JP2012048889A - 内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間を満たす混合気への点火方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放電が安定して発生し燃焼速度及び燃焼効率が向上する内燃機関の燃焼空間を満たす混合気への点火方法を提供する。
【解決手段】電極構造が燃焼容器に取りつけられた後に、前駆放電に続いて主放電が発生させられる。電極構造は、第１の電極と第１の誘電体バリアとを備える。第１の電極は、導電体からなり棒形状を有し燃焼容器の内面からとび出る。第１の誘電体バリアは、誘電体からなる。第１の電極の表面には、燃焼空間に露出する第１の露出表面と第１の誘電体バリアに被覆される第１の被覆表面とがある。前駆放電は、第１の被覆表面を始点又は終点として進展する。主放電は、第１の露出表面を始点又は終点として進展する。主放電は、第１の誘電体バリアの表面に沿う沿面放電を含み、前駆放電を発生させた空間領域を経由する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間を満たす混合気への点火方法に関する。

自動車エンジン等の内燃機関において混合気に点火するために、アノードとカソードとの間隙に放電を発生させるスパークプラグが広範に用いられる。

スパークプラグにおいては、アノードとカソードとの間隙を広げると、アノードとカソードとの間に印加する電圧を高くしなければ放電が発生しなくなる。また、混合気の組成、圧力等によっては、意図しないタイミングに放電が発生したり、アーク放電によりスパークプラグが破損したりし、放電の安定性が低下する。混合気の組成、圧力等は一定でなく、放電の安定性が低下すると、混合気への点火の安定性が損なわれる。

しかし、アノードとカソードとの間隙を広げないと、放電が３次元的に大きく広がらず、火炎が３次元的に大きく広がらず、燃焼速度及び燃焼効率が低下する。

この問題を解決するため、特許文献１のスパークプラグは、アノード（中心電極３）及びカソード（外側電極６）の他に誘導電極（浮遊電極１１）を設け、アノードとカソードとの間隙を広げることを提案する。

特開平５−３６４６３号公報

特許文献１のスパークプラグは有用であるが、火炎が発生する場所の近くの構造物の熱容量が大きく、当該構造物に熱が奪われやすく、燃焼速度及び燃焼効率を向上させにくい。また、混合気の圧力が高くなると、放電が阻害される。

本発明は、これらの課題を解決するためになされる。本発明の課題は、放電が安定して発生し燃焼速度及び燃焼効率が向上する内燃機関の燃焼空間を満たす混合気への点火方法を提供することである。

本発明は、内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間を満たす混合気への点火方法に関する。

本発明の第１の局面によれば、電極構造が燃焼容器に取りつけられた後に、前駆放電に続いて主放電が発生させられる。電極構造は、第１の電極と第１の誘電体バリアとを備える。第１の電極は、導電体からなり棒形状を有し燃焼容器の内面からとび出る。第１の誘電体バリアは、誘電体からなる。第１の電極の表面には、燃焼空間に露出する第１の露出表面と第１の誘電体バリアに被覆される第１の被覆表面とがある。前駆放電は、第１の被覆表面を始点又は終点として進展する。主放電は、第１の露出表面を始点又は終点として進展する。主放電は、第１の誘電体バリアの表面に沿う沿面放電を含み、前駆放電を発生させた空間領域を経由する。

本発明の第２の局面によれば、本発明の第１の局面において、第２の電極と第３の電極と第２の誘電体バリアとが電極構造にさらに設けられる。第２の電極及び第３の電極は導電体からなる。第２の誘電体バリアは誘電体からなる。第２の電極の表面には、燃焼空間に露出する第２の露出表面がある。第３の電極の表面には、第２の誘電体バリアに被覆される第２の被覆表面がある。前駆放電は、第１の被覆表面と第２の被覆表面との間に進展する。主放電は、第１の露出表面と第２の露出表面との間に進展する。主放電は、第２の誘電体バリアの表面に沿う沿面放電をさらに含む。

本発明の第３の局面によれば、本発明の第１の局面において、第２の電極が電極構造にさらに設けられる。第２の電極の表面には、燃焼空間に露出する第２の露出表面がある。主放電は、第１の露出表面と第２の露出表面との間に進展する。前駆放電は、第１の被覆表面と第２の露出表面との間に進展する。

本発明の第４の局面によれば、本発明の第１の局面において、第２の電極と第２の誘電体バリアとが電極構造にさらに設けられる。第２の電極の表面には、燃焼空間に露出する第２の露出表面と、第２の誘電体バリアに被覆される第２の被覆表面とがある。前駆放電は、第１の被覆表面と第２の被覆表面との間に進展する。主放電は、第２の誘電体バリアの表面に沿う沿面放電をさらに含む。主放電は、第１の露出表面と第２の露出表面との間に進展する。

本発明の第５の局面によれば、本発明の第１の局面において、第２の電極と第２の誘電体バリアとが電極構造にさらに設けられる。第２の電極は導電体からなる。第２の誘電体バリアは誘電体からなる。燃焼容器の内面には、燃焼空間に露出する第２の露出表面がある。第２の電極の表面には、第２の誘電体バリアに被覆される第２の被覆表面がある。前駆放電は、第１の被覆表面と第２の被覆表面との間に進展する。主放電は、第１の露出表面と第２の露出表面との間に進展する。主放電は、第２の誘電体バリアの表面に沿う沿面放電をさらに含む。

本発明の第６の局面によれば、本発明の第１の局面において、燃焼容器の内面には、燃焼空間に露出する第２の露出表面がある。前駆放電は、第１の被覆表面と第２の露出表面との間に進展する。主放電は、第１の露出表面と第２の露出表面との間に進展する。

本発明の第７の局面によれば、本発明の第１から第７までのいずれかの局面において、前駆放電がストリーマ放電であり、主放電がアーク放電である。

本発明によれば、前駆放電が発生した領域に主放電の安定放電経路が形成され、主放電が安定して発生する。また、混合気の圧力が高くても阻害されにくい沿面放電を主放電が含み、主放電が安定して発生する。さらに、主放電が３次元的に大きく広がり、生成する活性種が増加し、火炎が３次元的に大きく広がり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。加えて、主放電が発生する場所の近くの構造物の熱容量が小さくなり、当該構造物に熱が奪われにくくなり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。

