JP7123252B2 - 対称に配置されたアース電極をハウジング内側に有する予燃焼室・点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１に記載されている予燃焼室・点火プラグを前提とする。特に、本発明による予燃焼室・点火プラグは、たとえばガソリンエンジンやガスエンジンを有する乗用車やトラックなどの自動車分野における移動用の用途で適用するのに適している。

従来、たとえば乗用車やトラックなどの移動用車両では、たとえばガソリンやガスなどの燃料の発火はエンジン内で従来型の点火プラグによって行われている。たとえば前面電極としての、あるいは側面電極としての、アース電極の多種多様な構成を有する従来型の点火プラグが存在する。従来型の点火プラグでは、燃料の発火は１つの場所で非常に局所的に行われる（局所的な点火）。

予燃焼室・点火プラグが主として従来型の点火プラグと異なるのは、予燃焼室・点火プラグが燃焼室側のハウジング端部にキャップを有することであり、それにより、電極での燃料・空気・混合物の第１の発火が中で行われる予燃焼室が構成される。炎がキャップにある開口部を通ってエンジンの主燃焼室に達することができ、そこで複数の点を起点として残りの燃料・空気・混合物に着火する（第２の発火）。空間点火とも呼ばれる、主燃焼室内の複数の場所で同時に行われるこのような第２の発火により、予燃焼室・点火プラグは従来型の点火プラグよりも大幅に希薄な燃料・空気・混合物を発火させることができる。その理由から、予燃焼室・点火プラグは近年、定置の産業用ガスエンジンにも標準装備されている。さらに予燃焼室・点火プラグは空間点火に基づき、従来型の点火プラグと比較して効率の面で、およびエンジン内でのいっそう完全かついっそう迅速な燃焼という面でも利点を示す。空間点火コンセプトは、全負荷のときに熱力学な最善の方向へと向かう、いっそう安定したエンジンの動作を可能にする。

定置の産業用ガスモータで使用されるこのような予燃焼室・点火プラグは、たとえば特許文献１や特許文献２から公知である。

良好なパフォーマンスを、すなわち信頼度の高い発火と燃料・空気・混合物の良好な発火安定性とを、エンジンのさまざまに異なる負荷点のもとでももたらす予燃焼室・点火プラグはこれまで存在していない。移動用車両のエンジンの負荷プロファイルは一定しておらず、無負荷から部分負荷を経て全負荷にまで及ぶ。たとえば乗用車やトラックなどの自動車分野での予燃焼室・点火プラグの適用のためには、全負荷のときだけでなくそれ以外の負荷点でも、予燃焼室・点火プラグが良好なパフォーマンスを有することが必要である。

独国特許出願公開第３８２１６８８号明細書 独国特許出願公開第２９１６２８５号明細書

したがって本発明の課題は、さまざまな負荷点のもとでも、燃料・空気・混合物の良好な発火と良好な発火安定性とを有する予燃焼室・点火プラグを提供することにある。

この課題は本発明による、冒頭に述べた種類の予燃焼室・点火プラグにおいて、少なくとも２つのアース電極がハウジングの内側に配置されることによって解決される。

本発明による予燃焼室・点火プラグは、長軸に沿って穴を有するハウジングを有する。穴に基づき、ハウジングは内側と外側とを有する。キャップがハウジングの燃焼室側の端部でハウジングに配置され、取り付けられる。キャップはハウジングとともに予燃焼室を構成する。ハウジングの内部に絶縁体が配置される。絶縁体はその長軸に沿って穴を有する。絶縁体の内部に中心電極が配置される。中心電極の燃焼室側の端部は絶縁体から突出する。各々のアース電極とともに中心電極がそれぞれ点火ギャップを形成し、少なくとも２つのアース電極はハウジングの内側に配置される。

さまざまな技術的効果がもたらされる。少なくとも２つのアース電極がハウジングの内部に配置されることで、キャップの構成について大幅に高い自由がもたらされ、それにより、予燃焼室の容積を負荷点のいっそう広いスパンで最適化することができる。このようにして、エンジンのさまざまな負荷点について良好な発火と良好な発火安定性がもたらされる。

さらに別の技術的効果は、アース電極の数が増えることで、点火プラグがいっそう長い耐用寿命を有することにある。

さらに、少なくとも２つのアース電極がハウジングの内部に配置されて、中心電極とともにそれぞれ点火ギャップを形成することで、絶縁体と中心電極も同じくハウジングで取り囲まれることがもたらされ、それにより、絶縁体と絶縁体脚部を取り囲むハウジングが絶縁体脚部を不規則な圧力ピークから防護し、それによって絶縁体脚部の破損が回避される。

