JP2012089289A - Internal combustion engine ignition device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、難着火性の燃焼機関に装着され該燃焼機関の点火を行う内燃機関点火装置に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine ignition device that is mounted on a hardly ignitable combustion engine and ignites the combustion engine.
近年、CO2低減の観点から、小型で高出力を達成する高過給、高圧縮の自動車用エンジン、及び高効率、低NOXを達成するエンジン等の開発が進められている。
高過給、高圧縮の自動車用エンジンの場合は、点火前の筒内圧力が高いため火花点火プラグで着火する場合は、点火プラグに供給するエネルギを従来の数倍に増加する必要がある。
また、コジェネレーションシステムの発電機用エンジンの場合は、シリンダボア径が大きく、混合気濃度も希薄である。
このような難着火性の内燃機関を高効率で燃焼させるには、燃焼速度が早くしかも着火性に優れた点火装置が望まれている。
Recently, from the viewpoint of CO 2 reduction, high supercharge to achieve high output in a small, high compression automobile engines, and high efficiency, the development of the engine such as to achieve low NO X is promoted.
In the case of a high-supercharged, high-compression automobile engine, the in-cylinder pressure before ignition is high, and therefore, when igniting with a spark ignition plug, it is necessary to increase the energy supplied to the ignition plug several times that of the prior art.
Further, in the case of a generator engine for a cogeneration system, the cylinder bore diameter is large and the air-fuel mixture concentration is also lean.
In order to burn such an inflammable internal combustion engine with high efficiency, an ignition device having a high combustion speed and excellent ignitability is desired.
難着火性の内燃機関等においても優れた着火性を発揮する点火装置として、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点火プラグと、高エネルギ電源とを具備し、高電圧の印加により放電空間内の絶縁を破壊し、これをトリガとして、さらに放電空間内に大電流を供給して、高温・高圧のプラズマを噴射させて、内燃機関の混合気に点火するプラズマ点火装置が期待されており、種々提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3等参照)。 As an ignition device that exhibits excellent ignitability even in a non-ignitable internal combustion engine or the like, an ignition plug having a discharge space partitioned by a center electrode, a ground electrode, and an insulator that insulates them, and a high energy power source It breaks the insulation in the discharge space by applying a high voltage, and this is used as a trigger to supply a large current to the discharge space to inject high-temperature and high-pressure plasma into the mixture of the internal combustion engine. Plasma ignition devices that ignite are expected and various proposals have been made (for example, see Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, and the like).
しかし、従来のプラズマ点火装置では、難着火性の内燃機関においても良好な着火が期待できる反面、極めて高温、高圧で、質量の大きなプラズマが電極に衝突して電極の消耗を引き起こす。
このため、長期の使用に伴い徐々に放電距離が長くなり、放電空間の絶縁を破壊するために印加する高電圧の要求電圧が上昇し、やがて放電できなくなる虞がある。
However, in the conventional plasma ignition device, good ignition can be expected even in a difficult-ignition internal combustion engine, but at a very high temperature and high pressure, a plasma having a large mass collides with the electrode and causes the electrode to be consumed.
For this reason, with a long-term use, the discharge distance gradually increases, the required high voltage applied to break the insulation of the discharge space increases, and there is a possibility that it will become impossible to discharge.
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、特定の範囲の周波数及び印加時間の高周波を印加することによって電子温度が高く、分子温度が低い非平衡プラズマ(低温プラズマ)を発生させることができることに着目して想起されたものであり、非平衡プラズマを用いることにより、難着火性の内燃機関においても優れた着火性を示すと共に、高い耐久性を示す内燃機関点火装置を提供することを目的とする。 Therefore, in view of such circumstances, the present invention focuses on the fact that non-equilibrium plasma (low temperature plasma) having a high electron temperature and a low molecular temperature can be generated by applying a high frequency of a specific range of frequencies and application times. An object of the present invention is to provide an internal combustion engine ignition device that exhibits excellent ignitability even in a difficult-ignition internal combustion engine and exhibits high durability by using non-equilibrium plasma. .