本発明の第７の局面によれば、安定放電経路が形成されやすくなり、強力な火炎が発生しやすくなる。

これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。

第１実施形態の電極構造の斜視図である。 第１実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第１実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第１実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第２実施形態の電極構造の斜視図である。 第３実施形態の電極構造の斜視図である。 第４実施形態の電極構造の斜視図である。 第４実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第４実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第４実施形態の放電の遷移を示す図である。 第５実施形態の電極構造の斜視図である。 第５実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第５実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第５実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第６実施形態の電極構造の斜視図である。 第６実施形態の放電の遷移を示す図である。 第６実施形態の放電の遷移を示す図である。 第６実施形態の放電の遷移を示す図である。 第７実施形態の電極構造の斜視図である。 第７実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第７実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第７実施形態の放電の遷移を示す断面図である。 第８実施形態の点火装置の模式図である。 パルス列の模式図である。

｛第１実施形態｝
第１実施形態は、内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間（燃焼室）を満たす混合気への点火方法及び点火に使用される電極構造に関する。

（電極構造）
図１は、第１実施形態の電極構造の模式図（斜視図）である。

図１に示すように、電極構造１０００は、アノード１００２、カソード１００４、誘導電極１００６、アノード被覆１００８、誘導電極被覆１０１０及びアノード支持体１０１２を備える。アノード１００２の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面１０１４とアノード被覆１００８に被覆される被覆表面１０１６とがある。カソード１００４の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面１０１８がある。誘導電極１００６の表面には、誘導電極被覆１０１０に被覆される被覆表面１０２０がある。

アノード１００２がカソードとして使用され、カソード１００４がアノードとして使用されてもよい。放電の始点及び終点が入れ替えられてもよく、放電の進展の方向が変更されてもよい。これらのことは、全部の実施形態において共通である。

（放電の遷移）
図２、図３及び図４は、電極構造１０００が点火に使用される場合の放電の遷移を示す模式図（Ａ−Ａ断面図）である。

電極構造１０００は、図２に示すように、従来のスパークプラグと同じく燃焼容器１０２２に取りつけられる。電極構造１０００が燃焼容器１０２２に取りつけられると、アノード１００２が燃焼容器１０２２の内面１０２３からとび出て、アノード１００２の露出表面１０１４の露出表面１００８が燃焼容器１０２２の内面１０２３から離れる。望ましくは、カソード１００４も燃焼容器１０２２の内面１０２３からとび出る。

電極構造１０００が燃焼容器１０２２に取りつけられた後に、アノード１００２とカソード１００４との間にパルス電圧が印加され、図３に示すように、アノード１００２の被覆表面１０１６と誘導電極１００６の被覆表面１０２０との間にアノード１００２の被覆表面１０１６から誘導電極１００６の被覆表面１０２０へ進展する前駆放電ＤＩＳ１が発生する。前駆放電ＤＩＳ１の発生に続いて、アノード１００２とカソード１００４との間へのパルス電圧の印加が継続され、図４に示すように、アノード１００２の露出表面１０１４とカソード１００４の露出表面１０１８との間にアノード１００２の露出表面１０１４からカソード１００４の露出表面１０１８へ進展する主放電ＤＩＳ２が発生する。通常の場合は、前駆放電ＤＩＳ１及び主放電ＤＩＳ２は、電極構造１０００が燃焼容器１０２２に取りつけられた後に繰り返し発生させられる。

主放電ＤＩＳ２は、前駆放電ＤＩＳ１が発生した後であって前駆放電ＤＩＳ１により形成された安定放電経路が消失する前に発生する。このことは、全部の実施形態において共通である。

主放電ＤＩＳ２は、アノード１００２の露出表面１０１４からアノード被覆１００８の表面１０２４に沿って進展し、前駆放電ＤＩＳ１が発生した空間領域Ｒ１を経由し、誘導電極被覆１０１０の表面１０２６に沿って進展しカソード１００４の露出表面１０１８へ至る。主放電ＤＩＳ２は、アノード被覆１００８の表面１０２４に沿う沿面放電ＣＤ１及び誘導電極被覆１０１０の表面１０２６に沿う沿面放電ＣＤ２を含み、前駆放電ＤＩＳ１が発生した空間領域Ｒ１を経由する。これにより、混合気の圧力が高くても阻害されにくい沿面放電ＣＤ１及びＣＤ２を主放電ＤＩＳ２が含み、主放電ＤＩＳ２が安定して発生する。

（安定放電経路の形成）
図１に示すように、誘導電極１００６の被覆表面１０２０はアノード１００２の被覆表面１０１６に近づけられる。アノード被覆１００８と誘導電極被覆１０１０とは、燃焼空間Ｓを挟んで対向する。これにより、アノード被覆１００８及び誘導電極被覆１０１０が誘電体バリアとなり、アノード１００２とカソード１００４との間にパルス電圧が印加されたときに初期に発生する前駆放電ＤＩＳ１は、アノード被覆１００８と誘導電極被覆１０１０とに挟まれた空間領域Ｒ１における誘電体バリア放電となる。誘電体バリア放電は、活性種を生成するプラズマを空間領域Ｒ１に発生させ、主放電ＤＩＳ２の安定放電経路を空間領域Ｒ１に形成する。アノード被覆１００８と誘導電極被覆１０１０とに挟まれる空間領域Ｒ１が存在するならば、アノード被覆１００８の一部と誘導電極被覆１０１０の一部とが接触してもよい。

一般的には、一方の電極の露出表面と他方の電極の露出表面との間に発生する非誘電体バリア放電は、混合気の圧力、組成等の影響を受けやすく、安定して発生しない。しかし、電極構造１０００が点火に使用される場合は、主放電ＤＩＳ２の安定放電経路が空間領域Ｒ１に形成され、非誘電体バリア放電の主放電ＤＩＳ２が安定して発生する。

