JP2010203295A

JP2010203295A - プラズマ点火装置

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Publication number: JP2010203295A
Application number: JP2009048322A
Authority: JP
Inventors: Hisato Hirooka; 久人広岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2010-09-16

Abstract

【課題】チャンバ内のガスをプラズマ化させるのに絶縁体の側壁内面上の沿面放電と気中放電とを併用するプラズマ点火装置において、沿面放電が側壁内面上の特定位置に集中して繰り返し起こる場合にも、気中放電に中心電極及び接地電極のそれぞれの特定位置が集中して使用されないようにして中心電極及び接地電極の激しい消耗を防止する。
【解決手段】チャンバ回りを周方向に複数の領域Ａ１〜Ａ４に分割し、複数の領域のそれぞれには、沿面放電によりチャンバ内に発生させたプラズマを自身領域へ向けて引き寄せるローレンツ力Ｆ１〜Ｆ４を発生させるための磁場を形成するコイルＣ１〜Ｃ４が設けられ、複数のコイルから選択された一つのコイルへ通電してローレンツ力を発生させ、プラズマを自身領域へ向けて引き寄せて自身領域近傍で気中放電が発生するようにし、気中放電に中心電極及び接地電極のそれぞれの特定位置が集中して使用されないようにする。
【選択図】図２

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（例えば、特許文献１参照）。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で発生させた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、高い着火性を提供することができる。

チャンバ内にプラズマを発生させるための放電としては、絶縁体側壁の内面上の沿面放電と、気中放電とがあるが、気中放電に比較して沿面放電は放電開始電圧が低いために、最初は沿面放電を発生させ、沿面放電近傍のガス（混合気）をプラズマ化することにより比較的低い電圧での気中放電を可能とし、次いで大電流の気中放電を発生させる。こうして、高い放電開始電圧を必要とすることなく、また、大電流の沿面放電を実施して絶縁体を破損させることもなく、チャンバ内の大部分のガスをプラズマ化させることができる。

特開平０６−０６６２３６特開平０９−３１７６２１特開平０９−３１４３４１特開２００１−０１１６３８

このようにチャンバ内のガスをプラズマ化させるために沿面放電と気中放電とが併用される場合において、何らかの理由によって沿面放電が絶縁体側壁の内面上の特定位置に集中して繰り返し起こることがあり、この時には、沿面放電によりプラズマ化されるガスもチャンバ内の沿面放電近傍の特定部分となって、気中放電がチャンバ内の特定部分に集中して繰り返し起こることとなるために、気中放電に使用される中心電極の位置及び接地電極の位置もそれぞれ特定位置に集中し、大電流を流す気中放電によって中心電極と接地電極のそれぞれの特定位置が激しく消耗してしまう。

従って、本発明の目的は、チャンバ内のガスをプラズマ化させるのに絶縁体の側壁内面上の沿面放電と気中放電とを併用するプラズマ点火装置において、沿面放電が側壁内面上の特定位置に集中して繰り返し起こる場合にも、気中放電に中心電極及び接地電極のそれぞれの特定位置が集中して使用されないようにして中心電極及び接地電極の激しい消耗を防止することである。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置は、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、前記中心電極と前記接地電極との間に電圧を印加して、最初に前記絶縁体側壁の内面上の沿面放電を発生させ、次いで気中放電を発生させることにより、前記チャンバ内のガスをプラズマ化させ、前記チャンバ内で発生させた高温高圧のプラズマをプラズマジェットとして前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔から噴射するプラズマ点火装置において、前記チャンバ回りを周方向に複数の領域に分割し、前記複数の領域のそれぞれには、前記沿面放電により前記チャンバ内に発生させたプラズマを自身領域へ向けて引き寄せるローレンツ力を発生させるための磁場を形成するコイルが設けられ、複数の前記コイルから選択された一つのコイルへ通電して前記ローレンツ力を発生させ、前記沿面放電により前記チャンバ内に発生させたプラズマを自身領域へ向けて引き寄せて自身領域近傍で前記気中放電が発生するようにし、前記気中放電に前記中心電極及び前記接地電極のそれぞれの特定位置が集中して使用されないようにす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、チャンバ回りを周方向に複数の領域に分割し、複数の領域のそれぞれには、沿面放電によりチャンバ内に発生させたプラズマを自身領域へ向けて引き寄せるローレンツ力を発生させるための磁場を形成するコイルが設けられ、複数のコイルから選択された一つのコイルへ通電してローレンツ力を発生させ、沿面放電が絶縁内側壁の内面上の特定位置に集中して繰り返し起きても、沿面放電によりチャンバ内に発生させたプラズマを自身領域へ向けて引き寄せて自身領域近傍で気中放電が発生するようにし、気中放電がチャンバ内の特定部分に集中して繰り返し起こることを防止し、気中放電に中心電極及び接地電極のそれぞれの特定位置が集中して使用されないようにすることができ、それにより、中心電極及び接地電極の特定位置の激しい消耗を防止するようになっている。

