(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火式内燃機関用の点火プラグであって、
火花放電を惹起する高電圧を印加する点火コイル及び燃焼室内に電界を生成する電界生成回路の双方と電気的に接続する中心電極と、
接地している第一の接地電極と、
接地しており燃焼室内におけるガスの流動方向に沿って前記第一の接地電極よりも下流側に位置づけられる第二の接地電極と
を備え、前記第二の接地電極と前記中心電極との距離が前記第一の接地電極と中心電極との距離よりも大きい点火プラグ。
【請求項２】
接地しており燃焼室内におけるガスの流動方向に沿って前記第一の接地電極よりも上流側に位置づけられる第三の接地電極をさらに備え、前記第三の接地電極と前記中心電極との距離が前記第一の接地電極と中心電極との距離よりも大きい請求項１記載の点火プラグ。
【請求項３】
火花点火式内燃機関用の点火プラグであって、
火花放電を惹起する高電圧を印加する点火コイル及び燃焼室内に電界を生成する電界生成回路の双方と電気的に接続する中心電極と、
接地している第一の接地電極と、
接地しており燃焼室内におけるガスの流動方向に沿って前記第一の接地電極よりも下流側に位置づけられる第二の接地電極と
を備え、アーク放電を前記第一の接地電極のみで行う点火プラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花点火式内燃機関用の点火プラグに関し、特に、点火コイルによる誘導電圧と電界生成回路による高周波電界とを重ね合わせて点火プラグの電極に印加する点火方法を実施するものに適用す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、燃焼室内の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、電界生成回路、換言すれば高周波発振器が出力する高周波電圧を中心電極に印加しつつ、点火コイルによる誘導電圧を以て火花点火する「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電界が形成される。そして、高周波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。
【０００４】
しかしながら、プラズマは燃焼室内のガスの流動の影響を受けやすい。従って、折角発生したプラズマが吹き流されて点火プラグ近傍に留まることができず、期待していた体積着火による燃焼促進効果を得られないことがあり得た。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特願２００９−２５５８４３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、燃焼室内の気流の影響下においても大きなプラズマ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】
【０００７】
本発明では、火花放電を惹起する高電圧を印加する点火コイル及び燃焼室内に電界を生成する電界生成回路の双方と電気的に接続する中心電極と、接地している第一の接地電極と、接地しており燃焼室内におけるガスの流動方向に沿って前記第一の接地電極よりも下流側に位置づけられる第二の接地電極とを備え、前記第二の接地電極と前記中心電極との距離が前記第一の接地電極と中心電極との距離よりも大きい点火プラグを構成した。並びに、本発明では、火花点火式内燃機関用の点火プラグであって、火花放電を惹起する高電圧を印加する点火コイル及び燃焼室内に電界を生成する電界生成回路の双方と電気的に接続する中心電極と、接地している第一の接地電極と、接地しており燃焼室内におけるガスの流動方向に沿って前記第一の接地電極よりも下流側に位置づけられる第二の接地電極とを備え、アーク放電を前記第一の接地電極のみで行う点火プラグを構成した。
【０００８】
本発明に係る点火プラグを用いれば、筒内流動によって吹き流されるプラズマを、その風下側に所在している第二の接地電極によって保持（燃焼室内、特に電極周りのイオンを捕集）することができる。そして、当該第二の接地電極と中心電極との間でプラズマを持続させ、これを大きく成長させることが可能となる。
【０００９】
さらに、接地しており燃焼室内におけるガスの流動方向に沿って前記第一の接地電極よりも上流側に位置づけられる第三の接地電極を備えてもよい。その場合、前記第三の接地電極と前記中心電極との距離が前記第一の接地電極と中心電極との距離よりも大きいことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、点火コイルによる誘導電圧と電界生成回路による高周波電界とを重ね合わせて点火プラグの電極に印加する点火方法を実施するものにおいて、燃焼室内の気流の影響下においても大きなプラズマ火炎核を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第一実施形態における点火装置及び電界生成回路を示すブロック図。
