JP7183649B2 - レーザ点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、レーザ点火プラグに関する。

従来、内燃機関等の点火装置として、レーザパルスを利用して燃料ガスに点火するレーザ点火プラグを備えたものがある。かかるレーザ点火プラグでは、レーザパルスを出射する開口部に、内部を保護するための保護ガラスが設けられており、レーザパルスは当該保護ガラスを透過して燃焼室内に出射される。例えば、特許文献１に開示の構成では、レーザ点火プラグをシリンダヘッドへの取り付ける際の締め付けによる機械的ストレスが保護ガラスに作用しないように、当該機械的ストレスが発生しないハウジング先端領域に保持部材によって保護ガラスを保持している。そして、保持部材と保護ガラスとの間にはシール材が介在している。

特開２０１３－９６３９２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、シール材は保護ガラスにおける燃焼室と反対側の底面とこれに対向する保持部材の対向面との間に介在している。そのため、燃焼室に生じる燃焼圧によって保護ガラスが燃焼室から押圧されると、保護ガラスの底面と保持部材の対向面との間のシール材に過剰に力が加わってシール材が破損する恐れがある。そして、シール材が破損して保護ガラスと保持部材との間のシール性が低下すると点火プラグ内に燃料ガスや排ガスが侵入して破損を招く恐れがある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、保護ガラスとこれを保持する保持部材との間のシール性の低下が防止されたレーザ点火プラグを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、内燃機関の燃焼室（１００）内に位置した先端から燃焼室内にレーザパルスを照射して、燃焼室内の燃料ガスに点火するレーザ点火プラグ（１）であって、
レーザパルスを発生させるレーザパルス発生部（１０）と、
上記レーザパルス発生部を内側に収容する筒状のハウジング（２０）と、
上記レーザパルス発生部から発生されたレーザパルスを透過させて燃焼室内に放出するとともに、上記レーザパルス発生部を保護する保護ガラス（３０）と、
上記保護ガラスを上記ハウジングの先端に保持する保持部材（４０）と、
を備え、
上記保持部材は、上記保護ガラスにおける上記燃焼室と反対側の面である底面（３１）に当接する底面当接部（４１）と、上記保護ガラスにおけるプラグ径方向外側の面である側周面（３２）に対向するとともに該側周面に接合部材（５０）を介して接合された側周面接合部（４２）とを有し、
上記保持部材における上記底面当接部と上記側周面接合部との間の入隅部（４８）には、上記保護ガラスにおける上記底面と上記側周面との間の出隅部（３８）と離間するように凹状に形成された逃がし部（４８０、４８１）が設けられている、レーザ点火プラグにある。

上記レーザ点火プラグにおいては、保護ガラスの底面と保持部材の底面当接部とが互いに当接しており、両者の間には接合部材が介在していない。そして、保護ガラスの側周面と保持部材の側周面接合部とが接合部材を介して互いに接合されていることにより、保護ガラスが保持部材に保持されている。そのため、保護ガラスが燃焼室側から燃焼圧を受けても、保護ガラスの底面から保持部材の底面当接部に直接力が加わって、側周面と側周面接合部との間の接合部材には力が過剰に加わらない。その結果、接合部材の破損が防止されて、保護ガラスと保持部材との間のシール性の低下が防止される。

以上のごとく、本発明によれば、保護ガラスとこれを保持する保持部材との間のシール性の低下が防止されたレーザ点火プラグを提供することができる。

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、レーザ点火プラグの正面一部断面図。 実施形態１における、レーザ点火プラグの先端断面拡大図。 変形形態１における、レーザ点火プラグの先端断面拡大図。 実施形態２における、レーザ点火プラグの正面一部断面図。 実施形態２における、レーザ点火プラグの先端断面拡大図。 変形形態２における、レーザ点火プラグの先端断面拡大図。

