JP2012184718A - 非熱平衡プラズマ点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】難着火性の内燃機関においても着火安定性を示す非熱平衡プラズマ点火装置を提供する。
【解決手段】碍子部１１に覆われた中心電極１０と接地電極１３とを所定の放電空間１４を介して対向せしめた点火プラグ１と、ＥＣＵ３から発信された、点火信号ＩＧｔに従って、高電圧電源２から１０ｋＶ以上の高電圧を一周期当たりの電圧印加時間が１ｎｓ以上１μｓ以下で印加して放電空間１４内に、非熱平衡プラズマを発生させて、内燃機関５の燃焼室５００内に導入された可燃性物質と支燃性ガスとの混合気に高い反応性を示すラジカルを反応させて点火を行う非熱平衡プラズマ点火装置４において、中心電極１０と接地電極１３とのいずれか一方、又は、両方の表面に略環状に形成した電界集中部１０２、１３２を具備し、電界集中部１０２、１３２の一部にストリーマ放電の起点となる放電誘発部１０３、１３３を設ける。
【選択図】図１

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非熱平衡プラズマ点火装置に関する。

近年、ＣＯ_２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ＮＯ_Ｘ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。

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、特許文献１には、プラズマ点火装置が開示されている。

しかし、特許文献１にあるような、従来のプラズマ点火装置では、着火性に優れているものの、分子温度の高い熱平衡プラズマが発生するため、電極の消耗が激しく、実用化の妨げとなっている。

一方、特許文献２には、非熱平衡プラズマ（低温プラズマ）の発生により、電極の溶損を起こすことなく、筒内にラジカルを生成し、自着火性の内燃機関の着火を補助すべく、バリア放電部を設けた内燃機関が開示されている。
特許文献２にあるような従来のバリア放電部では、棒状に形成した中心電極の全周を誘電体で覆い、さらにその外周を管状電極で覆い、中心電極と環状電極との間に高周波の交流電圧を印加することによって中心電極の側面と環状電極の内周との間の複数箇所にストリーマ放電を発生させ、放電室内に多量のラジカルを生成することで着火を図ろうとしている。

ところが、特許文献２にあるようなバリア放電では、非熱平衡プラズマは誘電体側面から管状電極に向かって放射状に広がるため、誘電体の表面では、エネルギ密度が高くても、徐々にエネルギ密度が低下する。
しかも、誘電体外周表面から管状電極内周表面に至る広汎な範囲に存在する混合気に非熱平衡プラズマのエネルギが吸収されてしまい、燃焼室内に電極を突き出しストリーマ放電を行う場合と同様、体積着火を生じさせるためには、膨大なエネルギを投入する必要がある。
また、誘電体の絶縁耐圧以下の電圧を印加することにより熱プラズマの発生を防止しているため、特許文献２の図３（ｂ）に示されているように、１サイクル中に４回の非熱平衡プラズマが発生する機会があるが、その時間は、極めて短い時間に限られ、印加したエネルギの多くが、誘電体の温度上昇等の損失となる虞がある。
さらに、印加エネルギを多くするために、交流の印加電圧を高くしたり、印加時間を長くしたり、周波数を増加したりした場合に、中心電極と管状電極との間に蓄積されたエネルギによって誘電体の絶縁破壊が起こり、誘電体表面から管状電極に向かって伸びるストリーマ放電が管状電極に達した瞬間に放電経路が形成され、中心電極と管状電極との間に蓄積されたエネルギが一気に放出され、熱プラズマであるアーク放電が発生し、電極の消耗を招く虞もある。

一方、特許文献２にあるようなバリア放電部の構造では、中心電極の側面と環状電極との間の任意の位置で放電が起こるため、放電位置を特定することができず、放電位置の違いによって、供給されたエネルギに対して発生する非熱平衡プラズマの量が変化し、着火が不安定となる虞がある。
このため、点火条件によって発生する非熱平衡プラズマの量を一定とすることができず、点火タイミングにズレを生じたり、中心電極と管状電極との間に蓄積されたエネルギが、吸気行程などの低圧時に放電されたりするなど、予期せぬ着火を引き起こす虞もある。
特に、多気筒エンジンにおいて、このような不正放電によりプレイグニションが発生すると、エンジンの破損などの深刻な障害を引き起こす虞がある。

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、分子温度が低い非熱平衡プラズマを発生させ、ラジカルによる混合気の着火を図る上で、エネルギの損失を抑制し、安定した着火を実現できる非熱平衡プラズマ点火装置を提供することを目的としてなされたものである。

