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JP2011007155A - Ignition plug of spark-ignition internal combustion engine - Google Patents

Ignition plug of spark-ignition internal combustion engine Download PDF

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JP2011007155A
JP2011007155A JP2009154256A JP2009154256A JP2011007155A JP 2011007155 A JP2011007155 A JP 2011007155A JP 2009154256 A JP2009154256 A JP 2009154256A JP 2009154256 A JP2009154256 A JP 2009154256A JP 2011007155 A JP2011007155 A JP 2011007155A
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JP
Japan
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center electrode
electrode
spark
electric field
center
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Application number
JP2009154256A
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Japanese (ja)
Inventor
Ryohei Kusunoki
亮平 楠
Takeshi Serizawa
毅 芹澤
Hiroo Oi
宏朗 尾井
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Daihatsu Motor Co Ltd
Original Assignee
Daihatsu Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve problem of a conventional ignition plug wherein when microwave is emitted from the center electrode of the ignition plug to generate plasma in the case of generating plasma by reacting an electric field with a spark ignition and igniting an air-fuel mixture, if the direction of a high-frequency field by the microwave is aligned with the center axis direction of the center electrode, namely, the discharge direction of a spark discharge, the action of the field on the spark discharge becomes small, and predetermined effects cannot be expected.SOLUTION: This ignition plug of a spark-ignition internal combustion engine includes a center electrode 14 installed in a housing while being insulated and a grounding electrode 15 attached to the bottom end of the housing apart from the center electrode. The plasma is generated by reacting the spark discharge generated between the center electrode and the grounding electrode with the electric field generated in a combustion chamber to ignite the air-fuel mixture. The grounding electrode is disposed so that the end thereof is positioned apart from the center axis of the center electrode. The grounding electrode includes a specific surface 21 which causes the direction of the electric field in the direction crossing the direction of the spark discharge produced between the center electrode and the grounding electrode.

Description

本発明は、燃焼室内に生成される電界と点火プラグによる火花放電とを反応させてプラズマを生成して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。   The present invention relates to an ignition plug for a spark ignition type internal combustion engine that reacts an electric field generated in a combustion chamber with spark discharge by an ignition plug to generate plasma and ignite an air-fuel mixture.

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。   2. Description of the Related Art Conventionally, in a spark ignition internal combustion engine mounted on a vehicle, particularly an automobile, an air-fuel mixture in a combustion chamber is ignited at each ignition timing by spark discharge between a center electrode and a ground electrode of a spark plug. In such ignition by an ignition plug, for example, in an internal combustion engine of a type in which fuel is directly injected into a cylinder, if the injected fuel is not distributed at the spark discharge position of the ignition plug, it rarely occurs.

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。   For this reason, in such an internal combustion engine, a plasma atmosphere is generated in the discharge region of the spark plug, for example, as described in Patent Document 1, in order to compensate for the spark discharge of the spark plug, and an arc is generated in the plasma atmosphere. It is known that the discharge is performed to surely ignite the air-fuel mixture in the combustion chamber without applying a higher voltage than in the past and to obtain a stable flame.

特開2007−32349号公報JP 2007-32349 A

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。   By the way, as a method for generating plasma under atmospheric pressure, for example, a method using a magnetron is considered. When plasma is generated in a combustion chamber by a magnetron, an antenna that radiates microwaves is required. In this case, the center electrode of the spark plug can be used as an antenna.

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。   A general spark plug has a structure in which a ground electrode having a substantially square cross section is provided with a gap in the vicinity of a position immediately below the center electrode with respect to the center electrode. In such an electrode structure, when a microwave is applied to the central electrode, the direction of the high-frequency electric field by the microwave is directed to the central axis direction of the central electrode.

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、高周波電界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。   However, when the direction of the high-frequency electric field is the same as the direction of the central axis of the center electrode, that is, the discharge direction of the spark discharge, the effect of the high-frequency electric field on the spark discharge is small and the expected effect cannot be expected.

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。   Therefore, the present invention aims to eliminate such problems.

