JP4424384B2 - プラズマ式点火装置 - Google Patents
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Description
プラズマ式点火装置1xは、指向性に富み、かつ容積的に大きな範囲で数千から数万Kの極めて高い温度域を発生させることができるので、均質リーンバーンや成層リーンバーン等の難着火性の希薄燃焼機関の点火装置としての応用が期待されている。
中心電極110xの侵食に伴い中心電極110xと接地電極130xとの距離、即ち放電距離141xが次第に長くなる。放電距離141xに比例して放電電圧が次第に上昇し、やがて放電電圧が放電用電源20xの発生電圧以上となると放電できなくなり内燃機関の失火に至る虞がある。
より多くの気体をプラズマ状態にするためには、放電空間の容積を大きくする必要がある。しかし、従来の構成では、放電空間の容積を大きくすると放電距離が長くなり放電電位が高くなってしまう。
上記点火プラグは、陽極の中心電極と陰極の接地電極との間を絶縁する絶縁部材を配設して、上記絶縁部材内に放電空間を形成し、上記中心電極と上記接地電極とのそれぞれの表面の少なくとも一部を該放電空間に対向させつつ、上記中心電極の下端部表面を反放電空間側に向かって窪ませた中心電極凹陥部を形成し、
上記高電圧電源からの高電圧の印加と大電流の供給とによって、上記放電空間内の気体を高温高圧のプラズマ状態にして内燃機関内に噴射するプラズマ式点火装置において、
上記中心電極凹陥部の下端における開口径を凹陥部開口径φD 1 とし、上記放電空間を形成する上記絶縁部材の内周壁上端における内径を絶縁部材内径φD 2 とし、上記中心電極凹陥部の内周壁を構成する部位における上記中心電極の外径を中心電極外径φD 3 としたときに、上記凹陥部開口径φD 1 、上記絶縁部材内径φD 2 、及び中心電極外形φD 3 の関係が、D 1 =D 2 、かつ、D 2 <D 3 を満たすように設定する。
上記接地電極は、上記絶縁部材の外周を覆い、先端が上記放電空間に対向し、上記絶縁部材の内径と連通する接地電極開口部を有する筒状に形成する。
また、本発明によれば、中心電極凹陥部の放電経路により近い部位における容積を最大にすることができるので、供給したエネルギーを最も効率的に放電空間および中心電極凹陥部内の気体のプラズマ状態化に利用できる。
更に、中心電極は陽極となっているので、プラズマ状態となった高温高圧の電離気体中、質量の大きい陽イオンは、静電斥力によって反発し、質量の小さい電子のみが衝突するので、陰極スパッタリングにより浸食され難くなる。
従って、本発明によれば、耐久性が向上すると共に、一定の放電電圧に対して、プラズマ状態となる気体の量を増やすことができ、内燃機関の着火性を向上することができる。
具体的には、請求項2の発明の範囲で、中心電極凹陥部を形成すれば、放電空間内の気体と中心電極凹陥部内の気体とを最も効率的にプラズマ状態とすることができる。
従って、本発明によれば、着火安定性に優れたプラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。
従って、本発明によれば、着火安定性に優れたプラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。
本実施形態におけるプラズマ式点火装置1は、放電用電源20とプラズマ発生用電源30とからなる高電圧電源とプラズマ式点火プラグ10とで構成されている。
プラズマ式点火プラグ10は、中心電極110と、中心電極110を絶縁保持する筒状の絶縁部材120と、絶縁部材120を覆う環状の接地電極130とで構成されている。
中心電極110は、下端部において外径がφD 3 となる軸状に形成され、放電空間140に対向する下端部表面には、反放電空間側(基端側)に向かって窪ませた、下端における開口径φD 1 、深さG2、容積V2の凹陥部111が形成され、基端側端部には、上記高電圧電源に接続される中心電極端子部113が形成されている。
ハウジング135の中腹外周部には、図略の内燃機関内に接地電極130が露出するように内燃機関の壁面(エンジンブロック40)に固定するとともに接地電極130とエンジンブロック40とを電気的に接地状態とするためのハウジングネジ部132が形成され、基端側外周部にはハウジングネジ部132を締め付けるためのハウジング六角部133が形成されている。
なお、中心電極凹陥部111の下端における開口径φD1は、放電空間140を形成する絶縁部材120の内径φD2と略同一に形成されている。
放電用電源20は、第1のバッテリ21、イグニッションキー22、点火コイル23、トランジスタからなるイグナイタ24、電子制御装置25によって構成され、第1の整流素子26を介してプラズマ式点火プラグ10に接続されている。第1のバッテリ21は陽極側が接地されている。
このプラズマ状態の気体は、導電性を有し、プラズマ発生用コンデンサ33の両極間に蓄えられた電荷の放電を引き起こし、放電空間140内の気体の更なるプラズマ状態化を誘発、領域を拡大する。このプラズマ状態の気体は、高温・高圧となり、内燃機関の燃焼室内へ噴射される。
この時、放電空間140内の気体のみならず、中心電極凹陥部111内の気体が高温・高圧のプラズマ状態となるので、プラズマ噴射長Lpは極めて長くなる。
