JP2010003605A - プラズマ点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機関燃焼室内に高温高圧のプラズマを噴射して点火を行うプラズマ点火装置において、更なる着火性と信頼性の向上を図ることを目的とする。
【解決手段】中心電極１１と接地電極１３０とこれらを絶縁する絶縁体１２とによって区画した放電空間１４０とを有するプラズマ点火プラグ１０と、プラズマ点火プラグ１０に高エネルギを供給する高エネルギ電源２０とを具備し、放電空間１４０内の気体に高エネルギ電源２０から高エネルギを加えて高温・高圧のプラズマ状態となして接地電極１３０の開口部１３１から内燃機関３０の燃焼室３００内に噴射して、内燃機関３０の混合気ＡＦ_ＦＲＳに点火するプラズマ点火装置１であって、燃焼室３００内を流れる混合気流ＦＬ_ＡＭＢに対して開口部１３１の上流側に混合気流の流速を低下せしめる突起部１５として、平板状の縦壁１５０を設けて、縦壁１５０には、混合気流の透過する１以上の透過流路１５１を穿設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられるプラズマ点火装置の着火性の向上に関するものである。

近年、自動車等の内燃機関においては、燃焼排気中に含まれる、窒素酸化物、二酸化炭素等の環境荷物質の低減を図るべく、更なる燃費の向上、希薄化が望まれている。燃料と圧縮空気との混合を良好にし、燃焼効率を図るべく、筒内にタンブル渦を発生させる等、機関燃焼室内の混合気の流動を強くする傾向にある（例えば、特許文献１参照）。
このような筒内気流の強い内燃機関に、燃焼室内に高温・高圧のプラズマ状態となった気体を噴射して点火を行うプラズマ点火装置を用いた場合、高速気流によってプラズマ状態となった気体が流され、点火が不安定となる虞がある。
そこで、かかる筒内気流の強い内燃機関の着火安定化を図るべく、プラズマジェットの噴出口周辺に突起部を設けてその周囲の流速を緩やかすることが試みられている（特許文献２及び特許文献３参照）。

特開平９−３２４６３３号公報 実開昭５６−１７２２８０号公報 特開平９−１６１９４６号公報

ところが従来のように、プラズマジェットの噴出口周辺に突起部を設けると、突起部により筒内気流が緩やかになる反面、燃焼室内に噴射されたプラズマ状態の気体によって筒内の混合気に発生したプラズマ火炎核に新たな混合気が導入され難くなり、プラズマ火炎核の成長がかえって阻害される虞があることが判明した。また、プラズマ火炎核がこのような突起部に触れると、熱エネルギが吸収される、いわゆる消炎作用によって失火に至る虞があることが判明した。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、筒内気流の強い難着火性内燃機関の燃焼室内に高温高圧のプラズマ状態となった気体を噴射して点火を行うプラズマ点火装置において、安定した着火を実現できる信頼性の高いプラズマ点火装置を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明では、中心電極と接地電極とこれらを絶縁する絶縁体とによって区画した放電空間とを有するプラズマ点火プラグと、該プラズマ点火プラグに高エネルギを供給する高エネルギ電源とを具備し、上記放電空間内の気体に上記高エネルギ電源から高エネルギを加えて高温・高圧のプラズマ状態となして上記接地電極の開口部から内燃機関の燃焼室内に噴射して、内燃機関の混合気に点火するプラズマ点火装置であって、上記燃焼室内を流れる混合気流に対して上記開口部の上流側に上記混合気流の流速を低下せしめる突起部を設けたプラズマ点火装置において、上記突起部は、上記混合気流の透過する１以上の透過流路を具備する。