請求項１の発明では、内燃機関に装着され、少なくとも絶縁体、又は、誘電体からなる碍子部に覆われた中心電極と接地電極とを所定の放電空間を介して対向せしめた点火プラグと、内燃機関の運転状況に応じて点火信号を発信するエンジン制御装置と、該点火信号に従って、上記点火プラグに所定の電圧で、高周波の交流電圧を印加する交流電源、又は、高速パルスを高速で複数回発振する高速パルス電源いずれかからなる高電圧電源と、該高電圧電源から１０ｋＶ以上の高電圧の印加によって、上記放電空間に、非熱平衡プラズマを発生させて、内燃機関の燃焼室内に導入された可燃性物質と支燃性ガスとの混合気に高い反応性を示すラジカルを反応させて点火を行う非熱平衡プラズマ点火装置において、上記高電圧電源の発振周波数が５００ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下であり、又は、上記電圧電源の一周期当たりの電圧印加時間が１ｎｓ以上１μｓ以下であり、上記中心電極と上記接地電極とのいずれか一方、又は、両方の表面に略環状に形成した電界集中部を具備し、該電界集中部の一部にストリーマ放電の起点となる放電誘発部を設ける。

請求項２の発明では、上記エンジン制御装置から発信された一の点火信号に対して、複数回の高電圧の印加を一定時間内に行った後、一定時間経過後再度複数回の高電圧の印加を繰り返して多重点火を行う。

請求項３の発明では、上記点火プラグを、導電性材料を略長軸状に形成した中心電極と、絶縁体、又は、誘電体からなり、上記中心電極の外周及び先端面を覆うように、略有底筒状に形成した碍子部と、該碍子部を保持すべく金属材料を略筒状に形成したハウジングと、該ハウジングの一部に延設して燃焼室側に向かって伸び、先端側を上記中心電極に対向せしめて略Ｌ字形に形成した接地電極とによって構成する。

請求項４の発明では、上記中心電極に対向する位置において、上記接地電極を貫通する貫通孔を有する。

請求項５の発明では、上記点火プラグは、導電性材料を略長軸状に形成した中心電極と、絶縁体、又は、誘電体からなり、該中心電極の外周及び先端面を覆いつつ、さらにその先端側に一定の容積の放電空間を区画するように形成した碍子部と、該碍子部を保持すべく金属材料を略筒状に形成したハウジングと、該ハウジングの先端を引き伸ばして、上記碍子部の先端を覆いつつ、上記放電空間の内周壁を構成する碍子部の内径に連通した開口を有し、略環状に形成した接地電極対とによって構成する。

請求項６の発明では、上記電界集中部が、上記中心電極の先端面と、上記接地電極の中心電極に対向する表面とのいずれか一方、又は、両方において略環状に突出する。

請求項７の発明では、上記電界集中部が、先端先細りのテーパ状である。

請求項８の発明では、上記放電誘発部が、上記電界集中部の一部を切り欠いたスリット状である。

請求項９の発明では、上記電界集中部が、複数箇所に所定の幅で切り欠かれた切り欠き部を有し、一の切り欠き部の幅を他の切り欠き部の幅と異ならせて上記放電誘発部とする。

請求項１０の発明では、上記中心電極の先端面と、上記接地電極の上記中心電極に対向する表面とのいずれか一方、又は、両方において、複数箇所で略柱状に突出させた柱状突起部を、略環状に配設して上記電界集中部とする。

請求項１１の発明では、上記複数の柱状突起部の内、一の柱状突起部の外径を他の柱状突起部の外径と異ならせて、上記放電誘発部とする。

請求項１２の発明では、上記複数の柱状突起部を配設する間隔の一部を他の間隔と異ならせて、上記放電誘発部とする。

本発明によれば、上記中心電極、又は、／及び、上記接地電極の対向する表面に、上記電界集中部を形成することにより、ストリーマ放電を起こすのに必要となる要求電圧を低下させる効果に加え、上記放電誘発部を形成することにより、上記電界集中部の特定の位置にストリーマ放電を開始するきっかけを生じさせ、上記電界集中部のみを形成した場合よりも、さらに安定して、低い電圧での放電が可能となる。
加えて、上記中心電極と上記接地電極との間で一定のエネルギ密度を維持しつつ、筒状に広がる非熱平衡プラズマが発生し、その内外表面で着火、火炎伝播が起こるので、反応性の高いラジカルとの反応領域が飛躍的に拡大され、極めて優れた着火性を実現できる。
また、非熱平衡プラズマは、反応性の高いラジカルを発生させ、上記放電空間に存在する混合気の燃焼反応を誘発し、内燃機関の点火を行うことができる。