安定放電経路の位置は、誘導電極１００６の被覆表面１０２０の位置によって決まる。したがって、電極構造１０００が点火に使用される場合は、主放電ＤＩＳ２の放電経路が誘導電極１００６の被覆表面１０２０の位置によって決まる。主放電ＤＩＳ２の放電経路が制御されると、放電の形態が変化する電圧、放電が進展する距離及び方向等も制御され、内燃機関に適した放電を発生させることが容易になる。これらのことは、全部の実施形態において共通である。

（放電の形態）
前駆放電ＤＩＳ１は、望ましくは、ストリーマ放電である。ストリーマ放電は、主放電ＤＩＳ２の安定放電経路を形成するのに適するからである。主放電ＤＩＳ２は、望ましくは、アーク放電である。アーク放電は、強力な火炎の発生に適するからである。パルス電圧の波形及び混合気の組成、圧力等によっては放電の形態がやや異なる場合もあるが、相対的に弱い前駆放電ＤＩＳ１に続いて相対的に強い主放電ＤＩＳ２を発生させることは同じである。これらのことは、全部の実施形態において共通である。

（アノード及びアノード被覆）
アノード１００２は、棒形状を有し、カソード１００４の開口１０２８の外縁１０３０、アノード支持体１０１２等の他の構造物からとび出る。これにより、主放電ＤＩＳ２が３次元的に大きく広がり、生成する活性種が増加し、火炎が３次元的に大きく広がり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。また、主放電ＤＩＳ２が発生する場所の近くの構造物の熱容量が小さくなり、当該構造物に熱が奪われにくくなり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。これらのことは、希薄燃焼に適した点火を可能にする。図１に示すアノード１００２は直棒形状を有するが、アノード１００２が曲棒形状を有してもよい。

アノード１００２の露出表面１０１４はアノード１００２の先端部分にあり、アノード１００２の被覆表面１０１６はアノード１００２の非先端部分にある。これにより、アノード１００２の露出表面１０１４がカソード１００４の露出表面１０１８から離れ、主放電ＤＩＳ２が３次元的に大きく広がり、生成する活性種が増加し、火炎が３次元的に大きく広がり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。燃焼速度及び燃焼効率がやや低下することが許されるのであれば、アノード１００２の露出表面１０１４がアノード１００２の先端部分以外にあってもよい。

（カソード）
カソード１００４は、管形状を有する。カソード１００４は開口を有する形状物であればよい。カソード１００４は、アノード支持体１０１２からとび出る。

カソード１００４の露出表面１０１８は、カソード１００４の表面の広範囲に広がる。ただし、カソード１００４の表面のうち放電の終点となる領域、すなわち、誘導電極１００６が接続される部分に近い面領域がカソード１００４の露出表面１０１８であれば足り、カソード１００４の表面のうち誘導電極１００６が接続される部分から遠い面領域は露出表面及び被覆表面のいずれでもよい。

（誘導電極及び誘導電極被覆）
誘導電極１００６は、誘導部１０３２及び接続部１０３４を備える。誘導部１０３２はリング形状を有し、接続部１０３４は直棒形状を有する。接続部１０３４は、誘導部１０３２から径方向外側へ放射状に延びカソード１００４の開口１０２８の外縁１０３０へ至る。

誘導電極１００６の被覆表面１０２０は、接続部１０３４の非先端部分及び誘導部１０３２にある。

誘導電極１００６の露出表面１０３６は誘導電極被覆１０１０に被覆されない。誘導電極１００６の露出表面１０３６は、接続部１０３４の先端部分にあり、カソード１００４の開口１０２８の外縁１０３０に接続される。これにより、誘導電極１００６は、カソード１００４に電気的に接続され、カソード１００４に機械的に保持される。

誘導電極１００６は、カソード１００４に電気的に接続されない浮遊電極であってもよい。したがって、誘導電極１００６の表面の全部が誘導電極被覆１０１０に被覆されてもよい。誘導電極１００６の表面の全部が誘導電極被覆１０１０に被覆される場合は、誘導電極１００６がカソード１００４の開口１０２８の外縁１０３０に直接的に接続されず、誘導電極１００６が誘導電極被覆１０１０を挟んでカソード１００４の開口１０２８の外縁１０３０に接続される。

誘導電極１００６は、棒形状を有する。これにより、誘導電極１００６の熱容量が小さくなり、誘導電極１００６に奪われる熱が少なくなり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。

（材質及び膜厚）
アノード１００２、カソード１００４及び誘導電極１００６は、導電体からなる。アノード１００２、カソード１００４及び誘導電極１００６の材質は、望ましくは、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｔ）、白金（Ｐｔ）、イットリウム（Ｙ）等の金属、これらの金属を基とする合金等から選択される。

アノード被覆１００８及び誘導電極被覆１０１０は、誘電体からなる。アノード被覆１００８及び誘導電極被覆１０１０の材質は、望ましくは、アルミナ等のセラミックス、フッ素樹脂等の樹脂等から選択される。アノード被覆１００８及び誘導電極被覆１０１０は、膜形状物である。前駆放電ＤＩＳ１の形態、アノード１００２及び誘導電極１０１０の耐久性は、アノード被覆１００８及び誘導電極被覆１０１０の材質及び膜厚により制御される。これらのことは、全部の実施形態において共通である。

（放電の均一性の向上）
望ましくは、電極構造１０００において放電の始点及び終点となる部分は中心軸についての回転対称性を有する。すなわち、アノード１００２は直棒形状を有し、カソード１００４は円形の開口１０２８を有し、誘導電極１００６の誘導部１０３２は円リング形状を有する。また、カソード１００４の中心軸Ｃ１と誘導電極１００６の誘導部１０３２の中心軸Ｃ２とは一致し、絶縁体からなるアノード支持体１０１２によりカソード１００４の中心軸Ｃ１及び誘導電極１００６の誘導部１０３２の中心軸Ｃ２の上にアノード１００２が支持される。これにより、前駆放電ＤＩＳ１及び主放電ＤＩＳ２の放電距離が均一になり、アノード１００２の周りに前駆放電ＤＩＳ１及び主放電ＤＩＳ２が均一に発生する。燃焼空間Ｓにおける電極構造１０００等の配置、ガスの流れ等によっては、又は、燃焼に指向性がある場合等には、アノード１００２、カソード１００４及び誘導電極１００６の誘導部１０３２の形状及び配置が変更されてもよい。