（実施形態１）
上記レーザ点火プラグの実施形態について、図１、図２を用いて説明する。
本実施形態のレーザ点火プラグ１は、図１に示すように、内燃機関の燃焼室１００内に位置した先端から燃焼室１００内にレーザパルスＬを照射して、燃焼室１００内の燃料ガスに点火する。
そして、レーザ点火プラグ１は、レーザパルス発生部１０、ハウジング２０、保護ガラス３０及び保持部材４０を備える。
レーザパルス発生部１０はレーザパルスＬを発生させる。
ハウジング２０は筒状をなしており、レーザパルス発生部１０を内側に収容する。
保護ガラス３０は、レーザパルス発生部１０から発生されたレーザパルスＬを透過させるとともにレーザパルス発生部１０を保護する。
保持部材４０は、保護ガラス３０をハウジング２０の先端に保持する。
そして、図２に示すように、保持部材４０は、保護ガラス３０における燃焼室１００と反対側の面である底面３１に当接する底面当接部４１と、保護ガラス３０におけるプラグ径方向外側Ｘの面である側周面３２に対向するとともに側周面３２に接合部材５０を介して接合された側周面接合部４２とを有する。

以下、本実施形態のレーザ点火プラグ１について、詳述する。
図１に示すように、ハウジング２０は、プラグ軸方向Ｙに延びる筒状を成しており、ハウジング２０の外周面には内燃機関のシリンダヘッド１０１に螺合するための取付ネジ部２１が形成されている。レーザ点火プラグ１は、取付ネジ部２１をシリンダヘッド１０１に螺合させて、プラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１の面であって燃焼室１００内に面した保護ガラス３０の天面３３が内燃機関の燃焼室１００内に露出するように、シリンダヘッド１０１に取り付けられる。

図１に示すように、ハウジング２０の内側にはレーザパルス発生部１０が収納されている。レーザパルス発生部１０は、レーザ点火プラグ１の外部に設けられた図示しない励起光源に光ファイバを介して接続されている。レーザパルス発生部１０は、励起光源から供給された励起光を共振させて増幅して、エネルギ密度の高いパルス光としてのレーザパルスＬを発生させる。レーザパルス発生部１０の構成は特に限定されず、公知の構成を採用できる。

レーザパルス発生部１０から発生されたレーザパルスＬは、図１に示すように、拡散レンズ１１によって所定幅に拡散された後、集光レンズ１２を透過する。集光レンズ１２における入射面１２１と出射面１２２とは互いに異なる曲率を有する。集光レンズ１２の入射面１２１には、レーザパルス発生部１０から出射されたレーザパルスＬの反射を抑制するための反射防止層が形成されている。集光レンズ１２は、ハウジング２０内において拡散レンズ１１と所定の距離を保つように拡散レンズ１１よりもプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に設けられている。これにより、レーザパルスＬは集光レンズ１２によって集光されて、保護ガラス３０を透過して燃焼室１００内の集光点ＦＰに照射される。

図２に示すように、保護ガラス３０は、燃焼室１００内に面しており、燃焼室１００内の熱、圧力、燃焼生成物等からハウジング２０の内部を保護している。保護ガラス３０の形成材料としては、サファイヤガラス、光学ガラス、耐熱ガラス、石英ガラス等の公知の光学素子材料を採用することができ、本実施形態では、サファイヤガラスを採用している。図２に示すように、保護ガラス３０における燃焼室１００側の面である天面３３と、燃焼室１００と反対側の面である底面３１とは互いに平行な平面となっている。底面３１には、集光レンズ１２から出射されたレーザパルスＬの反射を抑制するための反射防止層が形成されている。

図２に示すように、保護ガラス３０におけるプラグ軸方向Ｙに直交するプラグ径方向外側Ｘの側周面３２は、底面３１に隣接する第１側周面３２１と、第１側周面３２１のプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に位置して、天面３３に隣接する第２側周面３２２とからなる。第１側周面３２１は、プラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に向かうにつれて拡径するように傾斜したテーパ面となっている。一方、第２側周面３２２はプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に向かうにつれて縮径するように傾斜したテーパ面となっている。したがって、保護ガラス３０の外径は、第１側周面３２１と第２側周面３２２との境界部３２３において最大となっている。そして、図１に示すように、保護ガラス３０はプラグ中心軸１ａを含む断面の形状が六角形となっている。

