JP2014123435A - 点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中心電極１０と略有底筒状の中心誘電体１１と、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１２と、所定の周波数の高電圧を印加する高エネルギ電源３とを具備する点火装置において、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。
【解決手段】内燃機関５の燃焼室５１に開口する略環状の接地電極先端部１２０から、誘電体先端底部１１０と誘電体先端筒状部１１１とによって覆われた中心電極放電部１００の一部を燃焼室５１内に突出せしめると共に、接地電極先端部１２０から突出する誘電体先端筒状部１１１の一部を先端に向かって径小となるよう縮径した誘電体径変部２０１と、その先端側の肉厚Ｔ_２００を薄くした誘電体薄肉部２００とを設ける。
【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電極と第１電極を囲む第２電極と、第1電極と第２電極との間に形成され開放部を介して燃焼室と連通する点火室と、を有し、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより点火室内に活性種を生成する活性種生成手段と、活性種生成手段の作動時期を可変にし制御し得る制御手段とを備える筒内直接噴射式内燃機関において、活性種が点火室内から筒内へ引き出されるように燃料噴射弁及び活性種生成手段を配置した筒内直接噴射式内燃機関が開示されている。

特開２０１０−３７９４９号公報

ところが、特許文献１にあるような活性種生成手段では、心電極の先端が点火室の開口端と一致した状態で開口部が内燃機関のシリンダヘッドの内壁と面一となるように配設され、燃焼室内に流れる気流を利用して点火室（放電空間）内に生成された活性種を燃焼室内に引き出す構造となっている。
このため、点火室内で発生した体積着火が火炎伝播により燃焼室内の混合気の点火が可能となるまで火炎成長する前に、燃焼室内に引き出されるため、希薄な混合気の点火が困難となったり、点火室がシリンダヘッドの内側に引き込んだ構造であるため、シリンダヘッドへのエネルギの拡散が大きく、投入したエネルギが効率的に点火に利用されておらず、実際の車両など電源の限られた内燃機関において空燃比を一定以上に高くできないことが判明した。

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、中心電極を覆う誘電体の特定の位置を薄肉に形成して、表面電位を高くし、燃焼室内との境界部に集中的にストリーマ放電を発生させることにより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の発明では、内燃機関（５）に設けられ、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（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高エネルギ電源（３）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基端側基底部（１１２）と、上記接地電極（１２）の接地電極筒状部（１２１）の内周面と、によって略筒状の放電空間（１３０）を区画し、上記接地電極（１２）の先端において上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）に開口する略環状の接地電極先端部（１２０）から、上記誘電体（１１）の底部を構成する誘電体先端底部（１１０）と上記誘電体先端筒状部（１１１）とによって覆われた上記中心電極（１０）の中心電極放電部（１００）の一部を上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）内に突出せしめると共に、上記接地電極先端部（１２０）から上記燃焼室（５１）内に突出する上記誘電体先端筒状部（１１１）の一部を先端に向かって径小となるよう縮径した誘電体径変部（２０１）と、その先端側の肉厚（Ｔ_２００）を薄くした誘電体薄肉部（２００）とを設けたことを特徴とする。

請求項２の発明では、上記基端側底部（１１２）の内側底面を基準として、上記中心電極放電部（１００）の先端までの長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、上記放電空間（１３０）の先端までの長さを放電空間長さＬ_１３０とし、上記誘電体径変部（２０１）までの長さを薄肉端位置長さＬ_２００としたとき、
Ｌ_１３０＜Ｌ_２００＜Ｌ_１００の関係が成り立つ。
より望ましくは、請求項３の発明のように、3mm≦Ｌ_２００≦10mmの関係が成り立つ。

請求項４の発明では、上記誘電体先端筒状部（１１１）の外径をφＤ_１１１とし、その肉厚をＴ_１１１とし、上記誘電体薄肉部（２００）の外径をφＤ_２００とし、その肉厚をＴ_２００としたとき、
Ｄ_２００＜Ｄ_１１１、かつ、
０．２Ｔ_１１１＜Ｔ_２００＜０．９Ｔ_１１１の関係が成り立つ。
より望ましくは、請求項５の発明のように、０．４ｍｍ≦Ｔ_２００≦１．８ｍｍの関係が成り立つ。

請求項６の発明では、上記高エネルギ電源（３）から供給される交流電圧の周波数（ｆ）が８０ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下である。

