JP7340423B2

JP7340423B2 - 点火プラグ

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Publication number: JP7340423B2
Application number: JP2019205759A
Authority: JP
Inventors: 真宏重永; 文明青木; 明光杉浦; 大祐嶋本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-11-13
Filing date: 2019-11-13
Publication date: 2023-09-07
Anticipated expiration: 2039-11-13
Also published as: JP2021077603A

Description

本発明は、点火プラグに関する。

従来、点火プラグとして、主燃焼室と連通する噴孔を有する副室を備え、噴孔を介して副室内に混合気を流入させて、副室内で生じた火炎を噴孔から主燃焼室内に噴出させるものがある。例えば、特許文献１には、複数の噴孔を備えており、それぞれの噴孔の中心軸は、点火プラグの軸方向から見て各噴孔とプラグ中心軸とを結ぶ直線に対して、同一方向に一定角度ずれて設定されている。かかる噴孔を介して混合気が副室内に流入することにより、副室内での混合気の流れを同一方向の渦流として形成できるため、副室のプラグ中心軸上に設定された放電ギャップ付近に未燃焼残留ガスがそのまま残ることを防止して、火炎形成の安定化を図っている。

特開２００９－２７０５３９号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、混合気の流入により生じる渦流は副室の内側壁面上で流速が早くなっており、点火位置となる副室の中心位置では流速が低下している。そのため、ガス流の横渦を利用して、点火位置で形成された火花放電を拡大することが困難であった。そのため、着火性を向上させるには改善の余地がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、着火性の向上が図られる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、プラグ軸方向先端側に副室（２）を有する点火プラグ（１）であって、
上記副室を形成する副室形成部（３０）と、
上記副室形成部を貫通して形成されて上記副室を主燃焼室（３）に連通させる複数の噴孔（３５）と、
上記副室内に先端部（１１）が位置する中心電極（１０）と、
を備え、
上記副室は、第１領域（２１）と、該第１領域よりもプラグ軸方向基端側（Ｙ２）に位置するとともに上記第１領域よりもプラグ径方向に拡大した第２領域（２２）とを含み、
上記副室形成部は、上記第１領域を形成する第１形成部（３１）と、上記第２領域を形成する第２形成部（３２）とを含み、
上記複数の噴孔は、上記第１形成部において、プラグ軸方向から見て放射状に広がる放射仮想線（Ｐ１～Ｐ６）に対して所定の角度で傾斜した仮想線（Ｌ～Ｌ６）に沿って形成されており、
上記第２形成部（３２）と上記中心電極の先端部との間に、火花放電が生じるように構成された火花ギャップ（Ｇ）が形成されており、
上記中心電極を内側に保持するとともに、上記先端部を上記副室内に露出させる筒状の絶縁碍子（５０）を備え、
上記絶縁碍子のプラグ軸方向先端側の端部（５１）には、上記火花放電の少なくとも一部を上記中心電極の先端部から上記第２形成部の内周面に向けて沿面放電させる沿面経路を形成するように構成されている、点火プラグにある。

上記点火プラグでは、副室においてプラグ軸心を回転中心として生じる横渦は、プラグ径方向において副室を形成する壁の内周面に近い位置ほど流速が早くなる。そして、当該副室を形成する副室形成部と中心電極の先端部との間に火花ギャップが形成されているため、火花ギャップに形成された放電が横渦の流れに沿って副室内に伸長しやすくなっている。これにより、副室内における混合気への着火性が向上する。

さらに、火花放電によって副室の内周面側に初期火炎が発生すると、熱膨張により相対的に副室の中心側が低圧状態となって初期火炎が副室の中心側に移動する熱混合効果が生じる。そして、火花ギャップが設けられた第２領域は拡径しているため、熱混合効果により初期火炎を副室の内周面から離しやすくなっている。これにより、初期火炎の熱損失、いわゆる冷損を低減することができる。その結果、副室内の火炎成長が促されて噴孔から主燃焼室に火炎を噴出させやすくなり、主燃焼室における着火性の向上が図られる。