請求項１の発明によれば、上記突起部が障壁となって、筒内気流によって燃焼室内に噴射されたプラズマ状態の気体によって形成された略球状のプラズマ火炎核が吹き飛ばされるのを防ぎつつ、上記透過流路を通過する混合気が上記プラズマ火炎核に供給され、上記プラズマ火炎核の成長を促すと共に、上記透過流路を通過した気流に発生する複雑な渦流によってプラズマ火炎核が撹拌され、混合気との反応が更に促進される。更に、上記透過流路から導入された混合気が上記プラズマ火炎核と上記突起部との間に介在し、断熱材として作用し、上記プラズマ火炎核の熱エネルギが上記突起部に吸熱されるのを防いでいる。新鮮な混合気の導入と、渦流による火炎核の撹拌と、燃焼消炎作用の抑制とが同時になされ、極めて燃焼速度が早く、着火性に富んだ火炎核に成長する。したがって、極めて着火性に優れたプラズマ点火装置が実現可能となる。

具体的には、請求項２の発明のように、上記突起部は、略平板状に形成した構成としても良い。

請求項２の発明によれば、上記突起部に上記燃焼室内を流れる気流が衝突すると、平板状の上記突起部の側面方向及び燃焼室側先端面方向に気流が分離し、平板状の上記突起部の下流側に上記筒内気流とは逆向きの渦流が形成され、上記透過流路から導入された混合気流と衝突し、上記突起部の下流側に複雑な渦流が形成される。このため、上記点火プラグから噴射された上記初期火炎球と混合気との撹拌が促進され、高エネルギの火炎核に成長し、安定した着火を示すプラズマ点火装置が実現可能となる。

また、請求項３の発明のように、上記突起部は、その先端を上記筒内気流の下流側に向かって湾曲せしめた構成としても良い。

請求項３の発明によれば、上記突起部に形成された湾曲部に沿って、上記点火プラグから噴射された上記プラズマ火炎核の噴射方向に回転力が付与され、上記プラズマ火炎核と混合気との燃焼反応が更に促進され、極めて高エネルギの火炎核に成長し、良好な着火を示すプラズマ点火装置が実現できる。

より具体的には、請求項４の発明のように、上記突起部は、幅４ｍｍ以上、突出高さ３ｍｍ以上に形成するのが望ましい。

請求項４の発明の範囲で上記突起部を形成すれば、上記プラズマ火炎核が筒内気流によって吹き飛ばされるのを防ぎつつ、上記通気流路から導入された混合気と良好に撹拌され、極めて安定した着火を示すプラズマ点火装置が実現できることが判明した。

また、上記透過流路は、請求項５の発明のように、上記突出部に対する開孔率を４％以上に形成するのが望ましい。

請求項５の発明の範囲で上記透過流路を形成すれば、本発明の効果が発揮できる。

本発明の第１の実施形態におけるプラズマ点火装置１の全体構成について、図１を参照して説明する。プラズマ点火装置１は、内燃機関３０に装着されるプラズマ点火プラグ１０と、プラズマ点火プラグ１０に高エネルギを供給するプラズマ電源ＰＤＳ２０と、内燃機関３０の運転状況に応じて点火信号を発する電子制御装置ＥＣＵ２１と、本発明の要部である点火プラグ１０の先端に設けられた突起部１５とによって構成されている。突起部１５の縦壁１５０には、本発明の要部である透過流路１５１が穿設されている。なお、本実施形態において、突起部１５を厚み１．５ｍｍで形成した場合には、幅が３ｍｍ以上、高さが４ｍｍ以上に形成し、透過流路１５１はその開口面積が突起部１５の縦壁１５０の面積に対して４％以上あれば、本発明の効果が発揮されと推察される。

内燃機関３０は、シリンダヘッド３１０とシリンダ３２０とピストン３３０とによって構成され、シリンダヘッド３１０の内壁とシリンダ３２０の内周壁とピストン３３０の上面とによって燃焼室３００が区画されている。
シリンダヘッド３１０には、吸気筒３１１と排気筒３１２とが形成され、それぞれの気筒３１１、３１２と燃焼室３００とは、吸気バルブ３１３、排気バルブ３１４によって開閉されている。燃焼室３００内に吸気筒３１１から導入された空気と図略の燃料噴射装置によって燃料室３００内に供給された燃料とを混合し、ピストン３３０によって圧縮し、所定のクランク角において、本発明のプラズマ点火装置１によって混合気が点火される。

