JPWO2016093351A1 - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグの先端部において熱的摩耗が生じることを有効に防止する点火装置を提供する。表面を電磁波が伝播する中心電極と、中心電極の先端部に取り付けられた放電電極と、中心電極及び放電電極を包囲し、先端部が接地電極として機能する円筒状のケース部材を備える。この場合、ケース部材は、放電電極を包囲する箇所ではその内径が他の箇所よりも小さく構成することができ、さらに、放電電極の後方に環状空間を設けることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、点火プラグ等の点火装置に関し、特にマイクロ波を電源として駆動する点火装置に関する。

近年、電気のみを動力として用い、気体燃料や液体燃料を用いない電気自動車や、二酸化炭素の排出量が少ない天然ガス等を燃料に用いた自動車が実用化されている。しかし、ガソリン車に比較して車体本体が高価であったり、充電スタンド・天然ガススタンドといったインフラが不十分であったりすることに起因して、これらの自動車の普及は十分ではない。従って、未だにガソリン車に対する需要もまだまだ多く、ガソリン車においても空燃比を改善するための様々な技術開発が現在でも盛んに行われている。また、天然ガス車の技術開発においても競争は熾烈であり、空燃比の改善は大きなサクセスファクターとなっている。

その一環として、出願人は、内燃機関での燃焼にマイクロ波技術を応用することにより、空燃比の改善を図る技術の開発を進めてきた（例えば特許文献１）。特許文献１では、スパークプラグを用いて燃料に点火したのち、マイクロ波を照射することで点火した火炎を拡大する技術が開示されている。

特許第４８７６２１７号公報 特願２０１３−１７１７８１ 特願２０１４−１６８５４０ 米国特許７９６３２６２号公報

更に出願人は、入力されたマイクロ波を昇圧させて放電を生じさせる、マイクロ波共振構造を利用した点火プラグを開発した（特許文献２、３）。この点火プラグでは、マイクロ波を電源として用いるので、高速かつ継続的な放電を生じさせることができ、任意のタイミングで非平衡プラズマを生じさせることができる。これは、従来のスパークプラグでは実現できなかったことであり、この新しい点火プラグを用いることで、空燃比を改善することができている。

また、特許文献２、３の点火プラグでは、共振周波数におけるＱ値を高くするために、放電電極の面積を小さくして容量成分を小さくしている。そのため、放電電極は少ない体積で燃焼熱を受けることとなり、電極が溶解する場合がある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。

本発明の点火装置は、表面を電磁波が伝播する中心電極と、中心電極の先端部に取り付けられた放電電極と、中心電極及び放電電極を包囲し、先端部が接地電極として機能する円筒状のケース部材を備えることを特徴とする。

本発明によれば、点火プラグの電極の熱による溶解を防ぐことができる。

第１実施形態に係る点火プラグ１の構成を示す一部断面の正面図である。 イグナイタ３の先端部分の拡大図である。 イグナイタ３の等価回路を図である。 第２実施形態に係る点火プラグ１Ｂの構成を示す一部断面の正面図である。 第３実施形態に係る点火プラグ１Ｃの構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は一部断面の正面図、（ｃ）は第２中心電極と第３中心電極の接合の変形例を示す一部拡大の断面図である。 比較例に係る点火プラグ１０の構成を示す一部断面の正面図である。 比較例に係る点火プラグ２０の構成を示す一部断面の正面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

（第１の実施形態）
図１は、点火プラグ１の構成を示す図である。この点火プラグ１は、例えばガソリンエンジンの点火手段、ディーゼルエンジンにおいて天然ガス等を燃料に使用する場合の点火手段に用いられる。また、いわゆる多点点火用途に用いることもできるものである。

点火プラグ１は、先端部が放電する、点火装置の一種である。但し、外部発振器から入力された２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波が共振する構造となっており、共振によりマイクロ波の電位が昇圧されて先端部（放電部）が高電圧となり、先端部で放電が起きる構成としている点で通常のスパークプラグとは相違する。