｛第２実施形態｝
第２実施形態は、第１実施形態の電極構造に代えて使用される電極構造に関する。第２実施形態の電極構造においては、第１実施形態の電極構造から誘導電極の構造が変更される。

（電極構造）
図５は、第２実施形態の電極構造２０００の模式図（斜視図）である。

図５に示すように、電極構造２０００は、アノード２００２、カソード２００４、誘導電極２００６、アノード被覆２００８、誘導電極被覆２０１０及びアノード支持体２０１２を備える。アノード２００２の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面２０１４とアノード被覆２００８に被覆される被覆表面２０１６とがある。カソード２００４の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面２０１８がある。誘導電極２００６の表面には、誘導電極被覆２０１０に被覆される被覆表面２０２０がある。第２実施形態のアノード２００２、カソード２００４、アノード被覆２００８及びアノード支持体２０１２は、それぞれ、第１実施形態のアノード１００２、カソード１００４、アノード被覆１００８及びアノード支持体１０１２と同じものである。

（放電の遷移）
電極構造２０００が使用される場合も、電極構造２０００は燃焼容器に取りつけられる。電極構造２０００が燃焼容器に取りつけられると、アノード２００２は燃焼容器の内面から飛び出て、アノード２００２の露出表面２０１４が燃焼容器の内面から離れる。

電極構造２０００が燃焼容器に取りつけられた後に、アノード２００２とカソード２００４との間にパルス電圧が印加され、アノード２００２の被覆表面２０１６から誘導電極２００６の被覆表面２０２０へ進展する前駆放電が発生する。アノード被覆２００８及び誘導電極被覆２０１０は誘電体バリアとして機能し、前駆放電は誘電体バリア放電となる。前駆放電の発生に続いて、アノード２００２とカソード２００４との間へのパルス電圧の印加が継続され、アノード２００２の露出表面２０１４からカソード２００４の露出表面２０１８へ進展する主放電が発生する。主放電は、アノード被覆２００８の表面２０２８に沿う沿面放電及び誘導電極被覆２０１０の表面２０３０に沿う沿面放電を含み、前駆放電が発生した空間領域を経由する。

（誘導電極及び誘導電極被覆）
誘導電極２００６は棒形状を有する。

誘導電極２００６の被覆表面２０２０は誘導電極２００６の非両端部分にある。

誘導電極２００６の露出表面２０２２は誘導電極被覆２０１０に被覆されない。誘導電極２００６の露出表面２０２２は、誘導電極２００６の両端部分にあり、カソード２００４の開口２０２４の外縁２０２６に接続される。

誘導電極２００６は、カソード２００４に電気的に接続されない浮遊電極であってもよい。したがって、誘導電極２００６の表面の全部が誘導電極被覆２０１０に被覆されてもよい。

（放電の均一性の向上）
望ましくは、誘導電極２００６は直棒形状を有する。これにより、誘導電極２００６の構造が単純になり、電極構造２０００の製造が容易になる。また、一方の誘導電極２００６と他方の誘導電極２００６とは平行に配置され、アノード支持体２０１２により一方の誘導電極２００６と他方の誘導電極２００６との中間にアノード２００２が支持される。これにより、前駆放電及び主放電の放電距離が均一になり、アノード２００２の周りに前駆放電及び主放電が均一に発生する。燃焼速度及び燃焼効率がやや低下することが許されるのであれば、アノード２００２、カソード２００４及び誘導電極２００６の形状及び配置が変更されてもよい。また、誘導電極２００６の本数が１本又は３本以上であってもよい。

（実験）
第２実施形態の電極構造を使用して「放電の遷移」の欄で説明した放電を発生させた。また、誘導電極をアノードから離して「放電の遷移」の欄で説明した放電とは異なる発生させた。前者の場合は、１分間以上にわたって放電を継続しても電極構造２０２０は損傷しなかった。後者の場合は、パルス電圧のピーク電圧が１８ｋＶに達すると電極構造が損傷した。

｛第３実施形態｝
第３実施形態は、第１実施形態の電極構造に代えて使用される電極構造に関する。第３実施形態の電極構造においては、第１実施形態の電極構造から全体構造が変更される。

（電極構造）
図６は、第３実施形態の電極構造の模式図（斜視図）である。

図６に示すように、電極構造３０００は、アノード３００２、カソード３００４、誘導電極３００６、アノード被覆３００８及び誘導電極被覆３０１０を備える。アノード３００２の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面３０１２とアノード被覆３００８に被覆される被覆表面３０１４とがある。カソード３００４の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面３０１６がある。誘導電極３００６の表面には、誘導電極被覆３０１０に被覆される被覆表面３０１８がある。

（放電の遷移）
電極構造３０００が使用される場合も、電極構造３０００は燃焼容器に取りつけられる。電極構造３０００が燃焼容器に取りつけられると、アノード３００２は燃焼容器の内面からとび出て、アノード３００２の露出表面３０１２が燃焼容器の内面から離れる。

電極構造３０００が燃焼容器に取りつけられた後に、アノード３００２とカソード３００４との間にパルス電圧が印加され、アノード３００２の被覆表面３０１４から誘導電極３００６の被覆表面３０１８へ進展する前駆放電が発生する。アノード被覆３００８及び誘導電極被覆３０１０は誘電体バリアとして機能し、前駆放電は誘電体バリア放電となる。前駆放電の発生に続いて、アノード３００２とカソード３００４との間へのパルス電圧の印加が継続され、アノード３００２の露出表面３０１２からカソード３００４の露出表面３０１６へ進展する主放電が発生する。主放電は、アノード被覆３００８の表面３０２２に沿う沿面放電及び誘導電極被覆３０１０の表面３０２４に沿う沿面放電を含み、前駆放電が発生した領域を経由する。