【図２】同実施形態における点火装置の回路図。
【図３】同実施形態の点火プラグの正断面図。
【図４】同実施形態の点火プラグの側断面図。
【図５】同実施形態の点火プラグの下面図。
【図６】同実施形態における電界生成回路の具体的構成を説明する図。
【図７】同実施形態における電界生成回路の要素であるＨブリッジの回路図。
【図８】本発明の第二実施形態の点火プラグの側断面図。
【図９】同実施形態の点火プラグの下面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第一実施形態＞本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。はじめに、点火装置１について触れる。この点火装置１は、車両等に搭載される内燃機関に用いられるものである。点火装置１は、図１及び図２に示すように、電子制御装置３から発される点火信号を受けるイグナイタ１１と、イグナイタ１１が点火信号を受けた際に火花点火をもたらす高い誘導電圧を発生させる点火コイル１２と、点火コイル１２で発生した誘導電圧の印加を受ける点火プラグ１３とを要素とする。
【００１３】
イグナイタ１１は、点火コイル１２を収めたコイルケースに一体的に内蔵した半導体スイッチング素子である。
【００１４】
点火コイル１２は、一次コイル及び二次コイルを主体とする。コイルケースの下端部位には、点火プラグ１３を挿入して装着するためのプラグ装着部を設けてある。
【００１５】
本実施形態にあって、点火プラグ１３は、図３ないし図５に示すように、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１２に接続するターミナル１３１と、接地電極１３３との間で火花放電を行う中心電極１３２と、中心電極１３２とターミナル１３１とを接続する導体１３５と、導体１３５を被覆して絶縁する絶縁碍子１３６と、絶縁碍子１３６を外方から支持するハウジング１３７と、ハウジングの下端部に取り付けた複数の接地電極１３３、１３４とを少なくとも備える。
【００１６】
図示例では、ターミナル１３１、中心電極１３２及び導体１３５を一体に形成している。但し、ターミナル１３１と導体１３５とを別体として両者を導電接続した構造としてもよいし、中心電極１３２と導体１３５とを別体として両者を導電接続した構造としてもよい。
【００１７】
既知の点火プラグでは、中心電極１３２とターミナル１３１との間に、火花放電に起因して発生するノイズを低減させるための抵抗を介設していることが多い。無論、このような抵抗を介設してもよいのであるが、下記電界生成回路２から中心電極１３２に印加される高周波電圧を抵抗にて減衰させてしまうきらいがある。そこで、本実施形態では、中心電極１３２とターミナル１３１との間に抵抗を介設するのに替えて、導体１３５の周囲を取り囲むようにノイズ低減部材１３８を配置することとしている。ノイズ低減部材１３８は、例えばＮｉ−Ｚｎフェライトを利用して形成した略円筒状の部材である。ノイズ低減部材１３８の透磁率の虚数成分は、発生するノイズが属する周波数帯、具体的には６０ＭＨｚ帯において大きな値をとる。ノイズ低減部材１３８もまた、絶縁碍子１３６によって被覆され絶縁されている。
【００１８】
複数の接地電極１３３、１３４のうち、第一の接地電極たるメイン接地電極１３３は、ハウジング１３７から中心電極１３２の先端の高さを越えて垂下し、中途で内側方に屈曲して中心電極１３２に向かって伸長する正面視略Ｌ字型をなす。メイン接地電極１３３の先端部は、中心電極１３２の直下まで伸びており、中心電極１３２の軸心Ｌと交わっている。
【００１９】
これに対し、第二の接地電極たるサブ接地電極１３４は、ハウジング１３７から中心電極１３２の先端の高さ近傍またはその手前（即ち、中心電極１３２の先端よりも上方の高さ）まで垂下するに止まり、そこから屈曲して中心電極１３２に向かって若干突き出した側面視略Ｌ字型をなす。サブ接地電極１３４の先端部は、中心電極１３２の軸心Ｌと交わらないよう、軸心Ｌから外方にオフセットしている。このサブ接地電極１３４と中心電極１３２との間の距離Ｄ２は、メイン接地電極１３３と中心電極１３２との間の距離Ｄ１よりも大きい。
【００２０】
そして、図５に示しているように、下面視メイン接地電極１３３の先端部とサブ接地電極１３４の先端部とは、軸心Ｌ回りの周方向に沿って略９０°離間している。
【００２１】
火花点火の原理は、以下の通りである。電子制御装置３からの点火信号をイグナイタ１１が受けると、まずイグナイタ１１が点弧して点火コイル１２の一次側に電流が流れ、その直後の点火タイミングでイグナイタ１１が消弧してこの電流が遮断される。さすれば、自己誘導作用が起こり、一次側に高電圧が発生する。そして、一次側と二次側とは磁気回路及び磁束を共有するので、二次側にさらに高い誘導電圧が発生する。この高い誘導電圧が点火プラグ１３の中心電極１３２に印加され、中心電極１３２と接地電極１３３との間で火花放電が発生する。