また、上記高電圧電源は、高電圧の印加時間が、１ｎｓ以上１μｓ以下に制限され、さらに、５００ｋＨｘ以上５００ＭＨｚ以下の発振周期で高電圧の印加と停止が繰り返されており、ストリーマ放電からアーク放電に変化する前に電子の放出が遮断されるので、次々とストリーマ放電の発生が断続的に繰り返され、燃焼室内の圧力変動や混合気の空燃比に変動等があっても、ストリーマ放電がアーク放電に遷移することなく、効率よく非熱平衡プラズマを発生させ、混合気の着火に至らしめることができる。
一方、本発明によらず、高電圧の印加時間が長い場合には、ストリーマ放電が発生した後も継続して電子が放出され続けているので、中心電極と接地電極との間に電流経路が形成され、熱平衡に達し、アーク放電が発生してしまう虞がある。

また、上記中心電極の先端が上記碍子部に覆われているのに加え、非熱平衡プラズマは、電子温度は高いが、分子温度は低いため、電極の消耗が起こり難い。したがって、熱プラズマを発生する従来の点火プラグにおいて、電極消耗を抑制するために用いられるような、イリジウム、イリジウム合金等の高価で、耐熱性の高い材料を用いなくても良いため、製造コストの削減を図ることも可能となる。

本発明の第１の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の概要を示す構成図。 図１の非熱平衡プラズマ点火装置の要部の詳細を示し、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、その効果を示す断面模式図。 本発明の第２の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の概要を示し、（ａ）は、斜視図、（ｂ）は、その効果を示す断面模式図。 本発明の第２の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の変形例を示す斜視図。 （ａ）は、本発明の第１の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の変形例を示す要部断面図、（ｂ）は、第２の実施形態における非熱平衡ラズマ点火装置の他の変形例を示す要部断面図。 本発明の非熱平衡プラズマ点火装置に適用し得る変形例を示し、（ａ−１）〜（ｄ−１）は、斜視図、（ａ−２)〜（ｄ−２）は、平面図。 本発明の第３の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の概要を示し、（ａ）は、要部断面図、（ｂ）は、その中心電極先端部の平面図、（ｃ）は、その接地電極の平面図。

本発明は、高過給、高圧縮、高ＥＧＲ、極低リーン燃焼等による、高効率、低ＮＯｘを達成するエンジン等の難着火性内燃機関に用いられ優れた着火性と耐久性とを示す非熱平衡プラズマ点火装置である。
図１、図２を参照して、本発明の第１の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置４について説明する。なお、以下の説明において、図の上方を基端側、下方を先端側と称する。
図１は、本実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置４の全体概要を示し、図２は、本実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置４の要部の詳細を示すものである。

本発明の非熱平衡プラズマ点火装置４は、詳述略の内燃機関５のエンジンヘッド５０に装着され、先端が燃焼室５００内に露出し、所定の印加時間、又は、周波数で高電圧を印加したときに非熱平衡プラズマを４０発生する点火プラグ１と、所定の高電圧を発生する高電圧電源２と、内燃機関５の運転状況に応じて、高電圧電源２を駆動すべく点火信号ＩＧｔを発信するエンジン制御装置（ＥＣＵ）３とによって構成されている。
本実施形態において、点火プラグ１は、略長軸状の中心電極１０とその外周及び先端を覆う略有底筒状に形成された碍子部１１と、これらを覆いつつ内燃機関５の燃焼室５０に固定するための略筒状のハウジング１２とハウジング１２の先端に延設した略Ｌ字形の接地電極１３とによって構成され、中心電極１０の先端面１０１、又は／及び、接地電極１３の中心電極１０に対向する表面には、本発明の要部である略環状の電界集中部１０２、１３２が形成され、電界集中部１０２、１３２には、放電誘発部１０３、１３３が形成されている。

中心電極１０には、長軸状に形成された中心電極軸部１００の先端面１０１の、外周縁に延設して、先端方向に向かって略筒状に突出する中心電極電界集中部１０２が形成されており、さらに中心電極電界集中部１０２の一部をスリット状に局所的に切り欠いた中心電極放電誘発部１０３が形成されており、基端側には、中心電極ステム１０４及び、外部の高電圧電源２に接続される中心電極端子１０５が形成されている。

なお、本発明において、点火プラグ１を構成する材料を特に限定するものではなく、一般的な内燃機関の点火に用いられる火花式の点火プラグ等に広く用いられている材料を適宜使用することができる。
例えば、中心電極１０には、ニッケル、ニッケル合金、鉄等の導電性材料を用いることができる。また、中心電極１０の比較的温度の低い部分には、通常の火花点火プラグと同様に銅などの導電性の高い材料が用いられている。
本実施形態においては、中心電極１０の先端が絶縁体１１に覆われているのに加え、非熱平衡プラズマは、電子温度は高いが、分子温度は低いため、電極の消耗が起こり難い。したがって、熱プラズマを発生する点火プラグにおいて、電極消耗を抑制するために用いられるような、イリジウム、イリジウム合金等の高価で、耐熱性の高い材料を用いなくても良い。

