JP2014107198A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非平衡プラズマを利用して体積点火を行う点火装置において、効果的にエネルギを利用して安定した着火を実現可能とする点火装置を提供する。
【解決手段】第１の放電空間１３０と、その先端側に、一定の突出部形成幅Ｔ_２００をもって、第１の放電空間１３０よりも放電ギャップの狭い第２の放電空間１３１を形成すべく、接地電極先端部１２０の内周面の全部又は一部を誘電体先端筒状部１１１に向かって突出せしめた接地電極突出部２００を設けると共に、中心電極放電部１００の一部を接地電極先端部１２０から内燃機関５の燃焼室５１内に突出せしめる。
【選択図】図１

Description

本発明は、軟着火性の内燃機関の点火を行う点火装置に関する。

近年、燃費向上、ＣＯ２低減を目的として、小型、高出力及び低ＮＯ_Ｘを達成する高効率エンジンの開発が進められている。高効率エンジンは高過給、高圧縮に加え混合気の燃料濃度が希薄な場合もあり、火花点火では着火しにくい環境である。
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、燃焼速度が早く着火性に優れた点火装置が望まれている。

特許文献１には、第１電極と前記第１電極を囲む第２電極と、前記第１電極又は前記第２電極のいずれか一方を覆う誘電体と、を有し、前記誘電体といずれか他方の電極との間の放電ギャップが、前記電極の長手方向位置によって異なることを特徴とする内燃機関用バリア放電装置が開示されている。

特開２０１０−３７９４９号公報

ところが、本発明者等の鋭意試験により、特許文献１にあるようなバリア放電装置では、中心誘電体の先端が接地電極からほとんど露出しないように放電空間が接地電極の先端から内側に大きく引き込むように設けられているため、放電空間内に放出されたエネルギが効果的に着火に利用されず、一定のリーン限界Ａ／Ｆで安定した着火を得るためには電源周波数を一定値（例えば、８５０ｋＨｚ）を超える周波数とする必要があることが判明した。
車両など電源が限られている内燃機関においては、できるだけ供給した点火エネルギを無駄なく着火に利用できるようにすることが重要であり、着火に必要な電源周波数が高くなれば、それだけ電源への要求が高くなり製造コストの増加にもなるため、低い電源周波数においても安定した点火が実現できることが望ましい。
さらに、放電ギャップが長手方向位置によって異なるようにすると、複数の放電ギャップの内のいずれの放電ギャップで放電が起こるかが確率的な事象となるため、運転状況に応じて燃焼室内の圧力が変化したときに、同じ条件であっても必ずしも放電が起きる放電ギャップが一定とならず、却って着火安定性が阻害されるおそれがあること、放電空間の容積が一定の容積（例えば、３００ｍｍ^３）を超えると、放電空間内に放出された放電エネルギが混合気の点火に利用されずエネルギロスが大きくなったり、放電空間内に発生した初期火炎が燃焼室内に放出されることなく残留し、誘電体を過剰に加熱し、プレイグニションが発生したりするおそれがあることが判明した。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、内燃機関に設けられ、誘電体で覆われた中心電極と接地電極との間に所定の周波数以下の交流電圧を印加して、上記誘電体によって区画した放電空間内に発生させた非平衡プラズマと燃焼室内の混合気との直接的な反応により、初期火炎を生成して内燃機関の点火を行う点火装置において、放電空間内の特定の位置にエネルギ集中させることにより、放電空間内に放電されたエネルギを効率的に利用して、着火性の向上を図ることのできる内燃機関用の点火装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）では、内燃機関（５）に設けられ、少なくとも、略軸状の中心電極（１０）と該中心電極（１０）を覆う略有底筒状の中心誘電体（１１）と、該中心誘電体（１１）と所定の放電ギャップ（ＧＰ_１３０）を隔てて同軸に配設した略筒状の接地電極（１２）と、上記中心電極（１０）と上記接地電極（１２）との間に、所定の周波数の高電圧を印加する交流高電圧電源（３１）とを具備して、上記内燃機関（５）の点火を行う点火装置であって、上記中心誘電体（１１）の誘電体先端筒状部（１１１）の外周表面の一部と、上記誘電体先端筒状部（１１１）の基端側を拡径して設けた放電空間基底部（１１２）と、上記接地電極（１２）の接地電極筒状部（１２１）の内周面と、によって略筒状に区画した第１の放電空間（１３０）と、上記第１の放電空間（１３０）の先端側において、軸方向に対して一定の突出部形成幅（Ｔ_２００）をもって、上記第１の放電空間（１３０）の放電ギャップ（ＧＰ_１３０）よりも狭い第２の放電ギャップ（ＧＰ_１３１）を有する第２の放電空間（１３１）を形成すべく、上記接地電極（１２）の先端に位置する略環状の接地電極先端部（１２０）の内周側において、その内周面の全部又は一部を上記誘電体先端筒状部（１１１）に向かって突出せしめた接地電極突出部（２００）と、を具備し、上記誘電体（１１）の上記誘電体先端筒状部（１１１）とその先端側で底部を構成する誘電体先端底部（１１０）とに覆われた上記中心電極（１０）の中心電極放電部（１００）の一部を上記接地電極先端部（１２０）よりも軸方向先端側に向かって延設して、上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）の内側に突出せしめる。

