JP2006242102A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 点火性にすぐれたプラズマジェットを噴射できる内燃機関用点火装置を提供すること。
【解決手段】 本発明の内燃機関用点火装置は、中心電極１および接地電極２と、内部でプラズマが発生するキャビティと、キャビティと外部を連通するオリフィス３１と、を区画するハウジング３と、をもち、中心電極１と接地電極２との間に電力を印加してプラズマを発生し、プラズマをオリフィスから噴出して点火エネルギーを与えて点火する内燃機関用点火装置であって、ハウジング３は、それぞれに中心電極１，１と接地電極２，２とがもうけられたキャビティおよびオリフィス３１，３１を複数もつことを特徴とする。本発明の内燃機関用点火装置は、それぞれが独立した複数のキャビティおよびオリフィスをもち、それぞれのオリフィスからプラズマジェットを噴射することができるため、燃料にムラが存在したとしても、いずれかのプラズマジェットが燃料に点火できるようになっており、点火性にすぐれた点火装置となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関において混合気に点火する内燃機関用点火装置に関し、詳しくは、プラズマジェットにより点火を行う内燃機関用点火装置に関する。

内燃機関は、一般的には、シリンダ内に混合気を供給し、この混合気を点火してピストンを動かしてエネルギーを得ている。そして、内燃機関において混合気を点火する方法としては、たとえば特許文献１に開示されたように、プラズマジェットを噴射して混合気に点火する方法が開発されてきている。

プラズマジェットで点火を行う点火装置は、たとえば、図２に示した構成を有している。この点火装置は、鉄系金属よりなりキャビティ７を区画するとともに接地電極となるハウジング６と、ハウジング６と電気絶縁状態でキャビティ７に突出した中心電極１と、を有している。そして、ハウジング６にはキャビティ７内において発生したプラズマが噴出するオリフィス６１が開口している。この点火装置は、中心電極１とハウジング（接地電極）６との間に電力を印加してプラズマを発生し、このプラズマがオリフィス６１を通って噴出して混合気に点火する。

プラズマジェットで点火する方法は、大きな点火エネルギーを混合気に付与できるため、着火性が向上するという効果を持っている。しかしながら、プラズマジェットは、噴射に要するエネルギーが大きく（消費電力が高く）、かつ点火プラグの消耗が早いという不具合があった。

しかしながら、図２の点火装置は、ハウジング６に開口したオリフィス６１からプラズマジェットが噴射されるが、複数のオリフィス６１，６１から同時にプラズマジェットが吹き出すため、プラズマジェットの吹き出し長さが十分に得られなくなるという問題があった。プラズマジェットの吹き出し長さが十分に得られなくなると、混合気が燃焼する燃焼室内で燃料の存在にムラが発生したときに、プラズマジェットが燃料まで届かずに燃料に点火できなくなる。

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、点火性にすぐれたプラズマジェットを噴射できる内燃機関用点火装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明者らは、内燃機関用点火装置について検討を重ねた結果、複数のキャビティを備えた内燃機関用点火装置とすることで上記課題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明の内燃機関用点火装置は、中心電極および接地電極と、内部でプラズマが発生するキャビティと、キャビティと外部を連通するオリフィスと、を区画するハウジングと、をもち、中心電極と接地電極との間に電力を印加してプラズマを発生し、プラズマをオリフィスから噴出して点火エネルギーを与えて点火する内燃機関用点火装置であって、ハウジングは、それぞれに中心電極と接地電極とがもうけられたキャビティおよびオリフィスを複数もつことを特徴とする。

本発明の内燃機関用点火装置は、それぞれが独立した複数のキャビティおよびオリフィスをもち、それぞれのオリフィスからプラズマジェットを噴射する。つまり、２方向以上の方向にプラズマジェットを噴射する。これにより、燃料にムラが存在したとしても、いずれかのプラズマジェットが燃料に点火できるようになっている。この結果、本発明の内燃機関用点火装置は、点火性にすぐれた点火装置となっている。

本発明の内燃機関用点火装置は、ハウジング、中心電極および接地電極を有する。

本発明の内燃機関用点火装置は、中心電極と接地電極との間に電力を印加してキャビティ内にプラズマを発生し、発生したプラズマをオリフィスから噴出して混合気に点火エネルギーを与えて点火する。