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生成される電界とを反応させてプラズマを生成し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、かつ中心電極と接地電極との間に生じる火花放電の方向に対して交わる方向に電界の方向を生じさせる特定表面を備えることを特徴とする。   That is, the spark plug of the spark ignition internal combustion engine of the present invention includes a center electrode that is insulated and attached in the housing, and a ground electrode that is provided at the lower end of the housing apart from the center electrode. A spark plug of a spark ignition type internal combustion engine that generates plasma by reacting a spark discharge generated between and an electric field generated in a combustion chamber to ignite an air-fuel mixture, and a ground electrode is a center axis of a center electrode And a specific surface for generating a direction of an electric field in a direction intersecting with a direction of a spark discharge generated between a center electrode and a ground electrode. To do.

このような構成によれば、電界と火花放電とが反応する場合に、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、電界と火花放電とが反応して効率よくプラズマを生成することにより、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。   According to such a configuration, when the electric field and the spark discharge react, the electric field direction, that is, the direction occurs in a direction intersecting with the spark discharge by the specific plane. For this reason, the electric field and the spark discharge react to generate plasma efficiently, so that the spark discharge is amplified and good ignition can be obtained.

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。   Specifically, the specific surface is an inclined surface provided on the lower surface of the ground electrode facing away from the center electrode. In such a configuration, in order to form the direction of the electric field in a desired direction, it is preferable that the ground electrode has an inclined side surface that obliquely crosses the extension axis of the ground electrode that intersects the center axis of the center electrode.

上述した、電界を生成させる電界生成手段としては、各種の周波数の電磁波を発生させる電磁波発生装置、燃焼室内に配置される一対の電極に交流電圧を印加する交流電圧発生装置、及び同じく一対の電極に脈流電圧を印加する脈流電圧発生装置などが挙げられる。   As described above, the electric field generating means for generating an electric field includes an electromagnetic wave generator for generating electromagnetic waves of various frequencies, an AC voltage generator for applying an AC voltage to a pair of electrodes arranged in the combustion chamber, and a pair of electrodes. And a pulsating voltage generator for applying a pulsating voltage to the device.

電磁波発生装置が発生する電磁波としては、マイクロ波、及び各種無線通信例えばアマチュア無線において使用される周波数を含む高周波などが挙げられる。   Examples of the electromagnetic waves generated by the electromagnetic wave generator include microwaves and high-frequency waves including frequencies used in various wireless communications such as amateur radio.

交流電圧発生装置が出力する交流電圧は、上述の高周波と等しい周波数のものである。   The AC voltage output from the AC voltage generator has a frequency equal to the above-described high frequency.

脈流電圧発生装置は、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、その直流電圧の波形は任意であってよい。すなわち、本願における脈流電圧は、0ボルトを含む基準となる電圧から、一定周期で一定電圧まで変化するパルス電圧や、一定周期で順次増減する電圧まで変化する、例えば交流電圧を半波整流したような波形の直流電圧、さらには交流に直流バイアスをかけた直流電圧などを含むものである。この場合において、一定周期は、上述の高周波における周波数に対応するものであってよい。なお、波形は、上述したものに限定されるものではなく、正弦波、鋸歯状波、三角波などであってもよい。   The pulsating voltage generator need only generate a DC voltage whose voltage periodically changes, and the waveform of the DC voltage may be arbitrary. That is, the pulsating voltage in the present application changes from a reference voltage including 0 volt to a pulse voltage that changes to a constant voltage at a constant cycle or a voltage that increases or decreases sequentially at a fixed cycle, for example, AC voltage is half-wave rectified. Such a DC voltage having such a waveform, and a DC voltage obtained by applying a DC bias to the AC are included. In this case, the fixed period may correspond to the frequency at the above-described high frequency. The waveform is not limited to that described above, and may be a sine wave, a sawtooth wave, a triangular wave, or the like.

本発明は、以上説明したような構成であり、電界と火花放電とが反応して効率よくプラズマを生成することにより、火花放電が増幅され、良好な着火を得ることができる。   The present invention is configured as described above, and an electric field and a spark discharge react to generate plasma efficiently, whereby the spark discharge is amplified and good ignition can be obtained.