第1の発明では、内燃機関に装着され略筒状の絶縁体と、該絶縁体の中心に保持された長軸状の中心電極と、上記絶縁体の先端に配設され、内側に開口部を設けた略環状の接地電極とからなる点火プラグと、該点火プラグに高エネルギを供給する高エネルギ電源とからなる内燃機関点火装置であって、
上記点火プラグが、上記絶縁体の内側に区画して、一端が閉塞し、他端が内燃機関の燃焼室に向かって開放する放電空間を上記中心電極の先端側で上記内燃機関の燃焼室の上面よりも反燃焼室側に引き込んだ位置に有し、
上記中心電極の先端面と上記接地電極の開口部の表面とのいずれか一方を上記絶縁体の一部からなる放電空間隔壁部によって覆い、他方を上記放電空間に露出させ、
上記高エネルギ電源が、上記放電空間内に電子温度は高く、分子温度は低い非平衡プラズマを発生する所定の周波数の高周波を所定の印加時間だけ上記点火プラグに印加することを特徴とする。
In the first invention, a substantially cylindrical insulator mounted on the internal combustion engine, a long-axis-shaped center electrode held at the center of the insulator, disposed at the tip of the insulator, and open to the inside An internal combustion engine ignition device comprising a spark plug comprising a substantially annular ground electrode provided with a high energy power source for supplying high energy to the spark plug,
The spark plug is partitioned inside the insulator and has a discharge space in which one end is closed and the other end is opened toward the combustion chamber of the internal combustion engine. It is in a position that is retracted to the anti-combustion chamber side from the upper surface,
Either one of the front end surface of the center electrode and the surface of the opening of the ground electrode is covered with a discharge space partition wall made of a part of the insulator, and the other is exposed to the discharge space,
The high energy power source applies a high frequency of a predetermined frequency that generates non-equilibrium plasma having a high electron temperature and a low molecular temperature in the discharge space to the spark plug for a predetermined application time.
第1の発明によれば、上記中心電極の先端面と上記接地電極の開口部の表面とのいずれか一方が上記放電空間隔壁部で覆われているため、上記高エネルギ電源から上記点火プラグに上記高周波が印加されたときに、上記中心電極と接地電極との間でアーク放電を起こすことなく、上記放電空間内に非平衡プラズマを発生し、極めて高い電子温度によって上記放電空間内に導入された混合気が励起され火炎となって上記接地電極の開口部から燃焼室内に噴出し、燃焼室内の混合気に着火し燃焼が広がる。
このとき、アーク放電を伴わないので、上記中心電極と上記接地電極との間に電流がほとんど流れず、供給したエネルギを効果的に混合気の燃焼に用いることができるので電極の消耗を招き難くなる。
加えて、燃焼室内に強い気流が発生している場合であっても、上記絶縁体内に区画された放電空間内で混合気の着火を行うため筒内気流に非平衡プラズマが吹き飛ばされることなく確実な着火を実現できる。
According to the first invention, since either the front end surface of the center electrode or the surface of the opening of the ground electrode is covered with the discharge space partition wall, the high-energy power source is connected to the spark plug. When the high frequency is applied, non-equilibrium plasma is generated in the discharge space without causing arc discharge between the center electrode and the ground electrode, and is introduced into the discharge space by an extremely high electron temperature. The air-fuel mixture is excited to form a flame, which is ejected from the opening of the ground electrode into the combustion chamber, ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber, and the combustion spreads.
At this time, since there is no arc discharge, almost no current flows between the center electrode and the ground electrode, and the supplied energy can be effectively used for combustion of the air-fuel mixture, so that the electrode is hardly consumed. Become.
In addition, even when a strong air flow is generated in the combustion chamber, the air-fuel mixture is ignited in the discharge space defined in the insulator, so that non-equilibrium plasma is not blown off in the in-cylinder air flow. Ignition can be realized.
第2の発明では、上記中心電極の先端面又は上記接地電極の開口部の表面とのいずれか一方を覆う上記放電空間隔壁部の厚さを上記中心電極と上記接地電極との絶縁を図る上記絶縁体の厚さより薄くする。 In the second invention, the thickness of the discharge space partition wall covering either the front end surface of the center electrode or the surface of the opening of the ground electrode is designed to insulate the center electrode from the ground electrode. Make it thinner than the thickness of the insulator.
第2の発明によれば、上記高エネルギ電源から上記中心電極と上記接地電極との間に高電圧を印加したときに上記中心電極と上記接地電極との絶縁を確保しつつ、上記放電空間への放電が容易となるので、上記放電空間内に非平衡プラズマが発生しやすくなり、さらに電極の消耗が抑制され、耐久性の高い内燃機関点火装置が実現できる。 According to the second invention, when a high voltage is applied from the high energy power source between the center electrode and the ground electrode, the insulation between the center electrode and the ground electrode is ensured and the discharge space is entered. Therefore, non-equilibrium plasma is likely to be generated in the discharge space, electrode consumption is suppressed, and a highly durable internal combustion engine ignition device can be realized.