表1に示すように、比較例1は、従来の中心電極凹陥部111を形成ない構成とし、比較例2は、中心電極の外径φD3と放電空間140を形成する絶縁部材120の内周壁上端における内径φD 2 とを同径に形成して、中心電極凹陥部111の下端における開口径φD 1 を中心電極の外径φD3よりも小径にした構成とし、本発明の実施例1は、中心電極外径φD3を放電空間140を形成する絶縁部材120の内周壁上端における内径φD2より大径に形成し、中心電極凹陥部111の下端における開口径φD 1 を放電空間140を形成する絶縁部材120の内周壁上端における内径φD 2 と同径に形成した構成とし、本発明の実施例2は、中心電極凹陥部111の深さG2を実施例1よりも深くした構成とした。
本図から明らかなように、本発明によれば、プラズマ噴射長Lpを最も長くできる。
図4に示すように、中心電極凹陥部111を形成した場合と形成しなかった場合とでは、共に放電空間の総容積を大きくしていくと徐々にプラズマ噴射長Lpも長くなるが、Vtが一定容積以上となるとプラズマ噴射長Lpはかえって短くなってしまうことが判明した。
また、中心電極凹陥部111を形成した場合の方が、放電空間総容積が同じでも中心電極凹陥部111を形成しない場合よりも、プラズマ噴射長Lpが長くなることが判明した。
例えば、上記実施形態においては、一つのプラズマ式点火プラグで構成されるプラズマ式点火装置について説明したが、本発明は、多数の点火プラグを含む多気筒エンジンにも適用し得るものである。
また、上記実施形態においては、放電用電源20とプラズマ発生用電源30との複数の電源からなる高電圧電源を用いた例について説明したが、高電圧印加用の電源と大電流供給用の電源を一つの電源で構成しても良い。
10 プラズマ式点火プラグ
110 中心電極
111 中心電極凹陥部
120 絶縁部材
130 接地電極
140 第1の放電空間
141 放電距離
142 第2の放電空間
20 高電圧印加用電源
30 大電流供給用電源
40 エンジンブロック(内燃機関)
D 1 中心電極凹陥部の下端における開口径
D 2 絶縁部材の内周壁上端における内径
D 3 中心電極外径
G 1 中心電極凹陥部深さ
G 2 放電空間深さ
V 1 放電空間容積
V 2 中心電極容積
Vt 放電空間総容積
V 放電電圧
Lp プラズマ噴射長
Claims (6)
- 内燃機関に装着される点火プラグと、該点火プラグに高電圧の印加と大電流の供給とを行う高電圧電源とを具備し、
上記点火プラグは、陽極の中心電極と陰極の接地電極との間を絶縁する絶縁部材を配設して、上記絶縁部材内に放電空間を形成し、上記中心電極と上記接地電極とのそれぞれの表面の少なくとも一部を該放電空間に対向させつつ、上記中心電極の下端部表面を反放電空間側に向かって窪ませた中心電極凹陥部を形成し、
上記高電圧電源からの高電圧の印加と大電流の供給とによって、上記放電空間内の気体を高温高圧のプラズマ状態にして内燃機関内に噴射するプラズマ式点火装置において、
上記中心電極凹陥部の下端における開口径を凹陥部開口径φD 1 とし、上記放電空間を形成する上記絶縁部材の内周壁上端における内径を絶縁部材内径φD 2 とし、上記中心電極凹陥部の内周壁を構成する部位における上記中心電極の外径を中心電極外径φD 3 としたときに、上記凹陥部開口径φD 1 、上記絶縁部材内径φD 2 、及び中心電極外形φD 3 との関係が、D 1 =D 2 、かつ、D 2 <D 3 を満たすように設定したことを特徴とするプラズマ式点火装置。 - 上記中心電極の下端表面から上記接地電極と上記絶縁部材下端部との境界における上記接地電極の表面までの距離を放電距離G 1 とし、上記中心電極凹陥部の深さを凹陥部深さG 2 とし、上記放電空間の容積を放電空間容積V 1 とし、上記中心電極凹陥部の容積を凹陥部容積V 2 としたときに、
放電距離G 1 、凹陥部深さG 2 、放電空間容積V 1 及び凹陥部容積V 2 の間にG 2 <G 1 とV 1 <V 1 +V 2 <2×V 1 の関係を満たすように設定した請求項1に記載のプラズマ式点火装置。 - 上記中心電極凹陥部の内周壁を構成する部位における上記中心電極の外径を中心電極外径φD 3 とし、上記放電空間を形成する上記絶縁部材の内周壁上端における内径を絶縁部材内径φD 2 としたときに、上記中心電極外径φD 3 と上記絶縁部材内径φD 2 との関係がD 3 <2×D 2 を満たすように設定した請求項1又は2に記載のプラズマ式点火装置。
- 上記絶縁部材は、軸状に形成した上記中心電極の外周を覆い、かつ上記中心電極の下端部よりも下方に伸びる筒状に形成し、
上記接地電極は、上記絶縁部材の外周を覆い、先端が上記放電空間に対向し、上記絶縁部材の内径と連通する接地電極開口部を有する筒状に形成した請求項1ないし3のいずれか1項に記載のプラズマ式点火装置。 - 上記放電空間を形成する上記絶縁部材の内周壁は、先端に向かって径小となる略円錐状に形成した請求項4に記載のプラズマ式点火装置。
- 上記放電空間を形成する上記絶縁部材の内周壁は、先端に向かって径大となる略円錐状に形成した請求項4に記載のプラズマ式点火装置。
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