碍子部１１は、絶縁体でもあり、誘電体でもある、アルミナや、スピネル、ジルコニア等の耐熱性セラミック材料を用いて、略有底筒状に形成されている。
碍子部１１を構成する碍子筒状部１１０は、基端側の一端が開口し、燃焼室側の他端が閉塞する有底筒状に形成され、内側に中心電極軸部１００、及び、中心電極中軸部１０４を保持している。
碍子筒状部１１０の先端側には、閉塞する隔壁部１１１が形成され、隔壁部１１１は、中心電極１０の先端面１０１、及び中心電極電界集中部１０２を覆っている。
碍子部１１の中腹には、ハウジング１２に加締め固定される碍子係止部１１２が形成され、基端側には、中心電極端子部１０５とハウジング１２との絶縁を確保するために、略筒状で、その表面に凹凸を付けたコルゲート状に加工した碍子頭部１１３が形成されている。

ハウジング１２は、ＳＵＳや炭素鋼等の金属材料を略筒状に形成したハウジング胴部１２０の内側に碍子１１を保持し、詳述略の封止部材を介してハウジング胴部１２０の基端側に設けたハウジング加締め部１２２によって加締め固定している。
ハウジング胴部１２０の先端側には、碍子１１の先端外周を覆うように筒状に伸びるハウジング筒状部１２３が形成され、その外周にはネジ部１２４が形成され、さらにその先端側には、燃焼室５００に露出する環状のハウジング先端部１２５が形成されている。
ハウジング胴部１２０の基端側外周には、シリンダヘッド５０にネジ部１２４を螺結するためのハウジング六角部１２１が形成されている。
ハウジング先端部１２４に延設して、略Ｌ字形の接地電極１３が形成されている。

接地電極１３は、ニッケル、ニッケル合金、鉄等の通常の火花点火プラグに用いられるものと同様の耐熱性金属材料が用いられている。
接地電極１３は、ハウジング先端部１２４に接続され、燃焼室５００内に向かって伸びる接地電極延接部１３０と、接地電極延設部１３０から、中心電極１０の先端面１０１に対向するように、点火プラグ１の軸中心に向かって略Ｌ字形に屈曲して接地電極対向部１３１が形成されている。
接地電極対向部１３１の中心電極電界集中部１０２に対向する位置には、中心電極１０側に向かって略環状に突出する接地電極電界集中部１３２が形成されている。
また、中心電極電界集中部１０２と同様に、接地電極電界集中部１３２に、その一部をスリット状に切り欠いた、接地電極放電誘発部１３３を形成しても良い。

電界集中部（１０２、１３２）、及び、放電誘発部（１０３、１３３）は、中心電極１０と接地電極１３とのいずれか一方に形成したものでも良いが、両方に形成した方が、よりストリーマ放電が起こり易くなり、また、プラズマの発生領域が、安定して筒状に形成されることとなる。
絶縁体１１の隔壁部１１１に覆われた中心電極電界集中部１０２と、接地電極電界集中部１３２とが、所定の間隙を隔てて対向し、放電空間１４を形成している。

本実施形態における高電圧電源２は、１０ｋＶ以上の高電圧を半導体スイッチング素子の開閉により、一周期当たりの電圧印加時間τが、１ｎｓ以上１μｓ以下の極短い時間だけ高電圧が印加されるように、５００ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下の発振周期で印加と停止が繰り返される高速パルスに変換して印加する高速パルス電源である。
また、高電圧電源２は、ＥＣＵ３から内燃機関５の運転状況に応じて発信される点火信号ＩＧｔに対して、高速パルスを複数回発振し（例えば１０パルス程度）、さらに、５００μｓ程度の時間間隔をバースト周期として、一定時間内に、一定時間経過後再度複数回の高速パルスの発振を繰り返す、高速多重パルス発振を行い、多重点火を実施することができる（図１参照）。
中心電極１０と接地電極１３との間に、高電圧電源２から高速パルスが印加されると、碍子隔壁部１１１の中心電極放電誘発部１０３に対向する位置、又は、接地電極放電誘発部１３３に対向する位置を起点としてストリーマ放電のきっかけとなる極短いストリーマ放電が開始され、これが、環状に形成された中心電極電界集中部１０１と接地電極電界集中部１３２に沿うように、筒状に広がり、エネルギ密度が高く表面積の大きな非熱平衡プラズマ発生領域を形成する（図２（ｂ）参照）。

