JP2010186605A - プラズマ点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマジェットを噴射する噴孔の周囲部が高温となることを十分に抑制することができるプラズマ点火装置を提供する。
【解決手段】本プラズマ点火装置は、噴孔５から噴射されるプラズマジェットＰに噴射方向中心軸線Ｃへ集中するローレンツ力を作用させるのに必要な磁場を発生させるコイル６を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プラズマ点火装置に関する。

内燃機関において、点火装置により気筒内全体の均質混合気又は気筒内の一部に存在する混合気を確実に着火させなければならない。しかしながら、点火ギャップに火花を発生させる一般的な点火装置は、混合気の一点を着火させるものであり、それほど高い着火性を有してはいない。

着火性に優れた点火装置として、プラズマジェットを噴射するプラズマ点火装置が提案されている。プラズマ点火装置は、絶縁体側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された中心電極と、チャンバの他端側に配置された接地電極とを具備し、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して発生させた放電によってチャンバ内のガスをプラズマ化させ、こうしてチャンバ内の高温高圧のプラズマをプラズマジェットとしてチャンバと気筒内とを連通する噴孔から噴射するものであり、噴射直後の比較的大きな表面積を有する略円筒状のプラズマジェットと接触する部分において混合気を同時に着火させることとなるために、高い着火性を実現することができる。

このようなプラズマ点火装置において、プラズマジェットが噴射される際に、噴孔にはチャンバ内の全てのプラズマが必ず接触することとなるために、噴孔周囲部は、非常に高温となって容易に消耗してしまう。

それにより、噴孔を外側に広がる切頭円錐形状とし、プラズマジェットの噴孔への接触圧力を低下させ、噴孔周囲部が高温となることを抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１７７１４２ 特開２００８−２１８２４９ 特開２００８−１５３１９０ 特開２００８−１８６７４３

しかしながら、単に噴孔を切頭円錐形状としただけでは、プラズマジェットの噴孔への接触圧力をそれほど低下させることはできず、噴孔周囲部が高温となることを十分に抑制することはできない。

従って、本発明の目的は、プラズマジェットを噴射する噴孔の周囲部が高温となることを十分に抑制することができるプラズマ点火装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置は、噴孔から噴射されるプラズマジェットに噴射方向中心軸線へ集中するローレンツ力を作用させるのに必要な磁場を発生させるコイルを具備することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置は、請求項１に記載のプラズマ点火装置において、前記コイルの一端は前記プラズマ点火装置の中心電極に電気的に接続され、前記コイルの他端は前記プラズマ点火装置の接地電極に電気的に接続されることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載のプラズマ点火装置は、請求項１に記載のプラズマ点火装置において、前記ローレンツ力の大きさは、プラズマを発生させるために前記プラズマ点火装置へ印加する電圧が高いほど大きくされることを特徴とする。

本発明による請求項４に記載のプラズマ点火装置は、請求項１に記載のプラズマ点火装置において、前記プラズマ点火装置はピストン頂面へ向けてプラズマジェットを噴射するものであり、前記ローレンツ力の大きさは、点火時期が設定時期より遅角側である時には、点火時期が前記設定時期以前の進角側である時に比較して小さくされることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置によれば、噴孔から噴射されるプラズマジェットに噴射方向中心軸線へ集中するローレンツ力を作用させるのに必要な磁場を発生させるコイルを具備するために、プラズマジェットはローレンツ力によって先細の円錐形状とされ、噴孔に殆ど接触することなく十分に噴孔との接触圧力を低減して噴射されるために、噴孔周囲部が高温となることを十分に抑制することができ、噴孔周囲部の消耗も十分に低減することができる。

本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置によれば、請求項１に記載のプラズマ点火装置において、ローレンツ力のための磁場を発生させるコイルの一端はプラズマ点火装置の中心電極に電気的に接続され、コイルの他端はプラズマ点火装置の接地電極に電気的に接続されているために、プラズマ点火装置においてプラズマを発生させるために中心電極と接地電極との間に電圧が印加される時には、同時に、コイルにも同じ電圧が印加されて通電により磁場が発生するために、コイルのための新たな電源を設けることなく、発生させたプラズマにローレンツ力を作用させて先細の円錐形状として噴射させることができる。