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。1 is an enlarged sectional view showing a main part of an engine to which an embodiment of the present invention is applied. 同実施形態の正面図。The front view of the embodiment. 同実施形態の要部拡大正面図。The principal part enlarged front view of the embodiment. 同実施形態の下面図。The bottom view of the embodiment. 同実施形態の要部拡大斜視図。The principal part expansion perspective view of the embodiment. 本発明の実施形態において使用できる電磁波発生装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the electromagnetic wave generator which can be used in embodiment of this invention. 本発明の実施形態において使用できる交流電圧発生装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the alternating voltage generator which can be used in embodiment of this invention. 図7におけるHブリッジ回路の一例を示す回路図。FIG. 8 is a circuit diagram showing an example of an H bridge circuit in FIG. 7.

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

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り吸気ポート2には燃焼室6へ供給する混合気を生成するための燃料噴射弁を備える。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。   An engine 100, which is a spark ignition type internal combustion engine, showing an enlarged mounting portion of the spark plug 1 in FIG. 1, is of a double overhead camshaft (DOHC) type, and has an intake port 2 opening 3 and an exhaust port 4 opening 5. However, they are opposed to each other centering on a spark plug 1 attached to substantially the center of the ceiling portion of the combustion chamber 6 and open at two locations per cylinder. That is, the engine 100 is attached to the cylinder block 7, and the camshafts 9 and 10 are attached to the intake side and the exhaust side of the cylinder head 8 forming the ceiling portion of the combustion chamber 6, respectively. The intake port 2 of the cylinder head 8 is opened and closed by an intake valve 11 that reciprocates when the camshaft 9 rotates, and the exhaust port 4 is opened and closed by an exhaust valve 12 that reciprocates when the camshaft 10 rotates. Is. A spark plug 1 is attached to the ceiling portion of the combustion chamber 6, and a fuel injection valve for generating an air-fuel mixture supplied to the combustion chamber 6 is provided in the intake port 2. The engine 100 itself excluding the spark plug 1 may be a spark ignition type that is known in this field.

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。   As shown in FIGS. 2 to 5, the spark plug 1 of this embodiment includes a housing 13 made of a conductive material, a center electrode 14 that is insulated and attached in the housing 13, and a housing 13 separated from the center electrode 14. And a ground electrode 15 provided at the lower end. That is, in the spark plug 1, the housing 13 supports the substantially cylindrical insulator 16, and the connection terminal 17 attached to the upper end of the insulator 16 is electrically connected by the center electrode 14 protruding from the lower end of the housing 13 and the center shaft (not shown). The ground electrode 15 is integrally provided on the housing 13 at a position that is connected to the housing 13 and extends from the lower end of the housing 13 to a position facing the lower end of the center electrode 14. The insulator 16 insulates the center electrode 14 and the housing 13 that is an attachment portion to the engine 100, and also insulates the central shaft that is a connecting member between the center electrode 14 and the connection terminal 17, and has a substantially cylindrical shape. ing.

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。   The housing 13 has a cylindrical shape with an internal space sufficient to accommodate the insulator 16, and is made of, for example, stainless steel, which is a conductive material. The upper end portion of the housing 13 is squeezed inward in order to keep the insulator 16 in tight contact and maintain airtightness. Further, a male screw portion 18 for attachment to the cylinder head 8 is formed on the outer periphery of the lower portion from the central portion in the longitudinal direction. In addition, between the male screw part 18 and the upper end part, a metal shell 19 serving as a mounting base part when attached is formed with a larger outer diameter than the male screw part 18.

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。   The center electrode 14 is formed of, for example, a columnar metal material, and the lower end thereof is exposed from the insulator 16 and is exposed from the lower end of the housing 13.

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。   With respect to such a center electrode 14, the ground electrode 15 is substantially L-shaped in a side view formed integrally with the lower end surface of the housing 13, and the tip thereof has a gap 20 from the center axis of the center electrode 14. It extends to the open position. Since the ground electrode 15 is integrally provided in the housing 13 as described above, it is maintained at the same potential as the housing 13 during use. The ground electrode 15 includes a specific surface 21 that is inclined in a direction of retreating from the tip when viewed from the front. That is, the specific surface 21 is an inclined surface provided on the lower surface of the ground electrode 15 facing away from the center electrode 14 and has an acute angle with respect to the upper surface 22 of the ground electrode 15. In addition, the ground electrode 15 includes an inclined side surface that obliquely crosses the extended axis 24 of the ground electrode 15 that intersects the central axis 23 of the center electrode 14. That is, the ground electrode 15 has an inclined side surface 25 whose front side surface is inclined toward the back side.