第3の発明では、上記高エネルギ電源が上記点火プラグに高電圧を高周波で印加する際の発振周波数が1MHz以上、50MHz以下である。 In the third invention, the oscillation frequency when the high energy power source applies a high voltage to the spark plug at a high frequency is 1 MHz or more and 50 MHz or less.
第3の発明によれば、上記中心電極と上記接地電極との間で分子温度の高い平衡プラズマを発生するアーク放電を起こすことなく、上記放電空間内に非平衡プラズマを発生させることができる。
このため、平衡プラズマによる電極の消耗を伴うことなく、長期に安定した着火を維持できる点火装置が実現できる。
一方、本発明によらず、高周波の発振周波数が50MHzより高い場合には、プラズマが発生し難く、高周波の発信周波数が1MHzより低い場合には、非平衡プラズマが平衡プラズマに遷移し易く、分子温度が高く質量の大きい平衡プラズマが電極に衝突して消耗を引起し易い。
According to the third aspect of the present invention, non-equilibrium plasma can be generated in the discharge space without causing arc discharge that generates equilibrium plasma having a high molecular temperature between the center electrode and the ground electrode.
Therefore, it is possible to realize an ignition device that can maintain stable ignition for a long period of time without causing electrode consumption due to equilibrium plasma.
On the other hand, regardless of the present invention, when the high-frequency oscillation frequency is higher than 50 MHz, plasma is difficult to generate, and when the high-frequency transmission frequency is lower than 1 MHz, the non-equilibrium plasma easily transitions to the equilibrium plasma. Equilibrium plasma with high temperature and high mass is likely to collide with the electrode and cause consumption.
より望ましくは、第4の発明のように、上記高エネルギ電源が上記点火プラグに高電圧を高周波で印加する際の発振周波数が4MHz以上、10MHz以下である。 More desirably, as in the fourth aspect of the invention, the oscillation frequency when the high energy power source applies a high voltage to the spark plug at a high frequency is 4 MHz or more and 10 MHz or less.
第4の発明によれば、上記高エネルギ電源からの高電圧の印加により発生した非平衡プラズマの電子温度が1.16×105K(10eV)以上となり、上記放電空間内に導入された混合気との反応性が向上する。 According to the fourth invention, the electron temperature of the non-equilibrium plasma generated by the application of a high voltage from the high energy power source is 1.16 × 10 5 K (10 eV) or more, and the mixing introduced into the discharge space is performed. Reactivity with qi is improved.
第5の発明では、上記高エネルギ電源が一周期内に高電圧を印加する印加時間が1ns以上、250ns以下である。 In 5th invention, the application time when the said high energy power supply applies a high voltage within one period is 1 ns or more and 250 ns or less.
第5の発明によれば、上記中心電極と上記接地電極との間で分子温度の高い平衡プラズマを発生するアーク放電を起こすことなく、上記放電空間内に非平衡プラズマを発生させることができる。
このため、平衡プラズマによる電極の消耗を伴うことなく、長期に安定した着火を維持できる点火装置が実現できる。
一方、本発明によらず、高電圧の印加時間が1nsより短い場合には、プラズマが発生し難く、高電圧の印加時間が250nsより長い場合には、非平衡プラズマが平衡プラズマに遷移し易く、分子温度が高く質量の大きい平衡プラズマが電極に衝突して消耗を引起し易い。
According to the fifth aspect of the present invention, non-equilibrium plasma can be generated in the discharge space without causing arc discharge that generates equilibrium plasma having a high molecular temperature between the center electrode and the ground electrode.
Therefore, it is possible to realize an ignition device that can maintain stable ignition for a long period of time without causing electrode consumption due to equilibrium plasma.
On the other hand, regardless of the present invention, when the high voltage application time is shorter than 1 ns, it is difficult to generate plasma, and when the high voltage application time is longer than 250 ns, the non-equilibrium plasma easily transitions to the equilibrium plasma. Equilibrium plasma having a high molecular temperature and a large mass is likely to be consumed by colliding with the electrode.
より望ましくは、第6の発明のように、上記高エネルギ電源が一周期内に高電圧を印加する印加時間が10ns以上、100ns以下である。 More desirably, as in the sixth aspect of the invention, the application time during which the high energy power source applies a high voltage within one cycle is 10 ns or more and 100 ns or less.
第6の発明によれば、上記高エネルギ電源からの高電圧の印加により発生した非平衡プラズマの電子温度が1.16×105K(10eV)以上となり、上記放電空間内に導入された混合気との反応性が向上する。 According to the sixth aspect of the invention, the electron temperature of the non-equilibrium plasma generated by applying a high voltage from the high energy power source becomes 1.16 × 10 5 K (10 eV) or more, and the mixing introduced into the discharge space. Reactivity with qi is improved.