また、本発明の高電圧電源２では、一周期当たりの高電圧の印加時間τが、１ｎｓ以上１μｓ以下に制限され、さらに、５００ｋＨｘ以上５００ＭＨｚ以下の発振周期で高電圧の印加と停止が繰り返されており、ストリーマ放電からアーク放電に変化する前に電子の放出が遮断されるので、次々とストリーマ放電の発生が断続的に繰り返され、燃焼室５００内の圧力変動等があっても、ストリーマ放電がアーク放電に遷移することはない。
一方、本発明によらず、高電圧の印加時間が長い場合には、ストリーマ放電が発生した後も継続して電子が放出され続けているので、中心電極と接地電極との間に電流経路が形成され、熱平衡に達し、アーク放電が発生してしまう。

略筒状に広がるように発生したストリーマ放電により、中性のラジカルが形成され、反応性の高いラジカルが周囲の混合気と局所的に反応し、自己着火反応が起こる。
このとき、本発明によれば、ストリーマ放電が筒状に広がるように形成されているので、１０ｅＶ以上の極めて電子温度の高い非熱平衡プラズマと混合気とが反応する確率が高くなり、着火性が向上する。
また、ストリーマ放電により発生する電子は、温度は極めて高くても、質量が小さいため、電極に衝突しても、電極を消耗させることはなく、熱平衡プラズマが発生する場合に比べて、極めて高い耐久性を示すこととなる。
なお、非熱平衡プラズマ発生時の衝突解離反応及び衝突励起反応は、以下の通りであると推察されている。
ＲＨ（可燃性物質）＋ｅ^−＊（高速電子） → Ｒ・ ＋ Ｈ・＋ｅ−
Ｏ_２＋ｅ^−＊ → Ｏ・＋Ｏ・＋ｅ⁻
Ｎ_２＋ｅ^−＊ → Ｎ_２ ^＊
Ｏ・ラジカルは、極めて反応性が高く、これをトリガとして、局所的自己着火反応が起こると考えられている。

一方、中心電極１０と接地電極１３との間に高電圧を印加したときに、中心電極１０の側面とハウジング胴部１２０との間に電界が生じるが、碍子筒状部１１０の肉厚は、隔壁部１１１の肉厚に比べて遙かに厚く、中心電極１０の先端面１０１、又は／及び、接地電極１３の表面には、電界集中部１０２、１３２が形成されているので、確実に中心電極１０と接地電極１３との間でストリーマ放電が発生し、中心電極１０の側面とハウジング胴部１２０との間ではストリーマ放電が起こり難くなっている。
したがって、本発明の非熱平衡プラズマ点火装置４によれば、燃焼室５００内の特定の位置で点火を開始させることができるため、均質混合燃焼機関にも、成層燃焼機関にも適用可能となる。

また、高電圧電源２の高速パルスを発生するために用いられる開閉素子としては、例えば、ＧａＡｓ（現状考えられる素子を列挙して下さい。）等の半導体を含む、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等のパワー半導体デバイスが好適である。
なお、現状において入手可能な半導体デバイスを用いた場合、１０パルス程度の開閉により、半導体の温度が上昇し、安定した開閉制御が困難となり、正常に回復するのに５００μｓ程度の時間を要する。このため、上記実施形態においては５００μｓ以下の短いインターバルで、複数回の高速パルスを再開させることが困難であるが、本発明は、５００μｓ以下のバースト周期を廃除するものではない。

さらに、本実施形態において、高電圧電源２は、高速パルス電源を例に説明したが、１０ｋＶ以上の高電圧を、発振周波数が５００ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下の高周波で発振する高周波の交流電圧によって印加する高周波交流電源であっても良い。
高周波交流電源を用いる場合、電流の方向が入れ代わる度ごとにストリーマ放電を発生させることになり、上記実施形態と同様の効果を発揮できる。
一方、本発明によらず、５００ｋＨｚより低い周波数、又は、５００ＭＨｚよりも高い周波数で発振する交流電源を用いた場合には、ストリーマ放電を起こすことができないか、アーク放電を発生させてしまう虞がある。