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内に生成する電界と反応させてプラズマを生成することにより、プラズマを生成しない場合の火花放電による着火に比較して、着火領域を大きくしている。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、電界を生成するための電磁波であるマイクロ波を出力するマグネトロンを備える電磁波発生装置であるマイクロ波発生装置(図示しない)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。   In such a configuration, the spark plug 1 is attached to each cylinder of the engine 100 and functions as an antenna for generating plasma, which will be described later, in addition to the original function of performing spark discharge. That is, the engine 100 generates plasma by reacting the spark discharge of the spark plug 1 with the electric field generated in the combustion chamber 6 when the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is ignited using the spark plug 1. Compared to ignition by spark discharge when plasma is not generated, the ignition region is enlarged. For this purpose, the center electrode 14 of the spark plug 1 is connected to an ignition coil for spark discharge, and is an electromagnetic wave generating device including a magnetron that outputs a microwave that is an electromagnetic wave for generating an electric field. A wave generator (not shown) is connected. Accordingly, as described below, the microwave output from the magnetron is applied to the center electrode 14 of the spark plug 1.

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との間に生じる電界(電気力線)の向きは、特定表面21の表面上においては当該特定表面21に対して垂直となる。つまり、中心電極14と接地電極15との間に生じる電界の様子を電気力線で表すと、中心電極14の先端表面と接地電極15の特定表面21とに夫々垂直に交わり、且つ中心電極14の先端表面と接地電極15の特定表面21とを湾曲した形で結ぶものが多く存在することとなる。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直交する方向成分の電界の強度が高くなり、火花放電による電子の流れを効率よく蛇行させることができるため特定表面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、電界の向きが垂直になるため、傾斜側面25に向かって火花放電と直交する方向成分の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。   As described above, since the ground electrode 15 has the specific surface 21 that is separated from the central axis 23 of the center electrode 14 by the gap 20 and is inclined with respect to the central axis 23, microwaves are applied to the central electrode 14. In this case, the direction of the electric field (electric field lines) generated between the center electrode 14 and the ground electrode 15 is perpendicular to the specific surface 21 on the surface of the specific surface 21. That is, when the state of the electric field generated between the center electrode 14 and the ground electrode 15 is represented by lines of electric force, the tip surface of the center electrode 14 and the specific surface 21 of the ground electrode 15 intersect each other vertically, and the center electrode 14 In many cases, the tip surface of the electrode and the specific surface 21 of the ground electrode 15 are connected in a curved shape. For this reason, the direction of the electric field in the space between the center electrode 14 and the ground electrode 15 of the spark plug 1 does not align with the direction of the center axis 23 of the center electrode 14, but becomes distorted. Thereby, the strength of the electric field of the direction component orthogonal to the spark discharge generated between the center electrode 14 and the ground electrode 15 is increased, and the flow of electrons due to the spark discharge can be efficiently meandered, so that the specific surface 21 Compared to the case where there is no plasma, the generated plasma increases. Similarly, since the direction of the electric field is also perpendicular to the inclined side surface 25 formed on the front surface of the ground electrode 15, the intensity of the electric field in the direction component perpendicular to the spark discharge is increased toward the inclined side surface 25. This further increases the plasma generation.

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、火花放電開始とほぼ同時あるいは火花放電開始直後あるいは火花放電開始直前にマイクロ波により電界を発生させ、火花放電と電界とを反応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。なお、火花放電開始直後とは、遅くとも火花放電を構成する誘導放電の開始時が好ましい。   At the time of ignition, spark discharge is generated in the spark plug 1 by an ignition coil (not shown), and an electric field is generated by microwaves almost simultaneously with the start of the spark discharge or immediately after the start of the spark discharge or immediately before the start of the spark discharge. In this configuration, the air-fuel mixture in the combustion chamber 6 is rapidly burned by generating plasma by reacting with an electric field. It should be noted that “immediately after the start of spark discharge” is preferably at the start of induction discharge constituting the spark discharge at the latest.