【００２２】
しかして、点火装置１には電界生成回路２を付設しており、電界生成回路２による高周波電界と点火コイル１２による高誘導電圧とを重ね合わせて点火プラグ１３のターミナル１３１ひいては中心電極１３２に印加するようにしている。
【００２３】
電界生成回路２としては、交流電圧を印加する交流電圧発生回路や、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。脈流電圧発生回路を採用する場合、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。電界生成回路２が発振する高周波電圧は、周波数が２００ｋＨｚ〜１０００ｋＨｚ程度、振幅が３ｋＶｐ−ｐ〜１０ｋＶｐ−ｐ程度であることが好ましい。
【００２４】
本実施形態にあって、電界生成回路２は、図６及び図７に示すように、バッテリ４を電源とし、低圧直流を高圧交流に変換する回路である。この電界生成回路２は、約１２Ｖのバッテリ４電圧を３００Ｖ〜５００Ｖに昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１が出力する直流を交流に変換するＨブリッジ回路２２と、Ｈブリッジ回路２２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２３とを要素とする。
【００２５】
また、電界生成回路２の出力端に、第一ダイオード２４及び第二ダイオード２５を介設している。第一ダイオード２４は、カソードが昇圧トランス２３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１２との結節点であるミキサ５に接続している。第二ダイオード２５は、アノードが昇圧トランス２３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２４及び第二ダイオード２５は、点火タイミングにおいて点火コイル１２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。
【００２６】
電界生成回路２が発振する高周波電圧は、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１３の中心電極１３２に印加される。これにより、中心電極１３２と接地電極１３３、１３４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。
【００２７】
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。
【００２８】
本点火プラグ１３を用いるに際しては、図５（ａ）、（ｂ）または（ｃ）に示しているように、内燃機関の気筒の燃焼室内において、点火プラグの電極１３２、１３３、１３４の近傍を流れるガスの流動方向（図中白抜き矢印にて示す）に沿って、サブ接地電極１３４をメイン接地電極１３３よりも下流側に位置づける。燃焼室内でのガスが流れは、内燃機関のシリンダヘッドの吸気ポート及び排気ポートの配置等によって決まってくる。点火プラグの電極１３２、１３３、１３４の近傍にて、吸気ポート側から排気ポート側に向けてガスが流動する場合には、サブ接地電極１３４がメイン接地電極１３３よりも排気ポート寄りに位置するように、点火プラグ１３を内燃機関のシリンダヘッドに組み付ける。
【００２９】
本点火プラグ１３による点火の際には、まず中心電極１３２とメイン接地電極１３３との間で火花放電が発生し、この火花が高周波電界下でプラズマを生む。生成されたプラズマは、燃焼室内の気流により流されるが、その風下側にサブ接地電極１３４を存在させていることから、このサブ接地電極１３４と中心電極１３２との間でプラズマが保持され、これを大きく成長させることが可能となる。
【００３０】
プラズマ火炎核を生成する目的で、電極１３２、１３３、１３４近傍にマイクロ波帯よりも周波数の低い高周波電界を印加している場合、プラズマの生成及び成長により長い時間を要し、折角発生したプラズマが吹き流されて失われてしまうおそれが小さくない。本点火プラグ１３を採用することにより、強い筒内流動がある条件の下でもプラズマを持続させることができ、期待していた体積着火による燃焼促進効果を得られる。
【００３１】
因みに、点火所期の放電はアークであるため、メイン接地電極１３３には耐久性が要求される。従って、メイン接地電極１３３にはイリジウム、白金、モリブデン等の貴金属を含有した材料によるコーティングを施す必要がある。
【００３２】