請求項７の発明では、上記放電空間（１３０）の容積が３００ｍｍ^３以下である。

本発明によれば、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）の内側に配設すると共に、上記誘電体薄肉部（２００）を設けることによって、局所的に表面電位が高くなり、接地電極先端部（１２０）の先端側で燃焼室（５１）の内側に突出した上記誘電体薄肉部（２００）と接地電極先端部（１２０）との間にストリーマ放電（ＳＴＲ）を高密度で発生させ易くなり、比較的低い周波数の電源でも、高いリーン限界空燃比の混合気を安定して着火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の高電圧印加時の様子を模式的に示す要部断面図 本発明の第１の実施形態における点火装置１の効果を示し図３Ａに続いて起こる体積点火の様子を模式的に示す要部断面図 比較例１として示す従来の点火装置１ｚの高電圧印加時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例１の効果を示し図４Ａに続いて起こる体積点火の様子を模式的に示す要部断面図 比較例２として示す従来の他の点火装置１ｙの高電圧印加時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例２の効果を示し図５Ａに続いて起こる体積点火の様子を模式的に示す要部断面図 本発明の第１の実施形態における点火装置１の構成部分の設定条件を変更した場合に本発明の効果を発揮し得ない臨界条件を比較例３から６として示す要部断面図 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 比較例と共に本発明の薄肉端位置長さＬ_２００を変化させたときの効果を示す特性図 比較例と共に本発明の薄肉端部外径Ｄ_２００を変化させたときの効果を示す特性図 本発明の他の実施形態の効果を示す特性図 本発明の第２の実施形態における点火装置１ａの概要を示す要部断面図 本発明の第３の実施形態における点火装置１ｂ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１ｃ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１ｄの概要を示す要部断面図 本発明の第７の実施形態における点火装置１ｅ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、内燃機関５に設けられ、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１２と、中心電極１０と接地電極１２との間に、所定の周波数（８０ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ）の交流高電圧（例えば、±２０ｋＶ〜５０ｋＶ）を印加する高エネルギ電源３とを具備して、内燃機関５の点火を行う点火装置でる。
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、誘電体先端筒状部１１１の基端側を拡径して設けた基端側基底部１１２と、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の放電空間１３０が設けられている。
さらに、接地電極１２の先端において内燃機関５の燃焼室５１に開口する略環状の接地電極先端部１２０と、中心誘電体１１の底部を構成する誘電体先端底部１１０と誘電体先端筒状部１１１とによって覆われた中心電極１０の中心電極放電部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内に突出せしめてある。
加えて、接地電極先端部１２０から燃焼室５１内に突出する誘電体先端筒状部１１１の一部を先端に向かって径小となるよう縮径した誘電体径変部２０１と、その先端側の肉厚Ｔ_２００を薄くした誘電体薄肉部２００とを設けたことを特徴とする。

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を介して接地電極先端部１２０及び接地電極筒状部１２１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３に接続されている。
高エネルギ電源３は、交流高電圧電源３１と内燃機関５の運転状態を制御する電子制御装置３０とによって構成され、内燃機関５の運転状況に応じた所定のタイミングで所定の周波数（例えば、８０ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下、発生電圧±２０ｋＶ〜５０ｋＶ）の交流電圧を印加する。

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、先端筒状部１１１の一部に本発明の要部である誘電体径変部２０１及び誘電体薄肉部２００が設けられている。
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露出部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。
ハウジング１２はシリンダヘッド５０に接地状態となっており接地電極を兼用している。
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、接地電極先端露出部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。

本発明においては、中心誘電体１１の放電空間１３０を区画する基端側底部１１２の内側底面を基準として、中心電極放電部１００の先端までの長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、放電空間１３０の先端までの長さを放電空間長さＬ_１３０とし、誘電体径変部２０１までの長さを薄肉端位置長さＬ_２００としたとき、Ｌ_１３０＜Ｌ_２００＜Ｌ_１００の関係が成り立っている。なお、本発明者等の鋭意試験により、肉端位置長さＬ_２００を３ｍｍ≦Ｌ_２００≦１０ｍｍの関係が成り立つように設定するのが望ましいことが判明した。
なお、薄肉端位置長さＬ_２００の値、及び後述する肉厚Ｔ_２００の値、放電空間１３０の容積、高周波電源３の周波数等の臨界的意義は、後述する試験において、比較例２と同程度のリーン限界Ａ／Ｆしか達成できない場合には、効果なしと判断して設定したものである。
また、比較例４、５のリーン限界Ａ／Ｆを超え、安定して一定のリーン限界Ａ／Ｆ（例えば、２１）を超える条件をより望ましい値と判断したものである。