請求項２の発明（１、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）では、上記放電空間基底部（１１２）の表面を基準面としたときの、上記中心電極放電部（１００）の末端までの長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、上記接地電極先端部（１２０）の末端までの長さを接地電極先端位置長さＬ_１４０とし、上記中心誘電体（１１）の誘電体先端筒状部（１１１）の表面と上記接地電極突出部（２００）の表面までの距離を第２の放電ギャップＧＰ_１３１とし、上記接地電極突出部（２００）を形成する幅を極突出部形成幅Ｔ_２００としたとき、ＧＰ_１３１＋Ｔ_２００＜Ｌ_１４０＜Ｌ_１００の関係が成り立つ。

請求項３に発明（１、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）では、上記第１の放電空間（１３０）の放電空間基底部（１２１）を基準としたときの、上記中心電極放電部（１００）の長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、上記接地電極先端部（１２０）の先端までの長さを接地電極先端位置長さＬ_１４０とし、上記中心誘電体（１１）の誘電体先端筒状部（１１１）の表面と上記接地電極突出部（２００）の表面までの距離を第２の放電ギャップＧＰ_１３１とし、上記接地電極突出部（２００）を形成する幅を極突出部形成幅Ｔ_２００としたとき、１／３Ｌ_１００≦Ｌ_１４０≦４／５Ｌ_１００の関係が成り立つ。

請求項４の発明（１、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）では、上記第１の放電空間（１３０）を区画する上記中心誘電体（１１）の誘電体先端筒状部（１１１）の表面と上記接地電極筒状部（１２１）の内側表面までの距離を第１の放電ギャップＧＰ_１３０とし、上記第２の放電空間（１３１）を区画する上記中心誘電体（１１）の誘電体先端筒状部（１１１）の表面と上記接地電極突出部（２００）の表面までの距離を第２の放電ギャップＧＰ_１３１としたとき、上記第２の放電ギャップＧＰ_１３１と、上記第１の放電ギャップＧＰ_１３０との関係において、１／４ＧＰ_１３０≦ＧＰ_１３１≦３／４Ｇ_１３０である。

請求項５の発明（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）では、上記交流高電圧電源（３１）の周波数（ｆ）が８５ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下である。

請求項６の発明（１、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）では、上記第１の放電空間（１３０）の容積が３００ｍｍ^３以下である。

本発明によれば、上記接地電極突出部（２００）を設けることによって、局所的に上記中心電極放電部（１００）との距離が近くなるので、その周辺に電界集中が起こる。
上記中心電極放電部（１００）の特定の範囲に対向する位置に電界集中させることにより、上記接地電極突出部（２００）と誘電体先端筒状部（１１１）の表面との間にストリーマ放電（ＳＴＲ）を発生させ易くすると共に、中心電極放電部（１００）の先端を接地電極先端部（１２０）よりも燃焼室（５１）の内側に配設することによって、接地電極突出部（２００）と上記誘電体先端筒状部（１１１）を介して最も高い電位となる中心電極放電部（１００）の末端を覆う位置における上記誘電体筒状部（１１１）の表明との間での放電を起こり易くすることができる。

このとき、上記接地電極突出部（２００）によって上記第１の放電ギャップ（ＧＰ_１３０）よりも狭い上記第２の放電ギャップ（ＧＰ_１３１）が形成されるため、上記接地電極突出部（２００）に電界集中が起こり、上記接地電極突出部（２００）を挟んで基端側の放電空間（１３０）内と先端側の燃焼室（５１）の内側の両方向に広がるように上記誘電体先端筒状部（１１１）の広い範囲に亘ってストリーマ放電（ＳＴＲ）が発生する。
このため、電界が集中する上記接地電極突出部（２００）の周囲のエネルギ密度が高くなり、混合気の体積着火が起こり易くなる。
本発明者等の鋭意試験により、本発明によれば、８５ｋＨｚから８５０ｋＨｚまでの広い周波数範囲に亘って、高いリーン限界空燃比に対して安定した着火を実現できることが判明した。

本発明の第１の実施形態における点火装置１の全体概要を示す一部断面図 本発明に用いられる高周波電源の一例を示す特性図 本発明の第１の実施形態における点火装置１の効果を模式的に示す要部断面図 比較例１として示す本発明の効果を発揮し得ない点火装置１Ｘの要部断面図 比較例２として示す本発明の効果を発揮し得ない点火装置１Ｙの要部断面図 比較例３として示す本発明の効果を発揮し得ない点火装置１Ｚの要部断面図。 比較例と共に本発明のリーン限界Ａ／Ｆ向上に対する効果を示す特性図 電源周波数を変化した場合について比較例と共に本発明の効果を示す特性図 本発明の点火装置１において、最も効果的な構成を見出すために行った試験に用いた試料（１，１ａ、１ｂ）の構成とそれら効果の違いとを模式的に示す要部断面図 図６の試験結果を示す特性図 本発明の第２の実施形態における点火装置１ｃの概要を示す要部断面図 図８Ａの点火装置１ｃを先端側から見た平面図。 本発明の第３の実施形態における点火装置１ｄの概要を示す要部断面図。 本発明の第４の実施形態における点火装置１ｅの概要を示す一部省略要部断面図。 本発明の第５の実施形態における点火装置１ｆの概要を示す要部断面図。 本発明の第６の実施形態における点火装置１ｇの概要を示す要部斜視図。 本発明の第７の実施形態における点火装置１ｈの概要を示す要部断面図。