具体的には、点火プラグ1による火花放電が電界中でプラズマになり、当該プラズマにて混合気に着火を行うことで火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核が火花放電のみの点火に比べて大きくなるとともに燃焼室6内に大量のラジカルが発生することで燃焼が促進される。   Specifically, the spark discharge generated by the spark plug 1 becomes plasma in an electric field, and the flame nucleus at the beginning of flame propagation combustion is larger than ignition by only spark discharge by igniting the mixture with the plasma. In addition, combustion is promoted by generating a large amount of radicals in the combustion chamber 6.

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、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、飛躍的に混合気への着火領域が大きくなり、火炎伝播燃焼の始まりとなる火炎核も大きくなるものである。   This is because the flow of electrons due to the spark discharge and the ions and radicals generated by the spark discharge are vibrated and meandered by the influence of the electric field, resulting in a longer path length and a dramatic increase in the number of collisions with surrounding water and nitrogen molecules. This is due to the increase. Water molecules and nitrogen molecules that have been struck by ions and radicals become OH radicals and N radicals, and the surrounding gas that has been struck by ions and radicals is ionized, in other words, a plasma state. The ignition region for the air-fuel mixture dramatically increases, and the flame kernel that starts the flame propagation combustion also increases.

この結果、火花放電と電界とが反応し発生したプラズマ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。   As a result, the air-fuel mixture is ignited by the plasma generated by the reaction between the spark discharge and the electric field, so that the ignition region is expanded and the two-dimensional ignition of only the spark plug 1 is changed to the three-dimensional ignition. Therefore, the initial combustion is stabilized, and the combustion rapidly propagates into the combustion chamber 6 as the radicals increase, and the combustion expands at a high combustion rate.

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、電界の向きが火花放電の方向と異なることで、火花放電による電子には、当該電子の流れ方向と異なる方向に電界による力が作用し、火花放電による電子の流れを効率よく蛇行させることができ、生成されるプラズマを増大させることができる。このように電界の向きを制御して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。   Since the ground electrode 15 includes the specific surface 21 and the inclined side surface 25, the direction of the electric field is different from the direction of the spark discharge. Acts, the flow of electrons due to the spark discharge can be efficiently meandered, and the generated plasma can be increased. Since the electric field strength can be adjusted by controlling the direction of the electric field in this way, the output of the magnetron that outputs the microwave can be suppressed. Therefore, power consumption for generating plasma can be reduced.

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。   In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment.

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、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。   As described in the above embodiment, the present invention provides a specific surface that causes the electric field formed by the microwave radiated from the center electrode 14 to distort in the space between the center electrode 14 and the ground electrode 15. It is characterized by being provided at the tip portion of the ground electrode 15, and the shape of the specific surface is not limited to the above-described embodiment. That is, the specific surface may be provided in consideration of the direction of the electric field penetrating perpendicularly to the metal surface. In the above-described embodiment, the specific surface 21 is a flat surface. However, the specific surface 21 may be a curved surface such as a concave surface or a convex surface, or a wavy curved surface with a continuous uneven surface.

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。   In the above-described embodiment, the inclined side surface is provided only on the front side of the ground electrode 15, but may be provided on the back side. That is, the ground electrode has a structure in which the side surfaces on both sides are inclined in the direction in which the side surfaces are close to each other and the specific surface is provided on the lower surface. Therefore, the tip portion of the ground electrode facing the center electrode is a triangular pyramid tip formed by three surfaces concentrated toward one point.

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。   In addition to the magnetron as described above, the microwave output may be a traveling wave tube or the like, and may further include a semiconductor microwave oscillation circuit.

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。なお、これらのアンテナは点火プラグ1の中心電極14の周辺に設けることが望ましい。また、点火プラグ1の中心電極14の周辺であって、点火プラグ1自体に取付けられるものであってよい。   In addition, the center electrode is not used as an antenna as in the above-described embodiment, and an antenna separate from the spark plug may be used. In this case, for example, a horn type or monopole type antenna can be used. These antennas are preferably provided around the center electrode 14 of the spark plug 1. Further, it may be attached to the spark plug 1 itself around the center electrode 14 of the spark plug 1.

