JP2012112310A - プラズマ点火装置およびプラズマ点火方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、火花放電および交流プラズマを発生させるスパークプラグの寿命を向上させることができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】プラズマ点火装置２０は、交流プラズマを維持可能な維持電力範囲Ｒｐ内でスパークプラグ１００に交流電力Ｐを連続的に投入する交流電力投入期間Ｓａにおいて、交流プラズマを発生させた後に交流電力Ｐを低減する電力制御部５１０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、スパークプラグ（点火プラグ）の電極間に交流プラズマを発生させることによって点火するプラズマ点火技術に関する。

プラズマ点火技術としては、直流電力によって火花放電を電極間に発生させた状態で、交流電力によって交流プラズマを電極間に発生させる技術がある（例えば、特許文献１，２を参照）。また、交流プラズマを拡大させるために、交流プラズマ発生中に交流電力を段階的に増加させる技術が提案されていた（例えば、特許文献３を参照）。

特開昭５１−７７７１９号公報 特開２００９−３６１９８号公報 国際公開ＷＯ２００９／１４７３３５号パンフレット

しかしながら、過剰な交流電流による交流プラズマには電極消耗を促進させてしまうという問題があり、逆に、交流電力のエネルギを過度に抑制すると交流プラズマを発生させることができないという問題があった。

本発明は、上記した課題を踏まえ、交流プラズマを発生させるスパークプラグの寿命を向上させることができる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］ 適用例１のプラズマ点火装置は、スパークプラグと、前記スパークプラグの電極間に交流プラズマを発生させる交流電力を生成する交流電源とを備えるプラズマ点火装置であって、前記交流プラズマを維持可能な維持電力範囲内で前記スパークプラグに前記交流電力を連続的に投入する交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後に前記交流電力を低減する電力制御部を更に備えることを特徴とする。適用例１のプラズマ点火装置によれば、交流プラズマの発生および維持のために交流電力によって電極に供給される総エネルギを低減することができるため、交流プラズマによる電極消耗を抑制することができる。その結果、交流プラズマを発生させるスパークプラグの寿命を向上させることができる。

［適用例２］ 適用例１のプラズマ点火装置において、前記電力制御部は、前記交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後であって前記交流電力投入期間が７５％経過する時点以前に、前記交流電力を低減しても良い。適用例２のプラズマ点火装置によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例３］ 適用例１または適用例２のプラズマ点火装置において、前記電力制御部は、前記維持電力範囲内であって前記交流プラズマの発生時における８０％以下の電力に、前記交流電力を低減しても良い。適用例３のプラズマ点火装置によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例４］ 適用例１ないし適用例３のいずれかのプラズマ点火装置において、前記電力制御部は、前記交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後であって前記交流電力の投入開始から１．０ミリ秒以内に、前記交流電力を低減しても良い。適用例４のプラズマ点火装置によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例５］ 適用例１ないし適用例４のいずれかのプラズマ点火装置において、前記交流電力投入期間は５．０ミリ秒以下であっても良い。適用例５のプラズマ点火装置によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例６］ 適用例１ないし適用例５のいずれかのプラズマ点火装置において、１サイクルの前記交流電力投入期間において前記交流電力によって前記スパークプラグに供給される電力量は９００ミリジュール以下であっても良い。適用例６のプラズマ点火装置によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例７］ 適用例１ないし適用例６のいずれかのプラズマ点火装置において、前記交流プラズマの発生に先立って前記スパークプラグの前記電極間に火花放電を発生させる直流電力を生成する直流電源を更に備えても良い。適用例７のプラズマ点火装置によれば、火花放電を発生させた電極間に交流プラズマを発生させる装置構成において、交流プラズマによる電極消耗を抑制することができる。

［適用例８］ 適用例７のプラズマ点火装置において、前記交流電力投入期間の終期は、前記スパークプラグに前記直流電力を印加する期間の終期よりも後であっても良い。適用例８のプラズマ点火装置によれば、交流プラズマによる点火性能を向上させることができる。

［適用例９］ 適用例７または適用例８のプラズマ点火装置において、前記電力制御部は、前記スパークプラグに前記直流電力を印加する期間内に前記交流電力を低減しても良い。適用例９のプラズマ点火装置によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例１０］ 適用例１０のプラズマ点火方法は、交流電源で生成した交流電力によってスパークプラグの電極間に交流プラズマを発生させるプラズマ点火方法であって、前記交流プラズマを維持可能な維持電力範囲内で前記スパークプラグに前記交流電力を連続的に投入する交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後に前記交流電力を低減することを特徴とする。適用例１０のプラズマ点火装置によれば、交流プラズマの発生および維持のために交流電力によって電極に供給される総エネルギを低減することができるため、交流プラズマによる電極消耗を抑制することができる。その結果、交流プラズマを発生させるスパークプラグの寿命を向上させることができる。