図２を参照して、本発明の第１の実施形態におけるプラズマ点火装置１に用いられるプラズマ点火プラグ１０の構成について説明する。
プラズマ点火プラグ１０は、導電性金属材料からなる長軸状に伸びる中心電極１１と、中心電極１１の外周を覆う略筒状の絶縁体１２と絶縁体１２を覆う略筒状の金属からなるハウジング１３とハウジング１３の先端に連なる略環状の接地電極１３０とによって構成されている。

中心電極１１の先端側には、例えばイリジウム、イリジウム合金等の耐熱性導電性材料によって細軸状に形成された中心電極放電部１１０が設けられ、中心電極放電部１１０は、導電性接着剤１１１等を介して、鉄鋼材料、銅等の良電導性で高熱伝導性の金属材料からなる中心電極中軸部１１２と接続されている。中心電極中軸部１１２の基端側には、プラズマ電源２０に接続される中心電極ターミナル部１１３が形成されている。

絶縁体１２は、耐熱性、機械的強度、高温における絶縁耐力、熱伝導率などに優れた高純度のアルミナ等からなり、中心電極１１の外周を覆いつつ、先端側には、中心電極放電部１１０の先端から下方に向かって伸びる筒状の絶縁体基部１２０が形成され、中腹にはハウジング１３の内側に係止し、ハウジング１３によって加締め固定される径大部１２１が形成され、基端側には、コルゲート状の絶縁体頭部１２２が形成され、中心電極ターミナル部１１２とハウジング１３との電気絶縁性を確保している。
絶縁体基部１２０の内側は、放電空間１４０が形成され、中心電極放電部１１０と接地電極１３０との間で放電可能となっている。

ハウジング１３は、略筒状のハウジング基部１３２が形成され、絶縁体基部１２０を覆っている。ハウジング基部１３２の外周には内燃機関４０に螺結するためのネジ部１３３が形成され、基端側には、絶縁体径大部１２１を保持する係止部１３３が形成され、更にハウジング１３の基端側外周には、ネジ部１３３をネジ締めするための六角部１３４が形成されている。絶縁体径大部１２１は、加締め部１３５によって封止部材等を介して加締め固定されている。

接地電極１３０は、放電空間１４０に連通する接地電極開口部１３１を有す略環状に形成されている。接地電極１３０を含むハウジング１３は、ニッケル、鉄等の金属材料によって形成されている。
プラズマ点火プラグ１０は、内燃機関４０の燃焼室３００内に接地電極開口部１３１が開口するように装着されると共に、接地電極１３０が内燃機関４０に電気的に接地された状態となっている。接地電極１３０の一部は、燃焼室３００内に向かって突き出す略平板状の突起部１５が形成されており、更に、突起部１５には、本発明の要部である突起部縦壁１５０の筒内気流ＦＬ_ＡＭＢに対して上流側から下流側に向かって貫通する透過流路１４１が形成されている。

中心電極放電部１１０の下端面と接地電極１３０の接地電極開口部１３１とが放電空間１４０に露出している。

内燃機関３０の運転状況に応じて、ＥＣＵ２１から点火信号が発信され、ＥＣＵ２１からの点火信号に従ってＰＤＳ２０からプラズマ点火プラグ１０に高エネルギが供給され、放電空間１４０内の気体の電気絶縁性が破壊され、更に高エネルギが供給されると放電空間１４０内の気体が電離し、高温・高圧のプラズマ状態となって、接地電極開口部１３１から燃焼室３００内に噴射される。燃焼室３００内に噴射されたプラズマ状態の気体によって燃焼室３００内の混合気に高エネルギが与えられプラズマ火炎核ＦＫ_ＰＬＺが形成される。