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Ｑ−Ｑ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はプラズマ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）が図１にドットで示すように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、大電流の気中放電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。

このように沿面放電Ｓ１と気中放電Ｓ２を併用することにより、最初から気中放電を発生させる場合に比較して、放電開始電圧を低くすることができ、また、大電流の沿面放電を実施して絶縁体を破損させることもなく、チャンバ内の大部分のガスをプラズマ化させることができる。

ところで、沿面放電を発生させる毎に、絶縁体２の側壁内面上の異なる位置での沿面放電となれば特に問題無いが、何らかの理由によって沿面放電Ｓ１が絶縁体２の側壁内面上の特定位置に集中して繰り返し起こることがあり、この時には、沿面放電Ｓ１によりプラズマ化されるガスもチャンバ内の沿面放電近傍の特定部分となって、気中放電Ｓ２がチャンバ内の特定部分に集中して繰り返し起こることとなる。それにより、気中放電Ｓ２に使用される中心電極３の位置及び接地電極４の位置もそれぞれ特定位置に集中し、大電流を流す気中放電Ｓ２によって中心電極３と接地電極４のそれぞれの特定位置が激しく消耗してしまう。

例えば、図１のＱ−Ｑ断面図である図２に示すように、チャンバ１を中心軸線Ｌ回りの四つの部分ａ１〜ａ４に分けて考えた場合において、もし、何らかの理由によって沿面放電がチャンバ１の特定部分ａ１に接する絶縁体２の側壁内面上に集中して繰り返し起こる場合には、気中放電はチャンバ１の特定部分ａ１に集中して繰り返し起こることとなり、チャンバ１の特定部分ａ１に接する中心電極３の特定位置及び接地電極４の特定位置が大電流の気中放電に集中して使用されることとなって、激しく消耗してしまう。本実施形態のプラズマ点火装置は、このような気中放電による中心電極３及び接地電極４の激しい消耗を防止することを目的としている。

本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、複数のコイルＣが周方向に等間隔で放射状に配置されており、チャンバ１回りの周方向の四つの領域Ａ１〜Ａ４において、それぞれの領域Ａ１〜Ａ４に位置するコイル群Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれへの通電によって、沿面放電によりチャンバ１内に発生させたプラズマを自身領域へ向けて引き寄せるローレンツ力Ｆ１〜Ｆ４（方向は実線矢印で示されている）を発生させるための磁場Ｂ１〜Ｂ４（方向は点線矢印で示されている）を形成するようになっている。

このような構成において、複数のコイル群Ｃ１〜Ｃ４から選択された一つのコイル群へ通電してローレンツ力を発生させ、沿面放電が絶縁内側壁の内面上の特定位置に集中して繰り返し起きても、沿面放電によりチャンバ内に発生させたプラズマを自身領域へ向けて引き寄せることにより、気中放電を自身領域に接するチャンバ内の部分で起こるようにし、気中放電がチャンバ内の特定部分に集中して繰り返し起こることを防止して中心電極及び接地電極のそれぞれの特定位置が気中放電に集中して使用されないようにする。こうして、中心電極及び接地電極の特定位置の激しい消耗を防止するようにしている。

