JP7430106B2 - 点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は点火プラグに関し、特に非平衡プラズマ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と、絶縁体の先端部に自身の先端が内包される中心電極と、絶縁体を内側に保持する筒状の主体金具と、主体金具に接続され絶縁体の先端部を覆い、副室を形成するキャップ部と、を備える点火プラグが知られている（特許文献１）。特許文献１に開示の技術は、中心電極とキャップ部との間に交流電圧やパルス電圧が印加され、中心電極とキャップ部との間のどこかが、絶縁破壊が起きる電界強度に達すると、そこの絶縁が破れ、絶縁体の先端部とキャップ部との間に非平衡プラズマ（ストリーマ）が発生する。これにより副室内の燃料ガスに点火し、その膨張圧力により副室から燃焼室にガス流を噴射する。その噴流によって燃焼室内の燃料ガスが燃焼する。

特開２００９－３６１２３号公報

しかし上記技術では、交流電圧やパルス電圧が印加された中心電極とキャップ部との間の電界は空間的・時間的に変動しているので、中心電極とキャップ部との間のどこかが、絶縁破壊が起きる電界強度に達する安定性に欠ける。その結果、副室内の燃料ガスの点火が不安定になり、燃焼室内の燃料ガスの燃焼が不安定になるおそれがある。

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、燃料ガスを安定に燃焼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、軸線に沿って延び、先端が閉じた有底筒状の絶縁体と、絶縁体の先端部に自身の先端が内包される中心電極と、絶縁体を内側に保持する筒状の主体金具と、主体金具の先端側において、先端部を先端側から覆うと共に第１の貫通孔が形成されたキャップ部と、を備える。キャップ部または主体金具には、キャップ部または主体金具の厚さ方向に貫通する第２の貫通孔が形成され、端部が第２の貫通孔に保持されると共に、端部から先端部の側へ突出して先端部と放電ギャップを形成する接地電極を備える。

請求項１記載の点火プラグによれば、キャップ部または主体金具の厚さ方向に貫通する第２の貫通孔に接地電極の端部が保持され、接地電極と絶縁体の先端部との間に放電ギャップが形成される。これにより接地電極に電界が集中するので、中心電極と接地電極との間が、絶縁破壊が起きる電界強度に達し易くなる。よって安定に副室内の燃料ガスに点火し、燃焼室内の燃料ガスを安定に燃焼できる。

請求項２記載の点火プラグによれば、接地電極は環状の中央部が軸線の周りを囲み、中央部と端部とを接続部が接続する。これにより接地電極の中央部と絶縁体の先端部との間の燃料ガスが広く点火されるので、請求項１の効果に加え、燃料ガスの濃度にムラがあっても安定に点火できる。

請求項３記載の点火プラグによれば、接地電極の端部は、絶縁体の先端部の先端よりも後端側に配置されている。絶縁体の先端部の先端よりも先端側に接地電極の端部が配置される場合に比べ、接地電極から主体金具を経てエンジンまでの熱伝導が生じる熱流経路を短くできる。よって請求項１又は２の効果に加え、燃焼ガスによって熱せられる接地電極の過熱による異常燃焼（プレイグニッション）の発生を低減できる。

第１実施の形態における点火プラグの部分断面図である。 点火プラグの断面図である。 第２実施の形態における点火プラグの断面図である。 第３実施の形態における点火プラグの断面図である。 第４実施の形態における点火プラグの断面図である。 図５のＶＩ－ＶＩ線における点火プラグの断面図である。

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の部分断面図である。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２から図５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１６、主体金具２０、キャップ部２４及び接地電極３０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は軸線Ｏに沿う軸孔１２が形成されている。絶縁体１１は胴部１３と、胴部１３の先端側に隣接する先端部１４と、を備えている。先端部１４の外径は胴部１３の外径よりも小さい。絶縁体１１の軸孔１２は、先端部１４の先端１５において閉じている。

