特許 5963497 点火プラグ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5963497

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】点火プラグ

(51)【国際特許分類】

   H01T 13/32 20060101AFI20160721BHJP

   H01T 13/20 20060101ALI20160721BHJP

   F02P 3/01 20060101ALI20160721BHJP

   F02P 13/00 20060101ALI20160721BHJP

【ＦＩ】

   H01T13/32

   H01T13/20 B

   F02P3/01 A

   F02P13/00 301J

【請求項の数】2

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2012-75344(P2012-75344)

(22)【出願日】2012年3月29日

(65)【公開番号】特開2013-206757(P2013-206757A)

(43)【公開日】2013年10月7日

【審査請求日】2015年3月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100085338

【弁理士】

【氏名又は名称】赤澤 一博

(74)【代理人】

【識別番号】100148910

【弁理士】

【氏名又は名称】宮澤 岳志

(72)【発明者】

【氏名】谷口 和久

(72)【発明者】

【氏名】關根 雄太

【審査官】 段 吉享

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０３２８４６（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｔ １３／３２

Ｆ０２Ｐ ３／０１

Ｆ０２Ｐ １３／００

Ｈ０１Ｔ １３／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関用の点火プラグであって、
火花放電時に中心電極が接地電極に対して高電位とされるものであり、
中心電極と接地電極とが対向する軸線方向から見て、接地電極の投影面積が中心電極の投影面積よりも大きいことを特徴とする点火プラグ。

【請求項2】

接地電極における中心電極に臨む部位に、前記軸線方向から見て略正円状または略楕円状の周縁をなす円形部を成形している請求項１記載の点火プラグ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する態様の火花点火式内燃機関に用いられる点火プラグに関する。

【背景技術】

【0002】

火花点火式内燃機関に実装されている点火装置では、イグナイタが消弧した際に点火コイルに発生する高電圧を点火プラグの中心電極に印加することで、点火プラグの中心電極と接地電極との間で火花放電を惹起、点火する。

【0003】

近時では、気筒の燃焼室内にある混合気に確実に着火させ、安定した火炎を得ることができるようにするために、電界発生回路、換言すればマグネトロンが出力するマイクロ波若しくは高周波発振器が出力する高周波を燃焼室内に放射する「アクティブ着火」法が試みられている（例えば、下記特許文献を参照）。アクティブ着火法によれば、中心電極と接地電極との間の空間に高周波またはマイクロ波電界が形成され、この電界中で発生したプラズマが成長して、火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きな火炎核を生成することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１５９４７７号公報

【特許文献2】特開２０１１−０６４１６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明は、アクティブ着火法を採用した火花点火式内燃機関において、より大きな火炎核を生成できるようにすることを所期の目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る点火プラグは、気筒の燃焼室内に臨むアンテナを介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグの中心電極と接地電極との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関用の点火プラグであって、火花放電時に中心電極が接地電極に対して高電位とされるものであり、中心電極と接地電極とが対向する軸線方向から見て、接地電極の投影面積が中心電極の投影面積よりも大きいことを特徴とする。

【0007】

接地電極における中心電極に臨む部位には、前記軸線方向から見て略正円状または略楕円状の周縁をなす円形部を成形しておくことが好ましい。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、アクティブ着火法を採用した火花点火式内燃機関において、より大きな火炎核を生成できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の一実施形態における車両用内燃機関の全体構成を示す図。

【図2】同実施形態における火花点火装置の回路図。

【図3】同実施形態における電界発生装置の構成を示す図。

【図4】同実施形態における電界発生装置の要素であるＨブリッジの回路図。

【図5】同実施形態の点火プラグを下面側から見た斜視図。

【図6】同実施形態の点火プラグの電極部分を示す拡大正面図。

【図7】同実施形態の点火プラグの電極部分を示す拡大側面図。

【図8】同実施形態の点火プラグの電極部分を示す底面図。

【図9】本発明の変形例の一に係る点火プラグの電極部分を示す、一部を破断した拡大正面図。

【図10】本発明の変形例の一に係る点火プラグの電極部分を示す拡大正面図。

【図11】本発明の変形例の一に係る点火プラグを下面側から見た斜視図。

【図12】同変形例に係る点火プラグの電極部分を示す拡大正面図。

【図13】同変形例に係る点火プラグの電極部分を示す拡大側面図。

【図14】同変形例に係る点火プラグの電極部分を示す底面図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。