以上のごとく、上記態様によれば、着火性の向上が図られる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、点火プラグの側面図。図１における、II-II線位置断面一部拡大図。実施形態１における、点火プラグの底面図。図１における、VI-VI線位置断面図。実施形態１における、点火プラグの使用態様を説明する概念図。実施形態２における、図１のII-II線位置相当断面一部拡大図。実施形態３における、図１のII-II線位置相当断面一部拡大図。実施形態４における、図１のII-II線位置相当断面一部拡大図。実施形態５における、図１のII-II線位置相当断面一部拡大図。

（実施形態１）
点火プラグの実施形態について、図１～図５を用いて説明する。
図１に示すように、本実施形態の点火プラグ１は、プラグ軸方向先端側Ｙ１に副室２を有する。
そして、点火プラグ１は、副室形成部３０、噴孔３５、中心電極１０を備える。
副室形成部３０は副室２を形成している。
噴孔３５は複数備えられ、副室形成部３０を貫通して形成されて副室２を主燃焼室３に連通させる。
中心電極１０は、副室２内に先端部１１が位置している。
副室２は第１領域２１と、第１領域２１よりもプラグ軸方向基端側Ｙ２に位置するとともに第１領域２１よりもプラグ径方向Ｘに拡大した第２領域２２とを含む。
副室形成部３０は、第１領域２１を形成する第１形成部３１と、第２領域２２を形成する第２形成部３２とを含む。
図２に示すように、複数の噴孔３５は、第１形成部３１において、プラグ軸方向Ｙから見て放射状に広がる放射仮想線Ｐ１～Ｐ６に対して所定の角度で傾斜した仮想線Ｌ１～Ｌ６に沿って形成されている。
そして、第２形成部３２と中心電極１０の先端部１１との間に、火花放電が生じるように構成された火花ギャップＧが形成されている。

以下、本実施形態の点火プラグ１について、詳述する。
図１に示すように、本実施形態の点火プラグ１は、先端が内燃機関の主燃焼室３に露出するように内燃機関のシリンダヘッド１０１に取り付けられる。図２に示すように、点火プラグ１は、プラグ軸方向Ｙを長手方向とする筒状のハウジング４０を有する。ハウジング４０内にはハウジング４０と同軸上に筒状の絶縁碍子５０が配置されている。ハウジング４０のプラグ軸方向先端側Ｙ１には副室２を形成する副室形成部３０が設けられている。絶縁碍子５０の内側には絶縁碍子５０と同軸上に中心電極１０が配置されている。中心電極１０のプラグ軸方向先端側Ｙ１の先端部１１は、副室２内に露出している。

図２に示すように、副室２は第１領域２１、第２領域２２を含む。第１領域２１はプラグ軸方向先端側Ｙ１に位置し、第２領域２２は第１領域２１よりもプラグ軸方向基端側Ｙ２に位置する。本実施形態では、副室２は第１領域２１と第２領域２２との間に両者に連続する第３領域２３を有する。そして、副室２を形成する副室形成部３０は、第１領域２１を形成する第１形成部３１と、第２領域２２を形成する第２形成部３２と、第１領域２１と第２領域２２とを連続させる第３領域を形成する第３形成部３３を有する。

図２に示すように、本実施形態では第１形成部３１が有底の円筒形状を有し、第２形成部３２は円筒形状を有する。そして、第２形成部３２の内径Ｄ２は、第１形成部３１の内径Ｄ１よりも大きくなっている。内径Ｄ１、Ｄ２の比Ｄ２／Ｄ１は、限定されないが、例えば、１．０１≦Ｄ２／Ｄ１≦１．５とすることができ、好ましくは、１．０１≦Ｄ２／Ｄ１≦１．２とすることができる。なお、第１形成部３１の外径と第２形成部３２の外径とは実質的に互いに一致しており、第２形成部３２の肉厚Ｔ２は、第１形成部３１の肉厚Ｔ１よりも小さくなっている。

図２に示すように、第３形成部３３の内周面３３ａは、第１形成部３１から第２形成部３２に向かうにつれて拡径するように徐変する傾斜面からなる段差部を形成している。そして、本実施形態では、内周面３３ａは、第１領域２１を形成する内周面３１ａと第２領域２２を形成する内周面３２ａとに滑らかに連続するようにプラグ軸方向において徐変している。第３形成部３３の外径は、第１形成部３１及び第２形成部３２の外径に一致している。なお、本実施形態では、ハウジング４０と副室形成部３０とは別体となっているが、両者が一体品であってもよい。また、副室形成部３０を主燃焼室３を形成するシリンダヘッドと一体で形成してもよい。