中心電極１６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棒状の部材であり、軸孔１２の中に配置されている。中心電極１６の先端１７は、絶縁体１１の先端部１４に内包されている。なお、中心電極１６は、導電性を有する金属材料の内部に、熱伝導性に優れる金属材料が埋設されていても良い。

端子金具１８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１８は絶縁体１１の後端に固定されている。端子金具１８は、軸孔１２の中で中心電極１６と電気的に接続されている。

主体金具２０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筒状の部材である。主体金具２０は、外周面におねじ２２が形成された円筒部２１と、円筒部２１の後端側に隣接する座部２３と、を備えている。

円筒部２１のおねじ２２はエンジン（図示せず）のねじ穴に螺合する。座部２３の外径は、おねじ２２の外径よりも大きい。座部２３は、エンジンのねじ穴におねじ２２を締め付けたときの軸力を受ける。主体金具２０は絶縁体１１を外周側から保持する。主体金具２０に保持された絶縁体１１は、主体金具２０よりも先端側に先端部１４の先端１５が位置する。

主体金具２０の円筒部２１のうちおねじ２２よりも先端側の部位に、キャップ部２４が接続されている。キャップ部２４は、有底円筒状または半球状の部材であり、例えばＦｅ，Ｎｉ，Ｃｕ等の１種以上を主成分とする金属材料で形成されている。本実施形態では、キャップ部２４は溶接部（図示せず）により主体金具２０に接合されている。

キャップ部２４は、絶縁体１１の先端部１４を先端側から覆う。主体金具２０とキャップ部２４とに囲まれて副室２５ができる。エンジン（図示せず）に点火プラグ１０が取り付けられた状態で、キャップ部２４はエンジンの燃焼室に露出する。キャップ部２４には、キャップ部２４の厚さ方向に貫通する第１の貫通孔２６が形成されている。貫通孔２６は副室２５と燃焼室とを連通する。本実施形態では、貫通孔２６はキャップ部２４に複数形成されている。

主体金具２０の円筒部２１には、円筒部２１の厚さ方向に貫通する第２の貫通孔２７が形成されている。本実施形態では、貫通孔２７は主体金具２０に複数形成されている。第２の貫通孔２７は、第１の貫通孔２６よりも後端側に位置する。貫通孔２７には接地電極３０が配置されている。

図２は点火プラグ１０の一部の軸線Ｏ（図１参照）を含む断面図である。図２ではキャップ部２４を含む部分が主に示されている。接地電極３０は、例えばＰｔ，Ｎｉ，Ｉｒ等の１種以上を主成分とする金属製の棒状の部材である。接地電極３０の端部３１は貫通孔２７に保持されている。貫通孔２７の中に配置された接地電極３０の端部３１は、溶接部（図示せず）により円筒部２１に接合されている。接地電極３０の端部３１は、絶縁体１１の先端部１４の先端１５よりも後端側に配置されている。

接地電極３０は、端部３１から先端部１４の側へ突出している。本実施形態では、接地電極３０は主体金具２０に複数設けられている。接地電極３０の突端３２と先端部１４の側面との間に放電ギャップ３３が形成される。

エンジン（図示せず）に取り付けられた点火プラグ１０は、エンジンの燃焼室に副室２５を形成する。エンジンのバルブやピストンの動作により、燃焼室から第１の貫通孔２６を通って副室２５に燃料ガスが流入する。点火プラグ１０の端子金具１８と主体金具２０との間に交流電圧やパルス電圧が入力され、中心電極１６と接地電極３０との間に絶縁破壊が生じると、絶縁体１１の先端部１４と接地電極３０の突端３２との間に非平衡プラズマ（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、先端部１４と接地電極３０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副室２５内の燃料ガスが燃焼する。その膨張圧力により貫通孔２６から燃焼室にガス流を噴射する。その噴流によって燃焼室内の燃料ガスが燃焼する。

