(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
内燃機関(エンジン)は、そのサイクルごとに燃焼が異なる(図示仕事が変動する)ことが知られている。この燃焼の変動率(すなわち、図示平均有効圧の変動率COV of IMEP;Coefficient of Variation of Indicated Mean Effective Pressure)が高くなると、内燃機関の出力が不安定になるという課題があり、車両に搭載された内燃機関の場合にはドライバビリティの低下を招く虞がある。
【0003】
従来、上述の課題に対し、燃焼変動率を低下させる種々の手法が提案されている。その一種として、燃焼変動率に相関する初期燃焼期間を短縮するようにした手法が存在する。初期燃焼期間とは、点火プラグが混合気に点火してから、燃焼室内に導入された燃料量の10%が燃焼するまでの時間である。一般に、この初期燃焼期間が短いほど、燃焼変動率が低下することが知られている。すなわち、初期燃焼期間を短縮することで、燃焼変動率を低下させることができ、内燃機関の出力を安定化することができる。
【0004】
初期燃焼期間を短縮する具体的な手法としては、内燃機関のシリンダヘッドにおいて燃焼室を構成する面のうち、点火プラグ取付孔の近傍に断熱材を配置することが挙げられる(特許文献1参照)。この手法によれば、初期火炎の生成に寄与する点火プラグ周辺の混合気が断熱材から受熱して高温になるため、着火性が向上し、初期燃焼期間が短縮されうる。
【発明を実施するための形態】
【0014】
図面を参照して、実施形態としての点火プラグについて説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができるとともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。
以下の説明では、気筒の中心軸が鉛直となるように内燃機関を配置した状態(吸気ポート及び排気ポートが上方に位置する状態)を基準として、この内燃機関およびこれに適用された点火プラグの上下方向を定める。
【0015】
[1.第一実施形態]
[1−1.構成]
本実施形態に係る点火プラグ1は、
図1に示すエンジン10に適用される。このエンジン10は、気筒内(燃焼室17)で燃料を燃焼させることにより動力を発生させる内燃機関である。エンジン10の燃料噴射方式は、吸気ポート噴射である。すなわち、エンジン10の吸気ポート18には、霧状の燃料を噴射するインジェクタ16が設けられる。
【0016】
エンジン10のシリンダヘッド11とシリンダブロック12の内周面とピストン13の上面とで囲まれた空間は、燃料を燃焼させる燃焼室17として機能する。シリンダヘッド11において燃焼室17に臨む表面は、吸気ポート18が接続される傾斜面と排気ポート19が接続される傾斜面とを三角屋根形状に付き合わせてなるペントルーフ型(切妻屋根型)に形成される。この表面には、吸気ポート18に繋がる吸気開口11aと、排気ポート19に繋がる排気開口11bとが形成される。
【0017】
吸気開口11a及び排気開口11bは、気筒の中心軸Oを挟んで互いに対向配置される。つまり、中心軸Oに対して吸気開口11aが位置する側(以下「吸気側」ともいう)と排気開口11bが位置する側(以下「排気側」ともいう)とは互いに逆側になる。吸気開口11aは、吸気ポート18から燃焼室17へ混合気を吸入する。一方、排気開口11bは、燃焼室17から排気ポート19へ燃焼ガスを排出する。吸気開口11aには吸気弁14が設けられる。また、排気開口11bには排気弁15が設けられる。これらの吸気開口11a,排気開口11b,吸気弁14,排気弁15は、一つの気筒に対してそれぞれが二個ずつ設けられる。
【0018】
図2に示すように、吸気ポート18は、一本の通路を二つの吸気開口11aに向かって分岐させたサイアミーズ形状を有する。同様に、排気ポート19は、二つの排気開口11bのそれぞれに接続された二本の通路を一本に合流させたサイアミーズ形状を有する。なお、