［適用例１１］ 適用例１０のプラズマ点火方法において、前記交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後であって前記交流電力投入期間が７５％経過する時点以前に、前記交流電力を低減しても良い。適用例１１のプラズマ点火方法によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例１２］ 適用例１０または適用例１１のプラズマ点火方法において、前記維持電力範囲内であって前記交流プラズマの発生時における８０％以下の電力に、前記交流電力を低減しても良い。適用例１２のプラズマ点火方法によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例１３］ 適用例１０ないし適用例１２のいずれかのプラズマ点火方法において、前記交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後であって前記交流電力の投入開始から１．０ミリ秒以内に、前記交流電力を低減しても良い。適用例１３のプラズマ点火方法によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例１４］ 適用例１０ないし適用例１３のいずれかのプラズマ点火方法において、前記交流電力投入期間を５．０ミリ秒以下に制限しても良い。適用例１４のプラズマ点火方法によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例１５］ 適用例１０ないし適用例１４のいずれかのプラズマ点火方法において、１サイクルの前記交流電力投入期間において前記交流電力によって前記スパークプラグに供給される電力量を９００ミリジュール以下に制限しても良い。適用例１５のプラズマ点火方法によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

［適用例１６］ 適用例１０ないし適用例１５のいずれかのプラズマ点火方法において、前記交流プラズマの発生に先立って、直流電源で生成した直流電力によって前記スパークプラグの前記電極間に火花放電を発生させても良い。適用例１６のプラズマ点火方法によれば、火花放電を発生させた電極間に交流プラズマを発生させる手法において、交流プラズマによる電極消耗を抑制することができる。

［適用例１７］ 適用例１６のプラズマ点火方法において、前記交流電力投入期間の終期を、前記スパークプラグに前記直流電力を印加する期間の終期よりも後にしても良い。適用例１７のプラズマ点火方法によれば、交流プラズマによる点火性能を向上させることができる。

［適用例１８］ 適用例１６または適用例１７のプラズマ点火方法において、前記スパークプラグに前記直流電力を印加する期間内に前記交流電力を低減しても良い。適用例１８のプラズマ点火方法によれば、交流プラズマによる電極消耗を一層抑制することができる。

本発明の形態は、プラズマ点火装置およびプラズマ点火方法の形態に限るものではなく、例えば、プラズマ点火装置を備える内燃機関、プラズマ点火装置を制御する機能をコンピュータに実現させるためのプログラムなどの種々の形態に適用することも可能である。また、本発明は、前述の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。

プラズマ点火装置を示す説明図である。 電力制御部が実行する電力制御処理を示すフローチャートである。 一回の電力制御処理における交流電力の時間変化を示す説明図である。 交流電力の低減時期と電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。 交流電力の低減比率と電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。 交流電力の低減開始時間と電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。 交流電力投入期間と電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。 交流電力量と電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。 交流電力の投入タイミングと点火性能との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。 第１変形例における交流電力の時間変化を示す説明図である。 第２変形例における交流電力の時間変化を示す説明図である。 第３変形例における交流電力の時間変化を示す説明図である。 第４変形例における交流電力の時間変化を示す説明図である。

以上説明した本発明の構成および作用を一層明らかにするために、以下本発明を適用したプラズマ点火装置について説明する。

Ａ．実施例：
Ａ−１．プラズマ点火装置の構成：
図１は、プラズマ点火装置２０を示す説明図である。プラズマ点火装置２０は、スパークプラグ１００における中心電極１１０と接地電極１２０との電極間に交流プラズマを発生させることによって点火する。本実施例では、プラズマ点火装置２０は、内燃機関（図示しない）の燃料に点火する装置である。

具体的には、プラズマ点火装置２０は、スパークプラグ１００の中心電極１１０に直流電力を印加して火花放電を発生させた後、スパークプラグ１００の中心電極１１０に交流電力を印加して交流プラズマを発生させる。スパークプラグ１００の電極間に交流プラズマが発生すると、交流プラズマによる電極消耗を抑制するために、プラズマ点火装置２０は、スパークプラグ１００の電極間に交流プラズマを維持しながら、中心電極１１０に印加する交流電力を低減する。プラズマ点火装置２０における交流電力の低減についての詳細は後述する。

プラズマ点火装置２０は、スパークプラグ１００の他、直流電源２１０、交流電源２２０、混合部３００、および点火制御部５００を備える。本実施例では、プラズマ点火装置２０は、内燃機関の運転を制御する運転制御部１０に電気的に接続され、運転制御部１０から出力される制御信号に基づいて、内燃機関の運転状態に応じた点火制御を実現する。

プラズマ点火装置２０の直流電源２１０は、スパークプラグ１００の電極間に火花放電を発生させる直流電力を生成する。本実施例では、直流電源２１０によって生成される直流電力は、数万ボルトの高電圧パルスである。

プラズマ点火装置２０の交流電源２２０は、火花放電を発生させたスパークプラグ１００の電極間に交流プラズマを発生させる交流電力を生成する。本実施例では、交流電源２２０によって生成される交流電力の周波数ｆは、交流プラズマを発生させるために、「５０ｋＨｚ（キロヘルツ）≦ｆ≦１００ＭＨｚ（メガヘルツ）」を満たすことが好ましい。

プラズマ点火装置２０の混合部３００は、直流電源２１０で生成された直流電力と、交流電源２２０で生成された交流電力とを、相互に結合してスパークプラグ１００に伝送する。混合部３００は、インダクタ（コイル）３１０およびコンデンサ３２０を備える。混合部３００のインダクタ３１０は、スパークプラグ１００の中心電極１１０および交流電源２２０に対して直流電源２１０を電気的に接続し、交流電源２２０で生成された交流電力の直流電源２１０側への流入を抑制する。なお、直流電源２１０がインダクタを含む場合には（例えば、直流電源に点火コイルを用いる場合）、混合部３００のインダクタ３１０は不要である。混合部３００のコンデンサ３２０は、スパークプラグ１００の中心電極１１０および直流電源２１０に対して交流電源２２０を電気的に接続し、直流電源２１０で生成された直流電力の交流電源２２０側への流入を抑制する。