図１、２に示すように、保護ガラス３０は、保持部材４０によってハウジング２０の先端２２に固定されている。保持部材４０は金属製の環状部材であって、図２に示すように、底面当接部４１と、側周面接合部４２とを有する。底面当接部４１は保護ガラス３０の底面３１に対向している。底面当接部４１は底面３１に平行であるとともに底面３１の外縁に沿った環状平面をなしている。底面３１と底面当接部４１とは互いに当接しており、両者の間に接合部材等は介在していない。そして、本実施形態では、全周方向において両者が互いに当接している。

図２に示すように、側周面接合部４２は保護ガラス３０の側周面３２に対向して接合部材５０を介して側周面３２に接合されている。側周面接合部４２は保護ガラス３０の第１側周面３２１に沿って傾斜した部分円錐面となっている。本実施形態では、図２に示すように、プラグ中心軸１ａを含む断面において、側周面接合部４２は側周面３２と全域にわたって平行となっている。なお、側周面接合部４２と側周面３２とはプラグ中心軸１ａを含む断面において平行でなくてもよく、側周面接合部４２が側周面３２に対して傾斜していてもよい。第１側周面３２１と側周面接合部４２とを接合する接合部材５０は、ろう材からなる。接合部材５０を構成するろう材は融点の高いものが好ましく、例えば、融点が９９０℃であるＡｕ－Ｃｕ合金や融点が７８０℃であるＡｇ－Ｃｕ合金からなるろう材を接合部材５０として使用することができる。本実施形態では接合部材５０としてＡｕ－Ｃｕ合金からなるろう材を使用している。

本実施形態では、図２に示すように、保持部材４０の入隅部４８には、接合部材５０と側周面３２と側周面接合部４２と底面当接部４１とで囲まれてなる空間部５１が形成されており、接合部材５０は保持部材４０の入隅部４８に接していない。これにより、ろう付けの際に溶融した接合部材５０が底面３１と底面当接部４１との間に流れ込まないようにしている。

図１に示すように、保持部材４０のプラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２の端部４７は、ハウジング２０の先端２２に溶接されている。これにより、保護ガラス３０が保持部材４０を介してハウジング２０のプラグ軸方向Ｙの先端側Ｙ１に固定されることとなる。

なお、本実施形態では、図２に示すように、保持部材４０は、側周面接合部４２のプラグ径方向外側Ｘの外縁から先端側Ｙ１に延出するとともに先端側Ｙ１に向かうにつれて内側となるプラグ中心軸１ａ側に屈曲してなる屈曲部４５を有する。屈曲部４５と第２側周面３２２との間にはリング状部材４６が設けられている。リング状部材４６は環状をなすとともに内周面４６１が第２側周面３２２に沿うように傾斜しており、屈曲部４５は内周面４６１が第２側周面３２２に当接した状態でリング状部材４６を保持している。これにより、保護ガラス３０が保持部材４０から燃焼室１００内に脱落することを防止している。そして、リング状部材４６と保護ガラス３０との接触は面接触となることから、リング状部材４６と保護ガラス３０との当接部において応力集中が抑制されて、保護ガラス３０の破損が防止される。なお、本実施形態では屈曲部４５の先端４５１は第２側周面３２２に当接していないが、第２側周面３２２に当接していてもよい。

次に、本実施形態のレーザ点火プラグ１における作用効果について、詳述する。
本実施形態のレーザ点火プラグ１によれば、保護ガラス３０の底面３１と保持部材４０の底面当接部４１とが互いに当接しており、底面３１と底面当接部４１との間には接合部材が介在していない。そして、保護ガラス３０の側周面３２と保持部材４０の側周面接合部４２とが接合部材５０を介して互いに接合されており、保護ガラス３０が保持部材４０に保持されている。そのため、保護ガラス３０が燃焼室１００側から燃焼圧を受けても、保護ガラス３０の底面３１から保持部材４０の底面当接部４１に直接力が加わって、接合部材５０に過剰に力が加わらない。その結果、接合部材５０の破損が防止されて、保護ガラス３０と保持部材４０との間のシール性の低下が防止される。

