JP7112992B2 - 点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は点火プラグに関し、特にバリア放電を利用する点火プラグに関する。

先端が閉じた有底筒状の絶縁体が中心電極を取り囲み、絶縁体の突出部が主体金具の先端から突出した状態で主体金具が絶縁体を保持する点火プラグが特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された技術では、突出部の周囲にストリーマと呼ばれるフィラメント状の複数の放電路が形成され体積的な放電空間ができるので、着火性を向上できる。

特開２０１８－２２６０４号公報

しかし上記技術では、燃焼室内のガスの圧力や流速などの影響を受けて点火が相対的に不安定になるおそれ、即ち燃焼安定性が低下するおそれがある。

本発明はこの問題点を解決するためになされたものであり、着火性と燃焼安定性とを両立できる点火プラグを提供することを目的としている。

この目的を達成するために本発明の点火プラグは、先端側から後端側へと軸線に沿って延びる中心電極と、中心電極を取り囲み、先端が閉じた有底筒状の絶縁体と、絶縁体を保持する筒状の主体金具と、を備え、絶縁体は、主体金具の先端から突出した突出部を備え、主体金具に接続され、少なくとも一部が主体金具よりも先端側に位置する棒状の接地電極をさらに備え、絶縁体の突出部は、中心電極の先端部を取り囲む有底筒状の小径部と、小径部の後端側に連なり小径部の外径よりも外径が大きい大径部と、を備え、接地電極は、大径部と隙間Ａを介して対向する第１対向部と、小径部と隙間Ｂを介して対向する先端部と、先端部と第１対向部との間であって小径部と隙間Ｃを介して対向する第２対向部と、を備え、隙間Ａ及び隙間Ｂは隙間Ｃよりも狭く、大径部の軸線方向の長さを二等分した二等分線から接地電極の先端までの軸線方向の距離Ｈは３ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。

請求項１記載の点火プラグによれば、主体金具の先端から突出した絶縁体の突出部のうち大径部と接地電極の第１対向部との隙間Ａ、及び、突出部の小径部と接地電極の先端部との隙間Ｂは、先端部と第１対向部との間にある接地電極の第２対向部と突出部の小径部との隙間Ｃよりも狭いので、隙間Ｃに生じる放電を抑制してエネルギー損失を抑制し、隙間Ａ，Ｂにそれぞれ放電を生じさせ易くできる。接地電極の先端部は第１対向部に対して電界強度が高いので、先端部が作る隙間Ｂに生成される電子の平均エネルギーが、第１対向部が作る隙間Ａに生成される電子の平均エネルギーよりも高くなる。その結果、高反応性のラジカルが隙間Ｂに多く形成されるので、隙間Ｂを中心に初期火炎が形成される。隙間Ｂは隙間Ａより燃焼室の中心に近いところに配置されるので、燃焼室の中心により近いところで火炎を発生させることができる。よって、着火性を確保できる。

また、隙間Ａで生成されたラジカルは、周囲の燃料ガスを改質する。ここで、大径部の軸線方向の長さを二等分した二等分線から接地電極の先端までの軸線方向の距離Ｈは３ｍｍ以上１２ｍｍ以下なので、隙間Ａで改質された燃料ガスの影響で、隙間Ｂにおいて火炎が形成され易くなる。その結果、燃焼安定性を確保できる。よって、着火性と燃焼安定性を両立できる。
隙間Ａの最小値は隙間Ｂの最小値よりも小さいので、隙間Ａに放電を生じさせ易くできる。隙間Ａに生成されるラジカルによって燃料ガスが改質されるので、燃焼安定性をさらに向上できる。

請求項２記載の点火プラグによれば、接地電極の第１対向部および第２対向部は軸線に沿って延び、接地電極の先端部は小径部に向かって屈曲しているので、電界強度が相対的に高い接地電極の先端部が作る隙間Ｂに放電をさらに生じさせ易くできる。よって、請求項１の効果に加え、着火性をさらに向上できる。