この時、タンブル渦等の燃焼室３００内に流れる筒内気流ＦＬ_ＡＭＢは、縦壁１５０に衝突し、縦壁１５０の周囲に筒内気流ＦＬ_ＡＭＢとは逆向きの渦流ＦＬ_ＶＲＸを形成する共に、透過流路１５１を通過した筒内気流ＦＬ_ＡＭＢも渦流ＦＬ_ＶＲＸを形成する。
突起部１５０が障壁となって、筒内気流ＦＬ_ＡＭＢによってプラズマ火炎核ＦＫ_ＰＬＺが吹き飛ばされるのを防ぎつつ、筒内気流ＦＬ_ＡＭＢに乗って透過流路１５１を通過する混合気ＡＦ_ＦＲＳがプラマ火炎核ＦＫ_ＰＬＺに次々と供給され、プラズマ火炎核ＦＫ_ＰＬＺの成長が促進される。更に透過流路１５１を通過した混合気ＡＦ_ＦＲＳに発生する複雑な渦流ＦＬ_ＶＲＸによってプラズマ火炎核ＦＫ_ＰＬＺが撹拌され、混合気ＡＦ_ＦＲＳとの反応が更に促進される。更に、透過流路１５１から導入された混合気ＡＦ_ＦＲＳがプラズマ火炎核ＦＫ_ＰＬＺと突起部１５との間に介在し、断熱材として作用し、プラズマ火炎核ＦＫ_ＰＬＺの熱エネルギが突起部１５に吸熱されるのを防いでいる。
新鮮な混合気ＡＦ_ＦＲＳの導入と、渦流によるプラズマ火炎核ＦＫ_ＰＬＺの撹拌と、縦壁１５０による燃焼消炎作用の抑制とが同時になされ、極めて燃焼速度が早く、着火性に富んだ火炎核に成長する。したがって、本実施形態によれば、極めて着火性に優れたプラズマ点火装置１が実現可能となる。

図３を参照して本発明の第２の実施形態におけるプラズマ点火装置１ａについて説明する。本図（ａ）は、本実施形態におけるプラズマ点火装置１ａの要部断面図であり、本図（ｂ）は、その変形例として示すプラズマ点火装置１ｂの要部断面図である。本実施形態では、上記実施形態を基本要件とし、同一の構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

上記実施形態においては、突起部１５を接地電極１３０の下端面の一部と一体的に形成した場合を例に示したが、図３（ａ）に示すように、接地電極１３０ａに突起部を形成していないプラズマ点火プラグ１０ａと別体の突起部形成部材１５ａを設けてプラズマ点火プラグ１０ａとシリンダヘッド３１０ａとの間に介装する構成としても良い。突起部形成部材１５ａは、略有底筒状に形成され、ボス部１５３の内側にハウジング基部１３２ａの先端及びこれに連なる接地電極１３０ａが挿嵌され、ボス部１５３の外周に形成されたネジ部によりシリンダヘッド３１０ａに螺結する等の方法により固定されている。
底部１５２は、略円板状に形成されており、中心には、接地電極開口部１３１に連通する開口部１５４が形成されている。更に、底部２６３には、筒内気流ＦＬ_ＡＭＢに対する開口部１５４の上流側の一部を、燃焼室３００側に向かって突出せしめた縦壁１５０ａが形成されている。
縦壁１５０ａには、上流側から下流側に向かって貫通する透過流路１５１ａが穿設されている。このような構成としても、上記第１の実施形態と同様に、ＦＬ_ＡＭＢが縦壁１５０ａ及び透過流路１５１ａを通過する時に渦流ＦＬ_ＶＲＸが形成され、消炎作用を抑制しつつ、プラズマ火炎核の成長を促進する本発明の効果が得られる。加えて、突起部形成部材１５ａを別体に形成してあるので、機関に応じて容易に縦壁１５０ａ及び透過流路１５１ａの形状を変更することもできる。

例えば、図３（ｂ）に示す突起部形成部材１５ｂのように、縦壁１５０ｂに複数の透過流路１５１ｂを穿設しても良い。加えて、透過流路１５１ｂの穿設角度を変更することも可能となる。したがって、更に渦流ＦＬ_ＶＲＸによるプラズマ火炎核の撹拌効果を高めることも可能となる。