第7の発明では、上記中心電極の先端面の一部に上記放電空間に向かって突出する中心電極突起部を設ける。 In a seventh aspect of the invention, a center electrode protrusion that protrudes toward the discharge space is provided on a part of the tip surface of the center electrode.
第8の発明では、上記放電空間を区画する上記絶縁体の内周面の一部に上記放電空間内に向かって突出する絶縁体突起部を設ける。 In an eighth aspect of the invention, an insulating protrusion that protrudes into the discharge space is provided on a part of the inner peripheral surface of the insulator that partitions the discharge space.
第7の発明、又は、第8の発明によれば、上記高エネルギ電源から上記点火プラグへ高電圧が印加されたときに、上記中心電極突起部と上記絶縁体突起部とのいずれかの突起部における電界強度が高くなり上記放電空間内への放電がし易くなる。
したがって、上記放電空間内に非平衡プラズマを発生するために必要とされる上記高エネルギ電源から供給する高電圧の要求電圧を低くできるので、非平衡プラズマは発生し易くなり、平衡プラズマは発生し難くなるので、電極の消耗をさらに抑制できると期待される。
According to the seventh invention or the eighth invention, when a high voltage is applied from the high energy power source to the spark plug, the protrusion of any one of the center electrode protrusion and the insulator protrusion The electric field strength at the portion is increased, and discharge into the discharge space is facilitated.
Therefore, the required voltage of the high voltage supplied from the high energy power source required for generating the non-equilibrium plasma in the discharge space can be lowered, so that the non-equilibrium plasma is easily generated and the equilibrium plasma is generated. Since it becomes difficult, it is expected that the consumption of the electrode can be further suppressed.
第9の発明では、上記放電空間の内径を上記中心電極の外径よりも大きく拡径すると共に、上記接地電極の開口部の内径を上記中心電極の外径よりも小さく縮径する。 In the ninth invention, the inner diameter of the discharge space is increased larger than the outer diameter of the center electrode, and the inner diameter of the opening of the ground electrode is reduced smaller than the outer diameter of the center electrode.
第9の発明によれば、上記放電空間内で発生した火炎の噴出圧力が増加し、燃焼室内への火炎の広がりが促進され着火性の向上が期待できる。 According to the ninth aspect of the present invention, the jet pressure of the flame generated in the discharge space is increased, the spread of the flame into the combustion chamber is promoted, and improvement in ignitability can be expected.
本発明は、高過給、高圧縮、高EGR、リーン燃焼による高効率、低NOXを達成するエンジン等の難着火性の内燃機関に用いられ優れた着火性と耐久性を示す内燃機関点火装置である。
図1を参照して本発明の第1の実施形態における内燃機関点火装置1の概要について説明する。
内燃機関点火装置1は、点火プラグとして、図略の内燃機関30に設けられ機関燃焼室300に先端が露出する非平衡プラズマ点火プラグ10が用いられ、機関の運転状況に応じて、非平衡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から、所定の周波数の高周波電圧を、所定の印加時間だけ印加して、非平衡プラズマを非平衡プラズマ点火プラグ10の絶縁体12内部に区画した放電空間140内に発生させて、放電空間140内に導入された混合気の着火を行い、燃焼室300内に噴射させて、燃焼室300内に導入された混合気の点火を図るものである。
放電空間140内で高温プラズマの発生を伴うことなく、電子温度は高く分子温度は低い非平衡プラズマによって放電空間140内に導入された混合気の燃焼反応を励起させることにより、高温プラズマによる電極消耗を抑制した点を最大の特徴とする。
The present invention, high supercharging, high-compression, high EGR, high efficiency, engine ignition exhibiting excellent ignitability and durability used in flame ignition of the internal combustion engine such as an engine to achieve low NO X by the lean burn Device.