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。   Further, when the center electrode of the spark plug 1 functions as an antenna, if the high frequency is continuously applied to the center electrode at a constant voltage, the temperature of the center electrode excessively increases. The high frequency voltage is controlled so as to be lower than the upper limit temperature to be set.

一方、電磁波発生装置における電磁波の周波数についてはマイクロ波の周波数帯に限られるものではなく、点火プラグ1の火花放電部分に電界を生成しプラズマを生成させることが可能な周波数であればよい。したがって、電磁波発生装置としては、例えば図6に示すような構成のものが好適である。   On the other hand, the frequency of the electromagnetic wave in the electromagnetic wave generator is not limited to the microwave frequency band, and may be any frequency that can generate an electric field in the spark discharge portion of the spark plug 1 to generate plasma. Therefore, as the electromagnetic wave generator, one having a configuration as shown in FIG. 6 is suitable, for example.

図6に示す電磁波発生装置30は、例えば300MHzの電磁波を発振する送信機31と、送信機31の出力端に同軸ケーブル32で接続されるマッチングチューナ(又はアンテナチューナ)33と、マッチングチューナ33の出力端に不平衡ケーブル34で接続されるとともにイグナイタ35にも接続されるミキサ36とを備えている。この例にあっては、点火プラグ1の中心電極14が電磁波を放射するアンテナとして機能するもので、したがって、ミキサ36は、マッチングチューナ33を介して送信機31が出力する電磁波を点火プラグ1の中心電極14に印加するとともに、イグナイタ35からの点火信号を中心電極14に印加する。ミキサ36は、送信機31からの電磁波とイグナイタ35からの点火信号を混合するものである。   6 includes, for example, a transmitter 31 that oscillates an electromagnetic wave of 300 MHz, a matching tuner (or antenna tuner) 33 connected to the output end of the transmitter 31 by a coaxial cable 32, and a matching tuner 33. A mixer 36 is connected to the output end by an unbalanced cable 34 and is also connected to an igniter 35. In this example, the center electrode 14 of the spark plug 1 functions as an antenna that radiates electromagnetic waves. Therefore, the mixer 36 transmits the electromagnetic waves output from the transmitter 31 via the matching tuner 33 to the spark plug 1. In addition to being applied to the center electrode 14, an ignition signal from the igniter 35 is applied to the center electrode 14. The mixer 36 mixes the electromagnetic wave from the transmitter 31 and the ignition signal from the igniter 35.

この例では、送信機31からの電磁波により、中心電極14と接地電極15との間に電界が生成される。生成された電界と、中心電極14と接地電極15との間に発生する火花放電とが反応してプラズマが生成され、混合気に着火するものである。   In this example, an electric field is generated between the center electrode 14 and the ground electrode 15 by electromagnetic waves from the transmitter 31. The generated electric field reacts with the spark discharge generated between the center electrode 14 and the ground electrode 15 to generate plasma and ignite the air-fuel mixture.

以上に説明した電磁波発生装置に代えて、交流電圧発生装置を使用するものであってもよい。図7に示す交流電圧発生装置40は、車両用のバッテリ41の電圧例えば約12V(ボルト)を昇圧回路であるDC−DCコンバータ42にて300〜500Vに昇圧し、その後、図8に例示するHブリッジ回路43にて周波数が約1MHz〜500MHz、好ましくは100MHzの交流に変化させ、さらに昇圧トランス44により約4kVp‐p〜8kVp‐pに昇圧する構成である。   Instead of the electromagnetic wave generator described above, an AC voltage generator may be used. The AC voltage generator 40 shown in FIG. 7 boosts the voltage of the vehicle battery 41, for example, about 12V (volts) to 300 to 500V by the DC-DC converter 42 which is a booster circuit, and then exemplifies in FIG. The frequency is changed to an alternating current having a frequency of about 1 MHz to 500 MHz, preferably 100 MHz by the H bridge circuit 43, and further boosted to about 4 kVp-p to 8 kVp-p by the step-up transformer 44.