（アノード及びアノード被覆）
アノード３００２は、棒形状を有し、カソード３００４の取りつけ面３０２０からとび出る。これにより、主放電が３次元的に大きく広がり、生成する活性種が増加し、火炎が３次元的に大きく広がり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。また、主放電が発生する場所の近くの構造物の熱容量が小さくなり、当該構造物に熱が奪われにくくなり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。図６に示すアノード３００２は円弧形又は弓形の曲棒形状を有するが、アノード３００２が円弧形以外の曲棒形状を有してもよいし、直棒形状を有してもよい。

アノード３００２の露出表面３０１２はアノード３００２の中点部分にあり、アノード３００２の被覆表面３０１４はアノード３００２の非中点部分にある。これにより、アノード３００２の露出表面３０１２がカソード３００４の取りつけ面３０２０から離れ、主放電が３次元的に大きく広がり、生成する活性種が増加し、火炎が３次元的に大きく広がり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。

（カソード）
カソード３００４は、取りつけ面３０２０を有する形状物である。

カソード３００４の露出表面３０１６は、カソード３００４の表面の広範囲に広がる。ただし、カソード３００４の表面のうち放電の終点となる領域、すなわち、誘導電極３００６が接続される部分に近い領域が露出表面３０１６であればよく、カソード３００４の表面のうち誘導電極３００６が接続される部分から遠い領域は露出表面及び被覆表面のいずれでもよい。

（誘導電極）
誘導電極３００６は、棒形状を有する。誘導電極３００６は、アノード３００２の非中点部分に沿って延びる。望ましくは、誘導電極３００６は、アノード３００２の非中点部分と一定の距離を保って延びる。これにより、放電距離が均一になり、前駆放電及び主放電の均一性が向上する。誘導電極３００６は、円弧形以外の曲棒形状を有してもよいし、直棒形状を有してもよい。

誘導電極３００６の被覆表面３０１８は、非根元部分にある。

｛第４実施形態｝
第４実施形態は、内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間を満たす混合気への点火方法及び点火に使用される電極構造に関する。第４実施形態の電極構造においては、第３実施形態の電極構造から誘導電極及び誘導電極被覆が省略される。第４実施形態の点火方法においては、前駆放電の終点がカソードの露出表面へ変更される。

（電極構造）
図７は、第４実施形態の電極構造の模式図（斜視図）である。

図７に示すように、電極構造４０００は、アノード４００２、カソード４００４及びアノード被覆４００６を備える。アノード４００２の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面４００８とアノード被覆４００６に被覆される被覆表面４０１０とがある。カソード４００４の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面４０１２がある。第４実施形態のアノード４００２、カソード４００４及びアノード被覆４００６は、それぞれ、第３実施形態のアノード３００２、カソード３００４及びアノード被覆３００８と同じものである。

第３実施形態の電極構造３０００から誘導電極３００６及び誘導電極被覆３０１０が省略されてもよいのと同じく、第１実施形態の電極構造１０００から誘導電極１００６及び誘導電極被覆１０１０が省略されてもよいし、第２実施形態の電極構造２０００から誘導電極２００６及び誘導電極被覆２０１０が省略されてもよい。

（放電の遷移）
図８、図９及び図１０は、電極構造４０００が点火に使用される場合の放電の遷移を示す模式図（断面図）である。

図８に示すように、電極構造４０００は燃焼容器４０１４に取りつけられる。電極構造４０００が燃焼容器４０１４に取りつけられると、アノード４００２は燃焼容器４０１４の内面４０１５からとび出て、アノード４００２の露出表面４００８が燃焼容器４０１４の内面４０１５から離れる。

電極構造４０００が燃焼容器４０１４に取りつけられた後に、アノード４００２とカソード４００４との間にパルス電圧が印加され、図９に示すように、アノード４００２の被覆表面４０１０からカソード４００４の露出表面４０１２へ進展する前駆放電ＤＩＳ１が発生する。アノード被覆４００６は誘電体バリアとして機能し、前駆放電ＤＩＳ１は誘電体バリア放電となる。前駆放電ＤＩＳ１の発生に続いて、アノード４００２とカソード４００４との間へのパルス電圧の印加が継続され、図１０に示すように、アノード４００２の露出表面４００８からカソード４００４の露出表面４０１２へ進展する主放電ＤＩＳ２が発生する。

主放電ＤＩＳ２は、アノード被覆４００６の表面４０１４に沿う沿面放電ＣＤ１を含み、前駆放電ＤＩＳ１が発生した空間領域Ｒ１を経由する。これにより、混合気の圧力が高くても阻害されにくい沿面放電ＣＤ１を主放電ＤＩＳ２が含み、主放電ＤＩＳ２が安定して発生する。

｛第５実施形態｝
第５実施形態は、内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間を満たす混合気への点火方法及び点火に使用される電極構造に関する。第５実施形態の電極構造においては、第１実施形態の電極構造から誘導電極及び誘導電極被覆が省略され、カソードの構造が変更され、カソード被覆が設けられる。第５実施形態の点火方法においては、前駆放電の終点がカソードの被覆表面へ変更される。

（電極構造）
図１１は、第５実施形態の電極構造の模式図（斜視図）である。

図１１に示すように、電極構造５０００は、アノード５００２、カソード５００４、アノード被覆５００６、カソード被覆５００８及びアノード支持体５０１０を備える。アノード５００２の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面５０１２とアノード被覆５００６に被覆される被覆表面５０１４とがある。カソード５００４の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面５０１６とカソード被覆５００８に被覆される被覆表面５０１８とがある。第５実施形態のアノード５００２、アノード被覆５００６及びアノード支持体５０１０は、それぞれ、第１実施形態のアノード１００２、アノード被覆１００８及びアノード支持体１０１２と同じものである。