図2では、吸気弁14及び排気弁15を省略している。
【0019】
シリンダヘッド11には、点火プラグ1を取り付けるための取付孔11hが穿設される。取付孔11hは、気筒の中心軸Oと同軸上に形成され、二つの吸気開口11a及び二つの排気開口11bのそれぞれと離隔して(干渉せずに)設けられる。シリンダヘッド11において取付孔11hを囲む壁面には、雌ネジが加工される。
【0020】
点火プラグ1は、火花放電を起こすことにより、圧縮された混合気に点火するスパークプラグである。点火プラグ1は、シリンダヘッド11の取付孔11hに対して上方から嵌め込まれ、その軸心(後述する中心電極4の延びる方向)が気筒の中心軸Oと一致するように取り付けられる。
図3(a),(b)に示すように、点火プラグ1は、ハウジング2,碍子3,中心電極4,側極5を備える。
【0021】
ハウジング2は、シリンダヘッド11に固定される主体金具であり、金属材料により筒状に形成される。ハウジング2は、上方から下方へ順に設けられた加締め部21,係合部22,座部23,固定部24,テーパ部25を有する。加締め部21は、碍子3に対して加締められることで碍子3を保持する部位である。係合部22は、点火プラグ1をシリンダヘッド11に取り付けるための工具が係合する部位であり、この工具に対応した形状に形成される。座部23は、シリンダヘッド11に対して据えられる部位であり、他の部位よりも径方向に張り出した形状に形成され、シリンダヘッド11に接して設けられる。座部23とシリンダヘッド11との間には、図示しないガスケットが設けられる。
【0022】
固定部24は、シリンダヘッド11の取付孔11h内に固定される部位であり、雄ネジが加工された外壁面24aと、滑らかな円筒面状に形成された内壁面24bとを有する。テーパ部25(端部)は、燃焼室17内に突設される部位であり、下方にいくほど直径(テーパ部25の外径)が縮小されたテーパ状の外壁面25aと、滑らかな円筒面状に形成された内壁面25bとを有する。テーパ部25の最大外径は、固定部24の外壁面24aの谷径(最小径)よりも小さく形成される。以下、固定部24の内壁面24b及びテーパ部25の内壁面25bをまとめて「ハウジング2の内壁面24b,25b」という。
【0023】
碍子3は、ハウジング2と中心電極4とを電気的に絶縁するものであり、絶縁性および耐熱性を有する材料(例えばアルミナといったセラミックス)により筒状に形成される。碍子3は、ハウジング2内に保持され、ハウジング2と中心電極4との間に介在する。碍子3は、上方から下方へ順に設けられた頭部31,胴部32,脚部33を有する。頭部31は、ハウジング2と中心電極4の上端部41との間を絶縁するための部位であり、ハウジング2よりも上方に突出して設けられる。胴部32は、ハウジング2の加締め部21,係合部22及び座部23内に収容される部位である。
【0024】
脚部33は、ハウジング2と非接触に設けられる部位であり、下方にいくほど外径が縮小されたテーパ状に形成される。脚部33の外周面33aとハウジング2の内壁面24b,25bとの間には、燃焼室17に開放された隙間(ガスポケット)Sが設けられる。脚部33は、その下端部を除いてハウジング2の固定部24及びテーパ部25内に収容される。つまり、脚部33の下端部はハウジング2よりも下方(すなわち燃焼室17内)に突出して設けられる。
【0025】
中心電極4及び側極5は、相互間に電圧が加わると火花放電を生じるものであり、互いに非接触に配設される。これらの中心電極4及び側極5は何れも、耐熱性を有する金属材料(例えばニッケル合金)により棒状に形成される。中心電極4は、碍子3内に保持される。また、側極5は、ハウジング2のテーパ部25に結合され、燃焼室17内に設けられる。
【0026】
中心電極4は、点火プラグ1の電気的接続端子として機能する上端部41と、側極5との間に火花放電を生じる下端部42(先端部)とを有する。中心電極4の上端部41は、碍子3よりも上方に突出して設けられ、図示しない電源に接続される。中心電極4の下端部42は、針形状に形成され、碍子3よりも下方(すなわち燃焼室17内)に突出して設けられる。