中心電極と接地電極は、イリジウムあるいはイリジウム合金よりなることが好ましい。イリジウム系金属よりなることで、印加される高いエネルギーの電力や発生したプラズマにより電極が損傷することが抑えられる。本発明において中心電極および接地電極は、少なくともプラズマの発生に寄与する部位がイリジウム系の金属で形成されていればよく、それ以外の部分は他の金属で形成してもよい。このような金属としては、例えば、ニッケルをあげることができる。

ハウジングは、内部でプラズマが発生するキャビティと、キャビティと外部を連通するオリフィスと、を区画している。つまり、キャビティ内部でプラズマが発生し、発生したプラズマがオリフィスを通って外部に噴射される。

本発明の内燃機関用点火装置は、ハウジングが、それぞれに中心電極と接地電極とがもうけられたキャビティおよびオリフィスを複数もつ。つまり、ハウジングは、それぞれが独立した複数のキャビティおよびオリフィスをもち、それぞれのキャビティおよびオリフィスが一組の電極をもつ。このとき、ひとつのキャビティにはひとつのオリフィスがもうけられている。一組の電極により発生したプラズマは、ひとつのキャビティ内で発生する。そして、そのキャビティ内で発生したプラズマはそのキャビティに連通したオリフィスを通って噴射され燃料を点火する。

本発明の内燃機関用点火装置は、プラズマジェットを噴射するオリフィスが複数存在する。複数のオリフィスが存在することで、それぞれ異なる場所にプラズマジェットを噴射する。また、ひとつのキャビティで発生したプラズマはひとつのオリフィスから噴射されることから、プラズマジェットの吹き出し長さが長くなっている。この結果、混合気が燃焼する燃焼室内で燃料にムラが存在してもプラズマジェットが燃料に到達しやすくなっている。この結果、本発明の内燃機関用点火装置は、ミスファイヤを生じさせることなく、燃料を燃焼できる。

複数のオリフィスは、互いに異なる方向に向かってのびたことが好ましい。互いに異なる方向に向かってオリフィスが伸びることで、本発明の内燃機関用点火装置は異なる方向にプラズマジェットを噴射できるようになる。オリフィスが伸びる方向は、オリフィスが開口した開口部に近接した壁面方向であることが好ましい。この結果、燃料にムラが存在していても、いずれかのプラズマジェットが燃料に点火できることとなる。

オリフィスの数は、二つ以上の複数であれば特に限定されるものではない。円周状に対称な位置に、径方向略外方に向けた４つをもうけることがより好ましい。

プラズマが発生するキャビティおよびオリフィスはできるだけその容積が小さいことが好ましい。プラズマジェットを噴射する点火装置は、キャビティ内に発生したプラズマ自身のもつエネルギーによりプラズマがオリフィスから噴射される。キャビティおよびオリフィスが大きな容積をもつと、キャビティ内に発生したプラズマがキャビティ内での移動にそのエネルギーを使うようになり、結果として、オリフィスから噴射するプラズマジェットのエネルギーが減少しプラズマの吹き出し長さが短くなる。このことから、キャビティおよびオリフィスの容積が小さいことが好ましく、キャビティとオリフィスとが一体をなしたことがより好ましい。

ハウジングは、セラミックスよりなることが好ましい。一般的に、セラミックスは、熱伝導性が低い（熱を伝達しにくい）。このため、ハウジングをセラミックスにより形成することで、キャビティに発生したプラズマの熱がハウジングに伝達されにくくなっている。従来のプラズマジェットによる点火装置においては、ハウジング（および接地電極）が金属よりなるため、キャビティに発生したプラズマの熱（エネルギー）がハウジングを介して外部に逃げていた。つまり、発生したプラズマのエネルギーが十分に点火のエネルギーとして使われていなかった。これに対して、ハウジングをセラミックスで形成すると、ハウジングを熱が伝達することによるキャビティで発生したプラズマのエネルギーの減少が抑えられる。このことは、低いエネルギーのプラズマで点火を行うことができることを示し、結果として、プラズマを発生させるための電力を小さくすることができる。

本発明の内燃機関用点火装置においては、ハウジングを構成するセラミックスは、キャビティに発生したプラズマの熱を伝えにくい材質であれば特に限定されるものではない。また、発生したプラズマの高温により溶解しないことが好ましい。ハウジングを構成するセラミックスとしては、アルミナセラミックスを用いることが好ましい。