スパークプラグ１００の中心電極１１０は、混合部３００を介して直流電源２１０および交流電源２２０に電気的に接続され、スパークプラグ１００の接地電極１２０は、電気的に接地されている。交流電源２２０からスパークプラグ１００までの交流電力の伝送路では、インピーダンスの不連続点で交流電力の反射損失（リターンロス）が発生する。そのため、スパークプラグ１００の中心電極１１０に印加される交流電力に基づいて中心電極１１０に入射される入射電力は、交流電源２２０から印加される交流電力から反射損失を差し引いた電力になる。本実施例では、交流電源２２０から中心電極１１０までの反射損失は１０％以下である。

プラズマ点火装置２０の点火制御部５００は、運転制御部１０から出力される制御信号に基づいて、内燃機関の運転状態に応じた点火制御を実行する。点火制御部５００は、直流電源２１０および交流電源２２０の動作を制御する電力制御部５１０を備える。本実施例では、点火制御部５００における電力制御部５１０の機能は、点火制御部５００のＣＰＵ（Central Processing Unit）がプログラムに基づいて動作することによって実現されるが、他の実施形態において、点火制御部５００の少なくとも一部の機能は、点火制御部５００の物理的な回路構成に基づいて実現されても良い。

点火制御部５００の電力制御部５１０は、スパークプラグ１００の電極間に火花放電が発生した後に交流プラズマが発生するように、直流電源２１０に対して直流電力の生成を指示すると共に、交流電源２２０に対して交流電力の生成を指示する。特に、電力制御部５１０は、交流電源２２０で生成される交流電力を制御することによって、交流プラズマを維持可能な維持電力範囲内でスパークプラグ１００に交流電力を連続的に投入する交流電力投入期間において、スパークプラグ１００の電極間に交流プラズマを発生させた後に、スパークプラグ１００に供給される交流電力を低減する。

図２は、電力制御部５１０が実行する電力制御処理（ステップＳ１００）を示すフローチャートである。電力制御処理（ステップＳ１００）は、直流電源２１０および交流電源２２０の動作を制御する処理である。本実施例では、電力制御部５１０は、一回の点火毎に電力制御処理（ステップＳ１００）を実行する。

電力制御部５１０は、電力制御処理（ステップＳ１００）を開始すると、直流電源２１０に直流電力の生成を指示することによって、スパークプラグ１００の中心電極１１０に対する直流電力の印加を開始する（ステップＳ１１０）。これによって、スパークプラグ１００の電極間には火花放電が発生する。

火花放電を発生させた後（ステップＳ１１０）、電力制御部５１０は、直流電源２１０による直流電力の印加を継続させながら、交流電源２２０に交流電力の生成を指示することによって、スパークプラグ１００の中心電極１１０に対する交流電力の印加を開始する（ステップＳ１２０）。これによって、スパークプラグ１００の電極間には交流プラズマが発生する。

交流プラズマを発生させた後（ステップＳ１２０）、電力制御部５１０は、交流電源２２０に交流電力の低減を指示することによって、スパークプラグ１００の中心電極１１０に印加される交流電力を低減する（ステップＳ１３０）。これによって、印加開始時よりも低減した交流電力でスパークプラグ１００の電極間には交流プラズマが維持される。

交流電力を低減した後（ステップＳ１３０）、電力制御部５１０は、交流電源２２０に交流電力の生成停止を指示することによって、スパークプラグ１００の中心電極１１０に対する交流電力の印加を停止する（ステップＳ１４０）。これによって、スパークプラグ１００の電極間から交流プラズマが消滅する。交流電力を停止した後（ステップＳ１４０）、電力制御部５１０は、電力制御処理（ステップＳ１００）を終了する。

本実施例では、電力制御部５１０は、直流電源２１０による直流電力の生成停止を、交流電力の低減後（ステップＳ１３０）、交流電力の停止前（ステップＳ１４０）に実施するが、他の実施形態において、交流電力の低減（ステップＳ１３０）に先立って実施しても良いし、交流電力の停止後（ステップＳ１４０）に実施しても良い。

図３は、一回の電力制御処理（ステップＳ１００）における交流電力Ｐの時間変化を示す説明図である。交流電力Ｐは、交流電源２２０からスパークプラグ１００に投入される交流電流が単位時間にする仕事量である。図３には、時間を横軸に設定し、電力を縦軸に設定することによって、交流電力Ｐの時間変化を図示した。図３にハッチングで示した交流電力Ｐと時間との積は、一回の電力制御処理（ステップＳ１００）において投入される交流電流がする仕事量である交流電力量Ｅを示す。

図３に示すように、交流電源２２０からスパークプラグ１００に交流電力Ｐを投入する交流電力投入期間Ｓａ（タイミングｔ０〜ｔ５）の途中（タイミングｔ１）で、交流電力Ｐを第１電力Ｐｉから第２電力Ｐｒに低減する。第１電力Ｐｉおよび第２電力Ｐｒは、スパークプラグ１００の電極間に発生させた交流プラズマの維持に最低限必要な電力Ｐｔ以上の維持電力範囲Ｒｐ内の電力である。

