JP2010096144A

JP2010096144A - 火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP2010096144A
Application number: JP2008269656A
Authority: JP
Inventors: Ryohei Kusunoki; 亮平楠; Morihito Asano; 守人浅野
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-30

Abstract

【課題】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場合に、点火プラグの中心電極に負の高電圧を印加して火花放電をすると、電子が拡散する傾向になり、プラズマの密度が低下した。
【解決手段】電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、点火プラグが、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、接地電極の電位を基準として点火時期毎に中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を実施する。
【選択図】図１

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、大気圧下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。マグネトロンを用いて燃焼室内にプラズマを生成する場合、上述の特許文献１の補助電極のような、点火プラグ又はその周辺にマグネトロンからのマイクロ波を放射する電極つまりアンテナを設けるか、あるいは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考えられる。

点火プラグは、一般的に、中心電極が円柱形あるいは針状形であるのに対して、接地電極は、例えば断面が方形の、中心電極に対向する面の幅や長さが中心電極の先端の面より大きいものである。そして、点火に際しては、接地電極を基準電位として、中心電極に負の高電圧を印加して火花放電を実施している。したがって、放電は、中心電極から電子が接地電極に対して放出されることにより起こる。

ところが、このように電子が接地電極に向けて中心電極から放出されると、電子が拡散するために、上述した中心電極をマイクロ波のためのアンテナとしてプラズマを生成すると、プラズマの密度が低下する傾向にあり、それに伴って混合気への着火性能が低下する恐れが生じる。

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は、電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、点火プラグが、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、接地電極の電位を基準として点火時期毎に中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を実施することを特徴とする。

このような構成によれば、火花放電に際しては、中心電極が正の高電圧となるので、電子は接地電極から中心電極に向けて放出される。つまり、接地電極から放出された電子は、中心電極に集中するものとなる。この結果、火花放電とプラズマとを反応させる場合、プラズマを生成する位置の設定を容易になすことが可能になる。

本発明は、以上説明したような構成であり、火花放電に際しては、中心電極が正の高電圧となるので、電子は接地電極から中心電極に向けて放出され接地電極から放出された電子は、中心電極に集中するものとなることで、火花放電とプラズマとを反応させる場合、プラズマを生成する位置の設定を容易になすことができる。

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、１気筒における点火プラグ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、例えば３気筒の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、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、例えば円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。中心極１４の先端はほぼ平坦な円形面で、接地電極１５の上面とほぼ平行に対向している。

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３０をあけた位置まで延びている。接地電極１５は、このように中心電極１４に比較して長い上面を有しているので、その上面は中心電極１４の先端より大面積の電子放出面となる。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と同電位すなわち接地電位に維持される。

このような点火プラグ１に対して、図２に示すように、イグナイタ２０と点火コイル２１とからなる点火装置２２が混合器２３を介して接続されるとともに、マグネトロン２４及び制御回路２５を備える高圧交流発生装置２６が混合器２３を介して接続される。点火装置２２は、エンジン１００の運転を制御するための、図示しない電子制御装置から各点火時期において点火信号が入力されると、イグナイタ２０により点火コイル２１が励起されて、点火プラグ１の中心電極１４に対して正の高電圧を印加する構成である。

高圧交流発生装置２６は、制御回路２５が上述の電子制御装置から高圧交流発生信号を受信すると、マグネトロン２４が出力するマイクロ波の出力時期及び出力電力を制御するものである。マグネトロン２４が出力するマイクロ波は、図示しない導波管及び同軸ケーブルを介して点火プラグ１の中心電極１４に印加される。

このエンジン１００にあっては、通常の運転状態では高圧交流発生装置２６が発生するマイクロ波を、火花放電とほぼ同時あるいはその直後に中心電極１４から燃焼室６内に放射し、それにより生成されるプラズマと点火プラグ１による火花放電とを反応させて、混合気に着火するように構成されている。

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。

この場合に、点火プラグ１は、火花放電に際して、中心電極１４が正の高電圧となるので、電子は接地電極１５から中心電極１４に向けて放出されるものである。この実施形態においては、接地電極１５の中心電極１４と対向する上面は、中心電極１４の先端に比べて大面積であるので、中心電極１４の中心軸直下以外の位置から、電子が中心電極１４に向けて放出される。そして、接地電極１５の上面に比較して中心で極１４の先端が小面積であるため、接地電極１５から放出された電子は、中心電極１４に集中し、その状態で火花放電が生じる。

この結果、火花放電とプラズマとを反応させる場合、プラズマを生成する位置が点火プラグ１の中心電極１４と接地電極１５との間隙３０になり、電子が集中している位置にプラズマを生成するので、火花放電とプラズマとの反応が促進されるものである。このように、プラズマは、点火プラグ１の中心電極１４の先端と接地電極１５との間の間隙３０に安定して生成することができるものである。

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。

上述の実施形態にあっては、中心電極１４の先端をほぼ平坦な円形面としたが、接地電極の一点に向かって針状に尖っているものであってもよい。

高圧交流発生装置としては、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いては、点火プラグ１の中心電極１４をアンテナとしたが、ビーム型のアンテナや、モノポール型のアンテナであってもよい。

さらには、点火プラグ１の中心電極１４をアンテナとして機能させて、高周波給電部とする場合、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。同実施形態の点火プラグを中心とする電気構成を示すブロック図。

符号の説明

１…点火プラグ
１３…ハウジング
１４…中心電極
１５…接地電極
２０…イグナイタ
２１…点火コイル
２２…点火装置
２４…マグネトロン
２５…制御回路
２６…高圧交流発生装置

Claims

電磁波により燃焼室内に生成されるプラズマと点火プラグによる火花放電とを反応させて混合気に着火する火花点火式内燃機関であって、点火プラグが、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、接地電極の電位を基準として点火時期毎に中心電極に正の高電圧を印加して火花放電を実施する火花点火式内燃機関。