第１形成部３１、第２形成部３２及び第３形成部３３のプラグ軸方向Ｙの大きさは特に限定されず、副室２の形状や第１領域２１及び第２領域２２の容積を考慮して適宜決定することができる。本実施形態では、第１形成部３１のプラグ軸方向Ｙの大きさ、すなわち、高さＨ１は、第２形成部３２のプラグ軸方向Ｙの高さＨ２と同等となっている。また、第３形成部３３のプラグ軸方向Ｙの高さを実質的にゼロにして内周面３３ａの段差部を直角の形状にして、副室形成部３０において、第３形成部３３を第１形成部３１と第２形成部３２との境界線としてもよい。

図２に示すように、中心電極１０におけるプラグ軸方向先端側Ｙ１の先端部１１は、副室形成部３０の第２形成部３２の内周面３２ａに向けて、プラグ径方向Ｘに平行に突出している。突出方向の先端面１１ａは、内周面３２ａに設けられた接地電極パッド３２１と所定距離をおいて対向している。そして、先端面１１ａと接地電極パッド３２１との間に火花ギャップＧが形成されている。中心電極１０に所定の電圧が印加されることにより、火花ギャップＧにおいて気中放電により火花が発生するように構成されている。

図２～図４に示すように、副室形成部３０の第１形成部３１には、副室２を主燃焼室３に連通させる複数の噴孔３５が、副室形成部３０を貫通して形成されている。本実施形態では、複数の噴孔３５は、副室形成部３０のプラグ軸方向先端側Ｙ１に形成されている。本実施形態では、図３、図４に示すように、複数の噴孔３５は、第１噴孔３５１、第２噴孔３５２、第３噴孔３５３、第４噴孔３５４、第５噴孔３５５及び第６噴孔３５６を含む。各噴孔３５１～３５６はそれぞれ、仮想線Ｌ１～Ｌ６に沿って形成されている。すなわち、仮想線Ｌ１～Ｌ６はそれぞれ噴孔３５１～３５６の中心を通る直線となっている。

図３に示すように、仮想線Ｌ１～Ｌ６は、プラグ軸方向Ｙから見て中心電極１０から放射状に広がる放射仮想線Ｐ１～Ｐ６に対して所定の傾斜角度αで傾斜している。本実施形態では、放射仮想線Ｐ１～Ｐ６は、図３に示すようにプラグ軸方向Ｙから見たときの中心電極１０の中心位置と、副室形成部３０の外周面３０ｂにおける噴孔３５１～３５６の開口の中心位置とを通る仮想直線である。また、本実施形態では、仮想線Ｌ１～Ｌ６は放射仮想線Ｐ１～Ｐ６に対してそれぞれ周方向において同一側に傾斜しており、仮想線Ｌ１～Ｌ６と放射仮想線Ｐ１～Ｐ６とのなす角である傾斜角度αはいずれも同一の角度である。なお、当該傾斜角度αは特に限定されないが、１０～８０°、好ましくは３０～６０°とすることができる。

次に、本実施形態の点火プラグ１における、火炎の伝播について説明する。
図５（ａ）に示すように、副室２には、主燃焼室３で発生するスワール流に起因して複数の噴孔３５から混合気が流入してガス流Ｆが生じる。図３、図４に示すように複数の噴孔３５を構成する噴孔３５１～３５６はそれぞれ傾斜した仮想線Ｌ１～Ｌ６に沿って形成されているため、図５（ａ）に示すように、ガス流Ｆは副室２内において横渦を形成することとなる。そして、火花ギャップＧに生じた火花放電により混合気に着火して初期火炎Ｓが形成され、初期火炎Ｓはガス流Ｆによって副室形成部３０の内周面３０ａに沿って広がる。

その後、図５（ｂ）に示すように、熱混合効果によって、初期火炎Ｓは副室形成部３０から離れて副室２の中心側へ移動する。そして、図５（ｃ）に示すようにさらに火炎成長がなされる。そして、火炎が十分に成長すると噴孔３５から火炎が噴出されることとなる。