交流電力投入期間Ｓａの始期（タイミングｔ０）には、交流電力Ｐを第１電力Ｐｉに設定し、交流電力投入期間Ｓａの前半を占める第１投入期間Ｓａ１（タイミングｔ０〜ｔ１）の間、交流電力Ｐを第１電力Ｐｉで一定に維持する。第１投入期間Ｓａ１（タイミングｔ０〜ｔ１）の後、交流電力Ｐを第１電力Ｐｉから第２電力Ｐｒに低減し、交流電力投入期間Ｓａの終期（タイミングｔ５）を含む第２投入期間Ｓａ２（タイミングｔ１〜ｔ５）の間、交流電力Ｐを第２電力Ｐｒで一定に維持する。

Ａ−２．交流電力Ｐの低減時期に関する評価値：
図４は、交流電力Ｐの低減時期と電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。図４には、交流電力Ｐの低減時期を横軸に設定し、スパークプラグ１００における電極間距離の増加量を縦軸に設定することによって、交流電力Ｐの低減時期と電極消耗との関係を図示した。図４に示す交流電力Ｐの低減時期は、交流電力投入期間Ｓａの始期（図３のタイミングｔ０）を０％、終期（図３のタイミングｔ５）を１００％とする交流電力投入期間Ｓａにおける相対的な経過時点（図３のタイミングｔ１）である。

図４の評価試験では、交流電力Ｐの低減時期が異なる電力制御処理（ステップＳ１００）をプラズマ点火装置２０において実行し、スパークプラグ１００の中心電極１１０と接地電極１２０との間の電極間距離の増加量を計測した。具体的には、スパークプラグ１００の中心電極１１０および接地電極１２０を０．４ＭＰａ（メガパスカル）の雰囲気に曝した状態で、電力制御処理（ステップＳ１００）を１５Ｈｚ（ヘルツ）の周期で４０時間連続して実行した。図４の評価試験において、方向性結合器を用いて交流電源２２０からスパークプラグ１００に対する入射電力および反射電力を測定したところ、交流電源２２０から中心電極１１０までの反射損失は１０％以下であった。

図４の評価試験に用いたスパークプラグ１００は、直径２．５ｍｍ（ミリメートル）のニッケル合金製の中心電極１１０を有し、中心電極１１０と接地電極１２０との間の電極間距離は、評価試験前の状態で０．８ｍｍであった。図４の評価試験では、直流電源２１０によって総エネルギ投入量が６０ｍＪ（ミリジュール）となるように直流電力を２．５ｍｓ（ミリ秒）の間印加し、直流電力の印加と同時に交流電力Ｐを投入した。

図４の評価試験では、交流電源２２０からスパークプラグ１００に投入される交流電力Ｐに関し、交流電力投入期間Ｓａを４．０ｍｓに設定し、第１投入期間Ｓａ１における第１電力Ｐｉを２５０Ｗ（ワット）に設定し、第２投入期間Ｓａ２における第２電力Ｐｒを２００Ｗに設定した。交流電力Ｐの低減時期については、交流電力Ｐを低減させない「１００％」、交流電力投入期間Ｓａの始期から３．５ｍｓ後の「８８％」、３．０ｍｓ後の「７５％」、および２．５ｍｓ後の「６３％」の各値に設定した。

図４に示すように、交流電力Ｐの低減時期が１００％の場合に０．３０ｍｍであった電極間距離の増加量は、８８％の場合に０．２９ｍｍ、７５％の場合に０．２５ｍｍ、６３％の場合に０．２４ｍｍへと低減し、交流電力Ｐの低減時期が早まるに連れて低減した。特に、交流電力Ｐの低減時期が８８％から７５％に早まると、電極間距離の増加量は飛躍的に低減した。

図４の評価試験の結果によれば、電極消耗を抑制するために、交流電力Ｐの低減は、スパークプラグ１００の電極間に交流プラズマが発生した後であって交流電力投入期間Ｓａが７５％近傍を経過する時点以前に行うことが好ましく、６３％近傍を経過する時点以前に行うことが更に好ましい。

Ａ−３．交流電力Ｐの低減比率に関する評価値：
図５は、交流電力Ｐの低減比率と電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。図５には、交流電力Ｐの低減比率を横軸に設定し、スパークプラグ１００における電極間距離の増加量を縦軸に設定することによって、交流電力Ｐの低減比率と電極消耗との関係を図示した。図５に示す交流電力Ｐの低減比率は、第１電力Ｐｉに対する第２電力Ｐｒの比率であり、交流電力Ｐを低減させない場合（Ｐｒ＝Ｐｉの場合）には「１００％」を示し、交流電力Ｐの投入を停止する場合（Ｐｒ＝０の場合）には「０％」を示す。

図５の評価試験では、交流電力Ｐの低減比率が異なる電力制御処理（ステップＳ１００）をプラズマ点火装置２０において実行し、スパークプラグ１００の中心電極１１０と接地電極１２０との間の電極間距離の増加量を計測した。具体的には、スパークプラグ１００の中心電極１１０および接地電極１２０を０．４ＭＰａの雰囲気に曝した状態で、電力制御処理（ステップＳ１００）を１５Ｈｚの周期で４０時間連続して実行した。図５の評価試験において、方向性結合器を用いて交流電源２２０からスパークプラグ１００に対する入射電力および反射電力を測定したところ、交流電源２２０から中心電極１１０までの反射損失は１０％以下であった。