本発明の内燃機関用点火装置において、中心電極および接地電極はその配置が限定されるものではない。すなわち、中心電極と接地電極は、キャビティおよびオリフィス内にプラズマを発生できる状態でもうけられていればよい。

接地電極は、オリフィスのハウジングの表面での開口部に配置されたことが好ましい。接地電極がオリフィスの開口部に配置されたことで、中心電極と接地電極との間に放電を生じさせたときに、発生したプラズマがオリフィスの開口部方向に向かうこととなる。そして、このオリフィス内を開口部方向に向かう力を利用してオリフィスからプラズマジェットを噴射できるようになる。より好ましくは、接地電極がオリフィスの開口部を形成することである。中心電極は、オリフィスの開口部に対向したキャビティの底面にもうけられたことが好ましい。

本発明の内燃機関用点火装置は、中心電極と接地電極との間にプラズマを発生させて点火する点火装置であり、プラズマを発生させるための電力を中心電極と接地電極とに印加する電源装置に接続されて用いられる。

本発明の内燃機関用点火装置において、中心電極と接地電極とに印加される印加電力は、パルス状の電力である。印加電力は、その印加時間ができるだけ短いことが好ましい。より好ましくは、０．１ｍｓｅｃ以下である。

プラズマジェットを噴射して点火する点火装置において、放電電圧を−２０ｋＶとし、印加時間およびピーク電力を変化させたときのオリフィスからプラズマの吹き出し長さを測定し、測定結果を図３に示した。

図３に示したように、印加電力の印加時間を短くすればプラズマの吹き出し長さが短くなり、印加電力のピーク電流を大きくすればプラズマの吹き出し長さが長くなる。そして、所望の長さのプラズマを短時間で吹き出すためには、より大きなピーク電流を印加する必要があることがわかる。たとえば、１Ａ、１ｍｓｅｃの印加電力によるプラズマと、１０Ａ、０．０１ｍｓｅｃの印加電力によるプラズマと、がほぼ同じプラズマ吹き出し長さが得られる。そして、パルス電力の１パルスあたりのエネルギーは、下記数１式で示される。数１式に示したように、放電電圧が大きくなったとしても印加時間が大幅に短くなればパルスあたりのエネルギー量は大きく低下する。具体的に、１Ａ、１ｍｓｅｃの印加電力におけるエネルギーと、１０Ａ、０．０１ｍｓｅｃの印加電力におけるエネルギーとを図４に示した。このように、印加電力の印加時間を短くすることで、プラズマの発生に要するエネルギーを低減でき、結果として、本発明の内燃機関用点火装置は小さなエネルギーでプラズマジェットを噴射できるようになる。

なお、Ｅ：パルスのエネルギー（Ｊ）、Ｖ：放電電圧（Ｖ）、Ｉ：ピーク電流（Ａ）、ｔ：印加時間（ｓｅｃ）
なお、本発明の内燃機関用点火装置は、中心電極、接地電極およびハウジング以外の構成は、特に限定されるものではなく、従来プラズマジェットを噴射して点火を行う点火装置と同様な構成とすることができる。たとえば、中心電極、接地電極およびハウジングを備えたプラズマジェット電極を形成することができる。

以下、実施例を用いて本発明を説明する。

（実施例）
本発明の実施例として、内燃機関用点火装置を製造した。

まず、ニッケルを略円柱状に成形して中軸４を形成した。本実施例においては、２本の中軸４が形成された。

そして、中軸４の先端部を被覆する略有底筒状にイリジウムを成形して中心電極１を形成した。

つづいて、アルミナ粉末を所定の形状に圧縮成形した後に焼成してハウジング３を形成した。ハウジング３は、中心電極１を先端部に配置した状態で２本の中軸４，４を嵌入可能な貫通孔が開口した胴部３０と、中心電極１と外部とを連通したオリフィス３１，３１と、を有している。オリフィス３１，３１は、互いに異なる方向（対称な方向）に向かってのびている。

また、ハウジング３の外周形状と一致するステンレスよりなるカバー５を形成した。カバー５には、オリフィス３１と連通した開口が形成している。この開口の開口部は環状のイリジウムよりなる接地電極２により形成されている。接地電極２とカバー５は、溶接により一体に形成されている。接地電極２とカバー５は電気的に接続されている。カバー５は、ニッケルで形成されている。