リアクタンスの大きい点火コイルを使用する通常のスパークプラグでは、高速な応答は困難であり、連続的な放電を行うことが難しい。一方、点火プラグ１はマイクロ波により駆動するため高速な応答が可能であり、電磁波発振器による発振パターンを制御することに点火プラグ１での放電パターンを自由に制御することができる。つまり、任意のタイミングで、かつ連続的な放電を生じさせることができる。

点火プラグ１は、外部（電磁波発振器）からマイクロ波が入力される入力部分１ａ、マイクロ波と点火プラグ１のインピーダンス整合等を目的とした容量結合が行われる結合部分１ｂ、及び電圧の増幅や放電を行う増幅／放電部分１ｃに分かれる。点火プラグ１は導電性の金属からなる円柱状のケース１１により内部の各部材が収容される。

入力部分１ａには、外部の発振回路で生成されたマイクロ波を入力する入力端子１２、第１中心電極１３が設けられる。第１中心電極１３はマイクロ波を伝送する。第１中心電極１３とケース１１の間にはセラミック等の誘電体１９ａが設けられる。

結合部分１ｂには、第１中心電極１３、第２中心電極１４が設けられる。この結合部分１ｂは、専ら、発振回路と点火プラグ１のインピーダンス整合を行うことを目的に設けられている。第２中心電極１４は、増幅／放電部分１ｃ側に底部を有する筒状構成であり、筒状部が第１中心電極１３を囲む。棒状の第１中心電極１３と筒状の第２中心電極１４の筒部内壁は対向しており、この対向部分において第１中心電極１３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極１４へ伝送される。第２中心電極１４の筒状部分には、セラミック等の誘電体１９ｂが充填され、第２中心電極１４とケース１１の間にもセラミック等の誘電体１９ｃが設けられる。

増幅／放電部分１ｃには、第３中心電極１５、放電電極１６が設けられる。第３中心電極１５は、第２中心電極１４と接続しており、第２中心電極１４のマイクロ波が伝送される。放電電極１６は、第３中心電極１５の先端部に取付けられる。第３中心電極１５とケース１１の間にはセラミック等の誘電体１９ｄが充填される。但し、後述のように、放電容量Ｃ３を調整する目的で、第３中心電極１５とケース１１の間には誘電体１９ｄが充填されない空洞部１７を有している。第３中心電極１５はコイル成分を有しており、マイクロ波の電位は第３中心電極１５を通過するに従い高くなる。その結果、放電電極１６とケース１１の間に数十ＫＶの高電圧が発生し、放電電極１６とケース１１の間で放電が起きる。

また、図２を参照して、放電電極１６の後端面１６１と誘電体１９ｄの先端面１９１の間には環状空間１８ａを設けている。例えば、図７の比較例に係る点火プラグ２０のように、環状空間１８ａを設けない構成とした場合、誘電体１９ｄの前面に炭素、スス、オイルの付着物が付着すると、放電電極１６とケース（接地電極）１１間で放電が適切に放電できなくなる。そこで、本実施形態の点火プラグ１では環状空間１８ａを設けることにより、放電電極１６とケース（接地電極）１１間が付着物で充填されて放電が妨げられることを防いでいる。但し、長期間の使用等により、環状空間１８ａの全体に付着物が充填するとやはり放電が妨げられるので、定期的にアッシング動作を行うことが好ましい。例えばこのアッシングは連続波のマイクロ波により点火プラグ１を駆動し、放電電極１６での放電を長時間起こさせることにより、放電電極１６近傍の温度を上昇させることで付着物を除去することができる。

図３は、点火プラグ１の等価回路を示す図である。外部の発振回路（ＭＷ）から入力されるマイクロ波（電圧Ｖ１、周波数２．４５ＧＨｚ）は容量Ｃ１を介して、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２からなる共振回路に接続される。また、容量Ｃ３と並列に放電部が設けられる。

ここで、Ｃ１は結合容量に相当し、主に第２中心電極１４と第１中心電極１３の位置関係（両電極間の距離や対向する面積）や電極間に充填される材料（本例ではセラミック構造の誘電体１９ｄ）により決まる。第１中心電極１３は、インピーダンスの調整を容易にすべく、その軸芯方向に移動可能な構成としても良い。