本発明のその他の好ましい実施形態は従属請求項の対象である。

本発明の特別に好ましい実施形態では、少なくとも２つのアース電極はハウジングの内側で対称に配置される。このとき点火プラグの長軸が、アース電極を配置するときの対称軸となる。各アース電極の対称の配置に基づき、予燃焼室内での燃料・空気・混合物の流動が非常に均一に行われるという技術的効果がもたらされ、それにより、予燃焼室・点火プラグでの燃料・空気・混合物の良好な発火と良好な発火安定性がいっそう促進される。さらに、このような対称性によって、予燃焼室からエンジンの燃焼室への発火の「引き出し」も対称に行われ、それにより、燃焼室内のさまざまな場所での燃料・空気・混合物の同時の点火（発火）が可能となる。

本発明の好ましい実施形態では、ハウジングはそのハウジング壁に、少なくとも２つのアース電極のうちの１つがそれぞれ差し込まれて取り付けられる少なくとも２つの穴を有する。たとえば少なくとも２つのアース電極は、これらの穴に溶接またはプレスされる。穴の中へのアース電極の配置は、本発明による予燃焼室・点火プラグの製造方法が簡易化され、そのようにしていっそう好都合になるという利点を有する。

ハウジングの外側に形成されるねじ山の領域に穴が形成されると好ましいことが判明している。ハウジングの外側のねじ山は、予燃焼室・点火プラグをシリンダヘッドにねじ込むための役目を果たす。

本発明のさらに別の実施形態では、ハウジングはその外側に、少なくとも２つの穴が形成された少なくとも２つの凹部を有する。このことは、ねじ山の領域で穴をハウジング壁に形成するのがいっそう容易になるという利点を有する。たとえば凹部のところでのハウジングの外径は、ハウジングの外側に形成されたねじ山のコア直径よりも小さいのが好ましい。このことは、シリンダヘッドに点火プラグをねじ込むとき、穴と凹部が妨げにならないという利点を有する。

たとえば少なくとも２つの凹部は溝として、特に円形の溝またはテーパ状の溝として、あるいはねじ山の領域の平坦な面として構成されていてよい。

本発明による点火プラグの別の好ましい実施形態では、点火プラグはハウジングの内側で対称に配置された４つまたは６つのアース電極を有する。それにより、一方では点火プラグの耐用寿命が長くなり、他方では、エンジンのさまざまな負荷点のもとでの良好な発火と良好な発火安定性のために、燃料・空気・混合物の流動のいっそう均一な分布がもたらされる。

本発明の発展例では、予燃焼室は後側の予燃焼室と前側の予燃焼室とを有することが意図され、後側の予燃焼室の容積は予燃焼室の容積全体の少なくとも１／４である。それにより、負荷点が低いときでも、点火場所の領域に点火能力のある燃料・空気・混合物が存在することが保証される。

ハウジングとキャップの内部ジオメトリーは、絶縁体とともに予燃焼室容積を規定する。このとき予燃焼室とその容積は、前側の予燃焼室と後側の予燃焼室とに下位区分することができる。前側の予燃焼室と後側の予燃焼室の間の境界はアース電極の位置によって規定され、すなわち、前側の予燃焼室はキャップから、アース電極の高さでハウジングの長軸Ｘに対して垂直に延びる平面まで延びる。それに応じて後側の予燃焼室は、この平面からハウジングシートまで延びる。容積を計算するために、各空間の輪郭が考慮される。

本発明による予燃焼室・点火プラグの例である。 燃焼室の方向から点火プラグを見た図である。 ハウジングのねじ山領域の区域である。

図１は、半分を断面にした図で点火プラグ１を示している。点火プラグ１はハウジング２を含んでいる。ハウジング２の中に絶縁体３が挿入されている。ハウジング２と絶縁体３は、それぞれの長軸に沿ってそれぞれ穴を有している。ハウジングは外側２４と内側２３とを有する。ハウジング２の長軸、絶縁体３の長軸Ｘ、および点火プラグ１の長軸は一致する。絶縁体３の中に中心電極４が挿入されている。さらに、点火プラグの電気的な接触のためのターミナルボルト８が絶縁体３の中に延びていて、この接触を介して点火プラグ１が電圧源と電気接触する。電気接触部は燃焼室と反対を向くほうの点火プラグ１の端部を構成する。電気接触部は本例のように一体的に、あるいは複数のコンポーネントから構成されていてよい。

