JP2006244867A - 内燃機関用点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小さなエネルギーで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、ひとつ以上のオリフィス３１０，３１０により外部と連通したキャビティ７を区画するセラミックスよりなるハウジング３と、キャビティ３に突出して配置された中心電極１と、キャビティ７に突出して配置された接地電極２と、を有することを特徴とする。本発明の内燃機関用点火装置は、キャビティをセラミックスで区画することで、発生したプラズマのエネルギーのロスが抑えられ、結果として、小さなエネルギーでプラズマジェットを噴射できる点火装置となっている。
【選択図】 図４

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、プラズマを噴射して点火を行う内燃機関用点火装置に関する。

内燃機関は、シリンダ内に燃料を含む混合気を供給し、この混合気中の燃料に点火して膨張する力を発生し、この膨張する力で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、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５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８と、ハウジング８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８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８１０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）８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８１０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。

この問題を解決するために、特許文献１は、エンジンの運転条件によりプラズマジェットの点火のための放電電流および放電時間を制御する方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された方法は、点火のための電流を制御するのみであり、得られる効果は不十分であった。
特開平６−６６２３６号公報

本発明は上記実状に鑑みてなされたものであり、小さなエネルギーで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、図５に示した従来の点火装置はキャビティにおいて発生したプラズマのエネルギーが金属よりなるハウジングを伝達して外部に逃げることからより大きなエネルギーを電極に印加しなければいけなくなっていたことに着目し、キャビティをセラミックスで区画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、ひとつ以上のオリフィスにより外部と連通したキャビティを区画するセラミックスよりなるハウジングと、キャビティに突出して配置されたイリジウムよりなる中心電極と、キャビティに突出して配置されたイリジウムよりなる接地電極と、を有することを特徴とする。

本発明の内燃機関用点火装置は、放電が行われるキャビティがセラミックスにより区画されている。つまり、ハウジングが熱伝導性の低い材質により形成されている。このため、電極間に電力が印加されてハウジング内のキャビティに発生したプラズマの熱がハウジングに伝わりにくくなっている。つまり、発生したプラズマがプラズマジェットとしてオリフィスから噴出するまでの間でのエネルギーロスの発生が抑えられている。つまり、電極間に印加した電力（エネルギー）がロスの発生が抑えられた状態で混合気の点火に使われる。本発明の内燃機関用点火装置は、点火に要するエネルギーを低減することができ、結果として、小さなエネルギーでプラズマジェットを噴射できる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。

ハウジングは、ひとつ以上のオリフィスにより外部と連通したキャビティを区画する。キャビティは、中心電極と接地電極との間に電力を印加したときに生じるプラズマが発生する空間である。オリフィスは、ハウジングを貫通して開口した通孔であり、キャビティに発生したプラズマが通って、プラズマジェットとして吹き出すための通孔である。

そして、ハウジングは、セラミックスよりなる。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。

なお、セラミックスよりなるハウジングがキャビティを区画しているが、キャビティは、そのほとんどの部分がハウジングのみにより区画されていればよい。つまり、セラミックス以外の材質によりハウジングのキャビティを区画する壁面の一部が形成されていてもよい。たとえば、電極自身がハウジングのキャビティを区画する壁面の一部をなしていてもよい。

中心電極および接地電極は、キャビティに突出して配置された部材である。中心電極および接地電極は、両電極の間に電力を印加したときにキャビティ内でプラズマを発生する電極である。中心電極と接地電極は、イリジウムまたはイリジウム合金よりなることが好ましい。ここで、イリジウム合金とは、イリジウムを主成分とする合金である。各電極がイリジウム系の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、キャビティは、プラズマを発生できかつ発生したプラズマがオリフィスから噴出できる程度の容量で形成されたことが好ましい。キャビティは、１〜１０ｍｍ³の容量で区画されたことが好ましい。

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、キャビティに突出した円柱状をなすことが好ましい。そして、中心電極および接地電極のキャビティに突出していない部分は、ハウジングにより被覆されたことが好ましい。ここで、中心電極および接地電極を構成するイリジウム自身も高い熱伝導性をもつことから、これらの電極自身が外部にプラズマの熱を伝達することになる。このため、これらの電極は、その径が小さいことが好ましく、直径が０．４〜１．０ｍｍであることが好ましい。より好ましくは、０．４〜０．７ｍｍである。

ハウジングにもうけられたオリフィスは、ひとつ以上であればよい。オリフィスを二つ以上備えたときには、オリフィスから噴出するプラズマジェットが互いに異なる方向に噴出することが好ましい。