図５の評価試験に用いたスパークプラグ１００は、図４の評価試験と同様である。図５の評価試験では、直流電源２１０によって総エネルギ投入量が６０ｍＪとなるように直流電力を２．５ｍｓの間印加し、直流電力の印加と同時に交流電力Ｐを投入した。

図５の評価試験では、交流電源２２０からスパークプラグ１００に投入される交流電力Ｐに関し、交流電力投入期間Ｓａを４．０ｍｓに設定し、第１投入期間Ｓａ１における第１電力Ｐｉを２５０Ｗに設定し、交流電力Ｐの低減時期を交流電力投入期間Ｓａの始期から３．０ｍｓ後の７５％に設定した。第２投入期間Ｓａ２における第２電力Ｐｒについては、交流電力Ｐを低減させない「２５０Ｗ」に加え、「２００Ｗ」、「１５０Ｗ」および「１００Ｗ」の各値に設定することによって、交流電力Ｐの低減比率を「１００％」、「８０％」、「６０％」および「４０％」の各値に変化させた。

図５に示すように、交流電力Ｐの低減比率が１００％の場合に０．３０ｍｍであった電極間距離の増加量は、８０％の場合に０．２５ｍｍ、６０％の場合に０．２２ｍｍ、４０％の場合に０．２１ｍｍへと低減し、交流電力Ｐの低減比率が低下するに連れて低減した。すなわち、低減後の第２電力Ｐｒが小さい程、電極間距離の増加量は低減した。なお、交流電力Ｐの低減後も交流プラズマを維持するために、第２電力Ｐｒは、電力Ｐｔ以上の維持電力範囲Ｒｐ内に設定する必要がある。

図５の評価試験の結果によれば、電極消耗を抑制するために、交流電力Ｐの低減は、維持電力範囲Ｒｐ内であって交流プラズマの発生時における８０％以下の電力にまで低減することが好ましく、６０％以下の電力に低減することが更に好ましく、４０％以下の電力に低減することが一層好ましい。

Ａ−４．交流電力Ｐの低減開始時間と直流電力との関係に関する評価値：
図６は、交流電力Ｐの低減開始時間と電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。図６には、交流電力Ｐの低減開始時間を横軸に設定し、スパークプラグ１００における電極間距離の増加量を縦軸に設定することによって、交流電力Ｐの低減開始時間と電極消耗との関係を図示した。図６に示す交流電力Ｐの低減開始時間は、交流電力Ｐの投入開始（図３のタイミングｔ０）から交流電力Ｐの低減開始（図３のタイミングｔ１）までの第１投入期間Ｓａ１を示す。

図６の評価試験では、交流電力Ｐの低減開始時間が異なる電力制御処理（ステップＳ１００）をプラズマ点火装置２０において実行し、スパークプラグ１００の中心電極１１０と接地電極１２０との間の電極間距離の増加量を計測した。具体的には、スパークプラグ１００の中心電極１１０および接地電極１２０を０．４ＭＰａの雰囲気に曝した状態で、電力制御処理（ステップＳ１００）を１５Ｈｚの周期で４０時間連続して実行した。図６の評価試験において、方向性結合器を用いて交流電源２２０からスパークプラグ１００に対する入射電力および反射電力を測定したところ、交流電源２２０から中心電極１１０までの反射損失は１０％以下であった。

図６の評価試験に用いたスパークプラグ１００は、図４の評価試験と同様である。図６の評価試験では、直流電源２１０によって総エネルギ投入量が５０ｍＪとなるように直流電力を２．０ｍｓ間印加し、直流電力の印加と同時に交流電力Ｐを投入した。

図６の評価試験では、交流電源２２０からスパークプラグ１００に投入される交流電力Ｐに関し、交流電力投入期間Ｓａを４．０ｍｓに設定し、第１投入期間Ｓａ１における第１電力Ｐｉを２５０Ｗに設定した。更に、交流電力Ｐの低減開始時間が異なる評価試験例の各々で交流電力量Ｅが７００ｍＪになるように、第２電力Ｐｒを設定した。具体的には、交流電力Ｐの低減開始時間が「２．５ｍｓ」の場合に第２電力Ｐｒを「５０Ｗ」に設定し、「１．５ｍｓ」の場合には「１３０Ｗ」に設定し、「１．０ｍｓ」の場合には「１５０Ｗ」に設定し、「０．６ｍｓ」の場合には「１６０Ｗ」に設定した。

図６に示すように、交流電力Ｐの低減開始時間が、直流電力の印加時間である２．０ｍｓを超える２．５ｍｓの場合、電極間距離の増加量は０．１８ｍｍであった。交流電力Ｐの低減開始時間が、直流電力の印加時間よりも早い１．５ｍｓの場合、電極間距離の増加量は０．１６ｍｍに低減した。交流電力Ｐの低減開始時間が１．０ｍｓの場合には電極間距離の増加量は０．１５ｍｍへと更に低減した。交流電力Ｐの低減開始時間が０．６ｍｓの場合には電極間距離の増加量は０．１４ｍｍへと一層低減した。