図１を参照して本発明の第１の実施形態における点火装置１の概要について説明する。 点火装置１は、高過給、高圧縮、高ＥＧＲ、リーン燃焼による高効率、低ＮＯ_Ｘを達成するエンジン等の難着火性の内燃機関５に設けられ、少なくとも、略軸状の中心電極１０と中心電極１０を覆う略有底筒状の中心誘電体１１と、中心誘電体１１と所定の放電ギャップ１３０を隔てて同軸に配設した略筒状の接地電極１２０、１２１と中心電極１０と接地電極１２との間に、所定の周波数ｆ（８５ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下）の高電圧（例えば、２０ｋＶ以上５０ｋＶ以下）を印加する交流高電圧電源３１とを具備する。

本実施形態において、点火装置１では、図１に示すように、中心誘電体１１の先端に位置する誘電体先端筒状部１１１の外周表面の一部と、誘電体先端筒状部１１１の基端側を拡径して設けた放電空間基底部１１２と、接地電極１２の先端側に位置する接地電極筒状部１２１の内周面と、によって第１の放電空間１３０が略筒状に区画されている。

さらに、第１の放電空間１３０の先端側において、軸方向に対して一定の突出部形成幅Ｔ_２００をもって、第１の放電空間１３０の放電ギャップＧＰ_１３０よりも狭い第２の放電ギャップＧＰ_１３１を有する第２の放電空間１３１を形成すべく、接地電極１２の先端に位置する略環状の接地電極先端部１２０の内周側において、その内周面の全部を誘電体先端筒状部１１１に向かって突出せしめた接地電極突出部２００が設けられている。
加えて誘電体１１の誘電体先端筒状部１１１とその先端側で底部を構成する誘電体先端底部１１０とに覆われた中心電極１０の中心電極放電部１００の一部は、接地電極先端部１２０よりも軸方向先端側に向かって延設されて、内燃機関５の燃焼室５１の内側に突出している。

点火装置１は、誘電体先端筒状部１１のほぼ中間に対向する位置において、接地電極先端部１２０の内周面を突出させた接地電極突出部２００を設けるとすることによって、接地電極突出部２００に電界集中を生じ易くすると共に、発生したストリーマ放電と燃焼室５１内の混合気との反応を起こり易くし、比較的低い放電エネルギで、第１の放電空間１３０及び第２の放電空間１３１の広い範囲に亘って、ストリーマ放電ＳＴＲを発生させ、燃焼室５１の内部に導入した混合気と直接反応させて、初期火炎を生成して内燃機関５の点火を行うものである。

ハウジングを兼用する接地電極１２は、略筒状に形成され、中心誘電体１１の外周側面の一部を覆いつつ点火装置１を内燃機関５に固定すると共に、略筒状に伸びる接地電極筒状部１２１とその先端側に設けられ、内燃機関５の燃焼室５１内に開口する略環状の接地電極先端部１２０が延設されている。
接地電極１２は、内燃機関５のシリンダヘッド５０に固定されると共に電気的に接地された状態となっている。
なお、ハウジング及び接地電極は一体のものであるため、以下の説明において、その機能に応じて、適宜、ハウジング１２、又は、接地電極１２を使い分け、原則として、構造に係る場合にはハウジング１２と称し、電極としての機能に係る場合には、接地電極１２と称するものとする。

また、本発明者等の鋭意試験により、放電空間基底部１１２の表面を基準面として、中心電極放電部１００の末端までの長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、接地電極先端部１２０の末端までの長さを接地電極先端位置長さＬ_１４０とし、中心誘電体１１の誘電体先端筒状部１１１の外周表面と接地電極突出部２００の表面までの距離を第２の放電ギャップＧＰ_１３１とし、接地電極突出部２００を形成する幅を極突出部形成幅Ｔ_２００としたとき、ＧＰ_１３１＋Ｔ_２００＜Ｌ_１４０＜Ｌ_１００の関係が成り立つように設定することによって、従来よりも高いリーン限界Ａ/Ｆにおいて安定した着火性を発揮できることが判明した。
さらに、より望ましくは、１／３Ｌ_１００≦Ｌ_１４０≦４／５Ｌ_１００の関係が成り立つように、即ち、中心電極放電部１００のほぼ中間の位置において、接地電極突出部２００が誘電体先端筒状部１１１の表面に対向して突出するように形成することによって、高いリーン限界Ａ/Ｆにおいて安定した着火性を維持できることが良いことが判明した。

また、第１の放電空間１３０の容積は、３００ｍｍ^３以下とするのが望ましく、第１の放電空間１３０の容積が、３００ｍｍ^３を超えると第１の放電空間１３０内で成長した火炎からの熱がこもり、過剰に誘電体１１が加熱され、プレイグニションを招いたり、燃焼室５１内に噴出されることなく、発生した熱エネルギがシリンダヘッド５０に拡散し、第１の放電空間１３０内放出されたエネルギが有効に燃焼に利用されず、着火が不安定となったりするおそれがある。
また、後述する試験結果にも示すように、放電空間１３０の放電空間長さＬ_１３０は、少なくとも第１の放電ギャップＧＰ_１３０よりも長くする必要があるので、放電空間１３０の容積は、必然的に一定（例えば、１５ｍｍ^３）以上の容積となる。