請求項３記載の点火プラグによれば、大径部における絶縁体の径方向の厚さは、小径部における絶縁体の径方向の厚さよりも厚いので、小径部に蓄えられる電荷の量を大径部に蓄えられる電荷の量より多くできる。その結果、大径部が作る隙間Ａの放電を抑制して隙間Ａの放電によるエネルギー損失を抑制し、小径部が作る隙間Ｂの放電を促進して隙間Ｂに放電路を形成し易くできる。よって、請求項１又は２の効果に加え、着火性をさらに向上できる。

第１実施の形態における点火プラグの片側断面図である。 図１のＩＩで示す部分を拡大した点火プラグの片側断面図である。 距離Ｈと放電数との関係を示す図である。 第２実施の形態における点火プラグの片側断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は第１実施の形態における点火プラグ１０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図１では、紙面下側を点火プラグ１０の先端側、紙面上側を点火プラグ１０の後端側という（図３においても同じ）。図１に示すように点火プラグ１０は、絶縁体１１、中心電極３０、主体金具４０及び接地電極５０を備えている。

絶縁体１１は、高温下の絶縁性や機械的特性に優れるアルミナ等により形成された有底円筒状の部材である。絶縁体１１は、自身の後端に開口し先端が閉じた穴１２が、軸線Ｏに沿って形成されている。穴１２は断面が円形である。穴１２の先端側の内周面に円環状の後端向き面１３が形成されている。

中心電極３０は、導電性を有する金属材料（例えばニッケル基合金等）によって形成された円柱状の電極であり、軸線Ｏに沿って穴１２の中に配置されている。中心電極３０は、球冠状の先端面をもつ先端部３１と、絶縁体１１の後端向き面１３に形成される頭部３２と、を備えている。

端子金具２３は、交流電圧やパルス電圧が入力される棒状の部材であり、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成されている。端子金具２３は絶縁体１１の後端に固定されている。端子金具２３は先端側が穴１２の中に配置され、導電性ガラス等の接続部２４を介して中心電極３０の頭部３２に電気的に接続されている。

主体金具４０は、導電性を有する金属材料（例えば低炭素鋼等）によって形成された略円筒状の部材である。主体金具４０は、外周面におねじ４１が形成された先端部４２と、先端部４２の後端側に連なる座部４３と、座部４３の後端側に設けられた工具係合部４４と、を備えている。

先端部４２のおねじ４１はエンジン（図示せず）のねじ穴に螺合する。座部４３は、エンジンのねじ穴とおねじ４１との隙間を塞ぐための部位であり、先端部４２よりも外径が大きく形成されている。工具係合部４４は、エンジンのねじ穴におねじ４１を締め付けるときに、レンチ等の工具を係合させる部位である。主体金具４０は絶縁体１１を外周側から保持する。主体金具４０に保持された絶縁体１１は、主体金具４０の先端４５から先端側に突出部１４が突出している。

主体金具４０の先端部４２には接地電極５０が接続されている。接地電極５０は棒状の金属製（例えばニッケル基合金製）の部材であり、少なくとも一部が、主体金具４０の先端４５よりも先端側に位置する。本実施形態では、接地電極５０は円柱状に形成されており、主体金具４０の先端４５に１本だけ接合されている。接地電極５０は、軸線Ｏを含む平面上に配置されている。

図２は図１のＩＩで示す部分を拡大した点火プラグ１０の片側断面図である。絶縁体１１の突出部１４は、中心電極３０の先端部３１を取り囲む有底円筒状の小径部１５と、小径部１５の後端側に連なる円環状の大径部１６と、を備えている。大径部１６の外径は小径部１５の外径よりも大きい。小径部１５と大径部１６との境界１７は、小径部１５側から見て外径が拡大し始める部位である。本実施形態では、小径部１５の内径、及び、大径部１６の内径は等しい。