さらに、誘電体先端筒状部１１１の外径をφＤ_１１１とし、その肉厚をＴ_１１１とし、誘電体薄肉部２００の外径をφＤ_２００とし、その肉厚をＴ_２００としたとき、
Ｄ_２００＜Ｄ_１１１、かつ、０．２Ｔ_１１１＜Ｔ_２００＜０．９Ｔ_１１１の関係が成り立つ。
より望ましくは、０．４ｍｍ≦Ｔ_２００≦１．８ｍｍの関係が成り立つように設定するのが望ましいことが判明した。
さらに、放電空間１３０の容積が３００ｍｍ^３以下であることが望ましいことが判明した。

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、放電空間１３０、及び燃焼室５１との境界部分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。

図２を参照して本発明に用いられる高周波電源３の一例について説明する。
本発明に用いられる高エネルギ電源３から供給される交流高電圧は、高周波ｆ（例えば、周波数８０ｋＨｚ〜８５０ｋＨｚ）で、最大電圧Ｖ_ＰＰ（例えば、±２０ｋＶ〜５０ｋＶ）交流の高電圧電源３１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。
交流高電圧電源３１の周波数ｆ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３Ａ、図３Ｂ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の効果について説明する。
本図に示すように、高エネルギ電源３から、例えば、３００ｋＨｚの比較的低い周波数で、３００ｍＪのエネルギを１．０ｍｓ印加すると、接地電極１２の接地電極先端部１２０及び接地電極筒状部１２１と中心誘電体１１の先端筒状部１１１、誘電体径変部２０１及び誘電体薄肉部２００との間でストリーマ放電ＳＴＲが同時多発的に発生する。
このとき、接地電極先端部１２０よりも燃焼室５１側の位置に誘電体薄肉部２００が設けられているので、その表面電位は、誘電体薄肉部２００を形成していない場合より高くなっており、接地電極先端部１２０が燃焼室５１に向かって開口する部分の周辺に電界集中が起って、接地電極先端部１２０と誘電体薄肉部２００との間のエネルギ密度が高くなる。
すると、燃焼室５１への火炎伝播が起こり易い位置で放電空間１３０内、及び、エネルギ密度が高くなった接地電極先端部１２０の先端側に初期火炎核ＦＬＫが発生し、これが速やかに燃焼室内の混合気に燃え広がり安定した着火を実現できる。
このとき、放電空間１３０が３００ｍｍ^３以下の比較的小さい容積で形成されているので、放電空間１３０内に発生した火炎が閉じ込められ、無駄にシリンダヘッド５０に放出されることがない。
また、接地電極先端部１２０が燃焼室５１内に突出しており、これが筒内気流を適度に制限し、放電空間１３０内に発生した火炎核を吹き消すことなく、また、放電空間１３０内に新気を取り込んでより一層の火炎成長を促進することになる。
また、誘電体径変部２０１が接地電極先端部１２０よりも、燃焼側の位置に設けられているので、放電空間１３０内に発生した火炎核ＦＬＫが膨張する際の障壁ともなりにくくなっているため、より一相火炎成長速度が早くなり、着火安定性が向上するものと推察される。

図４Ａ、図４Ｂを参照して比較例１として示す従来の点火装置１ｚの問題点について説明する。なお、本発明との違いを分かり易くするため、上記実施形態と同じ構成については同一の符号を付し、相違する部分に枝番としてｚの符号を付した。後述する比較例及び実施例においても同様にそれぞれ特徴的な部分に、対応するアルファベットで枝番を付してある。
図４Ａに示すように、点火装置１ｚでは、接地電極１２ｚとして、中心誘電体底部１１０の先端に至る範囲を覆うように略筒状に伸びる接地電極先端部１２０ｚが形成され、さらに、接地電極先端部１２０ｚは、その先端が、シリンダヘッド５０から露出しないように、シリンダヘッド５０の内周面に対して、略面一に設けられており、放電空間１３０ｚの容積は、実施例１の２倍程度となっている。
点火装置１ｚに、上記実施例１と同じ条件で高電圧を印加したとき、放電空間１３０ｚ内で多発的にストリーマ放電ＳＴＲが発生するが、図４Ｂに示すように、放電空間１３０ｚ内で火炎核が発生しても、放電空間１３０ｚの容積が大きいので、燃焼室５１内への火炎の伝播速度が遅くなる。
このため、接地電極筒状部１２１を介してシリンダヘッド５０へのエネルギ放出が大きくなり、失火に至ったり、中心誘電体１１ｚの先端筒状部１１１ｚの過剰に加熱してプレイグニションを引き起こしたりして、安定した着火を維持することが困難であった。