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６に示した。

図６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７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、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、イリジウムを円柱状に成形して中心電極１および接地電極２を形成した。

そして、中心電極１よりはるかに大きな外径の円柱状のニッケルよりなる中軸４を形成し、中軸４の一方の端部の端面（底面）４０に同軸状態で中心電極１を溶接固定した。中軸４に中心電極１を固定した状態の軸方向の断面を図１に示した。

軸方向に伸びる略棒状の本体部５０と、本体部５０の下端にもうけられ本体部５０ののびる方向と垂直な方向にのびる略円柱状の固定部５１と、からなる略Ｌ字状の横軸５を形成し、固定部５１の先端の端面に同軸状態で接地電極２を固定した。横軸５に接地電極２を固定した状態の軸方向の断面を図２に示した。

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、略円筒状の胴部３０と、胴部３０の下端にもうけられた下方にすすむにつれて縮径したテーパ面部３１と、テーパ面部３１の他端にもうけられ胴部３０の軸方向に垂直な底面部３２と、を有している。ハウジング３の断面を図３に示した。

ハウジング３の胴部３０は、軸部の中空部の内径が中軸４の外径と略一致する略円筒形状を有している。

胴部３０の下端部の側面には、接地電極２を挿入するための接地電極用貫通孔３００が形成されている。接地電極用貫通孔３００は、胴部３０の内周面に開口した内側開口３０１と、外周面に開口した外側開口３０２と、を有し、内側開口３０１の開口径は接地電極２の外径と一致し、外側開口３０２の開口径は横軸５の固定部５１の外径と一致している。接地電極用貫通孔３００は、胴部３０の内部で縮径している。この縮径は、接地電極２が固定された固定部５１を挿入したときに固定部５１の先端部近傍の外周面と略一致する略クランク状をなすように行われている。

テーパ面部３１には二つのオリフィス３１０，３１０がもうけられている。オリフィス３１０，３１０は、胴部３０の軸に対称な位置に、テーパ面部３１のテーパ面に対して垂直な方向にのびる状態で形成されている。

また、アルミナ粉末を圧縮成形した後に焼成して中軸４の一方の端部の端面４０の表面を被覆する蓋体６を形成した。この蓋体６は、中軸４の一方の端部の端面４０と一致する円板の軸心部に、中心電極１の外径と一致する内径をもつ中空部が形成された略ドーナツ板状を有している。

中心電極１が固定された中軸４の端面４０に蓋体６を組み付けた。この組み付けは、蓋体６の中空部６０に中心電極１を挿入することでなされた。なお、中心電極１は、蓋体６の一方の表面６１が中軸４の端面４０と密着するまで挿入された。蓋体６の中空部６０に挿入された中心電極１の先端部は蓋体６の他方の表面６２から突出している。

そして、中心電極１が蓋体６を貫通した状態で、ハウジング３の胴部３０に挿入し固定した。このとき、中心電極１の先端部は、胴部３０の下端部より上方に位置していた。

つづいて、接地電極２が固定された横軸５を胴部３０にもうけられた接地電極用貫通孔３００に挿入し固定した。

これにより、本実施例の内燃機関用点火装置が製造できた。実施例の内燃機関用点火装置の軸方向断面図を図４に示した。

本実施例の内燃機関用点火装置は、図４にその断面形状を示したように、アルミナセラミックスよりなるハウジング３および蓋体６によりキャビティ７が区画されている。そして、キャビティ７には中心電極１と接地電極２とが突出している。

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、キャビティ７がアルミナセラミックスにより区画されている。つまり、キャビティ７において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。

中心電極が接続された中軸の断面図である。 接地電極が固定された横軸の断面図である。 ハウジングの断面図である。 内燃機関用点火装置の断面図である。 従来の内燃機関用点火装置の断面図である。 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
３００：接地電極用貫通孔 ３０１：内側開口
３０２：外側開口 ３１：テーパ面部
３１０：オリフィス ３２：底面部
４：中軸 ４０：端面
５：横軸 ５０：本体部
５１：固定部
６：蓋体
７：キャビティ
８：ハウジング ８１０：オリフィス

Claims (4)

1. ひとつ以上のオリフィスにより外部と連通したキャビティを区画するセラミックスよりなるハウジングと、
   該キャビティに突出して配置された中心電極と、
   該キャビティに突出して配置された接地電極と、
   を有することを特徴とする内燃機関用点火装置。
2. 前記セラミックスは、アルミナセラミックスである請求項１記載の内燃機関用点火装置。
3. 前記中心電極は、イリジウムまた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。
4. 前記接地電極は、イリジウムまた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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