絶縁体１１は、主体金具４０の先端４５を境に区切られた突出部１４の後端側に、円筒状の後続部１８が連なっている。後続部１８は、主体金具４０の先端部４２と中心電極３０との間に配置されている。後続部１８の外周面と主体金具４０の先端部４２の内周面との間には隙間Ｇが形成されている。隙間Ｇは、軸線Ｏに垂直な直線が、後続部１８の外周面と主体金具４０の先端部４２の内周面によって切り取られてできる線分の長さに等しい。後続部１８の外径は、大径部１６のうち後端側の部位の外径と同一である。大径部１６は、後端側（主体金具４０の先端４５付近）に存在する、外径が同一の円筒状の部位、及び、先端側（境界１７付近）に存在する、外径が次第に小さくなる円錐状の部位からなる。

小径部１５は、中心電極３０の径方向の外側に位置する円筒状の第１部１９と、第１部１９の先端側に連なる円板状の第２部２０と、を備えている。第２部２０は絶縁体１１の先端２１を含む。第１部１９の外径は、第１部１９の軸線方向の全長に亘って同一である。大径部１６の径方向の厚さＴ１は、小径部１５のうち第１部１９の径方向の厚さＴ２よりも厚い。

接地電極５０は、大径部１６と隙間Ａを介して対向する第１対向部５１と、小径部１５と隙間Ｂを介して対向する先端部５２と、先端部５２と第１対向部５１との間に位置する第２対向部５３と、を備えている。第２対向部５３は小径部１５と隙間Ｃを介して対向する。接地電極５０は、第１対向部５１から第２対向部５３まで直線状に形成されており、先端部５２は小径部１５に向かって屈曲している。先端部５２は、小径部１５のうち第１部１９の径方向の外側に位置する。第１対向部５１及び第２対向部５３は軸線Ｏに沿って（軸線Ｏとほぼ平行に）延びている。

第１対向部５１は、大径部１６の径方向の外側に位置する部位である。第２対向部５３は、第１対向部５１の先端側に連なる直線状の部位である。接地電極５０と突出部１４との間の隙間Ａ及び隙間Ｂは、隙間Ｃよりも狭い。隙間Ａ，Ｂ，Ｃは、軸線Ｏに垂直な直線が、接地電極５０の突出部１４の側を向く面と突出部１４の外周面によって切り取られてできる線分の長さに等しい。隙間Ａ，Ｂ，Ｃは隙間Ｇよりも広い。本実施形態では、隙間Ａの最小値Ｄ１は、隙間Ｂのうち先端部５２の端面５５と小径部１５との間の最小値Ｄ２よりも小さい。隙間Ｃは、第２対向部５３の軸線方向の全長に亘って同じ広さである。大径部１６の軸線方向の長さを二等分した二等分線２２から接地電極５０の先端５４までの軸線方向の距離Ｈは３ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。

エンジン（図示せず）に取り付けられた点火プラグ１０の端子金具２３と主体金具４０との間に交流電圧やパルス電圧が入力されると、絶縁体１１の突出部１４と接地電極５０との間に低温プラズマが作られる。低温プラズマは電子温度が高い非平衡状態であり、高いエネルギーをもつ電子は燃料や酸素分子と衝突して高反応性のラジカルを生成し、連鎖酸化反応を促進する。また、突出部１４と接地電極５０との間にストリーマ（フィラメント状の複数の放電路）を形成するため、一定の体積を有する反応領域に初期火炎が形成される。初期火炎が成長して可燃混合気（燃料ガス）が燃焼する。

点火プラグ１０は、絶縁体１１の突出部１４のうち大径部１６と接地電極５０の第１対向部５１との隙間Ａ、及び、突出部１４の小径部１５と接地電極５０の先端部５２との隙間Ｂが、接地電極５０の第２対向部５３と突出部１４の小径部１５との隙間Ｃよりも狭いので、隙間Ｃに生じる放電を抑制してエネルギー損失を抑制し、隙間Ａ，Ｂにそれぞれ放電を生じさせ易くできる。隙間Ｃは、第２対向部５３の軸線方向の全長に亘って同じ広さなので、第２対向部５３と小径部１５との間に放電をより生じ難くできる。

接地電極５０の先端部５２は第１対向部５１に対して電界強度が高いので、先端部５２が作る隙間Ｂに生成される電子の平均エネルギーが、第１対向部５１が作る隙間Ａに生成される電子の平均エネルギーよりも高くなる。その結果、高反応性のラジカルが隙間Ｂに多く形成されるので、隙間Ｂを中心に初期火炎が形成される。これにより、燃焼室の中心により近いところで火炎を発生させることができるので、着火性を確保できる。

