JP5219732B2 - 火花点火式内燃機関の点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内にプラズマを生成させ、プラズマと点火プラグによる火花放電とにより混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火プラグに関するものである。

従来、車両、特には自動車に搭載される火花点火式内燃機関においては、点火プラグの中心電極と接地電極との間の火花放電により、点火時期毎に燃焼室内の混合気に着火している。このような点火プラグによる着火にあって、例えば燃料を直接気筒内に噴射する型式の内燃機関において、噴射した燃料を点火プラグの火花放電の位置に分布させないと、着火しないことが希に生じる。

このため、このような内燃機関では、点火プラグの火花放電を補うために、例えば特許文献１に記載のもののように、点火プラグの放電領域にプラズマ雰囲気を生成しておき、プラズマ雰囲気中にアーク放電を行うことにより、従来に比べて高い電圧を印加することなく燃焼室内の混合気に確実に着火し、安定した火炎を得ることができるように構成したものが知られている。
特開２００７‐３２３４９号公報

ところで、例えば大気圧下などでプラズマを生成する方法として、マグネトロンを用いるものが考えられている。マグネトロンにより燃焼室内にプラズマを生成する場合、マイクロ波を放射するアンテナが必要になる。この場合に、点火プラグの中心電極をアンテナとして使用することが可能である。

一般的な点火プラグにあっては、中心電極に対して、断面形状がほぼ方形の接地電極を、中心電極の直下付近にギャップをあけて設けられている構造を有している。このような電極構造にあっては、マイクロ波を中心電極に印加した場合、マイクロ波による高周波電界の方向は中心電極の中心軸方向に向くことになる。

しかしながら、このように高周波電界の方向が中心電極の中心軸方向つまり火花放電の放電方向と同じになると、プラズマの火花放電に対する作用が小さく、所期の効果を期待できなかった。

そこで本発明は、このような不具合を解消することを目的としている。

すなわち、本発明の火花点火式内燃機関の点火プラグは、ハウジング内に絶縁されて取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と燃焼室内に電磁波により生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火プラグであって、接地電極は、中心電極の中心軸線から離れた位置にその先端が位置するように配置され、中心電極の中心軸線とは交わらず、かつ、中心電極と背向する側の下面に設けられる傾斜面である特定平面と、中心電極の中心軸線と交わる当該接地電極の延出軸線を斜めに横切る傾斜側面とを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、プラズマと火花放電とが反応する場合に、電磁波による電界方向つまり向きが特定平面により火花放電と交わる方向に生じる。このため、電磁波により生成されたプラズマと火花放電とが効率よく反応し、火花放電が増幅され、良好な着火を得ることが可能になる。

具体的には、特定表面が、中心電極と背向する側の接地電極の下面に設けられる傾斜面であるものが挙げられる。このような構成において、電界の方向を所望の方向に形成するためには、接地電極が、中心電極の中心軸線と交わる接地電極の延出軸線を斜めに横切る傾斜側面を備えるものが好ましい。

本発明は、以上説明したような構成であり、電磁波により生成されたプラズマと火花放電とが効率よく反応し、火花放電が増幅され、良好な着火を得ることができる。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１に点火プラグ１の取付部分を拡大して示す火花点火式内燃機関であるエンジン１００は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト（ＤＯＨＣ）形式のもので、吸気ポート２の開口３及び排気ポート４の開口５が、燃焼室６の天井部分のほぼ中央に取り付けられる点火プラグ１を中心として対向配置されて、１気筒当たりそれぞれ２ヶ所に開口するものである。すなわち、このエンジン１００は、シリンダブロック７に取り付けられ、燃焼室６の天井部分を形成しているシリンダヘッド８には、吸気側と排気側とにそれぞれカムシャフト９、１０が取り付けてある。シリンダヘッド８の吸気ポート２は、カムシャフト９が回転することにより往復作動する吸気弁１１により、また排気ポート４は、カムシャフト１０が回転することにより往復作動する排気弁１２によりそれぞれ開閉されるものである。そして、燃焼室６の天井部分には、点火プラグ１が取り付けられてある。なお、点火プラグ１を除くエンジン１００それ自体は、この分野で知られている火花点火式のものを適用するものであってよい。