まず、中心電極１を中軸４，４に組み付けた。そして、この状態で中軸４，４をハウジング３の胴部３０の貫通孔に嵌入した。そして、ハウジング３の外周面にカバー５を組み付けた。

これにより、実施例の内燃機関用点火装置が製造できた。図１に実施例の内燃機関用点火装置の構成がわかる断面図を示した。

実施例の内燃機関用点火装置は、図１に示したように、アルミナセラミックスよりなるハウジング３にオリフィス３１が区画されている。このオリフィス３１は、底面を中心電極１が区画し、開口部を接地電極２が区画している。オリフィス３１は、中心電極１と接地電極２とによりその内部にプラズマが発生する空間であり、従来のキャビティの役割も果たす。つまり、キャビティとオリフィスとが一体をなした構成をしている。

実施例の内燃機関用点火装置は、中心電極１と接地電極２とに電力を供給する電源装置に接続されて用いられる。電源装置は、中心電極１が接続され印加電力を供給する点火回路と、接地電極２に接続され接地電極２を接地電位とする接地回路と、を有する。また、電源装置は、中心電極１に印加される印加電力の放電電圧、放電ピーク電流および印加時間を調節できる。

実施例の内燃機関用点火装置は、二つのオリフィスが異なる方向に開口している。対称な方向にプラズマジェットを噴射できる。つまり、混合気中の燃料にムラが存在していても、二つのプラズマジェットのうちのいずれかで点火できる。この結果、ミスファイヤが生じなくなり、安定した状態で点火できる。

また、実施例の内燃機関用点火装置は、中心電極１と接地電極２との間に電力を印加したときには、中心電極１から接地電極２に向かってプラズマが発生する。発生したプラズマは、オリフィス３１の容積が小さいこととの作用により、中心電極１から開口部方向に向かって流れる。このとき、接地電極２がオリフィス３１を区画する壁面と同じ表面を形成しており、接地電極２自身がプラズマの噴射を阻害しない。阻害がないことにより、プラズマジェットがより長い吹き出し長さで噴射される。

さらに、実施例の内燃機関用点火装置は、ハウジング３が熱を伝達しにくいアルミナセラミックスにより形成されている。つまり、発生したプラズマの熱がハウジング３を伝達して外部に逃げなくなっている。つまり、発生したプラズマのエネルギーがオリフィス３１から噴射されるプラズマジェットにロスなく伝えられる。つまり、小さな電力で発生したプラズマジェットでもより長い吹き出し長さが得られる。この結果、実施例の内燃機関用点火装置は、小さなエネルギーで稼働させることができる。

実施例の内燃機関用点火装置の構成を示した断面図である。 従来の内燃機関用点火装置の構成を示した断面図である。 パルス電力の印加時間とプラズマの吹き出し長さの関係を示したグラフである。 パルス電力のエネルギーを示したグラフである。

符号の説明

１：中心電極
２：接地電極
３：ハウジング ３０：胴部
３１：オリフィス
４：中軸
５：カバー
６：ハウジング ６１：オリフィス
７：キャビティ

Claims (6)

1. 中心電極および接地電極と、
   内部でプラズマが発生するキャビティと、該キャビティと外部を連通するオリフィスと、を区画するハウジングと、
   をもち、該中心電極と該接地電極との間に電力を印加してプラズマを発生し、該プラズマを該オリフィスから噴出して点火エネルギーを与えて点火する内燃機関用点火装置であって、
   該ハウジングは、それぞれに該中心電極と該接地電極とがもうけられた該キャビティおよび該オリフィスを複数もつことを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 前記キャビティおよび前記オリフィスが一体をなした請求項１記載の内燃機関用点火装置。
3. 前記ハウジングは、セラミックスよりなる請求項１記載の内燃機関用点火装置。
4. 前記接地電極は、前記オリフィスの前記ハウジングの表面での開口部に配置された請求項１記載の内燃機関用点火装置。
5. 前記中心電極は、イリジウムあるいはイリジウム合金よりなる請求項１記載の内燃機関用点火装置。
6. 前記接地電極は、イリジウムあるいはイリジウム合金よりなる請求項１記載の内燃機関用点火装置。
   

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