絶縁体３は、典型的には、絶縁体脚部３１、絶縁体本体、および絶縁体頭部という３つの領域に下位区分される。これら３つの領域は、たとえばそれぞれ異なる直径によって区別される。絶縁体脚部３１は、燃焼室のほうを向いている絶縁体３の端部である。絶縁体脚部３１の内部に中心電極４が配置される。絶縁体脚部３１は、ここでは全面的にハウジング２の内部に配置されている。通常、絶縁体脚部３１は絶縁体３でもっとも小さい外径を有する。

絶縁体脚部３１に隣接して、通常は全面的にハウジング２で取り囲まれる絶縁体本体が配置される。絶縁体本体は、絶縁体脚部３１よりも大きい外径を有する。絶縁体脚部３１と絶縁体本体との間の移行部は、肩部またはネック部として構成される。この移行部は、脚部ネックまたは絶縁体シート３５とも呼ばれる。

絶縁体頭部は、燃焼室と反対を向くほうの絶縁体本体の端部でこれに隣接し、燃焼室と反対を向くほうの絶縁体３の端部を構成する。絶縁体頭部はハウジング２から突出する。絶縁体頭部の外径は絶縁体脚部３１と絶縁体本体の外径の間であり、これらの領域は、典型的には、それぞれの長さにわたって一定の外径を有するのでなく、外径が変化していてよい。

ハウジング２はその内側にシート２５を有している。絶縁体はその肩部ないし絶縁体シート３５をもってハウジングシート２５の上に載る。絶縁体シート３５とハウジングシート２５の間には内側シール材１０が配置される。

中心電極４と、点火プラグの電気接触のためのターミナルボルト８との間に、パナートとも呼ばれる抵抗部材７が絶縁体３に存在する。抵抗部材７は中心電極４をターミナルボルト８と導電接続する。抵抗部材７は、たとえば第１の接触パナート７ａ、抵抗パナート７ｂ、および第２の接触パナート７ａからなる層システムとして構成される。抵抗部材の各層は、それぞれの材料組成およびその結果として生じる電気抵抗によって区別される。第１の接触パナート７ａと第２の接触パナート７ａは、異なる電気抵抗または同じ電気抵抗を有することができる。

ハウジング２の内側２３に２つのアース電極５がそれぞれ穴５２の中に配置されており、それにより、アース電極５はハウジング内側２３から径方向に穴の中へ、ハウジング２の長軸Ｘに沿って突入する。アース電極５と中心電極４は、ともにそれぞれ点火ギャップを形成する。穴５２は外側２４からハウジング壁を通ってハウジング２の内側２３まで延びる。

ハウジング２はシャフトを有している。このシャフトに多角ナット２１、収縮溝、およびねじ山２２が構成されている。ねじ山２２は、エンジンに点火プラグ１をねじ込むための役目を果たす。

ハウジング壁の穴５２はねじ山２２の領域に形成されている。このときアース電極５のための穴５２は、およびこれに伴ってアース電極５も、ねじ山２２の領域のいかなる任意の高さに配置されていてもよい。ねじ山２２の領域におけるアース電極５の位置に応じて、中心電極４およびこれに伴って絶縁体脚部３１も、程度の差こそあれ予燃焼室８１の中へ相応に突入する。予燃焼室・点火プラグの所望の利用目的に応じて、ねじ山２２の領域における穴の位置、およびハウジング２の内側２３におけるアース電極５の位置を選択することができる。

穴５２は、たとえばテーパ状の溝や円形の溝などの凹部５１にそれぞれ配置される。このとき凹部の中のハウジング２の外径は、ねじ山２２のコア直径よりも小さい。

凹部５１は、たとえば予燃焼室・点火プラグ１を製造するときにハウジング２の打抜きによって生じさせることができる。このときハウジング２の外径が凹部５１の領域で縮小するだけでなく、凹部５１の領域のハウジング２の内径も縮小し、それにより、ハウジングの内部に突起２６が凹部５１ごとに生じる。