一方、第１の放電空間１３０を区画する上記中心誘電体１１の誘電体先端筒状部１１１の外周表面と接地電極筒状部１２１の内側表面までの距離を第１の放電ギャップＧＰ_１３０とし、第２の放電空間１３１を区画する誘電体先端筒状部１１１の表面と接地電極突出部２００の表面までの距離を第２の放電ギャップＧＰ_１３１としたとき、第２の放電ギャップＧＰ_１３１と、第１の放電ギャップＧＰ_１３０との関係において、１／４ＧＰ_１３０≦ＧＰ_１３１≦３／４Ｇ_１３０で形成した場合に本発明の効果を発揮できる。
この範囲を超えて、第２の放電ギャップＧＰ_１３１を狭くしすぎると、低い電圧で放電が開始されるため、却って着火性が低下し、第２の放電ギャップＧＰ_１３１を広くしすぎると、電界集中の効果が低下し、接地電極突出部２００を形成していないのと同じとなってしまう。

中心電極１０は、長軸状に形成された良導電性材料からなり、中心電極放電部１００と、中心電極結合部１０１と、中心電極ステム部１０２と、中心電極端子部１０３とによって構成されている。
中心電極１０には、導電性が高く、耐熱性に優れたニッケル合金や、これに銅等の高電導性材料を合わせたもの等を用いることができる。
なお、成形容易にすべく中心電極放電部１００と中心電極ステム部１０２とは別体で設けられ、中心電極結合部１０１を介して電気的導通が図られている。
さらに、中心電極放電部１００に斜線を施した部分が中心誘電体側面部１１１、中心誘電体底部１１０を介して接地電極突出部２００との間で放電を起こし得る範囲であり、この範囲を中心電極放電部１００と称しているが、その基端側の斜線を施していない部分と別体のものではなく中心電極結合部１０１迄は一体に形成されているものである。
中心電極端子部１０３は、外部に設けた高エネルギ電源３０に接続されている。

中心誘電体１１は、アルミナ、ジルコニア等の高耐熱性の誘電材料を用いて略有底筒状に形成されており、中心誘電体１１は、先端側底部１１０、誘電体先端筒状部１１１、放電空間基底部１１２、電極保持部１１３、拡径部１１４、頭部１１５、中心電極挿通孔１１６、１１８、電極係止面１１７によって構成されている。
拡径部１１４は、外径方向に径大となるように拡径されており、略環状に形成した封止部材を介して、上下方向からハウジング１２を加締めて固定されている。
封止部材１６０、１６１は、略環状に形成した金属シール、タルク等を略筒状に形成した粉末成形体等の公知の封止部材を用いて、気密性を確保している。
ハウジング１２の基端側に露出する頭部１１５は、中心電極端子部１０３とハウジング１２との間で放電が起こらないよう絶縁性を確保している。

頭部１１５の基端側には、必要に応じて、凹凸面が交互に並んだコルゲート状に形成して絶縁距離を長くし、電極端子部１０３とハウジング１２との間でより一層沿面放電が起こり難くするようにしても良い。
中心電極挿通孔１１６、１１８内に長軸状の中心電極１０が挿入され電極係止面１１７で中心電極１０の結合部１０１が係止固定されている。

ハウジングを兼用する接地電極１２は、鉄、ニッケル、ステンレス等の公知の金属材料を用いて、略筒状に形成されており、シリンダヘッド５０の内壁から燃焼室５１内に所定の高さＬ_１２０だけ露出する略環状の接地電極先端部１２０、中心誘電体１１との間に放電空間１３０を区画する接地電極筒状部１２１、シリンダヘッド５０に固定するためのネジ部１２２、中心誘電体１１の拡径部１１４を保持する係止部１２３、封止部材１６０、１６１を介して拡径部１１４を加締め固定する加締め部１２４、ネジ部１２２を螺締めするための六角部１２５等によって構成されている。
なお、本発明の点火装置１では、放電時に熱プラズマを発生しないので、本質的に電極の消耗が起こり難いので、接地電極先端部１２０や、中心電極先端部１００等に、必ずしも、イリジウム等の耐熱性に優れた特別な材料を用いる必要はなく、一般的な点火プラグに用いられている材料を適宜選択できる。

本発明の適用される内燃機関５について極簡単に説明する。内燃機関５は、本実施例においては、いわゆる４サイクルエンジンを例としてある。
内燃機関５は、図略の筒状のシリンダと、その上面を覆うシリンダヘッド５０と、シリンダの内側で昇降可能に保持されたピストン５２の頂面とで、燃焼室５１を区画し、シリンダヘッド５０に設けた吸気筒５０１と、これを開閉する吸気バルブ５０２と、シリンダヘッド５０に設けた排気筒５０３と、これを開閉する排気バルブ５０４等によって構成されている。
ＥＣＵ３０は、内燃機関５の運転状況に応じて、図略の燃料噴射装置から燃料を噴射させ所定のタイミングで点火装置１に高周波電源３１から所定の交流電圧を印加して、第１の放電空間１３０、第２の放電空間１３１、及び燃焼室５１内に非平衡プラズマを発生させ、燃焼室５２内の混合気に点火する。
なお、本発明において、内燃機関５を特に限定するものではなく、ガソリン、ディーゼル、気体燃料等の種々の燃料系に適用可能である。

本発明の点火装置には、図２に示すような、高周波ｆ（例えば、周波数８５ｋＨｚ〜８５０ｋＨｚ）で、最大電圧Ｖ_ＰＰ（例えば、２０ｋＶ〜５０ｋＶ）の高電圧電源３０から１周期当たり一定量（例えば、１ｍＪ）のエネルギが供給される。
高周波高電圧交流電圧の周波数に同期して、ストリーマ放電が完結的に放電される。当然のことながら、電源周波数が高いほど単位時間当たりの放電回数が増加し、点火エネルギも増える。