【0011】

本実施形態における内燃機関は、火花点火式ガソリンエンジンであり、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）を具備している。各気筒１の吸気ポート近傍には、燃料を噴射するインジェクタ１１を設けている。また、各気筒１の燃焼室の天井部に、点火プラグ１２を取り付けてある。

【0012】

図２に、火花点火用の電気回路を示している。点火プラグ１２は、点火コイル１４にて発生した誘導電圧の印加を受けて、中心電極１２１と接地電極１２２との間で火花放電を惹起するものである。点火コイル１４は、半導体スイッチング素子であるイグナイタ１３とともに、コイルケースに一体的に内蔵される。

【0013】

本実施形態の内燃機関には、気筒１の燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置を付帯させている。この電界発生装置は、燃焼室内でプラズマを生成する目的のものである。電界発生装置の例としては、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路等を挙げることができる。

【0014】

図３及び図４に示すように、高周波を発生させる電界発生装置は、車載バッテリを電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路を含む。具体的には、バッテリが提供する約１２Ｖの直流電圧を１００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ６１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ６１が出力する直流を交流に変換するＨブリッジ回路６２と、Ｈブリッジ回路６２が出力する交流をさらに高い電圧に昇圧する昇圧トランス６３とを構成要素とする。

【0015】

電界発生装置の出力端には、第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５を介設することが好ましい。第一ダイオード６４は、カソードが昇圧トランス６３の二次側巻線の信号ラインに接続し、アノードが点火コイル１４との結節点であるミキサ６６に接続している。第二ダイオード６５は、アノードが昇圧トランス６３の二次側巻線のグランドラインに接続し、カソードが接地している。これら第一ダイオード６４及び第二ダイオード６５は、点火タイミングにおいて点火コイル１４の二次側から流れ込む負の高圧パルス電流を遮る役割を担う。

【0016】

電界発生装置が発振する高周波電圧は、通常、火花放電開始と略同時、火花放電開始直前または火花放電開始直後に、点火プラグ１２の中心電極１２１に印加する。つまり、気筒１の燃焼室内に臨む点火プラグ１２の中心電極１２１を、電界を放射するアンテナとする。これにより、燃焼室内における、点火プラグ１２の中心電極１２１と接地電極１２２との間の空間に、高周波電界が形成される。そして、高周波電界中で火花放電を行うことによりプラズマが発生し、このプラズマが火炎伝搬燃焼の始まりとなる大きなラジカルプラズマ火炎核を生成する。

【0017】

上記は、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、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ラジカルになるとともに、イオンやラジカルの衝突を受けた周囲の気体も電離した状態、即ちプラズマ状態となることで、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎核も大きくなるのである。この結果、火花放電のみによる二次元的な着火から三次元的な着火に増幅され、燃焼が燃焼室内に急速に伝播、高い燃焼速度で拡大することとなる。

【0018】

因みに、電界発生装置として脈流電圧発生回路を採用する場合、当該脈流電圧発生回路は周期的に電圧が変化する直流電圧を発生させるものであればよく、その波形も任意であってよい。脈流電圧は、基準電圧（０Ｖであることがある）から一定周期で一定電圧まで変動するパルス電圧、交流電圧を半波整流した電圧、交流電圧に直流バイアスを加味した電圧等をおしなべて含む。電界発生装置が発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜３０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。

【0019】

内燃機関の気筒１に吸気を供給するための吸気通路３は、外部から空気を取り入れて各気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、電子スロットルバルブ３２、サージタンク３３、吸気マニホルド３４を、上流からこの順序に配置している。

【0020】

気筒１から排気を排出するための排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を各気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２及び排気浄化用の三元触媒４１を配置している。

【0021】

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。

【0022】

入力インタフェースには、車両の実車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、クランクシャフトの回転角度及びエンジン回転数を検出するエンジン回転センサから出力されるクランク角信号（Ｎ信号）ｂ、アクセルペダルの踏込量またはスロットルバルブ３２の開度をアクセル開度（いわば、要求負荷）として検出するセンサから出力されるアクセル開度信号ｃ、ブレーキペダルの踏込量を検出するセンサから出力されるブレーキ踏量信号ｄ、吸気通路３（特に、サージタンク３３）内の吸気温及び吸気圧を検出する温度・圧力センサから出力される吸気温・吸気圧信号ｅ、機関の冷却水温を検出する水温センサから出力される冷却水温信号ｆ、シフトレバーのレンジを知得するためのセンサ（または、シフトポジションスイッチ）から出力されるシフトレンジ信号ｇ、吸気カムシャフトまたは排気カムシャフトの複数のカム角にてカム角センサから出力されるカム角信号（Ｇ信号）ｈ等が入力される。