本発明による請求項３に記載のプラズマ点火装置によれば、請求項１に記載のプラズマ点火装置において、ローレンツ力の大きさは、プラズマを発生させるためにプラズマ点火装置へ印加する電圧が高いほど大きくされるようになっている。例えば、プラズマ点火装置の温度が低いほど放電に必要な電圧が高くなるために、高い電圧が印加されてプラズマを発生させることとなるが、高い放電電圧で発生させたプラズマほど高密度となるために、ローレンツ力を大きくすることにより、プラズマジェットを確実に噴孔に殆ど接触することのない先細の円錐形状とすることができる。

本発明による請求項４に記載のプラズマ点火装置によれば、請求項１に記載のプラズマ点火装置において、プラズマ点火装置はピストン頂面へ向けてプラズマジェットを噴射するものであり、ローレンツ力の大きさは、点火時期が設定時期より遅角側である時には、点火時期が設定時期以前の進角側である時に比較して小さくされるようになっている。それにより、点火時期が設定時期より遅角側である時には、プラズマジェットの円錐形状の頂角が大きくされて噴射直後のプラズマジェットの先端の到達距離が短くなるために、プラズマジェットの先端がピストンへ到達して冷却されることにより混合気の着火に寄与しなくなることを抑制することができる。このように、プラズマジェットに作用するローレンツ力の大きさを制御することにより、噴射時に噴孔への接触圧力が十分に低減された先細の円錐形状としたプラズマジェットの先端の到達距離を容易に変化させることができる。

本発明によるプラズマ点火装置の実施形態を示す概略縦断面図である。 図１のプラズマ点火装置のＡ−Ａ断面図である。 本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の進角側点火時期を示す概略断面図である。 図３の内燃機関の遅角側点火時期を示す概略断面図である。

図１は本発明によるプラズマ点火装置の実施形態を示す概略縦断面図である。同図において、１は点火装置の軸線方向に延在するように絶縁体２の側壁により形成されてプラズマを生成する円筒状のチャンバであり、３はチャンバ１の基端側に配置された中心電極であり、４はチャンバ１の先端側に位置してハウジングと一体の接地電極である。もちろん、接地電極４はハウジングと別部材としてハウジングに電気的及び機械的に一体化するようにしても良い。５はチャンバ１と気筒内とを連通する噴孔であり、本実施形態においては、チャンバ１と同一径を有して接地電極４に形成されている。

中心電極３及び接地電極４は、耐熱性と高い導電性とを有する金属、例えば、ステンレス等の鉄系金属、ニッケル系金属、又は、イリジウム系金属又はイリジウム合金とすることができる。中心電極３に対して接地電極４を絶縁するための絶縁体２の材質は、セラミックス（例えばアルミナセラミックス）とすることが好ましい。

チャンバ１内のガスをプラズマ化させるには、先ずは、中心電極３と接地電極４との間に高電圧を印加し、絶縁体２の側壁内面上に沿面放電Ｓ１を発生させる。こうして、チャンバ１内の沿面放電近傍のガス（混合気）がプラズマ化されてイオン及び電子が生成されると、プラズマ化されたガスを通って比較的低い電圧での気中放電が可能となり、次いで、この気中放電Ｓ２を発生させる。

こうして、気中放電Ｓ２によってチャンバ１内のガスの大部分がプラズマ化されると、チャンバ１内のガスは高温高圧となってプラズマジェットとして噴孔５から噴射され、気筒内の混合気を着火させる。もちろん、このように沿面放電及び気中放電を併用してチャンバ１内をプラズマ化させるのではなく、沿面放電又は気中放電だけによりチャンバ１内のガスをプラズマ化させるようにしても良い。

一般的には、プラズマジェットは、噴孔５と接触して噴孔５の直径とほぼ等しい略円筒形状として噴孔５から噴射されるために、接地電極４の噴孔周囲部は高温となって容易に消耗し、それにより、中心電極３との間の放電距離が長くなれば、放電開始電圧が高くなってしまう。