図３を参照して本発明の効果について説明する。本図に示すように、中心電極１０に高周波の交流電圧（３００ｋＨｚ、３００ｍＪ／１．０ｍｓ）が印加されると、接地電極突出部２００の先端と中心誘電体１１の誘電体先端筒状部１１１の表面との間でストリーマ放電ＳＴＲが発生する。
このとき、本実施形態においては、接地電極突出部２００によって第１の放電空間１３０における第１の放電ギャップＧＰ_１３０よりも狭い放電ギャップＧＰ_１３１が形成されるため、接地電極突出部２００の先端に電界集中し、接地電極突出部２００を挟んで先端側と基端側の両方向に広がるように誘電体先端筒状部１１１の広い範囲に亘ってストリーマ放電ＳＴＲが発生する。
誘電体誘電体先端筒状部１１１及び誘電体底部１１０で覆われた中心電極放電部１００の先端が接地電極先端部１２０より燃焼室５１側に位置しているので、ストリーマ放電ＳＴＲが燃焼室５１側にも広がり、非平衡プラズマと混合気との反応が同時多発的に広範囲に発生し、高い着火性が発揮されることが、本発明者らの鋭意試験により判明した。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃを参照して、本発明の効果を確認するために比較例１、比較例２、比較例３、として用いた点火装置１Ｘ、１Ｙ、１Ｚについて説明する。
なお、本発明の点火装置１と同じ構成については同じ符号を付し、構成が異なる部分に、Ｘ、Ｙ、Ｚの枝番を付したので詳細な説明を省略し、本発明の点火装置１と相違する点を中心に説明する。
点火装置１Ｘでは、本発明の点火装置１と放電ギャプを全体的に小さくなるよう、接地電極突出部２００Ｘを接地電極筒状部１２１及び接地電極先端部１２０に均等に形成し、放電ギャップＧＰ_１３１を１ｍｍに設定した。
点火装置１Ｙでは、接地電極先端部１２０だけでなく、接地電極筒状部１２１の内周面も複数箇所を誘電体１１に対向するよう、略環状の接地電極突出部２００Ｙを軸方向に複数並べて形成してある。
点火装置１Ｚでは、先端側に向かって徐々に突出量が大きくなるように複数の略環状の接地電極突出部２００Ｚを軸方向に並べて形成してある。
具体的には、放電ギャップＧＰ_１３１が、先端側から順に、０．７５ｍｍ、１．００ｍｍ、１．２５ｍｍ、１．５ｍｍとなるように形成してある。

点火装置１、点火装置１Ｘ、点火装置１Ｙ、点火装置１Ｚを用いて、同一条件（周波数３００ｋＨｚ、ピーク電圧Ｖ_ＰＰ＝５０ｋＶ）でリーン限界Ａ／Ｆを計測した結果を図５Ａに示し、点火装置１、点火装置１Ｘを用いて、電源周波数を変化させたときのリーン限界Ａ／Ｆに与える影響を調査した結果を示す。
図５Ａに示すように、本発明の第１の実施形態における点火装置１が比較例１、比較例２のいずれの場合よりも高いリーン限界Ａ／Ｆを示すことが判明した。
また、図５Ｂに示すように、電源周波数を低くすると、比較例１では、リーン限界Ａ／Ｆが大きく低下するのに対して、本発明の実施例１では、（８５ｋＨｚから８５０ｋＨｚ）の広い周波数域に対して、安定して、比較例１よりも高いリーン限界Ａ／Ｆを維持できることが判明した。
なお、比較例３においては、燃焼室内の圧力が高い状態においては、本発明と同じように、先端側の最も放電ギャップの狭い位置に放電が集中し、高いリーン限界Ａ/Ｆでの着火が可能となる場合があるが、負荷の低い状態では、全ての放電ギャップで放電が起こるため、エネルギ密度の低下が起こり、本発明に比べてリーン限界Ａ／Ｆが低くなる。
さらに、比較例３では、エンジン条件を変えたときに、放電空間１３０ｚ内の圧力の変化に対して、突出量の異なる複数の接地電極突出部２００ｚの内、ストリーマ放電が発生ずる位置が一定せず、同じエンジン条件でも、高いリーン限界Ａ／Ｆで着火したり、低いリーン限界Ａ／Ｆで着火したりすることがあり、却って着火安定性に欠けることが判明した。

図５Ａを参照して、放電ギャップの形状の違いによる効果について確認を行った試験結果について説明する。
実施例１は、図１に示した本発明の点火装置１を用いて、一定の条件（電源周波数ｆ＝３００ｋＨｚ、実効電圧Ｖ_ＰＰ＝５０ｋＶ）で測定したリーン限界Ａ／Ｆを示す。
なお、本試験は、回転数を２０００ｒｐｍ、図示平均有効圧力Ｐｍｉを３００ｋＰａとした比較的負荷の低いエンジン条件で行ったものである。
比較例１は、図４Ａに示した放電ギャップが全体的に均等に狭くなるように、形成した点火装置１Ｘを用いて、同一の条件でリーン限界Ａ／Ｆを計測した結果を示し、比較例２は、図４Ｂに示した、部分的に放電ギャップが狭くなる位置を軸方向に複数箇所並べて形成した点火装置１Ｙを用いた結果を示す。
本図に示すように、比較例１、２のいずれよりも本発明の実施例１の方が高いリーン限界Ａ／Ｆを示すことが判明した。