With reference to FIG. 1, the outline | summary of the internal combustion engine ignition device 1 in the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
The internal combustion engine ignition device 1 uses a non-equilibrium
Excitation of the electrode due to the high temperature plasma by exciting the combustion reaction of the air-fuel mixture introduced into the
本実施形態の非平衡プラズマ点火プラグ10は、例えば、アルミナ等の絶縁性耐熱材料を用いて略筒状に形成した絶縁体12と、その中心に保持され、ニッケル等の良電導性金属材料を用いて長軸状に形成した中心電極11と、導電性材料を用いて略筒状に形成され絶縁体12を保持するハウジング13と、ハウジング13に延設して絶縁体12の先端に配設され、内側に開口部133を設けた略環状の接地電極132とからなり、中心電極11の先端面111、又は、接地電極132の内周面の図略のいずれかが絶縁体122の一部からなる放電空間隔壁部122によって覆われ、後述する条件の下、高電圧が印加されたときに中心電極11と接地電極132との間でアーク放電が発生しないようになっている。
非平衡プラズマ点火プラグ10は、内燃機関30に装着され、燃焼室300内に接地電極132の開口部133を露出させている。
さらに、非平衡プラズマ点火プラグ10は、絶縁体12の内側に区画して、一端が閉塞し、他端が内燃機関30の燃焼室300に向かって開放する放電空間140を中心電極11の先端側で内燃機関30の燃焼室300の上面よりも反燃焼室側に引き込んだ位置に有している。
The non-equilibrium
The non-equilibrium
Further, the non-equilibrium
本実施形態においては、中心電極11の先端面111を絶縁体12の一部122で覆い、接地電極132の開口部133表面を放電空間140に露出させてある。
中心電極11の基端側の中心電極端子部110には、高エネルギ電源20から高周波の電圧が印加されるようになっている。
絶縁体12の基端側はハウジング13から露出する絶縁体頭部120を構成し、中心電極端子部110とハウジングとの間の延面距離を長くして、両者の間の絶縁を確保している。
絶縁体12の中腹に当たる絶縁体固定部121が外径方向に拡径され、ハウジング保持部130によって保持されている。
絶縁体12の一部を放電空間隔壁部122として、放電空間140に対向する中心電極11と接地電極132の一方の電極として中心電極11の先端面111を覆い、他方の電極として接地電極132の開口部133は放電空間140に露出している。
In the present embodiment, the
A high frequency voltage is applied from the high
The base end side of the
An
A part of the
また、絶縁体固定部121に延設して中心電極先端面111よりも下方に向かって筒状に伸びる絶縁体放電空間区画部123によって絶縁体12の内側に放電空間140が区画されている。
絶縁体12の外周を覆うように、ハウジング13に延設して、接地電極側面部131が形成され、絶縁体12の下端面を覆いつつ、放電空間140の先端側開口に連通するように接地電極開口部132を設けた略環状に接地電極132が配設されている。
接地電極側面部131の外周には、ネジ部134が形成され、開口部132が内燃機関30の燃焼室300に露出するように固定されている。
中心電極11の先端面111、又は、接地電極132の開口部1133の表面とのいずれか一方を覆う放電空間隔壁部122の厚さは、中心電極11と接地電極132との側面方向の絶縁を図る絶縁体12の厚さより薄く形成してあり、高電圧を印加したときに中心電極11の側面と接地電極132又はハウジング13との間での絶縁リークが起こり難くなっていおり、放電空間隔壁部122を介して対向する放電空間140内へのストリーマ状に延びるコロナ放電が発生し易くしてある。
In addition, a
Extending to the
A
The thickness of the discharge
本発明者等の鋭意調査・試験により、高エネルギ電源20が非平衡プラズマ点火プラグ10に高電圧を高周波で印加する際の発振周波数を1MHz以上、50MHz以下とすることによって、非平衡プラズマが発生し易く、平衡プラズマへの遷移を起こり難くすることができ、さらに、4MHz以上、10MHz以下とすることによって、電子温度が1.16×105(10eV)以上の非平衡プラズマを発生できることが判明した。
また、高エネルギ電源20から非平衡プラズマ点火プラグ10に一周期内に高電圧を印加する印加時間を1ns以上、250ns以下とすることによって、電子温度が高く、分子温度は低い非平衡プラズマを発生させることができ、さらに、10ns以上、100ns以下とすることによって、電子温度が1.16×105(10eV)以上の非平衡プラズマを発生できることが判明した。
さらに、放電空間140内で非平衡プラズマを発生させることにより、電子温度が高く、分子温度は低い非平衡プラズマから、分子温度の高い平衡プラズマに遷移するのではなく、放電空間140内に導入された混合気の燃焼反応を引起し、燃焼により膨張した火炎が高い圧力で放電空間140から燃焼室300内に噴出する。
このため、放電空間140に露出した接地電極132の開口部133の表面に高温プラズマの衝突による電極消耗が起こり難くなる。また、放電空間隔壁部122に覆われた中心電極先端面111にはプラズマが衝突しないので電極消耗が発生し難くなる。
As a result of intensive studies and tests by the present inventors, non-equilibrium plasma is generated by setting the oscillation frequency when the high
Further, by setting the application time for applying a high voltage within one cycle from the high
Further, by generating a non-equilibrium plasma in the
For this reason, electrode consumption due to collision of high-temperature plasma hardly occurs on the surface of the
一方、本発明によらず、高エネルギ電源20から点火プラグへの高電圧の印加時間を1ns以下とすると、非平衡プラズマを発生し難くなり、250ns以上とすると、非平衡プラズマから平衡プラズマに遷移してアーク放電を引き起こし易くなるので、質量の高い分子プラズマの衝突によって点火プラグの電極の消耗を招く虞がある上に、高い電子温度が混合気の燃焼に用いられるのではなく分子温度の上昇に消費されるので、高エネルギ電源から与えたエネルギの40%程度が損失となる虞もある。
また、本発明によらず、高周波の発振周波数を50MHzより高くした場合には、非平衡プラズマが発生し難くなり、高周波の発信周波数を1MHzより低くした場合には、非平衡プラズマが平衡プラズマに遷移し易く、分子温度が高く質量の大きい平衡プラズマが放電空間に露出した電極に衝突するので電極の消耗を引起し易くなる。
On the other hand, regardless of the present invention, if the application time of the high voltage from the high
Further, regardless of the present invention, when the high frequency oscillation frequency is higher than 50 MHz, non-equilibrium plasma is hardly generated, and when the high frequency oscillation frequency is lower than 1 MHz, the non-equilibrium plasma is changed to the equilibrium plasma. Equilibrium plasma having a high molecular temperature and a large mass collides with the electrode exposed to the discharge space, and hence the electrode is easily consumed.
