈曲するとともに、中心軸Ｎを中心としたときの周方向に沿って湾曲している。変形例１に係る点火装置１００が備える接地電極１６は、上記の通り周方向に湾曲することで、基端部１６ａから先端にかけて、中心軸Ｎに直交する平面で接地電極１６を切断した断面の重心の位置が、中心軸Ｎを中心とする周方向において変位している。

変形例１に係る点火装置１００ついて、実施例１と同様に気流の流線および速度分布の数値解析を行った。図８（ａ）および（ｂ）に、変形例１に係る点火装置１００に基づいて行った数値解析結果を示す。図８（ａ）および（ｂ）に示す変形例１の点火装置１００は、接地電極１６が基端部１６ａから先端にかけて中心軸Ｎを中心とする周方向に沿って湾曲していること以外、実施例１の点火装置１００と同様の構成を有する。即ち、変形例１の接地電極１６の断面形状は、実施例１の接地電極１６の断面形状と同じである。図４（ａ）および（ｂ）と同様に、図８（ａ）および（ｂ）には、放電ギャップＧを始点とした気流の流線が記載されている。

変形例１に係る点火装置１００は、基端部１６ａから先端にかけて、中心電極１０に向かって屈曲するとともに、図８（ｂ）における反時計回りに湾曲している。これにより、放電ギャップＧを通過した気流は、図８（ａ）および（ｂ）に示す通り、接地電極１６に衝突することなく、接地電極１６の一方の側面３４の方向（図４（ｂ）ではｙ軸の正方向側の第１側辺３８方向）に、当該側面３４の斜め上側を大きく迂回するように、誘導されている。気流をこのように誘導することで、放電ギャップＧ間に形成された放電経路を、接地電極１６に衝突させることなく、接地電極１６の下流側へ大きく伸長させることができ、また、放電経路の接地電極１６側の端点を、気流を誘導した方の側面３４の後方にかけて移動させることができる。よって、放電経路を、接地電極１６を回り込むように安定的に伸長させることができる。その結果、放電経路長が長くなり、放電経路周囲に形成される初期火炎核が大きくなって、混合気の着火性が向上する。

［変形例２〜６］
変形例２〜６として、本実施形態に係る点火装置１００が備える接地電極１６の他の例を示す。図９〜図１３に、中心電極放電チップ２０と接地電極対向チップ２２との間を通る平面Ｐ１で接地電極１６を切断して得られる、変形例２〜６の各接地電極１６の断面形状を示す。図９〜図１３に示す接地電極１６の断面形状はいずれも、中心軸Ｎおよび平面Ｐ１の交点と断面の重心とを結ぶ直線Ｌ１に対して非対称であり、且つ、直線Ｌ１に直交し、中心電極１０に近い内向辺３６の長さＤ１が、接地電極１６の厚さＤ２の１／２以下である。

図９に示す変形例２の接地電極１６は、内向辺３６と第１傾斜辺４４との接続部および内向辺３６と第２傾斜辺４６との接続部に「丸み」を形成したこと以外は、図３に示す接地電極１６と同様の構成を有する。図９に示すように、接地電極１６は、断面形状において内向辺３６の長さＤ１が接地電極１６の厚さＤ２の１／２以下である限り、内向面３０のｙ軸方向の両端部に明確な稜線を形成せず、丸みを帯びた形状を有していてもよい。

図１０に示す変形例３の接地電極１６では、直線Ｌ１に対して直交する線分が明確に存在しない。図１０に示す接地電極１６の場合、断面形状の外形線のうち、その法線ベクトルと直線Ｌ１とのなす角度が５°以内である区間を内向辺３６と規定すればよい。

図１１に示す変形例４の接地電極１６においても、直線Ｌ１に対して直交する線分が明確に存在せず、第１側辺３８および第２側辺４２がｘ軸負方向側において楔状に接続している。図１１に示す接地電極１６の場合、内向辺３６に相当する区間は、第１側辺３８と第２側辺４２との交点付近の微小な区間である。このように、内向辺３６が接地電極１６の厚さＤ２に対して十分短い場合には、例えば、内向辺３６の長さＤ１を０として取り扱ってもよい。図１０および図１１に示す構成を有する接地電極１６は、気流を正面から受け止める面を有さないため、気流を側面３４方向に受け流すことができる。

図１２に示す変形例５の接地電極１６では、内向辺３６のｙ軸負方向側の端点Ｑ４にのみ、内向辺３６に対して傾斜した区間を含む第２側辺４２が接続されており、内向辺３６のｙ軸正方向側の端点Ｑ１に接続された第１側辺３８には、内向辺３６に対して傾斜した区間が含まれない。図１２に示す接地電極１６の断面形状も、内向辺３６と端点Ｑ１，Ｑ４で接続する第１側辺３８および第２側辺４２が、内向辺３６に対して異なる傾斜を有する場合に含まれる。

図１３に示す変形例６の接地電極１６においても、内向辺３６のｙ軸負方向側の端点Ｑ４にのみ、内向辺３６に対して傾斜した区間を含む第２側辺４２が接続されている。また、図１３において第２側辺４２は全体的に丸みのある形状を有している。図１０および図１１に示す構成を有する接地電極１６は、気流を受け流すことができる構造を内向面３０の一方側の側面３４にのみ設けることにより、気流を安定的に側面３４方向に受け流すことができる。

１０ 中心電極、１０ａ 先端部、１０ｂ 端子部、１２ 絶縁碍子、１２ａ 先端部、１２ｂ 基端部、１４ ハウジング、１４ａ ねじ部、１４ｂ シュラウド部、１６ 接地電極、１６ａ 基端部、２０ 中心電極放電チップ、２２ 接地電極対向チップ、３０ 内向面、３２ 外向面、３４ 側面、３６ 内向辺、３８ 第１側辺、４０ 外向辺 ４２ 第２側辺、４４ 第１傾斜辺、４６ 第２傾斜辺、１００ 点火装置、Ｌ１ 直線、Ｎ 中心軸。

Claims (3)

1. 燃焼室内の燃料の点火を行う内燃機関の点火装置であって、
   絶縁碍子と、
   前記絶縁碍子から先端部が突出するように設けられた中心電極と、
   前記先端部に向かい合う突起部を有する接地電極と、を備え、
   前記点火装置の中心軸に直交する平面で前記接地電極を切断した断面の形状が、前記接地電極の基端部から先端までの間の少なくとも一部において、
   前記中心軸および前記平面の交点と前記断面の重心とを結ぶ直線に対して非対称であること、並びに、
   前記断面の外形線に含まれ、前記直線に直交する線分のうち、前記中心電極に近い線分の長さをＤ１、前記直線と平行であり、前記断面に接する２本の直線間の距離をＤ２としたとき、
   Ｄ１≦（Ｄ２／２）
   であることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
2. 前記接地電極は、前記接地電極の基端部から先端にかけて、前記中心電極の中心軸に直交する平面で前記接地電極を切断した断面の重心の位置が、前記点火装置の中心軸を中心とする周方向において変位することを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の点火装置。
3. 前記接地電極が、前記直線に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関の点火装置。