絶縁体１１の先端部１４と接地電極３０の突端３２との間に生じる非平衡プラズマ（誘電体バリア放電）は、火花放電に比べて温度が低いので、接地電極３０の消耗を低減できる。さらに接地電極３０に電界が集中するので、中心電極１６と接地電極３０との間が、絶縁破壊が起きる電界強度に達し易くなる。その結果、安定に副室２５内の燃料ガスに点火できるので、燃焼室内の燃料ガスを安定に燃焼できる。

主体金具２０に形成された貫通孔２７に接地電極３０の端部３１が保持され、接地電極３０は、副室２５の中央へ向かって端部３１から突出している。接地電極３０を主体金具２０に配置する構造が簡易なので、接地電極３０の配置の自由度を高くできる。

接地電極３０によって絶縁体１１の先端部１４の側面の周囲に放電ギャップ３３が複数設けられているので、副室２５内の燃料ガスの濃度にムラがあっても、燃料ガスの点火の安定性を向上できる。さらに絶縁体１１の先端部１４の側面に放電ギャップ３３が設けられているので、副室２５のうち先端部１４の先端１５よりも後端側に存在する燃料ガスに点火し、貫通孔２６からガス流を噴射できる。よって副室２５の中に残る未燃ガスの量を少なくできる。

接地電極３０の端部３１は、絶縁体１１の先端部１４の先端１５よりも後端側に配置されているので、先端部１４の先端１５よりも先端側に接地電極３０の端部３１が配置される場合に比べ、接地電極３０から円筒部２１及びおねじ２２を経てエンジンまでの熱流経路を短くできる。これにより熱伝導によって接地電極３０が冷やされ易くなるので、燃焼ガスによって熱せられる接地電極３０の過熱による異常燃焼（プレイグニッション）の発生を低減できる。

図３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、主体金具２０の円筒部２１に接地電極３０が配置される場合について説明した。これに対し第２実施形態では、キャップ部２４に接地電極４２が配置される点火プラグ４０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３は第２実施の形態における点火プラグ４０の軸線Ｏを含む断面図である。図３は、図２と同様に、図１のＩＩで示す部分が拡大されている（図４及び図５においても同じ）。

図３に示すようにキャップ部２４には、キャップ部２４の厚さ方向に貫通する第２の貫通孔４１が形成されている。第２の貫通孔４１は、第１の貫通孔２６よりも後端側に位置する。貫通孔４１には、第１の端部４３及び第２の端部４４をもつ棒状の接地電極４２が配置されている。

接地電極４２の第１の端部４３は貫通孔４１に保持されている。貫通孔４１の中に配置された接地電極４２の端部４３は、溶接部（図示せず）によりキャップ部２４に接合されている。接地電極４２の端部４３は、絶縁体１１の先端部１４の先端１５よりも先端側に配置されている。

接地電極４２は、端部４３から先端部１４の側へ突出している。接地電極４２の第２の端部４４は、先端部１４の先端１５よりも先端側に位置する。接地電極４２の第２の端部４４と先端部１４の先端１５との間に放電ギャップ４５が形成されている。

点火プラグ４０は、絶縁体１１の先端部１４と接地電極４２との間の放電ギャップ４５が、先端部１４の先端１５よりも先端側に設けられているので、副室２５に燃焼ガスが流入する貫通孔２６と放電ギャップ４５との間の距離を短くできる。よって副室２５のうち先端部１４の先端１５よりも先端側に存在する燃料ガスに点火し易くすることができ、貫通孔２６からガス流を噴射できる。

図４を参照して第３実施の形態について説明する。第２実施形態では、キャップ部２４の第１の貫通孔２６よりも後端側の貫通孔４１に接地電極４２が保持される場合について説明した。これに対し第３実施形態では、キャップ部２４の第１の貫通孔２６よりも先端側の貫通孔５１に接地電極５２が保持される点火プラグ５０について説明する。なお、第１実施形態および第２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３実施の形態における点火プラグ５０の軸線Ｏを含む断面図である。