このような交流電圧発生装置40において、例えば点火プラグ1の中心電極14と接地電極15とを、電界を生成するための一対の電極とする場合、上述の電磁波発生装置30と同様に、交流電圧の出力端部となる昇圧トランス44とイグナイタと点火プラグ1との間にはミキサが配置される。そして、中心電極14と接地電極15との間に高圧の交流電圧を印加することで、放電域である点火プラグ1の間隙に上記周波数帯であって極性が交互に入れ替わる電界が生成される。したがって、生成された電界と火花放電とが反応してプラズマが点火プラグ1周辺に生成され、混合気を着火するものである。   In such an AC voltage generator 40, for example, when the center electrode 14 and the ground electrode 15 of the spark plug 1 are used as a pair of electrodes for generating an electric field, the AC voltage is generated similarly to the electromagnetic wave generator 30 described above. A mixer is disposed between the step-up transformer 44, the igniter, and the spark plug 1 serving as the output end of the above. Then, by applying a high-voltage AC voltage between the center electrode 14 and the ground electrode 15, an electric field in which the polarity is alternately switched in the frequency band is generated in the gap of the spark plug 1 which is a discharge area. Accordingly, the generated electric field and spark discharge react to generate plasma around the spark plug 1 and ignite the air-fuel mixture.

なお、このような交流電圧発生装置に代えて、脈流発生装置を使用するものであってもよい。つまり、上述した一対の電極間に交流を印加する代わりに、パルス電圧などの脈流電圧を印加することにより、電極間に電界を生成するものである。脈流発生装置は、交流電圧発生装置と同様に、バッテリから供給される直流をDC?DCコンバータで昇圧し、高圧の直流を所定周期で断続することにより脈流とし、その脈流を昇圧トランスにより昇圧して一対の電極に印加する構成である。脈流発生装置の場合、Hブリッジ回路に代えて周期的にオン・オフするスイッチング回路を用いる。このような脈流発生回路を使用することによっても、電極間に電界を生成することができ、上述の実施形態同様の効果を得ることができる。   Instead of such an AC voltage generator, a pulsating flow generator may be used. That is, instead of applying an alternating current between the pair of electrodes described above, a pulsating voltage such as a pulse voltage is applied to generate an electric field between the electrodes. In the same way as the AC voltage generator, the pulsating flow generator converts the direct current supplied from the battery to DC? The voltage is boosted by a DC converter, and a pulsating flow is generated by intermittently applying a high-voltage direct current at a predetermined cycle. In the case of a pulsating flow generator, a switching circuit that is periodically turned on and off is used instead of the H-bridge circuit. By using such a pulsating flow generation circuit, an electric field can be generated between the electrodes, and an effect similar to that of the above-described embodiment can be obtained.

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。   In addition, the specific configuration of each part is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

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。   As an application example of the present invention, it can be used for a spark ignition type internal combustion engine that uses gasoline or liquefied natural gas as fuel and requires spark discharge by an ignition plug for ignition.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Spark plug 6 ... Combustion chamber 13 ... Housing 14 ... Center electrode 15 ... Ground electrode 21 ... Specific surface 23 ... Center axis 24 ... Extension axis 25 ... Inclined side surface

Claims (3)

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生成される電界とを反応させてプラズマを生成し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、かつ中心電極と接地電極との間に生じる火花放電の方向に対して交わる方向に電界の方向を生じさせる特定表面を備える火花点火式内燃機関の点火プラグ。
A center electrode that is insulated and installed in the housing, and a ground electrode that is provided at the lower end of the housing apart from the center electrode, spark discharge generated between the center electrode and the ground electrode, and an electric field generated in the combustion chamber Is a spark ignition type internal combustion engine for generating plasma and igniting an air-fuel mixture,
The ground electrode is arranged so that its tip is located at a position away from the center axis of the center electrode, and the direction of the electric field is generated in a direction intersecting with the direction of the spark discharge generated between the center electrode and the ground electrode. A spark plug of a spark ignition type internal combustion engine having a specific surface.
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請求項1記載の火花点火式内燃機関の点火プラグ。   The spark plug for a spark ignition type internal combustion engine according to claim 1, wherein the specific surface is an inclined surface provided on a lower surface of the ground electrode facing away from the center electrode. 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請求項2記載の火花点火式内燃機関の点火プラグ。 The spark plug of the spark ignition type internal combustion engine according to claim 2, wherein the ground electrode has an inclined side surface that obliquely crosses the extended axis of the ground electrode that intersects the central axis of the center electrode.
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