本発明の非熱平衡プラズマ点火装置４は、中心電極１０、又は、／及び、接地電極１３の対向する表面に、電界集中部１０２、１３２を形成することにより、ストリーマ放電を起こすのに必要となる要求電圧を低下させる効果に加え、放電誘発部１０３、１３３を形成することにより、電界集中部１０２、１３２の特定の位置にストリーマ放電を開始するきっかけを生じさせ、電界集中部１０２、１３２のみを形成した場合よりも、さらに安定して、低い電圧での放電が可能となる。
加えて、中心電極電界集中部１０２と、接地電極電界集中部１３２間で一定のエネルギ密度を維持しつつ、筒状に広がる非熱平衡プラズマが発生し、その内外表面で着火、火炎伝播が起こるので、反応性の高いラジカルとの反応領域が飛躍的に拡大され、極めて優れた着火性を実現できる。
このため、本発明の非熱平衡プラズマ点火装置４は、可燃性ガスと支燃性ガスとの混合気の燃焼、爆発により発生するエネルギを動力源とする内燃機関であれば、使用される燃料を限定するものではなく、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、気体燃料エンジン等のいずれの内燃機関の点火装置として適用し得るものであり、高過給気混合燃焼、極希薄燃焼、高ＥＧＲ燃焼等の難着火性の条件においても優れた着火性を発揮し得るものである。

なお、本実施形態において、中心電極軸部１００及び中心電極電界集中部１０２の外径を、φ５．０ｍｍ、中心電極電界集中部１０２の内径を、φ４．６ｍｍ、碍子隔壁部１１１の先端表面から接地電極電界集中部１３２の先端までの距離を、１ｍｍに設定したとき、放電ギャップが１ｍｍで、中心電極の外径をφ１ｍｍに設定した従来構造の火花点火プラグの中心電極を絶縁体で覆って高速パルスを印加したときに発生する略柱状の非熱平衡プラズマと等しいエネルギ密度で、筒状の非熱平衡プラズマ発生領域の表面積を２．５倍にすることができる。

図３を参照して、本発明の第２の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の要部である点火プラグ１ａについて説明する。
上記実施形態における比熱平衡プラズマ点火装置４の点火プラグ１では、接地電極対向部１３１を略平板状に形成し、中心電極電界集中部１０２に対向する位置を中心電極１０側に向かって略環状に突出させて接地電極集中部１３２を形成したものを示したが、本実施形態においては、点火プラグ１ａとして、接地電極対向部１３１ａに、接地電極電界集中部１３２の内周に連通するように貫通孔１３４を設けた点が相違し、高電圧電源２、その他の構成は第１の実施形態と同様である。
本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果に加え、本図（ｂ）に示すように、筒状に非熱平衡プラズマが発生し、燃焼反応が開始されたときに、非熱平衡プラズマが発生する領域に貫通孔１３４を通過して、新気が導入されることになり、燃焼火炎の伝播速度が向上し、さらなる着火性の向上を図ることができる。

図４を参照して、本発明の第２の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の要部である点火プラグ１ａの変形例である点火プラグ１ｂについて説明する。本実施形態においては、上記第２の実施形態における点火プラグ１ａと同様の構成に加え、点火プラグ１ｂでは、貫通孔１３４を穿設したことによる接地電極対向部１３１ｂの熱引き性の低下を補うため、接地電極電界集中部１３１の周辺を径方向に引き伸ばして表面積を広げた点が相違する。
このような構成とすることによって、上述と同様の効果に加え、接地電極１３ｂの熱引き性を向上させプレイグニションの発生を防ぐことができる。

図５を参照して、本発明の第１の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の変形例、及び、第２の実施形態における非熱平衡ラズマ点火装置の他の変形例について説明する。上記実施形態においては、中心電極電界集中部１０２、接地電極電界集中部１３２を断面積が一定の円筒状に形成した例を示したが、本実施形態に示すように、中心電極電界集中部１０２ｃ、１０２ｄ、接地電極電界集中部１３２ｃ、１３２ｄとして、内周壁又は外周壁が徐々に縮形した先端先細りのテーパ状に形成した点が相違する。
このような構成とすることにより、上記実施形態と同様の効果に加え、電界集中部が先端先細りとなっているので、電界集中の効果が高められ、より低い要求電圧でストリーマ放電を発生させることができる。