なお、本実施形態では、図２に示すように、保持部材４０における底面当接部４１と側周面接合部４２との間の入隅部４８は、保護ガラス３０における底面３１と側周面３２との間の出隅部３８とは互いに平行となっており互いに相似形状となっている。これに替えて、図３に示す変形形態１のように、保持部材４０における底面当接部４１と側周面接合部４２との間の入隅部４８に、保護ガラス３０における底面３１と側周面３２との間の出隅部３８と離間するように凹状に形成された逃がし部４８０が設けられていてもよい。本変形形態１では、逃がし部４８０は図２に示す実施形態１の入隅部４８に対して、プラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２及びプラグ径方向外側Ｘに向けて凹状に形成されている。

図３に示すように、逃がし部４８０が設けられることにより、保護ガラス３０の出隅部３８が保持部材４０に干渉することが防止され、底面３１と底面当接部４１とが互いに同士で当接しやすくなる。その結果、保護ガラス３０が燃焼圧を受けたときに、底面３１と底面当接部４１との間に生じる応力の集中が緩和されて、保護ガラス３０の破損を抑制することができる。また、ろう材である接合部材５０のろう付けの際に、溶融した接合部材５０が入隅部４８に到達した場合に、溶融した接合部材５０を逃がし部４８０にとどまらせることによって底面３１と底面当接部４１との間に回り込むことを防止できる。これにより、底面３１と底面当接部４１との間に接合部材５０を介在させないようにしつつ、側周面３２及び側周面接合部４２と接合部材５０との接触面積を広く確保することができる。その結果、保護ガラス３０と保持部材４０との間のシール性を一層向上できるとともに、保持部材４０による保護ガラス３０の保持力を向上することができる。

以上のごとく、本実施形態及び変形形態によれば、保護ガラス３０と保持部材４０との間のシール性の低下が防止されたレーザ点火プラグ１を提供することができる。

（実施形態２）
実施形態１では、図１、図２に示すようにプラグ中心軸１ａを含む断面の形状が六角形である保護ガラス３０を備えていたが、本実施形態２のレーザ点火プラグ１では、これに替えて、図４、図５に示すようにプラグ中心軸１ａを含む断面の形状が矩形である保護ガラス３００を備える。また、図５に示すように、保持部材４０は、図２に示す実施形態１における屈曲部４５を有しない。その他の構成要素は実施形態１の場合と同様であり、本実施形態においても実施形態１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。

図５に示すように、本実施形態では、保護ガラス３０は円柱状をなすとともにプラグ中心軸１ａを含む断面の形状が矩形であって、これに対応して保持部材４０の入隅部４８はプラグ中心軸１ａを含む断面において直角となっている。接合部材５０のプラグ軸方向Ｙの長さｈ１は、保護ガラス３０と保持部材４０との接合状態を維持して両者の間のシール性を確保できる長さであればよく、本例では、本実施形態では、図５に示すように、接合部材５０のプラグ軸方向Ｙの長さｈ１は保護ガラス３０のプラグ軸方向Ｙの長さ、すなわち保護ガラス３０の厚さｈ２の半分以下であって、保護ガラス３０と保持部材４０との間のシール性を確保できる程度の長さとなっている。

従来構成では、保持部材との間の接合部材を保護ガラスの底面及び側周面に亘って設けるとともに、保護ガラスの側周面の接合部材のプラグ軸方向Ｙの長さを大きくして接合強度を高めて、保護ガラスの側周面の接合部材でも燃焼圧を受けるようにすることにより、保護ガラスの底面と保持部材との間の接合部材が燃焼圧によって破損することを防止していた。これに対して、本実施形態のレーザ点火プラグ１によれば、実施形態１と同様に、保護ガラス３０の底面３１と保持部材４０の底面当接部４１との間に接合部材５０が介在せずに両者が互いに当接しているため、保護ガラス３０にかかる燃焼圧を保持部材４０の底面当接部４１が直接受けることとなる。これにより、側周面３２の接合部材５０で燃焼圧を受ける必要がないことから、側周面３２の接合部材５０は接合強度を高める必要がなくシール性を維持できればよいため、プラグ軸方向Ｙの長さｈ１を従来よりも短くすることができる。その結果、接合部材５０の量を削減でき、低コスト化を図ることができる。