図６の評価試験の結果によれば、電極消耗を抑制するために、交流電力Ｐの低減は、直流電源２１０による直流電力をスパークプラグ１００に印加する期間内に行うことが好ましい。更に、交流電力Ｐの低減は、スパークプラグ１００の電極間に交流プラズマが発生した後であって交流電力Ｐの投入開始（タイミングｔ０）から１．０ｍｓ以内に行うことが好ましく、０．６ｍｓ以内に行うことが一層好ましい。

Ａ−５．交流電力投入期間Ｓａに関する評価値：
図７は、交流電力投入期間Ｓａと電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。図７には、交流電力投入期間Ｓａを横軸に設定し、スパークプラグ１００における電極間距離の増加量を縦軸に設定することによって、交流電力投入期間Ｓａと電極消耗との関係を図示した。

図７の評価試験では、交流電力投入期間Ｓａが異なる電力制御処理（ステップＳ１００）をプラズマ点火装置２０において実行し、スパークプラグ１００の中心電極１１０と接地電極１２０との間の電極間距離の増加量を計測した。具体的には、スパークプラグ１００の中心電極１１０および接地電極１２０を０．４ＭＰａの雰囲気に曝した状態で、電力制御処理（ステップＳ１００）を１５Ｈｚの周期で４０時間連続して実行した。図７の評価試験において、方向性結合器を用いて交流電源２２０からスパークプラグ１００に対する入射電力および反射電力を測定したところ、交流電源２２０から中心電極１１０までの反射損失は１０％以下であった。

図７の評価試験に用いたスパークプラグ１００は、図４の評価試験と同様である。図７の評価試験では、直流電源２１０によって総エネルギ投入量が６０ｍＪとなるように直流電力を２．５ｍｓ間印加し、直流電力の印加と同時に交流電力Ｐを投入した。

図７の評価試験では、交流電源２２０からスパークプラグ１００に投入される交流電力Ｐに関し、第１投入期間Ｓａ１を２．０ｍｓに設定し、第１投入期間Ｓａ１における第１電力Ｐｉを２５０Ｗに設定した。更に、交流電力投入期間Ｓａが異なる評価試験例の各々で交流電力量Ｅが８００ｍＪになるように、第２電力Ｐｒを設定した。具体的には、交流電力投入期間Ｓａが「４．０ｍｓ」の場合に第２電力Ｐｒを「１５０Ｗ」に設定し、「５．０ｍｓ」の場合には「１００Ｗ」に設定し、「６．０ｍｓ」の場合には「７５Ｗ」に設定した。

図７に示すように、交流電力投入期間Ｓａが６．０ｍｓの場合に０．２３ｍｍであった電極間距離の増加量は、５．０ｍｓの場合に０．２１ｍｍ、４．０ｍｓの場合に０．２０ｍｍへと低減した。特に、交流電力投入期間Ｓａが６．０ｍｍから５．０ｍｍに短くなると、電極間距離の増加量は飛躍的に低減した。

図７の評価試験の結果によれば、電極消耗を抑制するために、交流電力投入期間Ｓａは、５．０ｍｓ以下であることが好ましく、４．０ｍｓ以下であることが更に好ましい。

Ａ−６．交流電力量Ｅに関する評価値：
図８は、交流電力量Ｅと電極消耗との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。図８には、交流電力量Ｅを横軸に設定し、スパークプラグ１００における電極間距離の増加量を縦軸に設定することによって、交流電力量Ｅと電極消耗との関係を図示した。

図８の評価試験では、交流電力量Ｅが異なる電力制御処理（ステップＳ１００）をプラズマ点火装置２０において実行し、スパークプラグ１００の中心電極１１０と接地電極１２０との間の電極間距離の増加量を計測した。具体的には、スパークプラグ１００の中心電極１１０および接地電極１２０を０．４ＭＰａの雰囲気に曝した状態で、電力制御処理（ステップＳ１００）を１５Ｈｚの周期で４０時間連続して実行した。図８の評価試験において、方向性結合器を用いて交流電源２２０からスパークプラグ１００に対する入射電力および反射電力を測定したところ、交流電源２２０から中心電極１１０までの反射損失は１０％以下であった。

図８の評価試験に用いたスパークプラグ１００は、図４の評価試験と同様である。図８の評価試験では、直流電源２１０によって総エネルギ投入量が６０ｍＪとなるように直流電力を２．５ｍｓの間印加し、直流電力の印加と同時に交流電力Ｐを投入した。

図８の評価試験では、交流電源２２０からスパークプラグ１００に投入される交流電力Ｐに関し、交流電力投入期間Ｓａを５．０ｍｓ、第１投入期間Ｓａ１を２．０ｍｓに設定し、第１投入期間Ｓａ１における第１電力Ｐｉを３００Ｗに設定した。更に、第２投入期間Ｓａ２における第２電力Ｐｒを変更することによって、評価試験例の各々の交流電力量Ｅを変化させた。具体的には、第２電力Ｐｒを「８０Ｗ」に設定して交流電力量Ｅを「８４０ｍＪ」に設定し、第２電力Ｐｒを「１００Ｗ」に設定して交流電力量Ｅを「９００ｍＪ」に設定し、第２電力Ｐｒを「１２０Ｗ」に設定して交流電力量Ｅを「９６０ｍＪ」に設定した。

図８に示すように、交流電力量Ｅが９６０ｍＪの場合に０．２５ｍｍであった電極間距離の増加量は、９００ｍＪの場合に０．２２ｍｍ、８４０ｍＪの場合に０．２１ｍｍへと低減した。特に、交流電力量Ｅが９６０ｍＪから９００ｍＪに短くなると、電極間距離の増加量は飛躍的に低減した。