図６を参照して、本発明の非熱平衡プラズマ点火装置に適用し得る変形例について説明する
上記実施形態においては、中心電極電界集中部１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄを中心電極先端面１０１から一体的に略環状に突出するように形成した例を示したが、本図に示す中心電極の変形例１０ｅ〜１０ｈを適宜採用することができる。
本図（ａ−１）、（ａ−２）に示すように、電界集中部１０２ｅとして、中心電極先端面１０１に略柱状に形成した柱状突起部を等間隔に複数箇所に並べて環状に配設し、さらに、放電誘発部１０３ｅとして、一カ所だけ突起部の間隔を狭めている。このような構成とすることにより、高電圧を印加したときに発生する非熱平衡プラズマが発生する領域は、上記実施形態と同様に、放電誘発部１０３ｅをきっかけとしてストリーマ放電が開始され、電界集中部１０３ｅに沿って広がり、表面積の大きな略筒状に形成される。なお、放電誘発部１０３ｅとして、略柱状に形成した突起部の一つを間引いても良い。
また、本図（ｂ−１）、（ｂ−２）に示すように、電界集中部１０２ｆとして、中心電極先端面１０１に略柱状に形成した突起部を等間隔に複数並べ環状に配設し、さらに、放電誘発部１０３ｆとして、一つの突起部の外径を細くしてある。また、これとは逆に一つの突起部の外径を太くしても良い。
さらに、本図（ｃ−１）、（ｃ−２）に示すように、電界集中部１０２ｇとして、略環状に突出させた突起部に複数のスリット状の切り欠きを等間隔で穿設し、さらに、放電誘発部１０３ｇとして、一つの切り欠きの幅を広くしてある。
また、本図（ｄ−１）、（ｄ−２）に示すように、界集中部１０２ｈとして、略環状に突出させた突起部に複数の幅の広いスリット状の切り欠きを等間隔で穿設し、さらに、放電誘発部１０３ｈとして、一つの切り欠きの幅を狭くしても良い。
いずれの場合においても、高電圧を印加したときに発生する非熱平衡プラズマが発生する領域は、上記実施形態と同様に、放電誘発部１０３ｆ、ｇ、ｈをきっかけとしてストリーマ放電が開始され、電界集中部１０３ｆ、ｇ、ｈに沿って広がり、表面積の大きな略筒状に形成される。
なお、本実施形態においては、中心電極１０ｅ〜１０ｈの電界集中部１０２ｅ〜１０２ｈのみを示しているが、同様の構成を接地電極１３にも適用することができる。

図７を参照して、本発明の第３の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の要部である点火プラグ１０ｉについて説明する。
上記実施形態においては、接地電極１３が略Ｌ字形に形成され、碍子部１１の隔壁部１１１で覆われた中心電極１０の先端面１０１に対向させた例を示したが、本実施形態においては、点火プラグ１０ｉの碍子部１１ｉの隔壁部１１１よりも下方となる部分が燃焼室側に向かって引き延ばされ、中心電極１０ｉと接地電極１３ｉとの間に形成される放電空間１４ｉを一定の容積に区画する碍子筒状部１１２が形成され、さらに、ハウジング１２の先端のシュラウド部分１２５ｉが引き伸ばされて、碍子筒部１１２の外周が覆われ、さらに、接地電極１３ｉとして、シュラウド部分１２５ｉに接続して、放電空間１４ｉの内周壁を構成する碍子筒部１１２の内径に連通した開口を有する接地電極対向部１３１ｉが、碍子筒部１１２の底面を覆うように略環状に形成され、さらに、碍子筒状部１１２内を基端側に向かって略環状に突出するように接地電極電界集中部１３２ｉが形成され、接地電極電界集中部１３２ｉ、及び、接地電極対向部１３１ｉを切り欠いた放電誘発部１３３ｉが形成されている。
このような構成とすることにより、放電空間１４ｉが碍子部１２ｉの内側に引き込まれた状態で形成されるので、上記実施形態と同様の効果に加え、燃焼室内に強い筒内気流が形成される機関においても、発生した非熱平衡プラズマが筒内気流によって吹き飛ばされ、着火しない内に燃焼室内に広がるのを防ぐことが可能となる。
したがって、限られた容積に区画された放電空間１４ｉ内に導入された混合気に、非熱平衡プラズマによって着火が起こると、急激に放電空間１４ｉ内の圧力が上昇し、容積的に大きな火炎球となって燃焼室５００内に噴出されることになり、さらに着火性に優れた点火装置が実現できる。
また、本実施形態においても、中心電極電界集中部１０２ｉ、接地電極電界集中部１３２ｉに対して、上述の変形例を適宜採用することが可能である。

１ 点火プラグ
１０ 中心電極
１００ 中心電極軸部
１０１ 中心電極先端面
１０２ 中心電極電界集中部（環状突部）
１０３ 中心電極放電誘発部
１０４ 中心電極中軸部
１０５ 中心電極端子部
１１ 碍子部
１１０ 碍子筒状部
１１１ 碍子隔壁部（底部）
１１２ 碍子係止部
１１３ 碍子頭部
１２ ハウジング
１２０ ハウジング胴部
１２１ ハウジングナット部
１２２ ハウジング加締め部
１２３ ハウジング筒状部
１２４ ネジ部
１２５ ハウジング先端部（シュラウド部分）
１３ 接地電極
１３０ 接地電極延接部
１３１ 接地電極対向部
１３２ 接地電極電界集中部
１３４ 接地電極放電誘発部
１４ 放電空間
２ 高電圧電源
３ ＥＣＵ
４ 非熱平衡プラズマ点火装置
５ 内燃機関
５０ シリンダヘッド
５００ 燃焼室
ＩＧｔ 点火信号
Ｄ 駆動電圧
ＰＬＳ_ＮＥＱ 非熱平衡プラズマ
τ 高電圧印加時間