（放電の遷移）
図１２、図１３及び図１４は、電極構造５０００が点火に使用される場合の放電の遷移を示す模式図（断面図）である。

図１２に示すように、電極構造５０００は燃焼容器５０２４に取りつけられる。電極構造５０００が燃焼容器５０２４に取りつけられると、アノード５００２は燃焼容器５０２４の内面５０２５から飛び出て、アノード５００２の露出表面５０１２が燃焼容器５０２４の内面５０２５から離れる。

電極構造５０００が燃焼容器５０２４に取りつけられた後に、アノード５００２とカソード５００４との間にパルス電圧が印加されると、図１３に示すように、アノード５００２の被覆表面５０１８からカソード５００４の被覆表面５０１８へ進展する前駆放電ＤＩＳ１が発生する。アノード被覆５００６及びカソード被覆５００８は誘電体バリアとして機能し、前駆放電ＤＩＳ１は誘電体バリア放電となる。前駆放電ＤＩＳ１の発生に続いて、アノード５００２とカソード５００４との間へのパルス電圧の印加が継続され、図１４に示すように、アノード５００２の露出表面５０１２からカソード５００４の露出表面５０１６へ進展する主放電ＤＩＳ２が発生する。

主放電ＤＩＳ２は、アノード被覆５００６の表面５０２６に沿う沿面放電ＣＤ１及びカソード被覆５００８の表面５０２８に沿う沿面放電ＣＤ２を含み、前駆放電ＤＩＳ１が発生した空間領域Ｒ１を経由する。これにより、混合気の圧力が高くても阻害されにくい沿面放電ＣＤ１及びＣＤ２を主放電ＤＩＳ２が含み、主放電ＤＩＳ２が安定して発生する。

（カソード及びカソード被覆）
図１１に示すように、カソード５００４は、本体部５０２０と誘導部５０２２とを備える。本体部５０２０は、管形状を有する。誘導部５０２２は、扁平リング形状又は平ワッシャー形状を有する。誘導部５０２２は、本体部５０２０から径方向内側へ延びる。カソード５００４の被覆表面５０１８は、アノード５００２の被覆表面５０１４に近づけられる。

カソード５００４の露出表面５０１６は、本体部５０２０の表面の広範囲に広がる。ただし、本体部５０２０の表面のうち放電の終点となる領域、すなわち、誘導部５０２２が接続される部分に近い領域が露出表面５０１６であればよく、カソード５００４の表面のうち誘導部５０２２が接続される部分から遠い領域は露出表面及び被覆表面のいずれでもよい。

カソード５００４の被覆表面５０１８は、誘導部５０２２にある。

（放電の均一性の向上）
望ましくは、電極構造５０００は、中心軸についての回転対称性を有する。すなわち、アノード５００２は直棒形状を有し、カソード５００４の本体部５０２０は円管形状を有し、カソード５００４の誘導部５０２２は円形の開口５０２６を有する。また、カソード５００４の本体部５０２０の中心軸Ｃ３及びカソード５００４の誘導部５０２２の中心軸Ｃ４とは一致し、アノード支持体５０１０によりカソード５００４の本体部５０２０の中心軸Ｃ３及びカソード５００４の誘導部５０２２の中心軸Ｃ４の上にアノード５００２が支持される。これにより、前駆放電ＤＩＳ１及び主放電ＤＩＳ２の放電距離が均一になり、アノード５００２の周りに前駆放電ＤＩＳ１及び主放電ＤＩＳ２が均一に発生する。燃焼速度及び燃焼効率がやや低下することが許されるのであれば、アノード５００２及びカソード５００４の形状及び配置が変更されてもよい。

｛第６実施形態｝
第６実施形態は、内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間を満たす混合気への点火方法及び点火に使用される電極構造に関する。第６実施形態においては、主放電の終点が燃焼容器の露出表面になる。

（電極構造）
図１５は、第６実施形態の電極構造の模式図（斜視図）である。

図１５に示すように、電極構造６０００は、アノード６００２、誘導電極６００４、アノード被覆６００６及び誘導電極被覆６００８を備える。燃焼容器６０１０はカソードとして用いられる。アノード６００２の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面６０１２とアノード被覆６００６に被覆される被覆表面６０１４とがある。燃焼容器６０１０の内面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面６０１６がある。誘導電極６００４の表面には、誘導電極被覆６００８に被覆される被覆表面６０１８がある。

（放電の遷移）
図１６、図１７及び図１８は、電極構造６０００が点火に使用される場合の放電の遷移を示す模式図（断面図）である。

図１６に示すように、電極構造６０００は燃焼容器６０１０に取りつけられる。電極構造６０００が燃焼容器６０１０に取りつけられると、アノード６００２は燃焼容器６０１０の内面６０２４からとび出て燃焼空間Ｓを横切り、アノード６００２の露出表面６０１２が燃焼容器６０１０の内面６０２４から離れる。

電極構造６０００が燃焼容器６０１０に取りつけられた後に、アノード６００２と燃焼容器６０１０との間にパルス電圧が印加され、図１７に示すように、アノード６００２の被覆表面６０１４から誘導電極６００４の被覆表面６０１８へ進展する前駆放電ＤＩＳ１が発生する。アノード被覆６００６及び誘導電極被覆６００８は誘電体バリアとして機能し、前駆放電ＤＩＳは誘電体バリアとして機能する。前駆放電ＤＩＳ１の発生に続いて、図１８に示すように、アノード６００２の露出表面６０１２から燃焼容器６０１０の露出表面６０１６へ進展する主放電ＤＩＳ２が発生する。