さらに、本実施形態のレーザ点火プラグ１によれば、実施形態１と同様に、接合部材５０の破損が防止されることから接合部材５０によって保護ガラス３０の側周面３２と保持部材４０の側周面接合部４２との接合状態が十分に維持されるため、保護ガラス３０が保持部材４０から燃焼室１００内に脱落するおそれがない。そのため、実施形態１における屈曲部４５及びリング状部材４６が不要となり、保持部材４０の構成を簡素化できるとともに部品点数を削減できる。さらに、屈曲部４５が不要となることに伴って、保護ガラス３０の形状を屈曲部４５によって保護ガラス３０の移動を規制できるように側周面３２をテーパ形状にする必要がない。そのため、本実施形態のごとく、保護ガラス３０におけるプラグ中心軸１ａを含む断面の形状を矩形にすることができることから、保護ガラス３０の形状を簡素化でき、製造コストの低減を図ることができるとともに小型化にも寄与する。なお、本実施形態においても、実施形態１の場合と同様の作用効果を奏する。

なお、図６に示す変形形態２のように、保持部材４０の入隅部４８に逃がし部４８１を設けてもよい。図６に示すように、変形形態２において、逃がし部４８１は図６に示す実施形態２の入隅部４８に対して、プラグ軸方向Ｙの基端側Ｙ２に向けて凹状に形成されており、プラグ径方向外側Ｘには形成されていない。これにより、保護ガラス３０の側周面３２と保持部材４０の側周面接合部４２との間隙の大きさが逃がし部４８１によって変化しないため、製造工程において接合部材５０を介した側周面３２と側周面接合部４２との接合状態を管理しやすくなり、両者の接合状態を良好に維持しやすくなる。なお、本変形形態２においても、実施形態１、２及び変形形態１の場合と同様の作用効果を奏する。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、実施形態１における入隅部４８に変形形態２における逃がし部４８１の構成を適用してもよいし、実施形態２における入隅部４８に変形形態１における逃がし部４８０の構成を適用してもよい。

１ レーザ点火プラグ
１０ レーザパルス発生部
２０ ハウジング
３０、３００ 保護ガラス
３１ 底面
３２ 側周面
３８ 出隅部
４０ 保持部材
４１ 底面当接部
４２ 側周面接合部
４８ 入隅部
４８０、４８１ 逃がし部
５０ 接合部材
１００ 燃焼室

Claims (2)

1. 内燃機関の燃焼室（１００）内に位置した先端から燃焼室内にレーザパルスを照射して、燃焼室内の燃料ガスに点火するレーザ点火プラグ（１）であって、
   レーザパルスを発生させるレーザパルス発生部（１０）と、
   上記レーザパルス発生部を内側に収容する筒状のハウジング（２０）と、
   上記レーザパルス発生部から発生されたレーザパルスを透過させて燃焼室内に放出するとともに、上記レーザパルス発生部を保護する保護ガラス（３０）と、
   上記保護ガラスを上記ハウジングの先端に保持する保持部材（４０）と、
   を備え、
   上記保持部材は、上記保護ガラスにおける上記燃焼室と反対側の面である底面（３１）に当接する底面当接部（４１）と、上記保護ガラスにおけるプラグ径方向外側の面である側周面（３２）に対向するとともに該側周面に接合部材（５０）を介して接合された側周面接合部（４２）とを有し、
   上記保持部材における上記底面当接部と上記側周面接合部との間の入隅部（４８）には、上記保護ガラスにおける上記底面と上記側周面との間の出隅部（３８）と離間するように凹状に形成された逃がし部（４８０、４８１）が設けられている、レーザ点火プラグ。
2. 上記保護ガラスにおけるプラグ中心軸（１ａ）を含む断面の形状が矩形である、請求項１に記載のレーザ点火プラグ。

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