図５Ｂを参照して、電源周波数に対する本発明の効果について説明する。本発明の第１の実施形態における点火装置１と、図４Ａに示した点火装置１Ｘとを用いて、電源周波数を変化させて着火限界（リーン限界Ａ／Ｆ）を調査した結果をそれぞれ実施例１、比較例１として示す。
比較例１として示した従来の点火装置１Ｘでは、電源周波数ｆ（ｋＨｚ）を低くすると急激にリーン限界Ａ／Ｆが下がるが、本発明の実施例１では、電源周波数ｆを下げても、比較的高いレベルリーン限界Ａ／Ｆを維持できる。

本発明によれば、より低い電源周波数、即ち、より低いエネルギによって希薄な混合気への点火が可能となることが判明した。
電源周波数を一定（８５０ｋＨｚ）以上とすれば、比較例１の方が高いリーン限界Ａ／Ｆとなるが、要求される電源周波数が高くなれば、それだけ電源への負荷が大きくなるため自動車エンジンなどの電源が限られた環境で用いられるにおいては実用的でない。

図６、図７を参照して、本発明の第１の実施形態における放電空間１３０の容積及び点火装置１の接地電極突出部２００の形成位置の最適な条件を見出すために行った試験結果について説明する。
図６に示すように、接地電極突出部２００の放電空間１３０の容積及び接地電極突出部２００の形成位置を変化させたときの効果を調べた。

点火装置１ａでは、放電空間１３０ａの放電空間長さＬ_１３０を接地電極突出部２００の表面と中心誘電体１１の誘電体先端筒状部１１１の表面までの第２の放電ギャップＧＰ_１３１の距離（例えば、１ｍｍ）と同じ長さに設定してある。
また、点火装置１ｂでは、接地電極先端部１２０の先端位置を中心誘電体１１の誘電体先端底部１１０の先端位置に一致させ、放電空間長さＬ_１３０ｂと中心電極放電部長さＬ_１００とを等しい長さに形成してある。
突出部形成幅Ｔ_２００と第２の放電ギャップＧＰ_１３１は一定（それぞれ、Ｔ_２００＝２ｍｍ、ＧＰ_１３１＝１ｍｍ）とし、接地電極先端位置長さＬ_１４０を変化させたときのリーン限界Ａ／Ｆを調査した結果を図７に示す。

接地電極先端位置長さＬ_１４０を第２の放電ギャップＧＰ１３１と突出部成形幅Ｔ２００との和を超え（ＧＰ_１３１＋Ｔ_２００＜Ｌ_１４０）、中心電極放電部Ｌ１００を超えない（Ｌ_１４０＜Ｌ_１００）の範囲に形成したときに、上述の比較例２の、リーン限界Ａ／Ｆを超えるリーン限界Ａ／Ｆとなり、接地電極先端位置長さＬ_１４０に対して、リーン限界Ａ／Ｆが、上に凸の放物線を描くように変化し、１／３Ｌ_１００から４／５Ｌ_１００の範囲で高いリーン限界Ａ／Ｆを維持できることが判明した。
なお、突出部形成幅Ｔ_２００は、０．５ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲とするのが望ましい。
突出部形成幅Ｔ_２００が、０．５ｍｍより狭いと、電界集中の効果が低下すると共に、機械的強度が低くなるおそれもある。また、２．５ｍｍを超えると、電界集中によるエネルギ密度向上の効果が低下するおそれがある。

点火装置１ａよりもさらに、第１の放電空間１３０の容積を小さくし、放電空間長さＬ_１３０を第２の放電ギャップＧＰ_１３１よりも短くすると、接地電極突出部２００ａと誘電体先端筒状部１１１の表面との間の放電が生じ難くなり、比較例２よりもリーン限界Ａ／Ｆが低くなり、点火装置１ｂよりもさらに、第１の放電空間容積を大きく接地電極先端位置Ｌ１４０が、中心誘電体放電部長さＬ_１００を超えると、比較例２よりもリーン限界Ａ／Ｆが低くなる。
すなわち、エネルギ集中レベルが、接地電極先端部位置Ｌ^１４０を中心電極放電部長さＬ_１００の中心に対向する位置でピークに達し、基端側、先端側の何れの方向に対しても中心位置から離れるほど、エネルギ集中レベルが低くなることが判明した。

以下に、本発明の点火装置１のいくつかの変形例（１ｃ〜１ｈ）について、図を参照しながら説明する。以下の実施形態において、点火装置１と同様の構成については、同じ符号を付し、各実施形態の特徴的な部分には、それぞれの実施形態に対してアルファベットの枝番を付したので、同様の構成については、説明を省略し、各実施形態における特徴的な部分を中心に説明する。
図８Ａ、図８Ｂを参照して、本発明の第２の実施形態における点火装置１ｃについて説明する。第１の実施形態における点火装置１では、接地電極先端部１２０の内周の全周に亘って中心誘電体１１に向かって突出させた接地電極突出部２００を形成した例を示したが、本実施形態では、接地電極先端部１２０ｃの内周の一部を中心誘電体１１に向かって突出させて接地電極突出部２００を形成している。
このような構成とすることで、さらなるエネルギ密度の向上が図られ、着火性が向上するものと期待できる。