また、先端部５２に対して電界強度が低い第１対向部５１が作る隙間Ａにも、放電によってラジカルが生成される。隙間Ａに生成されたラジカルは周囲の燃料ガスを改質する。大径部１６の二等分線２２から接地電極５０の先端５４までの軸線方向の距離Ｈは３ｍｍ以上１２ｍｍ以下なので、隙間Ａで改質された燃料ガスの影響で、隙間Ｂに火炎が形成され易くなる。その結果、燃焼安定性を確保できる。よって、着火性と燃焼安定性を両立できる。

点火プラグ１０は、絶縁体１１の突出部１４に存在する大径部１６の径方向の外側に主体金具４０の先端４５が位置する。これにより小径部１５と大径部１６との境界１７の径方向の外側に主体金具４０の先端４５が位置する場合に比べ、主体金具４０の先端４５と境界１７との間に放電を生じ難くできる。よって、主体金具４０の先端４５と境界１7との間の放電によって境界１７が破損する（放電が境界１７を貫通する）不具合を生じ難くできる。

点火プラグ１０は、接地電極５０の第１対向部５１及び第２対向部５３が軸線Ｏに沿って延び、接地電極５０の先端部５２は小径部１５に向かって屈曲しているので、電界強度が相対的に高い先端部５２が作る隙間Ｂに放電をさらに生じさせ易くできる。よって、着火性をさらに向上できる。また、小径部１５に向かって屈曲した先端部５２の端面５５が小径部１５に対向しているので、端面５５と小径部１５との間の空間にストリーマを形成し易くできる。

点火プラグ１０は、隙間Ａの最小値Ｄ１が隙間Ｂの最小値Ｄ２よりも小さいので、隙間Ａに放電を生じさせ易くできる。隙間Ａに生成されるラジカルによって燃料ガスが改質されるので、燃焼安定性をさらに向上できる。また、初期火炎が主に形成される隙間Ｂを隙間Ａより大きくすることにより、接地電極５０の先端部５２による消炎作用を抑制して初期火炎を形成し易くできる。隙間Ｂを大きくすることによって、さらに火炎を成長させ易くできる。

点火プラグ１０は、大径部１６における絶縁体１１の径方向の厚さＴ１が、小径部１５における絶縁体１１の径方向の厚さＴ２よりも厚いので、小径部１５に蓄えられる電荷の量を大径部１６に蓄えられる電荷の量より多くできる。その結果、大径部１６が作る隙間Ａの放電を抑制して隙間Ａの放電によるエネルギー損失を抑制し、小径部１５が作る隙間Ｂの放電を促進して隙間Ｂに放電路を形成し易くできる。よって、着火性をさらに向上できる。

図３を参照して、大径部１６の二等分線２２から接地電極５０の先端５４までの軸線方向の距離Ｈが、絶縁体１１の突出部１４と接地電極５０との間の放電に与える影響について説明する。図３は点火プラグ１０の距離Ｈと放電の回数との関係を示す図である。

図３は、接地電極５０の第２対向部５３の長さを異ならせて距離Ｈを変えた６種の点火プラグのサンプルを作製して行った実験結果である。サンプルは、距離Ｈ以外の寸法や形状、材質等は一定にした。各サンプルの隙間Ａの最小値Ｄ１は０．２ｍｍ、隙間Ｂの最小値Ｄ２は１．０ｍｍ、隙間Ｃは２．５ｍｍとした。

観察窓が設けられたチャンバ（図示せず）に各サンプルを取り付け、チャンバに試験ガス（本実施例では空気）を充填した。チャンバの内部の圧力を１ＭＰａに保った状態で端子金具２３と主体金具４０との間にパルス電圧を印加した。パルス電圧の繰り返し周波数は４０ｋＨｚ、電圧は２０ｋＶとした。１回当たりのパルス電圧の印加時間は２．５ミリ秒とし、これを１０回繰り返した。