これに対して、本実施形態のプラズマ点火装置は、チャンバ１回りの絶縁体２の側壁内には、複数のコイル６が周方向に等間隔で放射状に配置されており、放電によってチャンバ１内にプラズマを発生させている間の各コイル６への同一方向の通電によって、図２に点線で示すように平面視において反時計方向に各コイル６内を通る磁場Ｂが形成され、この磁場Ｂによって、チャンバ１内に発生させたプラズマには、図２に矢印で示すようなチャンバ１の中心軸線Ｃに集中するローレンツ力が作用するようになっている。

本プラズマ点火装置において、チャンバ１の中心軸線は、噴孔５から噴射されるプラズマジェットの噴射方向中心軸線Ｃに一致しており、それにより、プラズマジェットＰはローレンツ力によって先細の円錐形状とされて噴射され、噴孔５には殆ど接触しない。それにより、接地電極４の噴孔周囲部が高温となることを十分に抑制することができ、噴孔周囲部の消耗も十分に低減することができる。

また、接地電極４に形成された噴孔６の近傍に位置する絶縁体２の先端部も、プラズマジェットが噴射される際に、チャンバ内の全てのプラズマが必ず接触して高温となるために、耐電圧性能が低下し、絶縁破壊が発生して貫通孔等が形成される等の損傷がもたらされることがある。しかしながら、本実施形態のようにローレンツ力によりプラズマジェットＰを先細の円錐形状として噴射することにより、絶縁体２の先端部と殆ど接触しないようにすることも可能であり、こうして、絶縁体２の先端部の損傷も抑制することができる。

本実施形態のプラズマ点火装置において、噴孔５から噴射されるプラズマジェットＰに噴射方向中心軸線Ｃに集中するローレンツ力を作用させるのに必要な磁場Ｂを発生させるコイル６は、複数に分割されているが、もちろん、一体的なトリイダルコイルとしても良い。

本実施形態において、ローレンツ力のための磁場を発生させる複数のコイル６は、同一方向に電流が流れるように直列に接続され、直接に接続されたコイル６の一端はプラズマ点火装置の中心電極３に抵抗器７を介して電気的に接続され、他端はプラズマ点火装置の接地電極４に電気的に接続される。抵抗器７の電気抵抗値は、プラズマを発生させる際にプラズマ点火装置の中心電極３と接地電極４との間に印加される電圧（沿面放電と気中放電とが実施される場合には気中放電時の電圧）が抵抗器７を介して全コイル６にも直列に印加される時に、所望の大きさのローレンツ力をもたらす磁場Ｂを発生させるような電流が全コイル６を流れるように設定される。

こうして、プラズマ点火装置においてプラズマを発生させるために中心電極３と接地電極４との間に電圧が印加される時には、同時に、コイル全体にも同じ電圧が印加されて通電により磁場が発生するために、コイル６のための新たな電源を設けることなく、発生させたプラズマには所望の大きさのローレンツ力を作用させて先細の円錐形状として噴射させることができる。また、このような構成により、特別な制御を必要とせずに、プラズマ点火装置のチャンバ１内でプラズマを発生させると同時にプラズマにはローレンツ力を作用させることができる。

もちろん、コイル６のための電源をプラズマ発生のための電源とは別として、チャンバ１内でプラズマを発生させている間においては少なくとも所望のローレンツ力が発生するように、コイル６へ電圧を印加するようにしても良い。

ところで、機関始動時のようにプラズマ点火装置の温度が低い時には、高回転高負荷運転時のようにプラズマ点火装置の温度が高い時に比較して、チャンバ１内において沿面放電及び気中放電を発生させるのに必要な電圧はいずれも高くなる。このように、プラズマ点火装置の温度が低いほど放電に必要な電圧が高くなるために、高い電圧が印加されてプラズマを発生させることとなるが、高い放電電圧で発生させたプラズマほど高密度となるために、同じ大きさのローレンツ力を作用させたのでは、高密度なプラズマほど噴射されるプラズマジェットの先細の円錐形状の頂角が大きくなって、噴孔５と接触し易くなり、接地電極４の噴孔周囲部の温度を高めてしまうことがある。