図９を参照して、本発明の第３の実施形態における点火装置１ｄについて説明する。
第１、第２の実施形態における点火装置１、１ｃでは、接地電極突出部２００を、燃焼室５１内に露出する接地電極先端部１２０の突出高さＬ_１２０と略同一の範囲を突出部形成幅Ｔ_２００として、接地電極先端部１２０の内周の全部又は一部を中心誘電体１１に向かって突出させた例を示したが、本図に示すように、点火装置１ｄでは、上記実施形態と同様の構成において、接地電極突出部２００ｄの突出部形成幅Ｔ_２００を１ｍｍ以下の薄い円環状に形成した点が相違する。
本実施形態においても上記実施形態と同様の効果が発揮される。加えて、本実施形態によれば、接地電極突出部２００ｄにおける電界集中がさらに進むだけでなく、接地電極突出部２００ｄの熱容量が小さくなるので、エネルギロスの更なる低減を図ることができると推察される。

図１０を参照して、本発明の第４の実施形態における点火装置１ｅについて説明する。
本図に示すように、本実施形態においては、接地電極先端部１２０ｆの内側に、突出部形成幅Ｔ_２００ｅの範囲で周方向に複数の接地電極突出部２００ｅを略円錐状に形成して並べてある。
このとき、複数の接地電極突出部２００ｅが軸方向に並ばないように千鳥に配設することによって、周方向に対して突出部形成幅Ｔ２００ｅの範囲で均等にストリーマ放電の起点が分布し、接地電極突出部２００ｅを挟んで誘電体先端筒状部１１１の基端側と先端側との広い範囲に亘って発生したストリーマ放電ＳＴＲが一定の領域に分布する接地電極突出部２００ｅに集中することでエネルギ密度を高くできるので、第１と同様の効果を発揮できる。
加えて、一つ一つの接地電極突出部２００ｅが略円錐状に形成されているため、より一層電界集中が起こり易く、エネルギ密度を高くできると期待できる。

図１１を参照して、本発明の第５の実施形態における点火装置１ｆについて説明する。
本図に示すように、本実施形態においては、第１の実施形態における点火装置１と同様の構成に加え、基端側は誘電体先端筒状部１１１に向かって突出しつつ、先端に向かって径大となるように接地電極突出部２００ｆにテーパ面を形成してある。
このような構成とすることによって、第１の実施形態における点火装置１と同様の効果に加え、接地電極突出部２００ｆの誘電体先端筒状部１１１との距離が最も短くなっている部分が先尖状となっているので、より一層電界集中し易くなり、放電エネルギの効率的な放出が期待できる上に、接地電極先端部１２０が燃焼室５１側に向かって拡径するように開口しているので、放電空間１３０内で発生した火炎核が速やかに排出され易くなりさらなる着火性向上が期待できる。

図１２を参照して、本発明の第６の実施形態における点火装置１ｇについて説明する。
本図に示すように、本実施形態においては、接地電極先端部１２０ｇを柱状に形成し、その先端につり下げるようにして接地電極突出部２００ｈを略環状に形成して、誘電体先端筒状部１１１の中間位置に対向するようにしてある。
このような構成とすることにより、第１の実施形態における点火装置１と同様に、接地電極突出部２００ｇを挟んで誘電体先端筒状部１１１の基端側と先端側との広い範囲に亘って発生したストリーマ放電ＳＴＲが接地電極突出部２００ｇに集中することでエネルギ密度を高くできる上に、燃焼室５１内の混合気の入れ替わりが容易となり火炎成長速度の向上を図り、さらなる着火性の安定化が期待できる。

図１３を参照して、本発明の第７の実施形態における点火装置１ｈについて説明する。本実施形態においては、第１の実施形態における点火装置１と同様の構成に加えて、中心誘電体１１ｈの誘電体先端筒状部１１１ｈが接地電極先端部１２０から燃焼室５１内に露出する位置において、誘電体先端筒状部１１１の外径を先端に向かって径小となるように縮径する径変部２０１ｈ及び誘電体の厚みを薄肉にした肉薄部２０２ｈを形成してある。
このような構成とすることによって、第１の実施形態と同様の効果に加え、肉薄部２０２ｈの表面電位を高くして、点火装置１ｈが燃焼室５１内に突出する側のストリーマ放電ＳＴＲのエネルギ密度を高くすることができる。
加えて、縮径部２０１ｈによって開口が広がるため、放電空間１３０内での体積着火により発生した火炎核が燃焼室５１内に放出放出され易くなり、さらなる着火性の向上が期待できる。
なお、誘電体先端筒状部１１１ｈの全体の肉厚を薄くしてしまうと、接地電極突出部２００に対向する位置における絶縁耐圧が低くなるが、接地電極突出部２００の先端から軸方向に離れた位置が肉薄となっているために、絶縁破壊を招くことはない。

なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、接地電極先端部の位置を中心誘電体の誘電体先端筒状部の略中間位置に配設すると共に、一定の突出部形成範囲において接地電極先端部の内周面の全部又は一部を誘電体先端筒状部に向かって突出せしめた接地電極突出部を形成することにより、電界集中により従来よりも低い周波数の交流電圧を用いて、比較的低いエネルギで、接地電極突出部を挟んで先端側と基端側の両方向に広がるように誘電体先端筒状部の広い範囲に亘ってストリーマ放電を発生させ効率的に体積着火を引き起こす本発明の趣旨に反しない限りにおいて、適宜変更可能である。
例えば、第５の実施形態に示した構成と第７の施形態に示した構成とを組み合わせた構成としても良い。