【0027】
側極5(接地電極)は、ハウジング2のテーパ部25に結合された一端部51から中心電極4の下端部42に向かって延設される。側極5の他端部52は、中心電極4の下端部42よりも下方において中心軸Oと交差し、中心軸Oよりも僅かにずれた位置に設けられる。側極5において中心軸Oと交差する位置には、針形状の電極片53が中心電極4の下端部42に向けて突設される。電極片53と中心電極4の下端部42との間には、放電用のギャップGが設けられる。
【0028】
側極5は、側面視でL字状に屈曲した形状に形成されている。すなわち、側極5は、一端部51から下方に向かって延びた部位と、この部位と略直角に延びた部位とを有する。側極5の横断面(一端部51から他端部52へ向かう方向と直交する断面)は、ほぼ一様な矩形状に形成される。以下、側極5のうち、中心電極4の下端部42を向いた面を内面5A(第一面)といい、この内面5Aと逆側の面を外面5B(第二面)という。また、側極5の他端部52において内面5A及び外面5Bと直交する面を先端面5Cといい、残りの二つの面を側面5Dという。
【0029】
図3(a),(b)に模様で示すように、点火プラグ1の一部の表面には、熱の出入りを遮断する断熱膜が形成される。本実施形態では、ハウジング2の内壁面24b,25bと、ハウジング2のテーパ部25の外壁面25aと、碍子3の脚部33の外周面33aと、側極5の内面5Aとのそれぞれに、断熱膜が形成されている。つまり、本実施形態の側極5は、内面5Aのみが、断熱膜が形成された断熱面であり、外面5B,先端面5C及び側面5Dは、断熱膜が形成されない露出面である。
【0030】
断熱膜は、被断熱面の材料に比べて、熱容量が小さく、且つ、熱伝導率が低い材料で形成される。すなわち、断熱膜は、被断熱面への熱の出入りを遮断するとともに、自身の温度が周囲の温度に追従しやすい性質(いわゆるスイング特性)を有する。例えば、被断熱面の材料が鉄である場合には、断熱膜の材料としてアルミニウムを適用しうる。また、被断熱面の材料がアルミニウムである場合には、断熱膜の材料としてスズやビスマスを適用しうる。更に、被断熱面の材料がアルミニウムである場合には、断熱膜として特開2015-31226号公報に記載された陽極酸化皮膜を適用してもよい。ただし、碍子3の脚部33の外周面33aに形成される皮膜(断熱膜)は、絶縁性の高い材料とする必要がある。
【0031】
図1及び
図2に示すように、点火プラグ1は、内面5Aが排気側を向くように取り付けられる。すなわち、側極5は、排気開口11b(吸気開口11aの逆側)に内面5Aを向けて設けられる。より具体的には、
図2に示すように、シリンダヘッド11の下面視で側極5の中心線を延長させた直線L1が、二つの吸気開口11aの各中心点Pから中心軸Oを通る直線L2で挟まれた排気側の領域A内に入るように、点火プラグ1の向きが設定される。
【0032】
[1−2.作用,効果]
点火プラグ1の中心電極4と側極5との間(すなわち放電用のギャップG)に火花放電が生じると、燃焼室17内の混合気が点火されて火炎が生成される。この火炎は、ギャップGから広がっていく。このとき、点火プラグ1においてギャップGに隣接する側極5の内面5Aが火炎によって温められる。言い換えると、火炎の熱エネルギーが側極5の内面5Aによって奪われる。
【0033】
また、燃焼室17に開放された隙間Sには、燃焼室17から高温のガスが流れ込む。そのため、点火プラグ1において隙間Sに面するハウジング2の内壁面24b,25bと碍子3の外周面33aとは、この高温のガスによって温められる。言い換えると、燃焼室17内の熱エネルギーがハウジング2の内壁面24b,25b及び碍子3の外周面33aによって奪われる。
【0034】