この実施例の点火プラグ１は、図２〜図５に示すように、導電材料からなるハウジング１３と、ハウジング１３内に絶縁されて取り付けられる中心電極１４と、中心電極１４から離れてハウジング１３の下端に設けられる接地電極１５とを備える。すなわち、点火プラグ１は、ハウジング１３がほぼ円柱形状の絶縁碍子１６を支持し、絶縁碍子１６の上端に取り付けられる接続端子１７が、ハウジング１３の下端から突出する中心電極１４と図示しない中軸により電気的に接続され、ハウジング１３下端から中心電極１４下端に対向する位置まで延びる位置に接地電極１５がハウジング１３に一体的に設けてある構造である。絶縁碍子１６は、中心電極１４とエンジン１００への取付部であるハウジング１３とを絶縁するとともに、中心電極１４と接続端子１７との接続部材である中軸も絶縁するもので、ほぼ円筒形状をしている。

ハウジング１３は、絶縁碍子１６を収容するのに十分な内部空間を備える円筒形状のもので、導電材料である、例えばステンレス製のものである。ハウジング１３は、その上端部分が、絶縁碍子１６を密着し気密性を維持するために内側に絞り込まれている。また、その長手方向の中央部から下側部分の外周には、シリンダヘッド８への取付のための雄ねじ部１８が形成してある。加えて、雄ねじ部１８と上端部分との間には、取り付ける場合に取付台座部となる主体金具１９が、雄ねじ部１８より大きな外径で形成してある。

中心電極１４は、例えば柱状の金属材料にて形成されており、その下端が絶縁碍子１６から露出するとともに、ハウジング１３の下端から露出する。

このような中心電極１４に対して、接地電極１５は、ハウジング１３下端面に一体的に形成される側面視ほぼＬ字状のもので、その先端は、中心電極１４の中心軸から間隙２０をあけた位置まで延びている。接地電極１５は、このようにハウジング１３に一体的に設けられているので、使用時にあってはハウジング１３と同電位に維持される。この接地電極１５は、正面から見た場合に、先端から後退する方向に傾く特定表面２１を備えている。すなわち、この特定表面２１は中心電極１４と背向する側の接地電極１５の下面に設けられる傾斜面であり、接地電極１５の上面２２に対して鋭角となる勾配を有している。加えて、この接地電極１５は、中心電極１４の中心軸線２３と交わる接地電極１５の延出軸線２４を斜めに横切る傾斜側面を備える。つまり、接地電極１５は、その正面側の側面が背面側に向かって傾斜する傾斜側面２５を有するものである。

このような構成において、点火プラグ１はエンジン１００のそれぞれの気筒に対して取り付けられ、火花放電を行う本来の機能とともに、後述するプラズマ生成のためのアンテナとしても機能するものである。すなわちこのエンジン１００は、燃焼室６内の混合気に点火プラグ１を用いて着火する場合に、点火プラグ１の火花放電を燃焼室６内に生成するプラズマと反応させることにより、点火プラグ１の火花放電をプラズマと反応させない場合の火花放電に比較して、大きくしている。このために、点火プラグ１の中心電極１４には、火花放電のための点火コイルが接続されるとともに、プラズマを生成するための電磁波であるマイクロ波を出力する図示しないマグネトロンが接続されている。したがって、以下に説明するようにして、マグネトロンから出力されるマイクロ波が、点火プラグ１の中心電極１４に印加されるものである。

接地電極１５は、上述したように、中心電極１４の中心軸線２３から間隙２０だけ離れ、しかも中心軸線２３に対して傾斜する特定表面２１を有しているので、中心電極１４にマイクロ波が印加された場合に、中心電極１４と接地電極１５との間に生じる高周波電界の向きが特定表面２１に対して垂直となる。このため、点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５との間の空間の高周波電界の向きが、中心電極１４の中心軸線２３の方向に揃わずにいびつになる。これにより、中心電極１４と接地電極１５との間で生じる火花放電に対してほぼ直交する方向に、特定表面２１に向かって高周波電界の強度が高くなり、特定表面２１がない場合に比較して生成されるプラズマが増加することになる。又、同様にして、接地電極１５の正面に形成した傾斜側面２５に対しても、高周波電界の向きが垂直になるため、傾斜側面２５に向かって高周波電界の強度が高くなり、さらにプラズマの生成を増加するものとなる。

点火に際しては、点火プラグ１に点火コイル（図示しない）により火花放電を発生させて、火花放電とほぼ同時あるいはその直後にマイクロ波により高周波電界を発生させてプラズマを生成させることにより、燃焼室６内の混合気を急速に燃焼させる構成である。