１ 点火装置
１０ 中心電極
１００ 中心電極放電部
１１ 中心誘電体
１１０ 誘電体先端底部
１１１ 誘電体先端筒状部
１１２ 放電空間基底部
１２ ハウジング
１２０ 接地電極先端部
１２１ 接地電極筒状部
１３０ 第１の放電空間
１３１ 第２の放電空間（電界集中部）
２００ 接地電極突出部
３ 外部電源
３１ 交流高電圧電源
３０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
５ 内燃機関
Ｌ_１００ 中心電極放電部長
Ｌ_１１０ 中心誘電体放電部長
Ｌ_１２０ 接地電極先端部露出長
Ｌ_１３０ 放電空間長
Ｌ_１４０ 接地電極先端位置長
Ｔ_２００ 突出部形成幅
ＧＰ_１３０ 第１の放電ギャップ
ＧＰ_１３１ 第２の放電ギャップ
Ｄ_１１０ 中心誘電体放電部外径
Ｄ_１３０ 第１の放電空間内径
Ｄ_１３１ 第２の放電空間内径

Claims (6)

1. 内燃機関（５）に設けられ、少なくとも、略軸状の中心電極（１０）と、該中心電極（１０）を覆う略有底筒状の中心誘電体（１１）と、該中心誘電体（１１）と所定の放電ギャップ（ＧＰ_１３０）を隔てて同軸に配設した略筒状の接地電極（１２）と、上記中心電極（１０）と上記接地電極（１２）との間に所定の周波数の高電圧を印加する交流高電圧電源（３０）と、を具備して、上記内燃機関（５）の点火を行う点火装置であって、
   上記中心誘電体（１１）の誘電体先端筒状部（１１１）の外周表面の一部と、上記誘電体先端筒状部（１１１）の基端側を拡径して設けた放電空間基底部（１１２）と、上記接地電極（１２）の接地電極筒状部（１２１）の内周面とによって略筒状に区画した上記放電ギャップ（ＧＰ_１３０）を有する第１の放電空間（１３０）と、
   該第１の放電空間（１３０）の先端側において、軸方向に対して一定の突出部形成幅（Ｔ_２００）をもって、上記放電ギャップ（ＧＰ_１３０）よりも狭い第２の放電ギャップ（ＧＰ_１３１）を有する第２の放電空間（１３１）を形成すべく、上記接地電極（１２）の先端に位置し、上記内燃機関の燃焼室（５１）に向かって開口する略環状の接地電極先端部（１２０）の内周側において、その内周面の全部又は一部を上記誘電体先端筒状部（１１１）に向かって突出せしめた接地電極突出部（２００）と、
   を具備すると共に、
   上記誘電体（１１）の上記誘電体先端筒状部（１１１）とその先端側で底部を構成する誘電体先端底部（１１０）とに覆われた上記中心電極（１０）の中心電極放電部（１００）の一部を上記接地電極先端部（１２０）よりも軸方向先端側に向かって延設して、上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）の内側に所定の長さだけ突出せしめたことを特徴とする点火装置（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）。
2. 上記放電空間基底部（１１２）の表面を基準面として、
   該基準面から上記中心電極放電部（１００）の末端までの長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、
   上記基準面から上記接地電極先端部（１２０）の末端までの長さを接地電極先端位置長さＬ_１４０とし、
   上記誘電体先端筒状部（１１１）の表面から上記接地電極突出部（２００）の表面までの距離を第２の放電ギャップＧＰ_１３１とし、
   上記接地電極突出部（２００）を形成する幅を突出部形成幅Ｔ_２００としたとき、
   ＧＰ_１３１＋Ｔ_２００＜Ｌ_１４０＜Ｌ_１００
   の関係が成り立つ請求項１に記載の点火装置（１、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）。
3. 上記第１の放電空間（１３０）の放電空間基底部（１２１）を基準面とし、
   該基準面から上記中心電極放電部（１００）の長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、
   上記基準面から上記接地電極先端部（１２０）の先端までの長さを接地電極先端位置長さＬ_１４０とし、
   上記中心誘電体（１１）の誘電体先端筒状部（１１１）の表面と上記接地電極突出部（２００）の表面までの距離を第２の放電ギャップＧＰ_１３１とし、
   上記接地電極突出部（２００）を形成する幅を突出部形成幅Ｔ_２００としたとき、
   １／３Ｌ_１００≦Ｌ_１４０≦４／５Ｌ_１００
   の関係が成り立つ請求項１又は２に記載の点火装置（１、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）。
4. 上記第１の放電空間（１３０）を区画する上記中心誘電体（１１）の誘電体先端筒状部（１１１）の表面と上記接地電極筒状部（１２１）の内側表面までの距離を第１の放電ギャップＧＰ_１３０とし、
   上記第２の放電空間（１３１）を区画する上記中心誘電体（１１）の誘電体先端筒状部（１１１）の表面と上記接地電極突出部（２００）の表面までの距離を第２の放電ギャップＧＰ_１３１としたとき、
   上記第２の放電ギャップＧＰ_１３１と、上記第１の放電ギャップＧＰ_１３０との関係において、
   １／４ＧＰ_１３０≦ＧＰ_１３１≦３／４Ｇ_１３０
   である請求項１ないし３のいずれか記載の点火装置（１、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）。
5. 上記交流高電圧電源（３１）の周波数（ｆ）が８５ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下である請求項１ないし４のいずれか記載の点火装置（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）。
6. 上記第１の放電空間（１３０）の容積が３００ｍｍ^３以下である請求項１ないし５のいずれか記載の点火装置（１、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ、１ｇ、１ｈ）。

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