【0023】

出力インタフェースからは、点火プラグ１２のイグナイタに対して点火信号ｉ、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｊ、スロットルバルブ３２に対して開度操作信号ｋ、電界発生装置に対して電界（即ち、高周波）発生指令信号ｌ等を出力する。

【0024】

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行し、運転パラメータを演算して内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈを入力インタフェースを介して取得し、エンジン回転数を知得するとともに気筒１に充填される吸気量を推算する。そして、それらエンジン回転数及び吸気量等に基づき、要求される燃料噴射量、燃料噴射タイミング（一度の燃焼に対する燃料噴射の回数を含む）、燃料噴射圧、点火タイミング、燃焼室内に電界を発生させるか否かやその電界発生のタイミングといった各種運転パラメータを決定する。運転パラメータの決定手法自体は、既知のものを採用することが可能である。ＥＣＵ０は、運転パラメータに対応した各種制御信号ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

【0025】

以降、本実施形態の点火プラグ１２に関して詳述する。

【0026】

一般に、点火プラグ１２は、火花放電に際し、「マイナス放電」を行う場合と、「プラス放電」を行う場合とがある。前者は、中心電極１２１を接地電極１２２に対して低電位とする、即ち中心電極１２１にマイナスの電圧を印加して放電を惹起するものである。言うまでもなく、接地電極１２２は恒常的に零電位である。火花放電に伴い、電子は中心電極１２１から発し、接地電極１２２に向かって飛ぶ。翻って、後者は、中心電極１２１を接地電極１２２に対して高電位とする、即ち中心電極１２１にプラスの電圧を印加して放電を惹起するものである。火花放電に伴い、電子は接地電極１２２から発し、中心電極１２１に向かって飛ぶ。

【0027】

本実施形態の点火プラグ１２は、「プラス放電」を行うためのものである。即ち、火花点火時において、中心電極１２１にはプラス電圧を印加する。

【0028】

図５ないし図８に示しているように、本実施形態の点火プラグ１２においては、中心電極１２１と接地電極１２２とが対向する軸線Ｌ方向から見て、接地電極１２２の投影面積が中心電極１２１の投影面積よりも大きくなるよう、接地電極１２２を設計している。

【0029】

詳述すると、点火プラグ１２の中心電極１２１は、コイルケースのプラグ装着部に挿入して装着された状態で点火コイル１４に接続するターミナル１２３に電気的に接続している。これら中心電極１２１及びターミナル１２３は、絶縁碍子１２４により外部から絶縁される。絶縁碍子１２４は、ハウジング１２５により外方から支持される。接地電極１２２は、ハウジング１２５の下端部に取り付けられる。ハウジング１２５ひいては接地電極１２２は、接地される。

【0030】

接地電極１２２は、ハウジング１２５から下方に垂下し、中途で内側方に屈曲して中心電極１２１の軸心Ｌに向かって伸長する正面視略Ｌ字型をなす。接地電極１２２の先端部位１２２１は、中心電極１２１の軸心Ｌと交わる位置まで進出しており、中心電極１２１と軸心Ｌ方向に沿って対向している。この接地電極１２２の先端部位１２２１を軸心Ｌ方向から見たとき、先端部位１２２１の投影面積が、中心電極１２１の下端部（また、下端面）の投影面積よりも大きくなっている。

【0031】

中心電極１２１に臨む接地電極１２２の先端部位１２２１は、軸線Ｌ方向から見て略正円状または略楕円状の周縁１２２４をなす円形部としてある。円形部１２２１は、概ね円盤状に成形してある。円形部１２２１における、中心電極１２１の下端面に臨む上表面１２２２と、略円筒状の外周面１２２３とが交差する縁端１２２４は、軸心Ｌ方向から見て中心電極１２１を包囲するような略部分円弧状または略部分楕円弧状となっている。

【0032】

気筒１における一回の燃焼（または、膨張行程）を遂行するべく、当該気筒１に充填された混合気に着火するための火花点火において、火花は一度だけ飛ぶのではなく、極短時間の間に複数の火花が飛ぶ。各火花放電（の電子）は、上述した円形部１２２１の縁端１２２４から発し、中心電極１２１に向かって流れ飛ぶことが多い。