これに対し、サブ接地電極１３４はその近傍にプラズマが発生するのみであるため、周囲に燃焼物がある雰囲気下でサブ接地電極１３４に与えられるダメージは小さい。故に、メイン接地電極１３３ほどの耐久性は要求されず、サブ接地電極１３４には貴金属材料のコーティングを施さなくともよい。また、サブ接地電極１３４の先端部を先細り形状に成形することもできる。
【００３３】
＜第二実施形態＞図８及び図９に示す第二実施形態の点火プラグ１３は、サブ接地電極１３４を複数備えたものである。以降、第一実施形態との相異点に重点を置いて説明する。
【００３４】
本点火プラグ１３において、サブ接地電極１３４は一対存在し、それらを中心電極１３２の軸心Ｌに対称に配置してある。各サブ接地電極１３４はそれぞれ、ハウジング１３７から中心電極１３２の先端の高さ近傍またはその手前まで垂下し、そこから屈曲して中心電極１３２に向かって若干突き出した側面視略Ｌ字型をなす。サブ接地電極１３４の先端部は、中心電極１３２の軸心Ｌと交わらないよう、軸心Ｌから外方にオフセットしている。一方のサブ接地電極１３４と中心電極１３２との間の距離Ｄ２、他方のサブ接地電極１３４と中心電極１３２との間の距離Ｄ３は何れも、メイン接地電極１３３と中心電極１３２との間の距離Ｄ１よりも大きい。
【００３５】
図９に示しているように、下面視メイン接地電極１３３の先端部と各サブ接地電極１３４の先端部とはそれぞれ、軸心Ｌ回りの周方向に沿って略９０°離間している。
【００３６】
本点火プラグ１３を用いるに際しては、図９（ａ）、（ｂ）または（ｃ）に示しているように、内燃機関の気筒の燃焼室内において、点火プラグの電極１３２、１３３、１３４の近傍を流れるガスの流動方向（図中白抜き矢印にて示す）に沿って、何れかのサブ接地電極１３４をメイン接地電極１３３よりも下流側に位置づけ、同時に反対側のサブ接地電極１３４をメイン接地電極１３３よりも上流側に位置づける。このとき、第一の接地電極たるメイン接地電極１３３に対し、前者のサブ接地電極１３４が第二の接地電極、後者のサブ接地電極１３４が第三の接地電極ということになる。
【００３７】
本点火プラグ１３を採用する場合、前述の第一実施形態と比べてプラズマがより吹き流されにくく、体積着火による燃焼が一層安定する効用を見込める。これは、筒内流動の風上側に位置づけられたサブ接地電極１３４がいわば風除けとなり、プラズマ火炎核を庇護するように作用することも一因と思われる。
【００３８】
しかも、複数のサブ接地電極１３４を備えていることは、点火プラグ１３をシリンダヘッドに組み付ける作業を簡便化する。一般に、点火プラグ１３は、ハウジング１３７の外周に形成されているねじを介してシリンダヘッドに螺着する。第一実施形態の点火プラグ１３のようにサブ接地電極１３４が一つである場合、シリンダヘッドへの螺着時にサブ接地電極１３４を筒内流動の下流側に位置づけることができる回転角は３６０°毎に一度訪れ、適正な締め付けトルクとの両立が容易でない。翻って、本実施形態の点火プラグ１３では、二つのサブ接地電極１３４が軸心Ｌ回りに対向しており、何れかのサブ接地電極１３４を筒内流動の下流側に位置づけることができる回転角は１８０°毎に一度訪れる。このため、適正な締め付けトルクとの両立がより容易である。
【００３９】
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、ターミナルと中心電極とを連接する導体の周りにノイズ低減部材を配置していたが、これに替えて、ターミナルと中心電極との間にノイズ低減用のチョークコイルを内挿した点火プラグを構成してもよい。あるいは、点火コイルと点火プラグのターミナルとの間（例えば、コイルケースのプラグ装着部内）にノイズ低減用のチョークコイルを挟み込むということも考えられる。この場合には、点火プラグ内にノイズ低減部材を設けることも、チョークコイルを設けることも不要となる。
【００４０】
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】
【００４１】
本発明は、車両等に搭載される火花点火式内燃機関に適用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１２…点火コイル
１３…点火プラグ
１３２…中心電極
１３３…第一の接地電極
１３４…第二の接地電極、第三の接地電極
２…電界生成回路
【図１】
0005618754.tif 000002
【図２】
0005618754.tif 000003
【図３】
0005618754.tif 000004
【図４】
0005618754.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0005618754.tif 000008
【図８】
0005618754.tif 000009
【図９】
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