次に、本実施形態の点火プラグ１における作用効果について、詳述する。点火プラグ１では、副室２においてプラグ軸心１０ａを回転中心として生じる横渦は、プラグ径方向Ｘにおいて副室形成部３０の内周面３０ａに近い位置ほど流速が速くなる。そして、副室２を形成する副室形成部３０と中心電極１０の先端部１１との間に火花ギャップＧが形成されているため、火花ギャップＧに形成された放電が横渦の流れに沿って副室２内に伸長しやすくなっている。これにより、副室２内における混合気への着火性が向上する。

さらに、火花放電によって副室２の内周面側に初期火炎Ｓが発生すると、熱膨張により相対的に副室２の中心側が低圧状態となって初期火炎Ｓが副室２の中心側に移動する熱混合効果が生じる。そして、火花ギャップＧが設けられた第２領域２２は拡径しているため、熱混合効果により初期火炎を副室２の内周面３０ａから離しやすくなっている。これにより、初期火炎Ｓの熱損失、いわゆる冷損を低減することができる。その結果、副室２内の火炎成長が促されて噴孔３５から主燃焼室３に火炎を噴出させやすくなり、主燃焼室３における着火性の向上が図られる。

また、本実施形態では、主燃焼室３内のスワール流を利用して、副室２内に横渦のガス流Ｆを生じさせて上述の如く主燃焼室３における着火性を向上させている。主燃焼室３内のタンブル流を利用する場合には、火花ギャップＧを吸気弁側に位置するように点火プラグ１の位置や取り付け向きを調整する必要がある。しかしながら、本実施形態では、上述のようにスワール流を利用することができるため、かかる調整をする必要がなく、組付作業性の向上が図られる。また、燃焼サイクルにおいてスワール流はタンブル流に比べて長い期間存在するため、スワール流を利用することにより着火性の向上が一層期待できる。

また、本実施形態では、中心電極１０の先端部１１は、第２領域２２を形成する副室形成部３０の内周面３２ａに向かって突出している。これにより、火花ギャップＧを内周面３２ａに近い位置に形成することができ、火花ギャップＧに生じた放電や初期火炎Ｓを副室２内の横渦によって拡大しやすくなっている。その結果、副室２内の混合気への着火性を向上することができる。

また、本実施形態では、副室２は、第１領域２１と第２領域２２との間に両者をつなぐ第３領域２３を有し、第３領域２３を形成する第３形成部３３の内周面３３ａが段差部を有している。これにより、第２領域２２を第１領域２１に対して確実に拡径することができ、その結果、副室２内の混合気への着火性を一層向上することができる。

本実施形態では、第３形成部３３の内周面３３ａは、第１形成部３１の内周面３１ａと第２形成部３２の内周面３２ａとに滑らかに連続するようにプラグ軸方向において徐変している。これにより副室２内に生じるガス流Ｆの流れが乱されることが抑制され、着火性の向上が図られる。

なお、本実施形態では、図２に示すように、中心電極１０の中心軸１０ａが、点火プラグ１の中心軸と一致しているが、これに替えて、中心電極１０の中心軸１０ａが点火プラグ１の中心軸に対して偏心した位置にあってもよい。

以上のごとく、本実施形態によれば、着火性の向上が図られる点火プラグ１を提供することができる。

（実施形態２）
上述の実施形態１では図１に示すように中心電極１０の先端部１１は、プラグ径方向Ｘに平行に突出していたが、本実施形態２では図６に示すように、先端部１１は先端に向かうほどプラグ軸方向先端側Ｙ１に位置するように、プラグ軸方向先端側Ｙ１に傾斜して突出している。この場合も、先端部１１の先端面１１ａと内周面３２ａに設けられた接地電極パッド３２１の間に火花ギャップＧが形成されている。

なお、実施形態２においてその他の構成要素は実施形態１の場合と同様であり、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。本実施形態２においても実施形態１と同等の作用効果を奏する。

（実施形態３）
上記実施形態１では、副室形成部３０における第１形成部３１を有底の円筒形状としたが、これに替えて、図７に示すように、第１形成部３１をプラグ中心軸１０ａを中心としてプラグ軸方向基端側Ｙ２に広がった部分円錐形状としてもよい。これにより、第１領域２１はプラグ軸方向先端側Ｙ１に向かうにつれて内径が小さくなっている。第１形成部３１のプラグ軸方向基端側Ｙ２の端部における内径は第２領域２２の内径とほぼ同等となっている。そして、第３形成部３３のプラグ軸方向Ｙの高さは実質的にゼロであって、副室２の第３領域２３は第１形成部３１と第２形成部３２との境界線となっている。なお、本実施形態３におけるその他の構成について、実施形態１と同等の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。そして、本実施形態３においても、上記実施形態１の場合と同等の作用効果を奏する。