図８の評価試験の結果によれば、電極消耗を抑制するために、交流電力量Ｅは９００ｍＪ以下であることが好ましく、８４０ｍＪ以下であることが更に好ましい。

Ａ−７．交流電力Ｐの投入タイミングに関する評価値：
図９は、交流電力Ｐの投入タイミングと点火性能との関係を調べた評価試験の結果を示す説明図である。図９には、交流電力Ｐの投入態様を図示すると共に、各投入態様について点火性能評価を示した。図９の点火性能評価は、失火率が低い程、良好であることを示す。

図９の評価試験では、交流電力Ｐの投入タイミングが異なる電力制御処理（ステップＳ１００）をプラズマ点火装置２０において実行し、スパークプラグ１００の中心電極１１０と接地電極１２０との間の電極間距離の増加量を計測した。具体的には、スパークプラグ１００を取り付けた排気量２０００ｃｃのＤＯＨＣ直列四気筒エンジンを、空燃比Ａ／Ｆ＝２３、回転数１６００ｒｐｍで運転し、その失火率を測定した。図９の評価試験において、方向性結合器を用いて交流電源２２０からスパークプラグ１００に対する入射電力および反射電力を測定したところ、交流電源２２０から中心電極１１０までの反射損失は１０％以下であった。

図９の評価試験に用いたスパークプラグ１００は、図４の評価試験と同様である。図９の評価試験では、直流電源２１０によって総エネルギ投入量が６０ｍＪとなるように直流電力を２．５ｍｓの間印加した。

図９の評価試験では、交流電源２２０からスパークプラグ１００に投入される交流電力Ｐに関し、交流電力投入期間Ｓａを２．０ｍｓ、第１投入期間Ｓａ１を１．０ｍｓに設定し、第１電力Ｐｉを２５０Ｗ、第２電力Ｐｒを５０Ｗに設定した。交流電力Ｐの投入タイミングについては、「直流電流の印加と同時」、「直流電流の印加から１．０ｍｓ後」、および「直流電流の印加から２．０ｍｓ後」の三つのパターンを設定した。

図９の上段に示すように、交流電力Ｐの投入タイミングが「直流電流の印加と同時」の場合、交流電力投入期間Ｓａの終期は直流電力の印加期間の終期よりも前になり、失火率は１．０〜１．４％であった。図９の中段に示すように、交流電力Ｐの投入タイミングが「直流電流の印加から１．０ｍｓ後」の場合、直流電力の印加期間の終期は交流電力投入期間Ｓａの第２投入期間Ｓａ２に重なり、失火率は０．１〜０．９％であった。図９の下段に示すように、交流電力Ｐの投入タイミングが「直流電流の印加から２．０ｍｓ後」の場合、直流電力の印加期間の終期は交流電力投入期間Ｓａの第１投入期間Ｓａ１に重なり、失火率は０％であった。

図９の評価試験の結果によれば、点火性能を向上させるために、交流電力投入期間Ｓａの終期は、直流電力の印加期間の終期よりも後であることが好ましい。更に、直流電力の印加期間の終期は、交流電力投入期間Ｓａの第１投入期間Ｓａ１に重なることが一層好ましい。

Ａ−８．効果：
以上説明したプラズマ点火装置２０によれば、交流電力投入期間Ｓａにおいて交流プラズマ発生後に交流電力Ｐを維持電力範囲Ｒｐ内で低減し、交流電力量Ｅを低減することができるため、交流プラズマによる電極消耗を抑制することができる。その結果、交流プラズマを発生させるスパークプラグ１００の寿命を向上させることができる。

Ｂ．他の実施形態：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることは勿論である。例えば、交流電力Ｐの低減は、交流電力投入期間Ｓａにおいて交流プラズマ発生後に交流電力Ｐを維持電力範囲Ｒｐ内で低減すれば良く、図３に示したパターンに限られず、種々のパターンで実施可能である。

図１０は、第１変形例における交流電力Ｐの時間変化を示す説明図である。第１変形例では、交流電力投入期間Ｓａの始期（タイミングｔ０）において交流電力Ｐを第１電力Ｐｉに設定し、交流電力投入期間Ｓａの終期（タイミングｔ５）に交流プラズマの維持に最低限必要な電力Ｐｔになるように、交流電力Ｐを第１電力Ｐｉから０Ｗまで連続的に低減する。第１変形例によっても、上述の実施例と同様に、交流プラズマによる電極消耗を抑制することができる。

図１１は、第２変形例における交流電力Ｐの時間変化を示す説明図である。第２変形例では、第１投入期間Ｓａ１において交流電力Ｐを第１電力Ｐｉで一定に維持する。その後、第２投入期間Ｓａ２の終期（タイミングｔ５）に交流プラズマの維持に最低限必要な電力Ｐｔになるように、交流電力Ｐを第１電力Ｐｉから０Ｗまで連続的に低減する。第２変形例によっても、上述の実施例と同様に、交流プラズマによる電極消耗を抑制することができる。