具体的には、点火プラグ１による火花放電が高周波電界中でプラズマになり、火炎が大きくなる。

これは、火花放電による電子の流れ及び火花放電によって生じたイオンやラジカルが、高周波電界の影響を受け振動、蛇行することで行路長が長くなり、周囲の水分子や窒素分子と衝突する回数が飛躍的に増加することによるものである。イオンやラジカルの衝突を受けた水分子や窒素分子は、ＯＨラジカルやＮラジカルになると共に、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体は電離した状態、言換するとプラズマ状態となることで、飛躍的に火炎が大きくなるものである。

この結果、高周波電界と反応することにより増大した火花放電により混合気に着火するため、着火領域が拡大し、点火プラグ１のみの二次元的な着火から三次元的な着火になる。したがって、初期燃焼が安定し、上述したラジカルの増加に伴って燃焼が燃焼室６内に急速に伝播し、高い燃焼速度で燃焼が拡大する。

そして、接地電極１５が特定表面２１及び傾斜側面２５を備えることにより、高周波電界の向きが火花放電の方向と異なることで生成されるプラズマを増大させることができる。このように高周波電界の向きを制御して高周波電界の強度を調整できるので、マイクロ波を出力するマグネトロンの出力を抑えることができる。したがって、プラズマを生成するための消費電力を低減することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明は、上述の実施形態において説明したように、中心電極１４から放射されるマイクロ波により形成される高周波電界を、中心電極１４と接地電極１５との間の空間においていびつにさせる特定表面を、接地電極１５の先端部分に設けることを特徴とするものであり、特定表面の形状は、上述の実施形態に限定されるものではない。つまり、高周波電界の向きが、金属表面に対して垂直に突入することをふまえ、特定表面を設けるものであってよい。上述の実施形態においては、特定表面２１を平面で構成したが、例えば凹面あるいは凸面のような曲面、さらには凹凸面が連続する波状の曲面などであってもよい。

上述の実施形態においては、傾斜側面を接地電極１５の正面側にのみ設けたが、背面側にも設けるものであってよい。すなわち、接地電極は、両側の側面が相寄る方向に傾斜する傾斜側面を備え、かつ下面に特定表面を備える構造である。したがって、接地電極の中心電極に対峙する先端部分は、一点に向かって集中する三面により形成される三角錐状の尖端となる。

マイクロ波を出力するものとしては、上述のようなマグネトロン以外に、進行波管などであってよく、さらには半導体によるマイクロ波発振回路を備えるものであってもよい。

加えて、上述の実施形態におけるような、中心電極をアンテナとして利用するものではなく、点火プラグとは別体のアンテナを用いるものであってよい。この場合、例えば、ホーン型やモノポール型のアンテナが挙げられる。

さらには、点火プラグ１の中心電極をアンテナとして機能させる場合、高周波を一定の電圧で中心電極に継続して印加すると、中心電極の温度が過剰に上昇するため、中心電極の耐熱温度に基づいて設定する上限温度を下回るように、高周波の電圧を制御するものである。

その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明の活用例として、ガソリンや液化天然ガスを燃料として点火プラグによる火花放電を着火に必要とする火花点火式内燃機関に活用することができる。

本発明の一実施形態を適用するエンジンの要部を拡大して示す断面図。 同実施形態の正面図。 同実施形態の要部拡大正面図。 同実施形態の下面図。 同実施形態の要部拡大斜視図。

符号の説明

１…点火プラグ
６…燃焼室
１３…ハウジング
１４…中心電極
１５…接地電極
２１…特定表面
２３…中心軸線
２４…延出軸線
２５…傾斜側面

Claims (1)

1. ハウジング内に絶縁されて取り付けられる中心電極と、中心電極から離れてハウジングの下端に設けられる接地電極とを備え、中心電極と接地電極との間に発生する火花放電と燃焼室内に電磁波により生成されるプラズマとを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関の点火プラグであって、
   接地電極は、中心電極の中心軸線から離れた位置にその先端が位置するように配置され、中心電極の中心軸線とは交わらず、かつ、中心電極と背向する側の下面に設けられる傾斜面である特定平面と、中心電極の中心軸線と交わる当該接地電極の延出軸線を斜めに横切る傾斜側面とを備える火花点火式内燃機関の点火プラグ。

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