容量Ｃ２は、第２中心電極１４とケース１１によって形成される接地容量であり、第２中心電極１４とケース１１との距離や対向面積、及び誘電体１９ｃの誘電率によって決まる。ケース１１は導電性の金属で構成されており、接地電極としても機能する。

リアクタンスＬは、第３中心電極１５のコイル成分に相当する。

容量Ｃ３は、第３中心電極１５、放電電極１６及びとケース１１によって形成される放電容量である。これは、（１）放電電極１６の形状、大きさ及びケース１１との距離、（２）第３中心電極１５とケース１１との距離、（３）第３中心電極１５とケース１１の間に設けた間隙（空気層）３７や誘電体１９ｄの厚み、等で決まる。Ｃ２＞＞Ｃ３とすれば、容量Ｃ３の両端の電位差をＶ１よりも十分に大きくすることができ、その結果、放電電極１６を高電位にすることができる。更にはＣ３を小さくすることができるから、コンデンサの面積も小さくて済む。なお、容量Ｃ３は実質的には、第３中心電極１５とケース１１のうち、誘電体１９ｄを挟んで対向する部分によって決まる。逆に言えば、間隙（空気層）１７の軸方向の長さを変えることで容量Ｃ３の調整を行うこともできる。

結合容量Ｃ１が十分に小さいと看做せる場合、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２は直列共振回路をなし、共振周波数ｆは数式１で表現できる。

つまり、ｆ＝２．４５ＧＨｚとした場合に、放電容量Ｃ３、コイルリアクタンスＬ、及び接地容量Ｃ２が数式１の関係を満たすように点火プラグ１は設計される。

上述のように点火プラグ１は、共振器による昇圧方式により、電源電圧（点火プラグ１に入力されるマイクロ波の電圧Ｖ１）よりも高い電圧Ｖｃ３を生成する。これにより、放電電極１６と接地電極（ケース１１）間に放電が生じる。放電電圧が、その近辺のガス分子のブレークダウン電圧を超えると、ガス分子から電子が放出されて非平衡プラズマが生成され、燃料が点火する。

また、２．４５ＧＨｚ帯の周波数を使用するため、コンデンサの容量が小さく済み、点火プラグ１は、小型化に有利である。また、昇圧方式を採用する結果、点火プラグ１のうち、放電電極１６の近傍のみが高電位となるので、アイソレーションの点でも優れる。これらの点において、本発明のイグナイタは、従来の共振構造のイグナイタ（例えば、特許文献４）よりも優れている。

なお、本実施形態のケース１１は、先端部と後端部で外径が均一な円柱状部材としている。これに代えて、例えば図６の比較例に係る点火プラグ１０のように、ケース１１Ｂを先端側の外径が小さくなるテーパ状に形成してもよい。この点火プラグ１Ｂでは、結合部分１ｂと増幅／放電部分１ｃを構成するのに必要なプラグの口径が異なることに着目し、ケース１１をテーパ形状にすることで先端部での熱価を低くして、先端部での放電を生じやすくしている。また、取付口の口径が小さいエンジンへの装着を可能としている。しかし、その反面、逆にエンジンの種類や運転条件によっては、熱価が低すぎるために、放電電極１６が溶解する（熱的摩耗が生じる）場合がある。

そこで、本実施形態では、ケース１１をテーパ状ではなく、あえて外径が均一な円柱状とすることにより、は放電電極１６近傍のケース外径を大きくし、熱価が若干高くなるような構成としている。更に、ケース１１を円柱形状とすることにより、この点火プラグ１を取り付けるシリンダヘッドの取付口との接触面積を大きくすることもできるため、放熱特性がより改善される。これにより、放電電極１６の熱的摩耗を改善することができる。また、比較例に係る点火プラグ１Ｂの場合、テーパ形状に機械加工する工程が必要となるが、本実施形態ではその工程が不要となるので製造コストの低下も図ることができる。

但し、熱価が高くなることにより、逆に放電電極１６又はその近傍に炭素等が付着する恐れもある。そこで、本実施形態では、上述したように、放電電極１６の後方に環状空間１８ａを設けることで、放電電極１６とケース（接地電極）１１の間に炭素が蓄積することを防止している。