図４に示すように、点火プラグ５０のキャップ部２４には、キャップ部２４の厚さ方向に貫通する第２の貫通孔５１が形成されている。第２の貫通孔５１は、第１の貫通孔２６よりも先端側に位置する。貫通孔５１には、棒状の接地電極５２が配置されている。

接地電極５２の端部５３は貫通孔５１に保持されている。貫通孔５１の中に配置された接地電極５２の端部５３は、溶接部（図示せず）によりキャップ部２４に接合されている。接地電極５２の端部５３は、絶縁体１１の先端部１４の先端１５よりも先端側に配置されている。

接地電極５２は軸線Ｏに沿って配置され、端部５３から先端部１４の側へ突出している。接地電極５２の突端５４は、先端部１４の先端１５よりも先端側に位置する。接地電極５２の突端５４と先端部１４の先端１５との間に放電ギャップ５５が形成されている。

点火プラグ５０は、接地電極５２が軸線Ｏに沿って配置されているので、放電ギャップ５５に生じた低温プラズマにより点火されたガス流が貫通孔２６に導かれ易くできる。

図５及び図６を参照して第４実施の形態について説明する。第１実施形態から第３実施形態では、棒状の接地電極３０，４２，５２が配置される場合について説明した。これに対し第４実施形態では、環状の部位をもつ接地電極６５が配置された点火プラグ６０について説明する。なお、第１実施形態および第２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５は第４実施の形態における点火プラグ６０の軸線Ｏを含む断面図である。図６は図５のＶＩ－ＶＩ線における点火プラグ６０の断面図である。

図５に示すように主体金具２０の円筒部６１は外周面におねじ２２が形成されている。円筒部６１は、第１実施形態における円筒部２１に代えて点火プラグ６０に設けられる。点火プラグ６０の円筒部６１のうちおねじ２２よりも先端側の部位に、キャップ部６２が接続されている。キャップ部６２は溶接部（図示せず）により円筒部６１に接合されている。円筒部６１とキャップ部６２とに囲まれて副室２５ができる。キャップ部６２には、キャップ部６２の厚さ方向に貫通する第１の貫通孔６３が複数形成されている。貫通孔６３は副室２５と燃焼室とを連通する。

キャップ部６２には、キャップ部６２の厚さ方向に貫通する第２の貫通孔６４が形成されている。第２の貫通孔６４は、第１の貫通孔６３よりも後端側に位置する。貫通孔６４はキャップ部６２に複数（本実施形態では３つ）設けられている。貫通孔６４には接地電極６５の端部６６が配置されている。接地電極６５の端部６６は、絶縁体１１の先端部１４の先端１５よりも後端側に配置されている。

図６に示すように接地電極６５は、軸線Ｏの周りを囲む環状の中央部６７と、中央部６７と端部６６とを接続する接続部６８と、を備えている。接地電極６５の端部６６は貫通孔６４に保持されている。貫通孔６４の中に配置された接地電極６５の端部６６は、溶接部（図示せず）によりキャップ部６２に接合されている。

中央部６７は、絶縁体１１の先端部１４の側面を囲んでいる。中央部６７と先端部１４の側面との間に放電ギャップ６９が形成されている。接続部６８は、端部６６から先端部１４の側へ突出している。接続部６８は溶接部（図示せず）により中央部６７に接合されている。

点火プラグ６０は、環状の中央部６７が軸線Ｏの周りを囲み、中央部６７と端部６６とが接続部６８によって接続されている。接地電極６５の中央部６７と先端部１４との間に円環状の放電ギャップ６９が形成されるので、中央部６７と先端部１４との間の燃料ガスが広く点火される、よって副室２５内の燃料ガスの濃度にムラがあっても安定に点火できる。

接地電極６５の中央部６７が、先端部１４の先端１５よりも後端側に配置されているので、放電ギャップ５９に生じた低温プラズマにより点火されたガスの流れが、中央部６７によって妨げられ難くできる。

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、キャップ部２４，６２の形状や接地電極３０，４２，５２，６５の数や形状は適宜設定される。