図１２は、第３変形例における交流電力Ｐの時間変化を示す説明図である。第３変形例では、交流電力投入期間Ｓａの始期（タイミングｔ０）において交流電力Ｐを第１電力Ｐｉに設定し、第１投入期間Ｓａ１の終期（タイミングｔ１）に第２電力Ｐｒになるように、交流電力Ｐを第１電力Ｐｉから第２電力Ｐｒまで連続的に低減する。その後、第２投入期間Ｓａ２において交流電力Ｐを第２電力Ｐｒで一定に維持する。第３変形例によっても、上述の実施例と同様に、交流プラズマによる電極消耗を抑制することができる。

図１３は、第４変形例における交流電力Ｐの時間変化を示す説明図である。第４変形例では、第１投入期間Ｓａ１において交流電力Ｐを第１電力Ｐｉで一定に維持する。その後、第２投入期間Ｓａ２の前半（タイミングｔ１〜ｔ３）において、交流電力Ｐを電力Ｐｒ１で一定に維持する。その後、第２投入期間Ｓａ２の後半（タイミングｔ３〜ｔ５）において、交流電力Ｐを電力Ｐｒ２で一定に維持する。電力Ｐｒ１および電力Ｐｒ２は、第１電力Ｐｉよりも低減した維持電力範囲Ｒｐ内の電力であり、電力Ｐｒ１は、電力Ｐｒ２よりも小さい。第４変形例によっても、上述の実施例と同様に、交流プラズマによる電極消耗を抑制することができる。

１０…運転制御部
２０…プラズマ点火装置
１００…スパークプラグ
１１０…中心電極
１２０…接地電極
２１０…直流電源
２２０…交流電源
３００…混合部
３１０…インダクタ
３２０…コンデンサ
５００…点火制御部
５１０…電力制御部
Ｐ…交流電力
Ｅ…交流電力量
Ｓａ…交流電力投入期間
Ｓａ１…第１投入期間
Ｓａ２…第２投入期間
Ｒｐ…維持電力範囲
Ｐｉ…第１電力
Ｐｒ…第２電力
Ｐｒ１…電力
Ｐｒ２…電力
Ｐｔ…電力

Claims (18)

1. スパークプラグと、
   前記スパークプラグの電極間に交流プラズマを発生させる交流電力を生成する交流電源と
   を備えるプラズマ点火装置であって、
   前記交流プラズマを維持可能な維持電力範囲内で前記スパークプラグに前記交流電力を連続的に投入する交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後に前記交流電力を低減する電力制御部を更に備えることを特徴とするプラズマ点火装置。
2. 前記電力制御部は、前記交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後であって前記交流電力投入期間が７５％経過する時点以前に、前記交流電力を低減す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. 前記電力制御部は、前記維持電力範囲内であって前記交流プラズマの発生時における８０％以下の電力に、前記交流電力を低減することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ点火装置。
4. 前記電力制御部は、前記交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後であって前記交流電力の投入開始から１．０ミリ秒以内に、前記交流電力を低減することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。
5. 前記交流電力投入期間は５．０ミリ秒以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。
6. １サイクルの前記交流電力投入期間において前記交流電力によって前記スパークプラグに供給される電力量は９００ミリジュール以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。
7. 前記交流プラズマの発生に先立って前記スパークプラグの前記電極間に火花放電を発生させる直流電力を生成する直流電源を更に備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のプラズマ点火装置。
8. 前記交流電力投入期間の終期は、前記スパークプラグに前記直流電力を印加する期間の終期よりも後であることを特徴とする請求項７に記載のプラズマ点火装置。
9. 前記電力制御部は、前記スパークプラグに前記直流電力を印加する期間内に前記交流電力を低減することを特徴とする請求項７または請求項８に記載のプラズマ点火装置。
10. 交流電源で生成した交流電力によってスパークプラグの電極間に交流プラズマを発生させるプラズマ点火方法であって、
    前記交流プラズマを維持可能な維持電力範囲内で前記スパークプラグに前記交流電力を連続的に投入する交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後に前記交流電力を低減することを特徴とするプラズマ点火方法。
11. 前記交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後であって前記交流電力投入期間が７５％経過する時点以前に、前記交流電力を低減することを特徴とする請求項１０に記載のプラズマ点火方法。
12. 前記維持電力範囲内であって前記交流プラズマの発生時における８０％以下の電力に、前記交流電力を低減することを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のプラズマ点火方法。
13. 前記交流電力投入期間において、前記電極間に交流プラズマを発生させた後であって前記交流電力の投入開始から１．０ミリ秒以内に、前記交流電力を低減することを特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれか一項に記載のプラズマ点火方法。
14. 前記交流電力投入期間を５．０ミリ秒以下に制限することを特徴とする請求項１０ないし請求項１３のいずれか一項に記載のプラズマ点火方法。
15. １サイクルの前記交流電力投入期間において前記交流電力によって前記スパークプラグに供給される電力量を９００ミリジュール以下に制限することを特徴とする請求項１０ないし請求項１４のいずれか一項に記載のプラズマ点火方法。
16. 前記交流プラズマの発生に先立って、直流電源で生成した直流電力によって前記スパークプラグの前記電極間に火花放電を発生させることを特徴とする請求項１０ないし請求項１５のいずれか一項に記載のプラズマ点火方法。
17. 前記交流電力投入期間の終期を、前記スパークプラグに前記直流電力を印加する期間の終期よりも後にすることを特徴とする請求項１６に記載のプラズマ点火方法。
18. 前記スパークプラグに前記直流電力を印加する期間内に前記交流電力を低減することを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載のプラズマ点火方法。

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