図2を参照して、本発明の効果についてさらに詳述する。
燃焼室300内に図略の燃料噴射装置から燃料が噴射され、圧縮行程において、燃焼室300内の空気と燃料との混合気が燃焼室300に連通する放電空間140内に導入され、高エネルギ電源20から、高周波の電圧が所定の発信周波数で所定の印加時間だけ印加されると、中心電極先端面111を覆う絶縁体隔壁部122の内周面から放電空間140内に向かってストリーマ状に伸びるコロナ放電が発生し、放電空間140内に電子温度は高く、分子温度は低い非平衡プラズマを形成する。
このとき、中心電極11と接地電極側面部131との間、並びに、放電空間隔壁部122及び放電空間140を介して対向する中心電極先端面111と接地電極132の開口部133内周壁との間には強電界が形成されるが、放電空間隔壁部122の厚さt1は、絶縁体側面部121の厚さt2に比べて遙かに薄く形成されており、中心電極11と接地電極側面部131との間は絶縁が確保され、より電界強度の高い放電空間140内に向かってコロナ放電が形成され中心電極先端面111と接地電極132との間でアーク放電を伴うことがない。
このため、中心電極11と接地電極132との間に電流がほとんど流れず、高エネルギ電源20から印加されたエネルギを効率よく非平衡プラズマの形成に利用できる。
放電空間140内に導入された混合気は、極めて高い温度の電子によって励起され、燃焼反応によって膨張して、一定の容積に区画された放電空間140から高い圧力の火炎となって燃焼室300内に噴出し、燃焼室300内の混合気の燃焼を引き起こす。
With reference to FIG. 2, the effect of this invention is further explained in full detail.
Fuel is injected into the
At this time, between the
For this reason, almost no current flows between the
The air-fuel mixture introduced into the
図3を参照して本発明の第1の実施形態における内燃機関点火装置1の制御方法について説明する。
本図(a)は、高エネルギ電源20から、単パルスで高電圧を印加する場合のタイムチャートを示し、本図(b)は、複数パルスを発振する高周波の高電圧を印加する場合のタイムチャートを示す。
内燃機関30の運転状況に応じて内燃機関30の運転を制御する詳述略のエンジン制御装置から点火信号IGtが高エネルギ電源20に発信され、単パルスの場合には、本図(a)に示すように、1MHz〜50MHzの発振周波数で高エネルギ電源が開閉され、一周期あたり1ns〜250nsの時間、高電圧が印加される。
また、複数パルスの場合には、本図(b)に示すように、1回の点火信号IGtに対して、1MHz〜50MHzの発振周波数で高エネルギ電源が複数回開閉され、駆動パルスの開閉に応じて一周期あたり1ns〜250nsの時間、高電圧が複数回印加される。
A control method of the internal combustion engine ignition device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This figure (a) shows the time chart in the case of applying a high voltage by a single pulse from the high
The ignition signal IGt is transmitted to the high
In the case of a plurality of pulses, as shown in FIG. 7B, the high energy power source is opened and closed several times at an oscillation frequency of 1 MHz to 50 MHz with respect to one ignition signal IGt, and the drive pulse is opened and closed. Accordingly, a high voltage is applied a plurality of times for a period of 1 ns to 250 ns per cycle.