図４に本発明の第３の実施形態におけるプラズマ点火装置１ｃの要部断面を示す。本実施形態において、突起部形成部材１５ｃを用いた点が上記実施形態と相違する。本図（ａ）は、要部断面図、（ｂ）は、下流側から望んだ側面図である。 本図に示すように、突起部形成部材１５ｃには、メッシュ状の縦壁１５０ｃが形成してあり、透過流路１５１ｃは、開孔率が４％以上となるようにメッシュ間隔を設定して形成してある。
本実施形態においても、上記実施形態と同様に、ＦＬ_ＡＭＢが縦壁１５０ｃ及び透過流路１５１ｃを通過する時に渦流ＦＬ_ＶＲＸが形成され、消炎作用を抑制しつつ、プラズマ火炎核の成長を促進する本発明の効果が得られる。

図５に本発明の第４の実施形態におけるプラズマ点火装置１ｄの要部断面を示す。本実施形態において、突起部形成部材１５ｄを用いた点が上記実施形態と相違する。本図（ａ）は、要部断面図、（ｂ）は、下面図である。本図に示すように、突起部形成部材１５ｄには、スリット状に形成した透過流路１５１ｄを有する縦壁１５０ｄが形成してある。
本実施形態においても、上記実施形態と同様に、ＦＬ_ＡＭＢが縦壁１５０ｄ及び透過流路１５１ｄを通過する時に渦流ＦＬ_ＶＲＸが形成され、消炎作用を抑制しつつ、プラズマ火炎核の成長を促進する本発明の効果が得られる。また、本図（ｂ）に示すように、透過流路１５１ｄの幅を上流側から下流側に向かって変化させることにより、透過流路１５１ｄを通過するＦＬ_ＡＭＢの流速に変化を与え、よりプラズマ火炎核と筒内気流ＦＬ_ＡＭＢに乗って運ばれる混合気ＡＦ_ＦＲＳとの撹拌を促進し、着火性を向上させることもできると期待される。

図６に本発明の第５の実施形態におけるプラズマ点火装置１ｅの要部断面を示す。本実施形態において、突起部形成部材１５ｅを用いた点が上記実施形態と相違する。本図（ａ）は、要部断面図、（ｂ）は、下面図である。本図に示すように、突起部形成部材１５ｅでは、縦壁１５０ｅを接地電極開口部１３１の一部を覆うべく略椀状に湾曲した形状に形成してある。
本実施形態においても、上記実施形態と同様に、ＦＬ_ＡＭＢが縦壁１５０ｅ及び透過流路１５１ｅを通過する時に渦流ＦＬ_ＶＲＸが形成され、消炎作用を抑制しつつ、プラズマ火炎核の成長を促進する本発明の効果が得られる。また、縦壁１５１ｅが略椀状に形成されていることにより、接地電極開口部１３１から噴射した高温・高圧のプラズマ状態の気体に回転力が加わり、更にプラズマ火炎核と混合気ＡＦ_ＦＲＳとの混合が促進され、着火性が向上するものと期待できる。

ここで、本発明のプラズマ点火装置に適用されるプラズマ電源２０の典型的な１例について説明する。図７に示すように、プラズマ電源２０は、第１の電源２００と、イグニションスイッチ２０１と点火コイル２０２と点火コイル駆動回路２０３と、電子制御装置（ＥＣＵ）２１と、点火コイル２０２からの高電圧を整流する整流素子２０４と、ノイズを低減するための抵抗２０５と、第２の電源２０６と第２の電源からの電気エネルギを蓄積するコンデンサ２０８と、第２の電源２０６とコンデンサ２０８との間に介装される抵抗２０７と、コンデンサ２０８からの放電電流を整流する整流素子２０９とによって構成されている。
点火コイル駆動回路２０３は、ＥＣＵ２１によって開閉制御されるトランジスタを含み、電源２００からの電圧を点火コイル２０２によって昇圧した高電圧のプラズマ点火プラグ１０への供給を制御している。

イグニションスイッチ２０１を投入し、電源２００から点火コイル２０２の一次コイルに１次電流を流すと点火コイル２０２のコアが磁化し、磁気エネルギが蓄えられ、その周囲に磁界が形成される。ＥＣＵ２１からの点火信号に従って点火コイル駆動回路２０３がスイッチングされ、１次電流が遮断されると、磁界が変化し、自己誘導作用によって、１次コイルに−数百Ｖの１次電圧が生じる。この時、２次コイルに数〜数十ｋＶの高い２次電圧が発生する。