図５Ａ、図５Ｂを参照して比較例２として示す従来の点火装置１ｙの問題点について説明する。
点火装置１ｙでは、点火装置１ｚと同様、接地電極１２ｙとして、中心誘電体底部１１０の先端に至る範囲を覆うように略筒状に伸びる接地電極先端部１２０ｙが形成されているが、その一部がシリンダヘッド５０から露出するように構成されている。
点火装置１ｙに上述の条件と同じ条件で高電圧を印加すると、図５Ａに示すように、比較例１と同様、放電空間１３０ｙの内部に多発的にストリーマ放電ＳＴＲが発生する。
点火装置１ｙでは、接地電極先端部１２０ｙの一部がシリンダヘッド５０から露出しており、燃焼室５１内の気流がその露出部によって制限され、放電空間１３０ｙ内で発生した火炎核と燃焼室５１内の混合気とを適度に撹拌混合するため、内燃機関５の点火を実現でき、比較例1の問題点であったプレイグニションの抑制を図ることが可能となった。
しかし、後述する試験結果に示すように、比較例２では、混合気の空燃比を高くした場合には、安定した着火が実現できないおそれがあることが判明した。

図６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の構成部分の設定条件を変更した場合に本発明の効果を発揮し得ない臨界条件について説明する。
比較例３〜６として、実施例１と同様の構成において、薄肉端位置長さＬ_２００及び薄肉端部外径Ｄ_２００を本発明の効果を発揮しなくなる限界まで変化させた点火装置１ｘ、１ｗ、１ｖ、１ｕを用意した。
比較例３として示す点火装置１ｘでは、薄肉端位置長さＬ_２００ｘを放電空間長さＬ_１３０よりも短く（具体的には、例えば、２．０ｍｍ）、接地電極先端部１２０よりも基端側に設定し誘電体薄肉部２００ｘの肉厚Ｔ_２００を実施例１と同じ（具体的には、例えば、１．６ｍｍ）に設定した。
比較例４として示す点火装置１ｗでは、薄肉端位置長さＬ_２００は実施例１と同じに設定し、誘電体薄肉部２００ｗの肉厚Ｔ_２００ｗを誘電体筒状先端部１１１の肉厚Ｔ_１１１の２０％に設定した（具体的には、例えば、０．４ｍｍ）。
比較例５として示す点火装置１ｖでは、薄肉端位置長さＬ_２００は実施例１と同じに設定し、誘電体薄肉部２００ｖの肉厚Ｔ_２００ｖを誘電体筒状先端部１１１の肉厚Ｔ_１１１の９０％に設定した（具体的には、例えば、１．８ｍｍ）。
比較例６として示す点火装置１ｕでは、薄肉端位置長さＬ_２００ｕを放電空間長さＬ_１３０よりも長く、中心電極放電部長さＬ_１００と等しく（具体的には、例えば、７．０ｍｍ）設定し、誘電体薄肉部２００ｕの肉厚Ｔ_２００を実施例１と同じ（具体的には、例えば、１．６ｍｍ）に設定した。

図６、図７、図８、図９を参照して本発明の効果について説明する。投入エネルギとして、周波数ｆ：３００ｋＨｚ、印加電圧Ｖｐｐ：５０ｋＶの交流電圧を１ｍｓ印加し、エンジン条件として、回転数：２０００ｒｐｍ、図示平均有効圧Ｐｍｉ：３００ｋＰａで、上述の点火装置１、１ｚ、１ｙ、１ｘ、１ｗ、１ｖ、１ｕを用いたときのリーン限界Ａ／Ｆを調査した。
その結果、比較例１として示した点火装置１ｚでは、体積着火が生じてもＡ／Ｆ＞１９の条件では火炎成長せず内燃機関５の点火に至らなかった。
比較例２として示した点火装置１ｙでは、内燃機関５の点火が可能となったものの、図７に示すようにリーン限界Ａ／Ｆは最も低い値であった。
また、比較例３として示した点火装置１ｘでは、誘電体薄肉部２００ｘの接地電極先端部１２０と対向する位置で、絶縁破壊を招き、中心電極放電部１００と接地電極先端部１２０との間にアーク放電ＡＲＫが発生した。アーク放電が発生すると接地電極１２０の消耗を伴い、点火装置１ｘの耐久性が著しく低下する。
比較例４として示した点火装置１ｗでは、誘電体薄肉部２００ｗの最基端位置で絶縁破壊を招き、中心電極放電部１００と接地電極先端部１２０の先端位置との間でアーク放電ＡＲＫが発生した。
比較例５として示した点火装置１ｖでは、比較例２に比べて僅かにリーン限界Ａ／Ｆが高くなったが、これ以上誘電体薄肉部２００ｖの肉厚Ｔ２００ｖを厚くすると、本発明の効果が得られず比較例２と同様の値となることが判明した。
比較例６として示した点火装置１ｕでは、比較例２に比べて僅かにリーン限界Ａ／Ｆが高くなったが、これ以上Ｌ２００を長くすると、本発明の効果が得られず比較例２と同様の値となることが判明した。
以上により、本発明の第１の実施形態における点火装置１において、薄肉端位置長さＬ_２００としたとき、Ｌ_１３０＜Ｌ_２００＜Ｌ_１００の関係が成り立つように、誘電体径変部２０１を設けることにより、比較的低い周波数の高電圧交流電源を用いても、従来より高いリーン限界Ａ／Ｆで安定した着火を実現できることが判明した。
より望ましくは、３ｍｍ≦Ｌ_２００≦１０ｍｍの関係が成り立つように、誘電体径変部２０１を設けることにより、高いリーン限界Ａ／Ｆを維持できることが判明した。
さらに、誘電体先端筒状部１１１の外径をφＤ_１１１とし、その肉厚をＴ_１１１とし、誘電体薄肉部２００の外径をφＤ_２００とし、その肉厚をＴ_２００としたとき、
Ｄ_２００＜Ｄ_１１１、かつ、０．２Ｔ_１１１＜Ｔ_２００＜０．９Ｔ_１１１の関係が成り立つように、誘電体薄肉部２００の肉厚Ｔ２００を設定したとき、比較的低い周波数の高電圧交流電源を用いても、従来より高いリーン限界Ａ／Ｆで安定した着火を実現できることが判明した。
また、より望ましくは、０．４ｍｍ≦Ｔ_２００≦１．８ｍｍの関係が成り立つ範囲で誘電体肉薄部２００の肉厚Ｔ_２００を設定することにより、比較的低い周波数の高電圧交流電源を用いても、高いリーン限界Ａ／Ｆを維持できることが判明した。