図4を参照して本発明の第2の実施形態における内燃機関点火装置1aに用いられる非平衡プラズマ点火プラグ10aについて説明する。
上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付したので説明を省略し、本実施形態の特徴的部分について詳述する。
本実施形態においては、中心電極先端面111aの外周縁に沿ってその一部を放電空間隔壁部122側に向かって突出させた突起部112が形成してある。
このように、中心電極先端面111aの一部に中心電極突起部112を設けることによって、中心電極突起部112に電界が集中し、放電空間隔壁部122の中心電極突起部112に対向する位置から放電空間140内に、非平衡プラズマを発生させるために必要な要求電圧低下させることができる。
本実施形態によれば、高エネルギ電源20から印加される電圧を低くすることによって、さらに電極の消耗を抑制できると期待される。
また、このような構成とすることにより、高エネルギ電源20の体格を小型にしたり、製造コストの削減を図ったりすることも可能となる。
A non-equilibrium
The same components as those in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted. Characteristic parts of this embodiment will be described in detail.
In the present embodiment, a
Thus, by providing the
According to this embodiment, it is expected that the consumption of the electrode can be further suppressed by lowering the voltage applied from the high
In addition, by adopting such a configuration, it is possible to reduce the size of the high
図5(a)〜(c)に本発明の第2の実施形態における非平衡プラズマ点火プラグ10aに用いられる中心電極10aとその変形例を示す。
本図(a)に示すように、中心電極突起部112を中心電極先端面111aの外周縁の全周に渡って設けても良いし、本図(b)に示すように、中心電極突起部112bを中心電極先端面111bの外周縁の一部に設けても良い。
さらに、本図(c)に示すように、中心電極先端面111cの表面に複数の中心電極112cを設けても良いし、本図(d)に示すように、中心電極先端面111dを先端先細りにして中心電極突起部112dを形成しても良い。
いずれの場合にも、中心電極突起部112a、112b、112c、112dに電界集中を起こし、印加電圧を低下させ、接地電極132の消耗をさらに抑制できる。
5 (a) to 5 (c) show a
As shown in this figure (a), the
Further, a plurality of center electrodes 112c may be provided on the surface of the center electrode tip surface 111c as shown in FIG. 10C, and the center
In either case, electric field concentration occurs in the
図6を参照して、本発明の第3の実施形態における非平衡プラズマ点火プラグ10eとその変形例10f、10gについて説明する。
本発明の第2の実施形態においては、中心電極先端面111に突起部を設けた例を示したが、本実施形態のように、本図(a)に示すように、放電空間隔壁部122eの表面に放電空間140内に向かって突出する絶縁体突起部124eを形成しても良いし、絶縁体放電空間区画部123fの内周壁に放電空間内に向かって突出する絶縁体突起部124fを形成しても良い。
いずれの場合にも、突起部124e、124fで電界集中がおこり、放電し易くなるので、放電空間140e、140f内に非平衡プラズマを発生させるために高エネルギ電源20から印加する電圧を低くし、接地電極132の消耗を抑制できる。
また、放電空間本図(c)に示すように、接地電極132gの先端側の一部を拡径して放電空間拡大部141を形成しても良い。このような形状とすることにより、接地電極132gが相対的に放電空間140に向かって突出した構造となり、電界集中を起こし、印加電圧を低下させ、接地電極132gの消耗を抑制できる。
なお、本実施形態によれば、放電空間140gから噴出した燃焼火炎が放電空間拡大部141において渦流が発生するので、燃焼室300内への貫徹力が増したり、混合気との混合が活発となったりして、さらなる着火性の向上も期待できる。
With reference to FIG. 6, the non-equilibrium
In the second embodiment of the present invention, the example in which the protrusion is provided on the
In either case, electric field concentration occurs in the
In addition, as shown in the figure (c) of the discharge space, a part of the tip side of the ground electrode 132g may be expanded to form the discharge space expanding portion 141. By adopting such a shape, the ground electrode 132g has a structure projecting relatively toward the
In addition, according to this embodiment, since the combustion flame ejected from the
図7を参照して、本発明の第4の実施形態における非平衡プラズマ点火プラグ10hとその変形例10i、及び、第5の実施形態における非平衡プラズマ点火プラグ10jについて説明する。
上記実施形態においては、放電空間140、140a〜gの内径は、中心電極11の外径に略等しく形成し、接地電極132の開口部133は放電空間140に連通するように内径を等しく形成した例を示したが、本図(a)に示すように、非平衡プラズマ点火プラグ10hでは、放電空間140hの内径を中心電極11の外径よりも大きく拡径し、さらに、接地電極132hの開口部133hの内径を中心電極11の外径よりも小さく縮径して形成してある。
このように放電空間140hを形成することにより放電空間140内で発生した非平衡プラズマによって燃焼反応を引き起こした混合気の噴出圧力を高めて着火性の向上を図ったり、印加電圧を低下させて耐久性の向上を図ったりすることもできる。なお、本実施形態においても、絶縁体12hの一部に放電空間140h内に向かって突出する絶縁体突起部124h、126を設けても良い。