ハウジング２には、その燃焼室側の端面にキャップ８０が配置されている。ハウジング２とキャップ８０は、予燃焼室容積を有する予燃焼室８１を共同で構成する。予燃焼室８１はキャップからハウジング２の中へと延び、さらにハウジング２の内部で、絶縁体３がその肩部３５をもって上に載るハウジングシート２５まで延びる。ハウジング２と絶縁体３の間の中間スペースは、この個所で内側シール材１０によって気密に封止される。予燃焼室８１とその容積は、前側の予燃焼室８１ａと後側の予燃焼室８１ｂとに下位区分することができる。前側の予燃焼室８１ａと後側の予燃焼室８１ｂとの間の境界はアース電極の位置によって規定され、すなわち、前側の予燃焼室８１ａはキャップからアース電極の高さでハウジングの長軸Ｘに対して垂直に延びる平面まで延びる。それに応じて後側の予燃焼室８１ｂはこの平面から、絶縁体３と内側シール材１０が上に載るハウジングシート２５まで延びる。この平面はアース電極５の長軸に沿って位置する。

図２は、燃焼室の方向から長軸に沿って予燃焼室の中を見た図を示している。この視線方向からは、たとえば２つのアース電極５の配置を良く見ることができる。アース電極５は相互に１８０°の間隔を有する。対称に配置された４つのアース電極を有する本発明の点火プラグの実施形態であれば、アース電極は相互に９０°の間隔を有することになる。対称に配置された６つのアース電極を有する本発明の別の実施例であれば、アース電極は相互に６０°の間隔を有することになる。

図３には、ハウジングのねじ山領域２２の部分図を見ることができる。アース電極５のための穴５２を有する凹部５１が明らかに認められる。凹部５１の領域では、ハウジングはねじ山のコア直径よりも小さい直径を有する。

１ 予燃焼室・点火プラグ
２ ハウジング
３ 絶縁体
４ 中心電極
５ アース電極
２２ ねじ山
２３ 内側
２４ 外側
５１ 凹部
５２ 穴
８０ キャップ
８１ 予燃焼室
８１ａ 前側の予燃焼室８１ａ
８１ｂ 後側の予燃焼室８１ｂ

Claims (7)

1. 予燃焼室・点火プラグ（１）であって、
   長軸に沿って穴を有するハウジング（２）を含み、それにより前記ハウジング（２）が外側（２４）と内側（２３）を有し、
   前記ハウジングの燃焼室側の端部で前記ハウジング（２）に配置され、前記ハウジング（２）とともに予燃焼室（８１）を構成するキャップ（８０）と、
   前記ハウジング（２）の内部に配置された絶縁体（３）と、
   前記絶縁体（３）の内部に配置された中心電極（４）と、
   少なくとも２つのアース電極（５）とを含み、少なくとも２つの前記アース電極（５）と前記中心電極（４）は各々の前記アース電極が前記中心電極とともに点火ギャップを形成するように配置される、予燃焼室・点火プラグにおいて、
   少なくとも２つの前記アース電極（５）は前記ハウジング（２）の内側（２３）に配置され、
   前記ハウジング（２）はそのハウジング壁に少なくとも２つの穴（５２）を有し、少なくとも２つの前記穴（５２）の各々の中に少なくとも２つの前記アース電極（５）のうちの１つが差し込まれて取り付けられ、
   前記ハウジング（２）はその外側（２４）に前記穴（５２）が形成される１つまたは複数の凹部（５１）を有し、
   １つまたは複数の前記凹部（５１）のところでの前記ハウジング（２）の外径は前記ねじ山（２２）のコア直径よりも小さいことを特徴とする、予燃焼室・点火プラグ。
2. 少なくとも２つの前記アース電極（５）は前記ハウジング（２）の内側（２３）で対称に配置されることを特徴とする、請求項１に記載の点火プラグ（１）。
3. 前記アース電極（５）は前記穴（５２）の中で溶接またはプレスされることを特徴とする、請求項１または２に記載の点火プラグ（１）。
4. 前記ハウジング（２）はその外側（２４）に前記点火プラグをシリンダヘッドへねじ込むためのねじ山（２２）を有し、前記穴（５２）は前記ねじ山（２２）の領域に形成されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の点火プラグ（１）。
5. １つまたは複数の前記凹部（５１）は円形の溝、テーパ状の溝、または前記ねじ山（２２）の領域の平坦な面として構成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の点火プラグ（１）。
6. 前記点火プラグは前記ハウジングの内側で対称に配置された４つまたは６つのアース電極を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の点火プラグ。
7. 前記予燃焼室（８１）は後側の予燃焼室（８１ｂ）と前側の予燃焼室（８１ａ）とを有し、前記後側の予燃焼室（８１ｂ）の容積は前記予燃焼室（８１）の容積全体の少なくとも１／４であることを特徴とする、請求項２から６のいずれか１項に記載の点火プラグ（１）。

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