(1)上述の点火プラグ1によれば、側極5のうち、中心電極4の下端部42を向いた内面5Aに断熱膜が形成される(内面5Aが断熱面である)ため、内面5Aから側極5内への伝熱を抑えることができる。これにより、中心電極4と側極5との間に生じた火炎が広がっていくときに、側極5によって奪われる火炎の熱エネルギーを低減することができる。そのため、火炎の成長速度低下を抑制することができ、初期燃焼期間を短縮することができる。したがって、燃焼変動率を低下させることができ、エンジン10の出力を安定化することができる。
【0035】
また、燃焼室内に火炎の広がりが遅い部分があると(火炎の広がりに偏りがあると)、燃焼室端への火炎到達が遅れて、エンドガスで自着火が発生する原因となる。これに対し、点火プラグ1によれば、上述のように側極5に奪われる熱エネルギーを低減することができるため、点火プラグ1において側極5が延在する側とその逆側(本実施形態では吸気側と排気側)とで火炎の広がりに偏りが生じにくくすることができ、エンドガスによる自着火の発生を抑制することができる。
【0036】
(2)上述の点火プラグ1は、側極5が吸気開口11aの逆側に内面5Aを向けて設けられるため、吸気開口11aから吸入される混合気中の燃料液滴が内面5Aの断熱膜に付着することを抑制することができる。そのため、側極5の内面5Aに形成された断熱膜の断熱性能を適切に保つことができ、初期燃焼期間をより確実に短縮することができる。
【0037】
(3)上述の点火プラグ1は、側極5のうちの外面5Bには断熱膜が形成されない(外面5Bが露出面である)ため、外面5Bに断熱膜が形成される場合と比べて外面5Bの温度を上昇しやすくすることができ、外面5Bに付着した燃料液滴の気化を促進することができる。これにより、エンジン10の燃焼を安定化することができるとともに点火プラグ1の燻りや点火プラグ1へのデポジット形成を抑制することができ、エンジン10の排ガス性能を高めることができる。
【0038】
また、上述の点火プラグ1は、側極5が外面5Bを吸気開口11aに向けた状態で設けられるため、外面5Bを吸気に触れやすくすることができ、吸気を利用して外面5Bを冷やすことができる。つまり、外面5Bに断熱膜を形成しないことにより、側極5の熱を適度に放出することができ、ノッキングの発生を抑制することができる。
【0039】
(4)上述のハウジング2の内壁面24b,25b及び碍子3の外周面33aには断熱膜が形成される(内壁面24b,25b及び外周面33aが断熱面である)ため、内壁面24b,25bからハウジング2内への伝熱及び外周面33aから碍子3内への伝熱を抑えることができる。これにより、ハウジング2及び碍子3によって奪われる燃焼室17内の熱エネルギーを低減することができ、燃焼室17内の温度上昇を促進することができる。そのため、火炎の成長速度低下をより抑えることができ、初期燃焼期間をより短縮することができる。
【0040】
(5)上述の断熱膜の材料は、被断熱面(例えば側極5の内面5A)の材料に比べて、熱容量が小さく、かつ熱伝導率が低いため、被断熱面の温度を周囲の温度に追従させることができるとともに、被断熱面を適切に断熱することができる。そのため、ノッキングの発生を抑制することができ、かつ、初期燃焼期間を短縮することができる。
【0041】
[2.第二実施形態]
図4(a),(b)に示すように、本実施形態に係る点火プラグ1′は、上述の第一実施形態に係る点火プラグ1と比べて断熱膜が形成される部位が異なる。以下の説明では、上述の第一実施形態で説明した要素と同一または対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0042】
図4(a),(b)に模様で示すように、本実施形態の点火プラグ1′は、側極5の全面,ハウジング2の内壁面24b,25b及び碍子3の脚部33の外周面33aのそれぞれが、断熱膜が形成された断熱面として設けられている。つまり、本実施形態に係る点火プラグ1′は、上述の第一実施形態に係る点火プラグ1に対して、テーパ部25の外壁面25aに断熱膜が形成されていない(テーパ部25の外壁面25aが露出面である)点と、側極5の外面5B,先端面5C及び側面5Dに断熱膜が形成されている(外面5B,先端面5C及び側面5Dが何れも断熱面である)点とが異なる。