また、接地電極132hの放電空間140hに対向する表面を覆うように絶縁体縮径部125hを設けて、接地電極132hの放電空間140hに対向する表面が放電空間140hに晒されないようにしてある。
さらに、本図(b)に示すように、非平衡プラズマ点火プラグ10iでは、接地電極132iの先端側の一部を拡径して放電空間拡大部141iを形成しても良い。
また、上記実施形態においては、中心電極11の先端面111、111a側を放電空間隔壁部122、122a〜122iによって覆い放電空間140、140a〜140iに晒されないようにしたが、本図(c)に示す本発明の第5の実施形態における非平衡プラズマ点火プラグ10jのように、中心電極11jの先端面111jを放電空間140jに露出させ、接地電極132jの開口部133jを絶縁体隔壁部122jで覆っても良い。上記実施形態と同様、絶縁体隔壁部122jの厚さt1jは、絶縁体放電空間区画部123の厚さt2よりも遥かに薄く形成されている。さらに、上記実施形態の変形例を本実施形態に組み合わせて適用しても良い。
いずれの場合も、上記実施形態と同様に、放電空間140j内に非平衡プラズマを発生させ、放電空間140j内に導入された混合気の燃焼反応を引起し、燃焼室300内に噴出させて、電極の消耗を抑制しつつ、混合気の着火をすることができる。
With reference to FIG. 7, the non-equilibrium
In the above embodiment, the inner diameters of the
By forming the
Further, an insulator diameter-reduced
Further, as shown in FIG. 5B, in the non-equilibrium plasma spark plug 10i, a part of the tip side of the ground electrode 132i may be enlarged to form the discharge space expanding portion 141i.
Moreover, in the said embodiment, although the
In any case, as in the above embodiment, non-equilibrium plasma is generated in the discharge space 140j, the combustion reaction of the air-fuel mixture introduced in the discharge space 140j is caused, and the mixture is ejected into the
1 内燃機関点火装置
10 非平衡プラズマ点火プラグ
11 中心電極
110 中心電極基端部
111 中心電極先端部
12 絶縁体
120 絶縁体頭部
121 絶縁体側面部
122 放電空間隔壁部
123 絶縁体放電空間区画部
13 ハウジング
130 ハウジング保持部
131 接地電極側面部
132 接地電極
133 接地電極開口部
134 接地電極ネジ部
140 放電空間
20 高エネルギ電源
30 内燃機関
300 燃焼室
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Internal combustion
Claims (9)
上記点火プラグが、上記絶縁体の内側に区画して、一端が閉塞し、他端が内燃機関の燃焼室に向かって開放する放電空間を上記中心電極の先端側で上記内燃機関の燃焼室の上面よりも反燃焼室側に引き込んだ位置に有し、
上記中心電極の先端面と上記接地電極の開口部の表面とのいずれか一方を上記絶縁体の一部からなる放電空間隔壁部によって覆い、他方を上記放電空間に露出させ、
上記高エネルギ電源が、上記放電空間内に電子温度は高く、分子温度は低い非平衡プラズマを発生する所定の周波数の高周波を所定の印加時間だけ上記点火プラグに印加することを特徴とする内燃機関点火装置。 A substantially cylindrical insulator mounted on an internal combustion engine, a long-axis center electrode held at the center of the insulator, a substantially annular shape provided at the tip of the insulator and provided with an opening inside An internal combustion engine ignition device comprising a spark plug comprising a ground electrode and a high energy power source for supplying high energy to the spark plug,
The spark plug is partitioned inside the insulator and has a discharge space in which one end is closed and the other end is opened toward the combustion chamber of the internal combustion engine. It is in a position that is retracted to the anti-combustion chamber side from the upper surface,
Either one of the front end surface of the center electrode and the surface of the opening of the ground electrode is covered with a discharge space partition wall made of a part of the insulator, and the other is exposed to the discharge space,
The internal combustion engine, wherein the high energy power source applies a high frequency having a predetermined frequency for generating non-equilibrium plasma having a high electron temperature and a low molecular temperature in the discharge space to the spark plug for a predetermined application time. Ignition device.
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