放電の様子を高速度カメラで撮影し、２．５ミリ秒の１回の電圧印加時間内に放電が生じたかどうかを調べ、１０回の電圧印加のうち放電が生じた電圧印加回数（０～１０回）を記録した。図３の横軸は大径部１６の二等分線２２から接地電極５０の先端５４までの軸線方向の距離Ｈであり、縦軸は１０回の電圧印加において突出部１４と接地電極５０との間に放電が生じた回数である。

図３に示すとおり、距離Ｈが短くなっても長くなっても放電数は少なくなる傾向がみられた。距離Ｈが３ｍｍ以上１２ｍｍ以下であると、１０回のうち７回以上で突出部１４と接地電極５０との間に放電が生じた。距離Ｈが３ｍｍ以上１２ｍｍ以下であると、隙間Ａで改質されたガスの影響で、隙間Ｂを中心とする範囲に放電路が形成され易くなると推察される。なお、隙間Ａの最小値Ｄ１を０．０５～０．４ｍｍ、隙間Ｂの最小値Ｄ２を０．１～３ｍｍ、及び、隙間Ｃの大きさを０．２～３．５ｍｍの範囲で変えたサンプルについて同様の実験を行ったところ、同じように、距離Ｈが３ｍｍ以上１２ｍｍ以下のときに放電が生じ易くなる傾向がみられた。

図４を参照して第２実施の形態について説明する。第１実施形態では、接地電極５０の先端部５２が小径部１５に向かって屈曲している場合について説明した。これに対し第２実施形態では、接地電極７０の全体が直線状に形成される場合について説明する。なお、第１実施形態で説明した部分と同一の部分については、同一の符号を付して以下の説明を省略する。図４は第２実施の形態における点火プラグ６０の軸線Ｏを境にした片側断面図である。図４は、図２と同様に、図１のＩＩで示す部分を拡大した図である。

点火プラグ６０は、主体金具４０の先端部４２に接地電極７０が接続されている。接地電極７０は四角柱状に形成されており、主体金具４０の先端４５に１本だけ接合されている。接地電極７０は、大径部１６と隙間Ａを介して対向する第１対向部７１と、小径部１５と隙間Ｂを介して対向する先端部７２と、先端部７２と第１対向部７１との間に位置する第２対向部７３と、を備えている。第２対向部７３は小径部１５と隙間Ｃを介して対向する。接地電極７０は、第１対向部７１から先端部７２まで直線状に形成されている。接地電極７０は、軸線Ｏを含む平面上に、軸線Ｏに対して斜めに配置されている。

第１対向部７１は、大径部１６の径方向の外側に位置する部位である。第２対向部７３と小径部１５との隙間Ｃは、軸線方向の先端側に向かうにつれて次第に狭くなっている。先端部７２は、接地電極７０の軸線方向の先端７４を含む部位であって、接地電極７０の先端７４の近傍である。先端部７２と小径部１５との間の隙間Ｂの最小値Ｄ２は、第１対向部７１と大径部１６との間の隙間Ａの最小値Ｄ１よりも大きく、隙間Ｃより小さい。隙間Ａの最小値Ｄ１は隙間Ｃより小さい。隙間Ａ，Ｂ，Ｃは隙間Ｇよりも広い。大径部１６の軸線方向の長さを二等分した二等分線２２から接地電極７０の先端７４までの軸線方向の距離Ｈは３ｍｍ以上１２ｍｍ以下である。

点火プラグ６０は、隙間Ｃが、軸線方向の先端側に向かうにつれて次第に狭くなるが、隙間Ａ，Ｂは隙間Ｃより狭く、さらに大径部１６の二等分線２２から接地電極７０の先端７４までの軸線方向の距離Ｈは３ｍｍ以上１２ｍｍ以下なので、隙間Ａで改質された燃料ガスの影響で、隙間Ｂを中心とする範囲に放電路を形成し易くできる。よって、第１実施形態における点火プラグ１０と同様に、着火性と燃焼安定性を両立できる。