この２次電圧が放電空間１４０の絶縁破壊電圧を超えると、放電空間１４０内に放電される。この放電により放電空間１４０の気体が小領域でプラズマ状態となる。プラズマ状態となった気体は導電性を有し、コンデンサ２０８に充電された例えば１００ｍＪから２００ｍＪ程度の電気エネルギが放電空間１４０内に１０μｓ程度の極めて短い時間に一気に放出され、放電空間１４０内の気体が高温・高圧のプラズマ状態となって接地電極開口部１３１から噴射される。

なお、本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、接地電極開口部の上流側に設けた突起部に透過流路を設けて、プラズマ火炎核の成長を促進する本発明の趣旨に反しない限り適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態で示したプラズマ電源はプラズマ電源として代表的な構成を例として示したものであり、点火コイルにかえてＣＤＩ点火回路を設けたものや、圧電トランスを設けて、放電空間の絶縁破壊を行う構成としても良い。また、上記実施形態においては、第１の電源と第２の電源とを分けて使用する構成を示したが、１つの電源から、ＤＣ−ＤＣコンバータ等を介して、異なる電圧を供給する構成としても良い。また、本発明において、特に、内燃機関の燃料の種類、噴射方法を限定するものではなく、各種燃料、噴射方法に対して適宜採用し得るものである。

本発明の第１の実施形態におけるプラズマ点火装置の構成を示す全体図。 本発明の第１の実施形態におけるプラズマ点火装置に用いられるプラズマ点火プラグの詳細を示す一部断面図。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態におけるプラズマ点火装置を示す要部断面図、（ｂ）は、その変形例を示す要部断面図。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態におけるプラズマ点火装置を示す要部断面図、（ｂ）は、その正面図。 （ａ）は、本発明の第４の実施形態におけるプラズマ点火装置を示す要部断面図、（ｂ）は、その下面図。 （ａ）は、本発明の第５の実施形態におけるプラズマ点火装置を示す要部断面図、（ｂ）は、その下面図。 本発明のプラズマ点火装置に適用されるプラズマ電源の例を示す等価回路図

符号の説明

１ プラズマ点火装置
１０ プラズマ点火プラグ
１１ 中心電極
１１０ 中心電極放電部
１２ 絶縁体
１２０ 絶縁体基部
１３ ハウジング
１３０ 接地電極
１３１ 接地電極開口部
１４０ 放電空間
１５ 突起部
１５０ 突起部縦壁
１５１ 透過流路
２０ プラズマ電源
２１ 電子制御装置（ＥＣＵ）
３０ 内燃機関
ＡＦ_ＦＲＳ 混合気
ＦＬ_ＡＭＢ 筒内気流
ＦＬ_ＶＲＸ 渦流

Claims (5)

1. 中心電極と接地電極とこれらを絶縁する絶縁体とによって区画した放電空間とを有するプラズマ点火プラグと、該プラズマ点火プラグに高エネルギを供給する高エネルギ電源とを具備し、上記放電空間内の気体に上記高エネルギ電源から高エネルギを加えて高温・高圧のプラズマ状態となして上記接地電極の開口部から内燃機関の燃焼室内に噴射して、内燃機関の混合気に点火するプラズマ点火装置であって、上記燃焼室内を流れる混合気流に対して上記開口部の上流側に上記混合気流の流速を低下せしめる突起部を設けたプラズマ点火装置において、
   上記突起部は、上記混合気流の透過する１以上の透過流路を具備することを特徴とするプラズマ点火装置。
2. 上記突起部は、略平板状に形成したことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火装置。
3. 上記突起部は、その先端を上記筒内気流の下流側に向かって湾曲せしめたことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ点火装置。
4. 上記突起部は、幅４ｍｍ以上、突出高さ３ｍｍ以上に形成したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマ点火装置。
5. 上記透過流路は、上記突出部に対する開孔率を４％以上に形成したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ点火装置

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