図１０を参照して、図１１Ａ〜図１１Ｄに示す本発明の他の実施形態の効果について説明する。
上述の試験と同様の試験を行った結果、いずれの実施形態においても比較例よりも高いリーン限界Ａ／Ｆにおいて安定した着火を実現できることが判明した。
特に、実施例３、４においてリーン限界Ａ／Ｆの向上が見られた。接地電極先端部１２０の一部を内側に向かって突出させることで、より一層電解集中を起こし、燃焼室５１との境界付近のエネルギ密度を向上させることが可能となるためと推察される。

図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅを参照して、本発明の他の実施形態について簡単に説明する。これらの実施形態においては、上記第１の実施形態を基本構成とするものであり、以下に示す特徴を有するものである。
図１１Ａに示す本発明の第２の実施形態における点火装置１ａでは、接地電極先端部１２０ａの先端を軸方向に対して径大となるような略円錐状のテーパ面を形成し先細り形状とすることによって、接地電極先端部１２０ａに電界集中を引き起こして、燃焼室５１との境界付近におけるエネルギ密度のさらなる向上を図ると共に、テーパ面によって放電空間１３０内に発生した火炎核がより一層燃焼室５１内に広がり易くするようにしたものである。
図１１Ｂに示す本発明の第３の実施形態における点火装置１ｂでは、接地電極先端部１２０ａの内周面の一部を中心誘電体１１に向かって略環状に突出するように形成することによって、接地電極先端部１２０ｂに電界集中を引き起こして、燃焼室５１との境界付近におけるエネルギ密度のさらなる向上を図ったものである。
図１１Ｃに示す本発明の第４の実施形態における点火装置１ｃでは、図１１Ａの構成と図１１Ｂの構成を組み合わせて、接地電極先端部１２０ｃにおいて、内側に向かって略環状に突出する部分と先端に向かって拡径するテーパ面とを形成してさらなる電界集中によるエネルギ密度の向上を図ったものである。
図１１Ｄに示す本発明の第６の実施形態における点火装置１ｄでは、点火装置１のように、徐々に縮径するテーパ面状ではなく、急峻に縮径する階段状の誘電体径変部２０１ｄを設けてある。このような形状とすることによって、誘電体径変部２０１ｄの角状の外周縁がより一層電界集中し易くなり、その周辺のエネルギ密度の向上を図ったものである。
図１１Ｅに示す本発明の第７の実施形態における点火装置１ｅでは、誘電体薄肉部２００ｅとして、内側に凸となる湾曲面によって形成してある。
このような形状とすることによって、点火装置１と同様の効果に加え、中心誘電体１１ｅの機械的強度を高めることにより耐久性の向上を図ることも期待できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、中心誘電体の一部を接地電極の先端から露出させると共に、その肉厚を薄肉に形成した誘電体薄肉部を形成することにより、その表面電位を高くし、その周辺のエネルギ密度を高くすることによって、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、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、接地電極先端部を軸方向に向かって段階的に内径が拡径するように径変させることで、接地電極側の電界集中箇所を複数設けることにより、接地電極側のストリーマ放電の発生範囲を径方向に広げることにより、さらなる着火性の向上が期待できる。