また、隙間Ａの最小値Ｄ１は隙間Ｂの最小値Ｄ２よりも小さいので、隙間Ａに放電を生じさせ易くし、隙間Ａに生成されるラジカルによって燃料ガスの改質を促進できる。よって、点火プラグ１０と同様に燃焼安定性をさらに向上できる。

以上、実施の形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、突出部１４の形状や接地電極５０，７０の形状は適宜設定される。

実施形態では、主体金具４０に接地電極５０，７０が１本接続された点火プラグ１０，６０について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。接地電極５０，７０の数は適宜設定できるので、２本以上の接地電極５０，７０を主体金具４０に接続することは当然可能である。

実施形態では、突出部１４の小径部１５の第１部１９の外径が、軸線方向の全長に亘って同一の場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。第１部の外径が軸線方向の先端側に向かうにつれて小さくなるような円錐状に小径部を形成することは当然可能である。小径部１５が円錐状の場合には、小径部１５と大径部１６との境界１７の位置は、軸線Ｏを含む断面において、小径部から後端側に向かって、突出部の外周面を示す線の軸線Ｏに対する傾きが最初に変化する位置である。

実施形態では、絶縁体１１の先端２１が平面状に形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、絶縁体１１の先端２１を含む面を球冠状にすることは当然可能である。

第１実施形態では、接地電極５０の先端部５２が小径部１５に向かって屈曲し、第２実施形態では、接地電極７０の第１対向部７１から先端部７２まで直線状に形成される場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではない。例えば、小径部１５に向かって屈曲した接地電極５０の先端部５２を、さらに軸線方向の先端側に向かって軸線Ｏに沿って屈曲させ、Ｚ字形にすることは当然可能である。また、直線状に形成された接地電極７０の先端部７２を、軸線方向の先端側に向かって軸線Ｏに沿って屈曲させることは当然可能である。以上のように接地電極５０，７０の先端部５２，７２に、軸線Ｏに沿って延びる部分を設けることにより、隙間Ｂにおける放電空間を拡大できる。

１０，６０ 点火プラグ
１１ 絶縁体
１４ 突出部
１５ 小径部
１６ 大径部
２１ 絶縁体の先端
２２ 二等分線
３０ 中心電極
３１ 中心電極の先端部
４０ 主体金具
４５ 主体金具の先端
５０，７０ 接地電極
５１，７１ 第１対向部
５２，７２ 先端部
５３，７３ 第２対向部
５４，７４ 接地電極の先端
Ｏ 軸線

Claims (3)

1. 先端側から後端側へと軸線に沿って延びる中心電極と、
   前記中心電極を取り囲み、先端が閉じた有底筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体を保持する筒状の主体金具と、を備え、
   前記絶縁体は、前記主体金具の先端から突出した突出部を備える点火プラグであって、
   前記主体金具に接続され、少なくとも一部が前記主体金具よりも先端側に位置する棒状の接地電極をさらに備え、
   前記絶縁体の前記突出部は、前記中心電極の先端部を取り囲む有底筒状の小径部と、
   前記小径部の後端側に連なり前記小径部の外径よりも外径が大きい大径部と、を備え、
   前記接地電極は、前記大径部と隙間Ａを介して対向する第１対向部と、
   前記小径部と隙間Ｂを介して対向する先端部と、
   前記先端部と前記第１対向部との間であって前記小径部と隙間Ｃを介して対向する第２対向部と、を備え、
   前記隙間Ａ及び前記隙間Ｂは前記隙間Ｃよりも狭く、
   前記大径部の軸線方向の長さを二等分した二等分線から前記接地電極の先端までの軸線方向の距離Ｈは３ｍｍ以上１２ｍｍ以下であり、
   前記隙間Ａの最小値は前記隙間Ｂの最小値よりも小さい点火プラグ。
2. 前記接地電極の前記第１対向部および前記第２対向部は前記軸線に沿って延び、
   前記接地電極の前記先端部は前記小径部に向かって屈曲している請求項１記載の点火プラグ。
3. 前記大径部における前記絶縁体の径方向の厚さは、前記小径部における前記絶縁体の径方向の厚さよりも厚い請求項１又は２に記載の点火プラグ。

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