プラズマジェットの噴射毎に実施される一つのコイル群への通電は、選択されて通電されたコイル群には、他の全てのコイル群へ一回通電された後でなければ再び通電されないように、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４の順で実施することが好ましい。もちろん、順番は任意に設定することができ、Ｃ１、Ｃ３、Ｃ２、Ｃ４でも良い。また、同じコイル群へ連続して通電されないように、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ３、Ｃ４のような順番パターンでも良い。また、同じコイル群へ集中して通電されないように、Ｃ１、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ４のような順番パターンにしても良い。これらの順番パターンのように、各コイル群への通電の頻度は各コイル群において等しくなるようにすることが好ましい。いずれにしても、気中放電に中心電極及び接地電極のそれぞれの特定位置が集中して使用されないようにすれば良い。

一つのコイル群への通電期間は、少なくとも沿面放電中を含めることが好ましい。本実施形態において、各領域Ａ１〜Ａ４に配置されたコイル郡Ｃ１〜Ｃ４（三つのコイル）は、同一方向に電流が流れるように、それぞれに直列に接続される。もちろん、各コイル群Ｃ１〜Ｃ４は、それぞれに一体化されても良い。直列に接続された各コイル群の一端は、例えば、スイッチング回路及び抵抗器を介してプラズマ点火装置の中心電極３に電気的に接続され、各コイル群の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。スイッチング回路は、選択された一つのコイル群に沿面放電中においてだけ中心電極３を接続するものであり、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沿面放電の電圧がスイッチング回路及び抵抗器を介して一つのコイル群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一つのコイル群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沿面放電のために中心電極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、選択された一つのコイル群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、各コイル群のための新たな電源を設けることなく、沿面放電中において、チャンバ内に発生するプラズマを、選択されたコイル群が位置する領域へ向けて引き寄せて、気中放電を自身領域に接するチャンバ内の部分で起こるようにすることができる。

もちろん、各コイル群Ｃ１〜Ｃ４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、沿面放電を発生させている間において、所望のローレンツ力が発生するように、選択されたコイル群へ電圧を印加するようにしても良い。また、沿面放電前又は気中放電中にも、沿面放電中に通電されるのと同じコイル群へ通電して、チャンバ内のプラズマを自身領域へ向けて引き寄せるためのローレンツ力を発生させ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を発生させるのに必要な電圧は高くなる。それにより、プラズマ点火装置の温度が低いほど、沿面放電の電圧が高くされて、沿面放電によりチャンバ内には高密度のプラズマが発生するために、発生するローレンツ力を大きくして自身領域へ向けて確実にプラズマを引き寄せるようにし、確実に自身領域近傍のチャンバ部分で気中放電が発生するように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は気筒上部略中心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、機関高負荷時において、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。一方、機関低負荷時においては、燃料噴射弁１５により圧縮行程において燃料を噴射して、気筒内の一部に成層混合気を形成し、この成層混合気を着火燃焼させる成層燃焼を実施する。燃料噴射弁１５は、中空円錐形状に燃料を噴射するものであり、このように噴射される燃料は、圧縮行程の高圧の吸気との摩擦によって良好に気化し、ピストン頂面に到達することなく気筒内の一部に成層混合気を形成することができる。

本実施形態において、プラズマ点火装置１０は燃料噴射弁１５近傍の吸気ポート側に配置されており、ピストン１６の頂面中央へ向けてプラズマを噴射するようになっている。それにより、均質燃焼時には、プラズマジェットにより均質混合気を中央から良好に着火させ、放射状に高速で燃焼させることができる。

図３は、成層燃焼時の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。この時においては、点火時期直前から燃料噴射弁１５により比較的多量の燃料が噴射されて、点火時期にはピストン頂面近傍を先端として大きく広がった成層混合気Ｆ１が形成される。