（第２の実施形態）
第１実施形態の点火プラグ１に係るケース１１は、外径及び内径が均一な円筒状部材により構成している。これに対し、図４に示すように、本実施形態に係る点火プラグ１Ｂは、ケース１１のうち、放電電極１６を包囲する箇所の内径を他の箇所よりも小さくしている。つまり、先端部分を肉厚に形成することにより、放熱特性を更に高めることができる。また、これにより、放電電極１６の体積を小さくすることもできるので、先端部のキャパシタンスＣの成分を小さくすることができ、上記電磁波共振構造におけるＱ値を高くすることができる。この結果、放電電極１６の電位をより高くすることができるので、より高圧縮比（高圧力化）のエンジンにおいても放電させることが可能となり、このようなエンジンに本発明の点火プラグを使用させることができる。

なお、点火プラグ１は、マイクロ波により駆動するので、放電もマイクロ波（ＧＨｚ）の周期で行うことが可能である。従って、発生したラジカルが死滅する前に、次の放電が行われるから、発生したＯＨラジカル等は死滅せず維持される。これに対し、従来のスパークプラグでは、高周波でのスパークのＯＮ／ＯＦＦを行うことができないため、一端発生したラジカルはすぐに死滅してしまう。従って、従来のスパークプラグを用いた場合、上記のような作用効果を奏することはできない。

（第３の実施形態）
図５に、第３の実施形態に係る点火装置としての点火プラグ１Ｃを示す。この点火プラグ１Ｃは、第１、第２実施形態と異なり、第３中心電極１５とケーシング１１との間に誘電体を配設することなく、第３中心電極１５の長さ、第３中心電極１５とケーシング１１との隙間を調整することで容量Ｃ３を決定し、数式１を満足するよう設計されている。

そして、点火プラグ１Ｃの第３中心電極１５は、第２中心電極１４に対して、先端の放電電極１６が接地電極１１（ケーシング）に接触しない範囲で撓むように配設されている（図５の二点破線参照）。放電電極１６の移動範囲は、内燃機関によって生じる振動によって生じ、機器の固有振動数、第３中心電極１５の外径等によって決定される。また、第３中心電極１５を確実に撓ませるために、第２中心電極１４との接合部に可撓性材料を介するように構成することもできる。さらに、第２中心電極１４の第３中心電極１５を撓ませるようにする他、図５（ｃ）に示すように、第２中心電極１４と第３中心電極１５とを別体で構成し、第２中心電極１４に開口する第３中心電極１５の取付孔１４ａを第３中心電極１５の外径より若干大径とすることで、第３中心電極１５を軸方向に対して直交する方向へ移動可能と構成することもできる。

このように、放電電極１６が内燃機関の振動によって移動することで、放電が生じる最適な放電ギャップの位置が、周上で逐一変動する。これによって、放電は周上一定の箇所で生じることなく、放電電極１６と接地電極１１との偏った箇所での溶損を有効に防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の範囲はあくまでも特許請求の範囲に記載された発明に基づいて定められるものであり、上記実施形態に限定されるべきものではない。

１ 点火プラグ
１ａ 入力部分
１ｂ 結合部分
１ｃ 増幅／放電部分
１１ ケース（接地電極）
１２ マイクロ波入力端子
１３ 第１中心電極
１４ 第２中心電極
１５ 第３中心電極
１６ 放電電極
１７ 空隙
１８ａ 環状空間
１８ｂ 環状空間
１９ 誘電体

Claims (3)

1. 表面を電磁波が伝播する中心電極と、
   中心電極の先端部に取り付けられた放電電極と、
   中心電極及び放電電極を包囲し、先端部が接地電極として機能する円筒状のケース部材を備えることを特徴とする、点火装置。
2. 前記ケース部材は、放電電極を包囲する箇所ではその内径が他の箇所よりも小さく構成されることを特徴とする、請求項１に記載の点火装置。
3. 放電電極の後方に環状空間を設けたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の点火装置。
   

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