主放電ＤＩＳ２は、アノード６００２の露出表面６０１２からアノード被覆６００６の表面６０２０に沿って進展し、前駆放電ＤＩＳ１が発生した空間領域Ｒ１を経由し、誘導電極被覆６００８の表面６０２２に沿って進展し燃焼容器６０１０の露出表面６０１６へ至る。主放電ＤＩＳ２は、アノード被覆６００６の表面６０２０に沿う沿面放電ＣＤ１及び誘導電極被覆６００８の表面６０２２に沿う沿面放電ＣＤ２を含み、前駆放電ＤＩＳ１が発生した空間領域Ｒ１を経由する。これにより、混合気の圧力が高くても阻害されにくい沿面放電ＣＤ１及びＣＤ２を主放電ＤＩＳ２が含み、主放電ＤＩＳ２が安定して発生する。

（アノード６００２）
アノード６００２は、棒形状を有する。アノード６００２は、燃焼容器６０１０の内面６０２４からとび出る。これにより、主放電ＤＩＳ２が３次元的に大きく広がり、火炎が３次元的に大きく広がり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。また、主放電ＤＩＳ２が発生する場所の近くの構造物の熱容量が小さくなり、当該構造物に熱が奪われにくくなり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。図１５に示すアノード６００２は直棒形状を有するが、アノード６００２が曲棒形状を有してもよい。

アノード６００２の露出表面６０１２はアノード６００２の中点部分にあり、アノード６００２の被覆表面６０１４はアノード６００２の非中点部分にある。これにより、アノード６００２の露出表面６０１２が燃焼容器６０１０の内面から離れ、主放電ＤＩＳ２が３次元的に大きく広がり、火炎が３次元的に大きく広がり、燃焼速度及び燃焼効率が向上する。

（誘導電極６００４）
誘導電極６００４は、棒形状を有する。誘導電極６００４は、アノード６００２の非中点部分に沿って延びる。望ましくは、誘導電極６００４は、アノード６００２の非中点部分と一定の距離を保って延びる。これにより、放電距離が均一になり、前駆放電ＤＩＳ１及び主放電ＤＩＳ２の均一性が向上する。図１５に示す誘導電極６００４は直棒形状を有するが、誘導電極が曲棒形状を有してもよい。

誘導電極６００４の被覆表面６０１８は、誘導電極６００４の非根元部分にある。

誘導電極６００４の露出表面６０２２は誘電体被覆に被覆されない。誘導電極６００４の露出表面６０２２は、誘導電極６００４の根元部分にあり、燃焼容器６０１０の内面６０１６に接続される。これにより、誘導電極６００４は、燃焼容器６０１０に電気的に接続され、燃焼容器６０１０に機械的に保持される。

誘導電極６００４の露出表面６０２２が誘導電極６００４の根元部分にあるのは、誘導電極６００４を燃焼容器６０１０に電気的に接続するためである。しかし、誘導電極６００４は、燃焼容器６０１０に電気的に接続されない浮遊電極であってもよい。したがって、誘導電極６００４の表面の全部が誘導電極被覆６００８に被覆されてもよい。

（燃焼容器６０１０）
燃焼容器６０１０は導電体からなる。燃焼容器６０１０の露出表面６０１６は、燃焼容器６０１０の内面６０１６の広範囲に広がる。ただし、燃焼容器６０１０の内面６０１６のうち放電の終点となる領域、すなわち、誘導電極６００４が接続される部分に近い領域が露出表面６０１６であればよく、燃焼容器６０１０の内面のうち誘導電極６００４が接続される部分から遠い領域は露出表面及び被覆表面のいずれでもよい。

｛第７実施形態｝
第７実施形態は、内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間を満たす混合気への点火方法及び点火に使用される電極構造に関する。第７実施形態の電極構造においては、第６実施形態の電極構造から誘導電極が省略される。第７実施形態においては、前駆放電及び主放電の終点が燃焼容器の露出表面になる。

（電極構造）
図１９は、第７実施形態の電極構造の模式図（斜視図）である。

図１９に示すように、電極構造７０００は、アノード７００２及びアノード被覆７００４を備える。燃焼容器７０１０はカソードとして用いられる。アノード７００２の表面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面７００６とアノード被覆７００４に被覆される被覆表面７００８とがある。燃焼容器７０１０の内面には、燃焼空間Ｓに露出する露出表面７０１２がある。第７実施形態のアノード７００２及びアノード被覆７００４は、第６実施形態のアノード６００２及びアノード被覆６００６と同じものである。

（放電の遷移）
図２０、図２１及び図２２は、電極構造７０００が点火に使用される場合の放電の遷移を示す模式図（断面図）である。

図２０に示すように、電極構造７０００は燃焼容器７０１０に取りつけられる。電極構造７０００が燃焼容器７０１０に取りつけられると、アノード７００２は燃焼容器７０１０の内面７０１２からとび出て燃焼空間Ｓを横切り、アノード７００２の露出表面７００６が燃焼容器７０１０の内面７０１２から離れる。

電極構造７０００が燃焼容器７０１０に取りつけられた後に、アノード７００２と導電体からなる燃焼容器７０１０との間にパルス電圧が印加され、図２１に示すように、アノード７００２の被覆表面７００６から燃焼容器７０１０の露出表面７０１２へ進展する前駆放電ＤＩＳ１が発生する。アノード被覆７００４は誘電体バリアとして機能し、前駆放電ＤＩＳ１は誘電体バリア放電となる。前駆放電ＤＩＳ１の発生に続いて、図２２に示すように、アノード７００２の露出表面７００６から燃焼容器７０１０の露出表面７０１２へ進展する主放電ＤＩＳ２が発生する。

主放電ＤＩＳ２は、アノード被覆７００４の表面７０１４に沿う沿面放電ＣＤ１を含み、前駆放電ＤＩＳ１が発生した空間領域Ｒ１を経由する。これにより、混合気の圧力が高くても阻害されにくい沿面放電ＣＤ１を主放電ＤＩＳ２が含み、主放電ＤＩＳ２が安定して発生する。

｛第８実施形態｝
第８実施形態は、内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間を満たす混合気に点火する点火装置に関する。

図２３に示すように、点火装置８０００は、パルス電源８００２、ケーブル８００４及び電極構造８００６を備える。電極構造８００６には、他の実施形態の電極構造のいずれかが使用される。パルス電源８００２と電極構造８００６とはケーブル８００４により接続され、パルス電源８００２が発生したパルス電圧は伝送経路のケーブル８００４を経由してアノードとカソードとの間に供給される。