気中放電中においても前述のローレンツ力Ｆ１〜Ｆ４を発生させれば、プラズマ点火装置１０から噴射されるプラズマジェットをローレンツ力の方向に偏倚させることができる。

それにより、この時には、沿面放電中及び気中放電中において反燃料噴射弁側の領域（例えば、図３の平面視と図２とが一致する場合には、図２の領域Ａ１又はＡ４）に位置するコイル群（Ｃ１又はＣ４）へ通電して自身領域方向のローレンツ力（Ｆ１又はＦ４）を発生させる。それにより、プラズマ点火装置１０から噴射されるプラズマジェットＰ１は、反燃料噴射弁側へ偏向させられて、大きく広がった成層混合気Ｆ１に良好に接触して、成層混合気Ｆ１を確実に着火燃焼させることができる。この運転状態が継続する場合には、コイル群Ｃ１及びＣ４を交互に通電するようにしても良い。

図４は、成層燃焼時の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。この時においては、点火時期直前から燃料噴射弁１５により比較的少量の燃料が噴射されて、点火時期にはピストン頂面近傍を先端として小さくしか広がらない成層混合気Ｆ２が形成される。

この時には、沿面放電中及び気中放電中において、燃料噴射弁側の領域（例えば、図４の平面視と図２とが一致する場合には、図２の領域Ａ２又はＡ３）に位置するコイル群（Ｃ２又はＣ３）へ通電して自身領域方向のローレンツ力（Ｆ２又はＦ３）を発生させる。それにより、プラズマ点火装置１０から噴射されるプラズマジェットＰ２は、燃料噴射弁側へ偏向させられて、小さくしか広がらない成層混合気Ｆ２に良好に接触して、成層混合気Ｆ２を確実に着火燃焼させることができる。この運転状態が継続する場合には、コイル群Ｃ２及びＣ３を交互に通電するようにしても良い。

本実施形態のプラズマ点火装置は、チャンバ１回りを周方向に四つの領域に分割して、それぞれの領域に配置されたコイル群へ順次通電してチャンバ１内において自身領域へ向かうローレンツ力を発生させている。もちろん、四つの領域は、本発明を限定するものではなく、チャンバ１回りを周方向に任意の複数の領域（例えば、二つの領域でも、三つの領域でも、六つの領域でも良い）に分割して、それぞれの領域に配置されたコイルへ順次通電してチャンバ１内において自身領域へ向かうローレンツ力を発生させるようにすれば良い。

また、図３及び図４に示すプラズマ点火装置は、例えば、チャンバ１回りを燃料噴射弁側と反燃料噴射弁側との二つの領域に分割して、それぞれの領域にコイルを配置して、燃料噴射弁側方向へのローレンツ力と反燃料噴射弁側方向へのローレンツ力とが発生するようにして、プラズマジェットを燃料噴射弁側方向又は反燃料噴射弁側方向へ偏向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
Ｃ１〜Ｃ４コイル群

Claims

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、前記中心電極と前記接地電極との間に電圧を印加して、最初に前記絶縁体側壁の内面上の沿面放電を発生させ、次いで気中放電を発生させることにより、前記チャンバ内のガスをプラズマ化させ、前記チャンバ内で発生させた高温高圧のプラズマをプラズマジェットとして前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔から噴射するプラズマ点火装置において、前記チャンバ回りを周方向に複数の領域に分割し、前記複数の領域のそれぞれには、前記沿面放電により前記チャンバ内に発生させたプラズマを自身領域へ向けて引き寄せるローレンツ力を発生させるための磁場を形成するコイルが設けられ、複数の前記コイルから選択された一つのコイルへ通電して前記ローレンツ力を発生させ、前記沿面放電により前記チャンバ内に発生させたプラズマを自身領域へ向けて引き寄せて自身領域近傍で前記気中放電が発生するようにし、前記気中放電に前記中心電極及び前記接地電極のそれぞれの特定位置が集中して使用されないようにすることを特徴とするプラズマ点火装置。