米国特許３５８１１４１明細書 特開２００９−１２１４０６号公報

Claims (12)

1. 内燃機関に装着され、少なくとも絶縁体、又は、誘電体からなる碍子部に覆われた中心電極と接地電極とを所定の放電空間を介して対向せしめた点火プラグと、内燃機関の運転状況に応じて点火信号を発信するエンジン制御装置と、該点火信号に従って、上記点火プラグに所定の電圧で、高周波の交流電圧を印加する交流電源、又は、高速パルスを高速で複数回発振する高速パルス電源いずれかからなる高電圧電源と、該高電圧電源から１０ｋＶ以上の高電圧の印加によって、上記放電空間に、非熱平衡プラズマを発生させて、内燃機関の燃焼室内に導入された可燃性物質と支燃性ガスとの混合気に高い反応性を示すラジカルを反応させて点火を行う非熱平衡プラズマ点火装置において、
   上記高電圧電源の発振周波数が５００ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下であり、
   又は、
   上記電圧電源の一周期当たりの電圧印加時間が１ｎｓ以上１μｓ以下であり、
   上記中心電極と上記接地電極とのいずれか一方、又は、両方の表面に略環状に形成した電界集中部を具備し、
   該電界集中部の一部にストリーマ放電の起点となる放電誘発部を設けたことを特徴とする非熱平衡プラズマ点火装置。
2. 上記エンジン制御装置から発信された一の点火信号に対して、複数回の高電圧の印加を一定時間内に行った後、一定時間経過後再度複数回の高電圧の印加を繰り返して多重点火を行う請求項１に記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
3. 上記点火プラグを、導電性材料を略長軸状に形成した中心電極と、絶縁体、又は、誘電体からなり、上記中心電極の外周及び先端面を覆うように、略有底筒状に形成した碍子部と、該碍子部を保持すべく金属材料を略筒状に形成したハウジングと、該ハウジングの一部に延設して燃焼室側に向かって伸び、先端側を上記中心電極に対向せしめて略Ｌ字形に形成した接地電極とによって構成した請求項１、又は、２に記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
4. 上記中心電極に対向する位置において、上記接地電極を貫通する貫通孔を有する請求項３に記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
5. 上記点火プラグは、導電性材料を略長軸状に形成した中心電極と、絶縁体、又は、誘電体からなり、該中心電極の外周及び先端面を覆いつつ、さらにその先端側に一定の容積の放電空間を区画するように形成した碍子部と、該碍子部を保持すべく金属材料を略筒状に形成したハウジングと、該ハウジングの先端を引き伸ばして、上記碍子部の先端を覆いつつ、上記放電空間の内周壁を構成する碍子部の内径に連通した開口を有し、略環状に形成した接地電極対とによって構成した請求項１、又は、２に記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
6. 上記電界集中部が、上記中心電極の先端面と、上記接地電極の中心電極に対向する表面とのいずれか一方、又は、両方において略環状に突出する請求項１ないし５のいずれかに記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
7. 上記電界集中部が、先端先細りのテーパ状である請求項６に記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
8. 上記放電誘発部が、上記電界集中部の一部を切り欠いたスリット状である請求項６、又は、７に記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
9. 上記電界集中部が、複数箇所に所定の幅で切り欠かれた切り欠き部を有し、一の切り欠き部の幅を他の切り欠き部の幅と異ならせて上記放電誘発部とした、請求項６、又は、７に記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
10. 上記中心電極の先端面と、上記接地電極の上記中心電極に対向する表面とのいずれか一方、又は、両方において、複数箇所で略柱状に突出させた柱状突起部を、略環状に配設して上記電界集中部とした請求項１ないし５のいずれかに記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
11. 上記複数の柱状突起部の内、一の柱状突起部の外径を他の柱状突起部の外径と異ならせて、上記放電誘発部とした請求項１０に記載の非熱平衡プラズマ点火装置。
12. 上記複数の柱状突起部を配設する間隔の一部を他の間隔と異ならせて、上記放電誘発部とした請求項１０に記載の非熱平衡プラズマ点火装置。

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