（実施形態４）
本実施形態４の点火プラグ１では、図８に示すように、中心電極１０の先端部１１と、ハウジング４０又は副室形成部３０との間に生じる火花放電の少なくとも一部が、絶縁碍子５０のプラグ軸方向先端側Ｙ１の端部５１を介した沿面放電Ｃｒを形成するように構成されている。かかる構成において、火花ギャップＧは沿面放電Ｃｒの沿面経路を含む。なお、本実施形態４におけるその他の構成について、実施形態１と同等の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態４の点火プラグ１では、副室２内に生じる火花放電が沿面放電Ｃｒを呈するが、この場合においても、副室２内の横渦の流れに乗って放電が副室２内に伸長しやすくなり、実施形態１の場合と同様の作用効果を生じる。

（実施形態５）
本実施形態５では、図９に示すように副室形成部３０を第１分割体３０１と第２分割体３０２との２部品からなる。第１分割体３０１と第２分割体３０２とはプラグ軸方向Ｙに互いに組付けられ、両者の接合部３０３において溶接されて副室形成部３０が形成されている。これにより、副室形成部３０は２部品からなるため、成形しやすくなっている。なお、本実施形態５におけるその他の構成について、実施形態１と同等の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。そして、本実施形態５においても実施形態１の場合と同様の作用効果を生じる。

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。

１点火プラグ
２副室
３主燃焼室
１０中心電極
１１先端部
２１第１領域
２２第２領域
２３第３領域
３０副室形成部
３５、３５１～３５６噴孔
Ｃｒ沿面放電
Ｇ火花ギャップ
Ｌ１～Ｌ６仮想線
Ｐ１～Ｐ６放射仮想線
Ｓ初期火炎

Claims

プラグ軸方向先端側に副室（２）を有する点火プラグ（１）であって、
上記副室を形成する副室形成部（３０）と、
上記副室形成部を貫通して形成されて上記副室を主燃焼室（３）に連通させる複数の噴孔（３５）と、
上記副室内に先端部（１１）が位置する中心電極（１０）と、
を備え、
上記副室は、第１領域（２１）と、該第１領域よりもプラグ軸方向基端側（Ｙ２）に位置するとともに上記第１領域よりもプラグ径方向に拡大した第２領域（２２）とを含み、
上記副室形成部は、上記第１領域を形成する第１形成部（３１）と、上記第２領域を形成する第２形成部（３２）とを含み、
上記複数の噴孔は、上記第１形成部において、プラグ軸方向から見て放射状に広がる放射仮想線（Ｐ１～Ｐ６）に対して所定の角度で傾斜した仮想線（Ｌ～Ｌ６）に沿って形成されており、
上記第２形成部（３２）と上記中心電極の先端部との間に、火花放電が生じるように構成された火花ギャップ（Ｇ）が形成されており、
上記中心電極を内側に保持するとともに、上記先端部を上記副室内に露出させる筒状の絶縁碍子（５０）を備え、
上記絶縁碍子のプラグ軸方向先端側の端部（５１）には、上記火花放電の少なくとも一部を上記中心電極の先端部から上記第２形成部の内周面に向けて沿面放電させる沿面経路を形成するように構成されている、点火プラグ。
上記副室は、上記第１領域と上記第２領域との間に両者をつなぐ第３領域（２３）を有し、
上記副室形成部は、上記第３領域を形成する第３形成部（３３）を含み、
該第３形成部の内周面（３３ａ）は段差部を有する、請求項１に記載の点火プラグ。
上記副室は、上記第１領域と上記第２領域との間に両者をつなぐ第３領域（２３）を有し、
上記副室形成部は、上記第３領域を形成する第３形成部（３３）を含み、
該第３形成部の内周面（３３ａ）は、上記第１形成部の内周面（３１ａ）と上記第２形成部の内周面（３２ａ）とに滑らかに連続するようにプラグ軸方向において徐変している、請求項１又は２に記載の点火プラグ。