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 先端側底部
１１１ 誘電体先端筒状部
１１２ 放電空間基底部
１２ ハウジング（接地電極）
１２０ 接地電極先端部
１２１ 接地電極筒状部
１３０ 放電空間
２００ 誘電体薄肉部
２０１ 誘電体径変部
３ 高エネルギ電源
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_１３０ 放電空間長
Ｌ_１２０ 接地電極先端露出長
Ｌ_２００ 薄肉部端位置長
Ｔ_１１１ 誘電体筒状部肉厚
Ｔ_２００ 誘電体薄肉部肉厚
Ｄ_１１１ 誘電体筒状部外径
Ｄ_２００ 誘電体薄肉部外径

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の高電圧印加時の様子を模式的に示す要部断面図 本発明の第１の実施形態における点火装置１の効果を示し図３Ａに続いて起こる体積点火の様子を模式的に示す要部断面図 比較例１として示す従来の点火装置１ｚの高電圧印加時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例１の効果を示し図４Ａに続いて起こる体積点火の様子を模式的に示す要部断面図 比較例２として示す従来の他の点火装置１ｙの高電圧印加時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例２の効果を示し図５Ａに続いて起こる体積点火の様子を模式的に示す要部断面図 本発明の第１の実施形態における点火装置１の構成部分の設定条件を変更した場合に本発明の効果を発揮し得ない臨界条件を比較例３から６として示す要部断面図 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 比較例と共に本発明の薄肉端位置長さＬ_２００を変化させたときの効果を示す特性図 比較例と共に本発明の薄肉端部外径Ｄ_２００を変化させたときの効果を示す特性図 本発明の他の実施形態の効果を示す特性図 本発明の第２の実施形態における点火装置１ａの概要を示す要部断面図 本発明の第３の実施形態における点火装置１ｂ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１ｃの概要を示す要部断面図 本発明の第５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６の実施形態における点火装置１ｅの概要を示す要部断面図

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誘電体先端筒状部１１１、誘電体先端底部１１０を介して接地電極先端部１２０及び接地電極筒状部１２１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３に接続されている。
高エネルギ電源３は、交流高電圧電源３１と内燃機関５の運転状態を制御する電子制御装置３０とによって構成され、内燃機関５の運転状況に応じた所定のタイミングで所定の周波数（例えば、８０ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下、発生電圧±２０ｋＶ〜５０ｋＶ）の交流電圧を印加する。

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、誘電体先端底部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、先端筒状部１１１の一部に本発明の要部である誘電体径変部２０１及び誘電体薄肉部２００が設けられている。
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。

ハウジング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。
ハウジング１２はシリンダヘッド５０に接地状態となっており接地電極を兼用している。
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、中心電極放電部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、放電空間１３０、及び燃焼室５１との境界部分に非平衡プラズマを発生させ、燃焼室５１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。

図２を参照して本発明に用いられる高周波電源３の一例について説明する。
本発明に用いられる高エネルギ電源３から供給される交流高電圧は、高周波ｆ（例えば、周波数８０ｋＨｚ〜８５０ｋＨｚ）で、最大電圧Ｖ_ＰＰ（例えば、±２０ｋＶ〜５０ｋＶ）交流の高電圧電源３１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。
交流高電圧電源３１の周波数ｆに同期して、ストリーマ放電が間欠的に放電される。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４Ａ、図４Ｂを参照して比較例１として示す従来の点火装置１ｚの問題点について説明する。なお、本発明との違いを分かり易くするため、上記実施形態と同じ構成については同一の符号を付し、相違する部分に枝番としてｚの符号を付した。後述する比較例及び実施例においても同様にそれぞれ特徴的な部分に、対応するアルファベットで枝番を付してある。
図４Ａに示すように、点火装置１ｚでは、接地電極１２ｚとして、誘電体先端底部１１０の先端に至る範囲を覆うように略筒状に伸びる接地電極先端部１２０ｚが形成され、さらに、接地電極先端部１２０ｚは、その先端が、シリンダヘッド５０から露出しないように、シリンダヘッド５０の内周面に対して、略面一に設けられており、放電空間１３０ｚの容積は、実施例１の２倍程度となっている。
点火装置１ｚに、上記実施例１と同じ条件で高電圧を印加したとき、放電空間１３０ｚ内で多発的にストリーマ放電ＳＴＲが発生するが、図４Ｂに示すように、放電空間１３０ｚ内で火炎核が発生しても、放電空間１３０ｚの容積が大きいので、燃焼室５１内への火炎の伝播速度が遅くなる。
このため、接地電極筒状部１２１を介してシリンダヘッド５０へのエネルギ放出が大きくなり、失火に至ったり、中心誘電体１１ｚの先端筒状部１１１ｚの過剰に加熱してプレイグニションを引き起こしたりして、安定した着火を維持することが困難であった。