【0033】

その上で、複数回の火花放電の起点は常に同じではない。接地電極１２２の内部では、自由電子が偏在せず、比較的均等に存在しているものと想像される。故に、複数の火花は、接地電極１２２の複数箇所、特に円形部１２２１の縁端１２２４上の互いに相異するばらばらの場所から、中心電極１２１に向かって飛ぶことになる。つまり、火花放電の範囲が拡がる。

【0034】

この結果、中心電極１２１と接地電極１２２との間に所在する混合気の複数箇所に火花が飛び、より大きな円球状または塊状の火炎核を生成することが可能となる。

【0035】

本実施形態では、気筒１の燃焼室内に臨むアンテナ（中心電極１２１）を介して燃焼室内に生成される電界と、点火プラグ１２の中心電極１２１と接地電極１２２との間に発生する火花放電とを相互作用させて燃焼室内にプラズマを生成し、混合気に着火する火花点火式内燃機関用の点火プラグ１２であって、火花放電時に中心電極１２１が接地電極１２２に対して高電位とされるものであり、中心電極１２１と接地電極１２２とが対向する軸線Ｌ方向から見て、接地電極１２２の投影面積が中心電極１２１の投影面積よりも大きいことを特徴とする点火プラグ１２を構成した。

【0036】

本実施形態によれば、中心電極１２１と接地電極１２２との間に所在する混合気の複数箇所に火花を飛ばして円球状または塊状の火炎核を生成することが可能となる。従って、混合気への着火性がより一層向上し、内燃機関の出力及び燃費の向上、及びエミッションの良化に貢献し得る。

【0037】

加えて、接地電極１２２における中心電極１２１に臨む部位に、前記軸線Ｌ方向から見て略正円状または略楕円状の周縁１２２４をなす円形部１２２１を成形していることから、燃焼初期において気筒１の燃焼室内に円球のような火炎核を生成できる。この火炎核が円筒状の気筒１内で燃え広がることとなり、気筒１の燃焼室内において偏りのない燃焼を惹起することが可能となる。燃焼火炎が均一に広がることにより、火炎伝搬速度が高まり、ノッキングが抑制される。ノッキングが発生しにくくなれば、圧縮比の増大による燃費の向上にも資する。

【0038】

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、接地電極１２２の円形部１２２１の上表面１２２２は略平坦面であったが、図９に例示するように、円形部１２２１の上表面１２２２を中心電極１２１から離間する方向に凹ませて凹面としてもよい。

【0039】

上記実施形態では、接地電極１２２の円形部１２２１は円盤状をなしていたが、図１０に例示するように、接地電極１２２の円形部１２２１を切頭円錐状に成形してもよい。この場合にも、円形部１２２１における、中心電極１２１の下端面に臨む上表面１２２２と、略部分円錐面状の外周面１２２３とが交差する縁端１２２４が、軸心Ｌ方向から見て中心電極１２１を包囲するような略部分円弧状または略部分楕円弧状となる。

【0040】

また、図１１ないし図１４に例示するように、接地電極１２２の先端部位に略正円状または略楕円状の周縁をなさない（円盤状でも切頭円錐状でもない）土台１２２５を設け、その上に略正円状または略楕円状の周縁１２２４をなす円形部１２２１を設けてもよい。

【0041】

内燃機関の気筒１の燃焼室内でプラズマを生成する目的で燃焼室内に電界を発生させる電界発生装置は、高周波の交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、高周波の脈流電圧を印加する脈流電圧発生回路に限定されない。

【0042】

気筒１の燃焼室内に電界を放射するアンテナもまた、点火プラグ１２の中心電極１２１には限定されない。点火プラグ１２とは異なる、気筒１の燃焼室内に電界を放射するアンテナを設置した内燃機関を構成しても構わない。

【0043】

その他各部の具体的構成は、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。

【産業上の利用可能性】

【0044】

本発明は、車両等に搭載される火花点火式内燃機関に利用することができる。

【符号の説明】

【0045】

１２…点火プラグ
１２１…中心電極（アンテナ）
１２２…接地電極
１２２１…円形部
１２２４…周縁（縁端）
Ｌ…中心電極と接地電極とが対向する方向（軸線）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】