第１実施形態では接地電極３０が主体金具２０に接続され、第２実施形態から第４実施形態では、接地電極４２，５２，６５がキャップ部２４，６２に接続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。主体金具２０の円筒部２１，６１の軸線方向の長さ、及び、絶縁体１１の先端部１４の軸線方向の長さを調整して、第１実施形態における接地電極３０をキャップ部に接続したり、第２実施形態および第４実施形態における接地電極４２，６５を主体金具２０に接続したりすることは当然可能である。

第４実施形態では、接地電極６５の中央部６７が３つの接続部６８に支持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。接続部６８の数は適宜設定される。

第４実施形態では、接地電極６５の中央部６７が、絶縁体１１の先端部１４の側面を囲む位置に配置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。絶縁体１１の先端部１４の先端１５よりも先端側に中央部６７を配置することは当然可能である。

第４実施形態では、接地電極６５の中央部６７の断面が矩形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。中央部６７の断面は、例えば円形、半円形、三角形や五角形などの矩形以外の多角形など、適宜設定できる。

実施形態では、主体金具２０にキャップ部２４，６２が溶接されてい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。キャップ部２４，６２の代わりに、先端にキャップ部が形成された筒状部材を準備し、これを主体金具２０に接続して副室２５を形成することは当然可能である。筒状部材は先端が閉じた筒状の部材であり、例えば主体金具２０のおねじ２２に結合するめねじが内周面に形成されている。筒状部材の外周面には、エンジンのねじ穴に結合するおねじが形成されている。

筒状部材のめねじを主体金具２０のおねじ２２に結合することにより、主体金具２０の先端側にキャップ部が配置される。このキャップ部に、第１の貫通孔２６，６３及び第２の貫通孔２７，４１，５１，６４が形成される。第１の貫通孔２６，６３は燃料ガスを副室２５に流入させ、ガス流を噴射する。第２の貫通孔２７，４１，５１，６４は接地電極３０，４２，５２，６５の端部３１，４３，５３，６６が配置される。

なお、筒状部材を主体金具２０に接続して主体金具２０の先端側にキャップ部を配置する手段は、筒状部材の内周面のめねじを、主体金具２０のおねじ２２に結合するものに限らない。他の手段によって、キャップ部が設けられた筒状部材を主体金具に接続することは当然可能である。他の手段としては、例えば筒状部材と主体金具とを溶接等によって接合するものが挙げられる。筒状部材は、例えばニッケル基合金やステンレス鋼等の金属材料や窒化ケイ素等のセラミックスにより形成できる。

１０，４０，５０，６０ 点火プラグ
１１ 絶縁体
１４ 先端部
１５ 先端部の先端
１６ 中心電極
１７ 中心電極の先端
２０ 主体金具
２４，６２ キャップ部
２６，６３ 第１の貫通孔
２７，４１，５１，６４ 第２の貫通孔
３０，４２，５２，６５ 接地電極
３１，４３，５３，６６ 端部
３３，４５，５５，６９ 放電ギャップ
６７ 中央部
６８ 接続部
Ｏ 軸線

Claims (2)

1. 軸線に沿って延び、先端が閉じた有底筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体の先端部に自身の先端が内包される中心電極と、
   前記絶縁体を内側に保持する筒状の主体金具と、
   前記主体金具の先端側において、前記先端部を先端側から覆うと共に第１の貫通孔が形
   成されたキャップ部と、を備える点火プラグであって、
   前記キャップ部または前記主体金具には、前記キャップ部または前記主体金具の厚さ方
   向に貫通する第２の貫通孔が形成され、
   端部が前記第２の貫通孔に保持されると共に、前記端部から前記先端部の側へ突出して
   前記先端部の側面との間に放電ギャップを形成し、前記先端部の先端よりも後端側に配置された接地電極を備えている点火プラグ。
2. 前記接地電極は、前記軸線の周りを囲む環状の中央部と、前記中央部と前記端部とを接
   続する接続部と、を備えている請求項１記載の点火プラグ。
   

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