それにより、ローレンツ力の大きさは、プラズマを発生させるためにプラズマ点火装置へ印加する電圧が高いほど大きくし、確実に、プラズマジェットを噴孔に殆ど接触することのない先細の円錐形状として噴射することが好ましい。

図３及び４は、本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関を示す概略断面図である。これらの図において、１０は図１及び２に示すプラズマ点火装置である。１１は一対の排気弁１２を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートであり、１３は一対の吸気弁１４を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートである。１５は気筒上部周囲において二つの吸気ポート１３の間に配置された燃料噴射弁である。１６はピストンである。

本内燃機関は、燃料噴射弁１５により吸気行程において燃料を噴射し、圧縮行程後半までに気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。本内燃機関において、プラズマ点火装置１０は、気筒上部略中心に配置されて、ピストン１６の頂面略中央へ向けてプラズマを噴射するようになっている。こうして、プラズマジェットによって均質混合気の中央部を同時に着火させて放射状に燃焼させ、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することが意図されている。

図３は、圧縮行程の点火時期が設定時期（設定クランク角度）以前の進角側である時にプラズマ点火装置１０からプラズマジェットＰ１が噴射されている状態を示している。この時において、沿面放電又は気中放電によりチャンバ１内にプラズマを発生させている間の各コイル６への通電電流を設定値以上とし、発生させる磁場Ｂを比較的強くしてチャンバ１内のプラズマに噴射方向中心軸線に集中するローレンツ力を比較的大きくする。

それにより、噴孔５から噴射される先細の円錐形状のプラズマジェットＰ１の頂角は比較的小さくなり、噴射直後のプラズマジェットＰ１の先端の到達距離を比較的長くして、プラズマジェットＰ１の先端を進角側の点火時期におけるピストン頂面近傍まで到達させ、この時の気筒内の混合気の中央部を同時に着火させるようにする。

図４は、圧縮行程の点火時期が設定時期より遅角側である時にプラズマ点火装置１０からプラズマジェットＰ２が噴射されている状態を示している。この時において、沿面放電又は気中放電によりチャンバ１内にプラズマを発生させている間の各コイル６への通電電流を設定値より小さくし、発生させる磁場Ｂを比較的弱くしてチャンバ１内のプラズマに噴射方向中心軸線に集中するローレンツ力を比較的小さくする。

それにより、噴孔５から噴射される先細の円錐形状のプラズマジェットＰ２の頂角は図３に示す場合に比較して大きくなり、噴射直後のプラズマジェットＰ２の先端の到達距離を比較的短くして、プラズマジェットＰ２の先端を遅角側の点火時期におけるピストン頂面近傍までしか到達させないようにし、プラズマジェットＰ２の先端部がピストン頂面に到達して冷却されて混合気の着火に寄与しなくなることを抑制し、この時の気筒内の混合気の中央部を同時に着火させるようにする。

このように、プラズマジェットに作用するローレンツ力の大きさを制御することにより、噴射時において噴孔との接触圧力を低下させための先細の円錐形状のプラズマジェットの到達距離を容易に変化させることができる。本内燃機関において、ローレンツ力の大きさは、点火時期が遅角されるほど小さくするようにしても良い。

１ チャンバ
２ 絶縁体
３ 中心電極
４ 接地電極
５ 噴孔
６ コイル

Claims (4)

1. 噴孔から噴射されるプラズマジェットに噴射方向中心軸線へ集中するローレンツ力を作用させるのに必要な磁場を発生させるコイルを具備することを特徴とするプラズマ点火装置。
2. 前記コイルの一端は前記プラズマ点火装置の中心電極に電気的に接続され、前記コイルの他端は前記プラズマ点火装置の接地電極に電気的に接続される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. 前記ローレンツ力の大きさは、プラズマを発生させるために前記プラズマ点火装置へ印加する電圧が高いほど大きくされることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火装置。
4. 前記プラズマ点火装置はピストン頂面へ向けてプラズマジェットを噴射するものであり、前記ローレンツ力の大きさは、点火時期が設定時期より遅角側である時には、点火時期が前記設定時期以前の進角側である時に比較して小さくされることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火装置。

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