パルス電源８００２の形式は制限されないが、インダクタ、トランス等の誘導性素子に蓄積された誘導エネルギーを放出することによりパルス電圧を発生する誘導エネルギー蓄積型であることが望ましい。誘導エネルギー蓄積型のパルス電源は、著しく大きいエネルギーを供給できるからである。

図２４は、アノードとカソードとの間に印加されるパルス列の波形の模式図である。パルス列ＰＬの各々のパルスＰにおいては、上記の前駆放電ＤＩＳ１及び主放電ＤＩＳ２が発生し、火炎が発生する。したがって、パルス列が印加されると、各々のパルスごとに点火が行われる。

本発明は詳細に示され記述されたが、上記の記述は全ての局面において例示であって限定的ではない。しがって、本発明の範囲からはずれることなく無数の修正及び変形が案出されうると解される。特に、一の実施形態の技術的事項と他の実施形態の技術的事項とを組み合わせることは当然に予定されている。

１０００，２０００，３０００，４０００，５０００，６０００，７０００ 電極構造
１００２，２００２，３００２，４００２，５００２，６００２，７００２ アノード
１００４，２００４，３００４，４００４，５００４ カソード
１００６，２００６，３００６，６００４ 誘導電極
１００８，２００８，３００８，４００６，５００６，７００４ アノード被覆
１０１０，２０１０，３０１０，６００８ 誘導電極被覆
１０２２，４０１４，５０２４，６０１０，７０１０ 燃焼容器
ＤＩＳ１ 前駆放電
ＤＩＳ２ 主放電
Ｓ 燃焼空間

Claims (7)

1. 内燃機関の燃焼容器に形成された燃焼空間を満たす混合気への点火方法であって、
   (a) 電極構造を前記燃焼容器に取りつける工程と、
   (b) 前記工程(a)の後に前駆放電を発生させる工程と、
   (c) 前記工程(b)に続いて主放電を発生させる工程と、
   を備え、
   前記電極構造は、
   導電体からなり棒形状を有し前記燃焼容器の内面からとび出る第１の電極と、
   誘電体からなる第１の誘電体バリアと、
   を備え、
   前記第１の電極の表面には、
   前記燃焼空間に露出する第１の露出表面と、
   前記第１の誘電体バリアに被覆される第１の被覆表面と、
   があり、
   前記工程(b)は、
   前記第１の被覆表面を始点又は終点として前記前駆放電を進展させ、
   前記工程(c)は、
   前記第１の誘電体バリアの表面に沿う沿面放電を含み前記前駆放電を発生させた空間領域を経由する前記主放電を前記第１の露出表面を始点又は終点として進展させる
   点火方法。
2. 請求項１の点火方法において、
   前記電極構造は、
   導電体からなる第２の電極と、
   導電体からなる第３の電極と、
   誘電体からなる第２の誘電体バリアと、
   をさらに備え、
   前記第２の電極の表面には、
   前記燃焼空間に露出する第２の露出表面、
   があり、
   前記第３の電極の表面には、
   前記第２の誘電体バリアに被覆される第２の被覆表面、
   があり、
   前記工程(b)は、
   前記第１の被覆表面と前記第２の被覆表面との間に前記前駆放電を進展させ、
   前記工程(c)は、
   前記第２の誘電体バリアの表面に沿う沿面放電をさらに含む前記主放電を前記第１の露出表面と前記第２の露出表面との間に進展させる
   点火方法。
3. 請求項１の点火方法において、
   前記電極構造は、
   導電体からなる第２の電極、
   をさらに備え、
   前記第２の電極の表面には、
   前記燃焼空間に露出する第２の露出表面、
   があり、
   前記工程(b)は、
   前記第１の被覆表面と前記第２の露出表面との間に前記前駆放電を進展させ、
   前記工程(c)は、
   前記第１の露出表面と前記第２の露出表面との間に前記主放電を進展させる
   点火方法。
4. 請求項１の点火方法において、
   前記電極構造は、
   導電体からなる第２の電極と、
   誘電体からなる第２の誘電体バリアと、
   をさらに備え、
   前記第２の電極の表面には、
   前記燃焼空間に露出する第２の露出表面と、
   前記第２の誘電体バリアに被覆される第２の被覆表面と、
   があり、
   前記工程(b)は、
   前記第１の被覆表面と前記第２の被覆表面との間に前記前駆放電を進展させ、
   前記工程(c)は、
   前記第２の誘電体バリアの表面に沿う沿面放電をさらに含む前記主放電を前記第１の露出表面と前記第２の露出表面との間に進展させる
   点火方法。
5. 請求項１の点火方法において、
   前記電極構造は、
   導電体からなる第２の電極と、
   誘電体からなる第２の誘電体バリアと、
   をさらに備え、
   前記燃焼容器の内面には、
   前記燃焼空間に露出する第２の露出表面、
   があり、
   前記第２の電極の表面には、
   前記第２の誘電体バリアに被覆される第２の被覆表面、
   があり、
   前記工程(b)は、
   前記第１の被覆表面と前記第２の被覆表面との間に前記前駆放電を進展させ、
   前記工程(c)は、
   前記第２の誘電体バリアの表面に沿う沿面放電をさらに含む前記主放電を前記第１の露出表面と前記第２の露出表面との間に進展させる
   点火方法。
6. 請求項１の点火方法において、
   前記燃焼容器の内面には、
   前記燃焼空間に露出する第２の露出表面、
   があり、
   前記工程(b)は、
   前記第１の被覆表面と前記第２の露出表面との間に前記前駆放電を進展させ、
   前記工程(c)は、
   前記第１の露出表面と前記第２の露出表面との間に前記主放電を進展させる
   点火方法。
7. 請求項１から請求項６までのいずれかの点火方法において、
   前記前駆放電がストリーマ放電であり、前記主放電がアーク放電である
   点火方法。

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