図５Ａ、図５Ｂを参照して比較例２として示す従来の点火装置１ｙの問題点について説明する。
点火装置１ｙでは、点火装置１ｚと同様、接地電極１２ｙとして、誘電体先端底部１１０の先端に至る範囲を覆うように略筒状に伸びる接地電極先端部１２０ｙが形成されているが、その一部がシリンダヘッド５０から露出するように構成されている。
点火装置１ｙに上述の条件と同じ条件で高電圧を印加すると、図５Ａに示すように、比較例１と同様、放電空間１３０ｙの内部に多発的にストリーマ放電ＳＴＲが発生する。
点火装置１ｙでは、接地電極先端部１２０ｙの一部がシリンダヘッド５０から露出しており、燃焼室５１内の気流がその露出部によって制限され、放電空間１３０ｙ内で発生した火炎核と燃焼室５１内の混合気とを適度に撹拌混合するため、内燃機関５の点火を実現でき、比較例1の問題点であったプレイグニションの抑制を図ることが可能となった。
しかし、後述する試験結果に示すように、比較例２では、混合気の空燃比を高くした場合には、安定した着火が実現できないおそれがあることが判明した。

図６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の構成部分の設定条件を変更した場合に本発明の効果を発揮し得ない臨界条件について説明する。
比較例３〜６として、実施例１と同様の構成において、薄肉端位置長さＬ_２００及び薄肉端部外径Ｄ_２００を本発明の効果を発揮しなくなる限界まで変化させた点火装置１ｘ、１ｗ、１ｖ、１ｕを用意した。
比較例３として示す点火装置１ｘでは、薄肉端位置長さＬ_２００ｘを放電空間長さＬ_１３０よりも短く（具体的には、例えば、２．０ｍｍ）、接地電極先端部１２０よりも基端側に設定し誘電体薄肉部２００ｘの肉厚Ｔ_２００を実施例１と同じ（具体的には、例えば、１．６ｍｍ）に設定した。
比較例４として示す点火装置１ｗでは、薄肉端位置長さＬ_２００は実施例１と同じに設定し、誘電体薄肉部２００ｗの肉厚Ｔ_２００ｗを誘電体先端筒状部１１１の肉厚Ｔ_１１１の２０％に設定した（具体的には、例えば、０．４ｍｍ）。
比較例５として示す点火装置１ｖでは、薄肉端位置長さＬ_２００は実施例１と同じに設定し、誘電体薄肉部２００ｖの肉厚Ｔ_２００ｖを誘電体先端筒状部１１１の肉厚Ｔ_１１１の９０％に設定した（具体的には、例えば、１．８ｍｍ）。
比較例６として示す点火装置１ｕでは、薄肉端位置長さＬ_２００ｕを放電空間長さＬ_１３０よりも長く、中心電極放電部長さＬ_１００と等しく（具体的には、例えば、７．０ｍｍ）設定し、誘電体薄肉部２００ｕの肉厚Ｔ_２００を実施例１と同じ（具体的には、例えば、１．６ｍｍ）に設定した。

図１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ、１１Ｅを参照して、本発明の他の実施形態について簡単に説明する。これらの実施形態においては、上記第１の実施形態を基本構成とするものであり、以下に示す特徴を有するものである。
図１１Ａに示す本発明の第２の実施形態における点火装置１ａでは、接地電極先端部１２０ａの先端を軸方向に対して径大となるような略円錐状のテーパ面を形成し先細り形状とすることによって、接地電極先端部１２０ａに電界集中を引き起こして、燃焼室５１との境界付近におけるエネルギ密度のさらなる向上を図ると共に、テーパ面によって放電空間１３０内に発生した火炎核がより一層燃焼室５１内に広がり易くするようにしたものである。
図１１Ｂに示す本発明の第３の実施形態における点火装置１ｂでは、接地電極先端部１２０ａの内周面の一部を中心誘電体１１に向かって略環状に突出するように形成することによって、接地電極先端部１２０ｂに電界集中を引き起こして、燃焼室５１との境界付近におけるエネルギ密度のさらなる向上を図ったものである。
図１１Ｃに示す本発明の第４の実施形態における点火装置１ｃでは、図１１Ａの構成と図１１Ｂの構成を組み合わせて、接地電極先端部１２０ｃにおいて、内側に向かって略環状に突出する部分と先端に向かって拡径するテーパ面とを形成してさらなる電界集中によるエネルギ密度の向上を図ったものである。
図１１Ｄに示す本発明の第５の実施形態における点火装置１ｄでは、点火装置１のように、徐々に縮径するテーパ面状ではなく、急峻に縮径する階段状の誘電体径変部２０１ｄを設けてある。このような形状とすることによって、誘電体径変部２０１ｄの角状の外周縁がより一層電界集中し易くなり、その周辺のエネルギ密度の向上を図ったものである。
図１１Ｅに示す本発明の第６の実施形態における点火装置１ｅでは、誘電体薄肉部２００ｅとして、内側に凸となる湾曲面によって形成してある。
このような形状とすることによって、点火装置１と同様の効果に加え、中心誘電体１１ｅの機械的強度を高めることにより耐久性の向上を図ることも期待できる。