【0043】
本実施形態に係る点火プラグ1′によれば、側極5の内面5Aに加えて外面5Bにも断熱膜が形成される(外面5Bが断熱面である)ため、内面5Aから側極5内への伝熱だけでなく、外面5Bから側極5内への伝熱をも抑えることができる。これにより、中心電極4と側極5との間に生じた火炎が広がっていくときに、側極5によって奪われる火炎の熱エネルギーをより低減することができる。そのため、火炎の成長速度低下をより抑えることができ、初期燃焼期間をより短縮することができる。また、点火プラグ1′によれば、側極5の先端面5C及び側面5Dにも断熱膜が形成される(先端面5C及び側面5Dが断熱面である)ため、初期燃焼期間を更に短縮することができる。
【0044】
また、点火プラグ1′によれば、側極5の全面に断熱膜が形成されるため、断熱膜を形成する作業が容易になる。つまり、断熱膜を形成するときに、側極5において断熱膜が形成される断熱面と形成されない露出面とを区別する必要がなくなるので、点火プラグ1′の製造が容易になる。
【0045】
また、点火プラグ1′によれば、ハウジング2のテーパ部25の外壁面25aには断熱膜が形成されない(テーパ部25の外壁面25aが露出面である)ため、テーパ部25の放熱性を高めることができ、側極5の一端部51を放熱しやすくすることができる。これにより、たとえ側極5の全面に断熱膜が形成されていたとしても、側極5の熱をテーパ部25から適度に放出することができ、ノッキングの発生を抑制することができる。
【0046】
[3.変形例]
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
【0047】
上述の実施形態で示した点火プラグ1,1′において、断熱膜が形成される部位(断熱面)は上述のものに限られない。断熱膜は、少なくとも点火プラグ1,1′の側極5の内面5Aに形成されればよい。つまり、上述の点火プラグ1,1′において、側極5の内面5A以外の面(例えば、ハウジング2の内壁面24b,25b及び碍子3の脚部33の外周面33a)は露出面であってもよい。また、上述の点火プラグ1,1′において、側極5の全面と、ハウジング2の内壁面24b,25bと、ハウジング2のテーパ部25の外壁面25aと、碍子3の脚部33の外周面33aとのそれぞれが断熱面であってもよい。
【0048】
断熱膜の材料は、少なくとも、被断熱面の材料に対して熱伝導率が低いものであればよい。すなわち、上述の断熱膜は、被断熱面の材料に比べて熱容量が大きい材料で形成されてもよい。なお、断熱膜を被断熱面に形成する方法は特に限定されない。断熱膜は、例えば、被断熱面に対して液状の断熱材料を噴霧または塗布することにより形成されてもよいし、容器に入れた液状の断熱材料に被断熱面を浸すことにより形成されてもよい。
【0049】
上述の点火プラグ1,1′の軸心や点火プラグ1,1′を取り付けるための取付孔11hは、気筒の中心軸Oと同軸上に設けられていなくてもよい。また、点火プラグ1,1′のテーパ部25の外壁面25aは、テーパ状に形成されていなくてもよい。さらに、点火プラグ1,1′の碍子3の脚部33は、その下端部がハウジング2よりも下方に突出して設けられていなくてもよい(すなわち、点火プラグ1,1′の脚部33はハウジング2の固定部24に内包されていてもよい)。また、側極5の他端部52は、中心電極4の下端部42よりも下方で中心軸Oと交差していなくてもよい。
【0050】
上述の点火プラグ1,1′が適用される内燃機関は、上述のエンジン10に限られない。例えば、上述の点火プラグ1,1′は、気筒内に燃料を直接的に噴射する直噴エンジンに適用されてもよい。また、上述の実施形態で示した吸気開口11a,排気開口11b,吸気弁14,排気弁15の各個数は、二個に限定されない。例えば、吸気開口11a及び吸気弁14は、一つの気筒に対してそれぞれが一個ずつ設けられてもよい。また、吸気ポート18及び排気ポート19は、サイアミーズ形状を有していなくてもよい。