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（接地電極）
１２０ 接地電極先端部
１２１ 接地電極筒状部
１３０ 放電空間
２００ 誘電体薄肉部
２０１ 誘電体径変部
３ 高エネルギ電源
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_１３０ 放電空間長
Ｌ_１２０ 接地電極先端露出長
Ｌ_２００ 薄肉部端位置長
Ｔ_１１１ 誘電体筒状部肉厚
Ｔ_２００ 誘電体薄肉部肉厚
Ｄ_１１１ 誘電体筒状部外径
Ｄ_２００ 誘電体薄肉部外径

Claims (7)

1. 内燃機関（５）に設けられ、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（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高エネルギ電源（３）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基端側基底部（１１２）と、上記接地電極（１２）の接地電極筒状部（１２１）の内周面と、によって略筒状の放電空間（１３０）を区画し、
   上記接地電極（１２）の先端において上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）に開口する略環状の接地電極先端部（１２０）から、上記誘電体（１１）の底部を構成する誘電体先端底部（１１０）と上記誘電体先端筒状部（１１１）とによって覆われた上記中心電極（１０）の中心電極放電部（１００）の一部を上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）内に突出せしめると共に、
   上記接地電極先端部（１２０）から上記燃焼室（５１）内に突出する上記誘電体先端筒状部（１１１）の一部を先端に向かって径小となるよう縮径した誘電体径変部（２０１）と、その先端側の肉厚（Ｔ_２００）を薄くした誘電体薄肉部（２００）とを設けたことを特徴とする点火装置。
2. 上記基端側底部（１１２）の内側底面を基準として、上記中心電極放電部（１００）の先端までの長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、上記放電空間（１３０）の先端までの長さを放電空間長さＬ_１３０とし、上記誘電体径変部（２０１）までの長さを薄肉端位置長さＬ_２００としたとき、
   Ｌ_１３０＜Ｌ_２００＜Ｌ_１００の関係が成り立つ請求項１に記載の点火装置。
3. 上記基端側底部（１１２）の内側底面を基準として、上記中心電極放電部（１００）の先端までの長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、上記放電空間（１３０）の先端までの長さを放電空間長さＬ_１３０とし、上記誘電体径変部（２０１）までの長さを薄肉端位置長さＬ_２００としたとき、
   ３ｍｍ≦Ｌ_２００≦１０ｍｍの関係が成り立つ請求項１、又は、２に記載の点火装置。
4. 上記誘電体先端筒状部（１１１）の外径をφＤ_１１１とし、その肉厚をＴ_１１１とし、上記誘電体薄肉部（２００）の外径をφＤ_２００とし、その肉厚をＴ_２００としたとき、
   Ｄ_２００＜Ｄ_１１１、かつ、
   ０．２Ｔ_１１１＜Ｔ_２００＜０．９Ｔ_１１１の関係が成り立つ請求項１ないし３のいずれかに記載の点火装置。
5. 上記誘電体先端筒状部（１１１）の外径をφＤ_１１１とし、その肉厚をＴ_１１１とし、上記誘電体薄肉部（２００）の外径をφＤ_２００とし、その肉厚をＴ_２００としたとき、
   ０．４ｍｍ≦Ｔ_２００≦１．８ｍｍの関係が成り立つ請求項１ないし４のいずれかに記載の点火装置。
6. 上記高エネルギ電源（３）から供給される交流電圧の周波数（ｆ）が８０ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下である請求項１ないし５のいずれかに記載の点火装置。
7. 上記放電空間（１３０）の容積が３００ｍｍ^３以下である請求項１ないし６のいずれかに記載の点火装置。

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