JP4946990B2 - プラズマ式点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられるプラズマ式点火装置の耐久性向上に関するものである。

自動車エンジン等の内燃機関において、図１２（ａ）に示すようなプラズマ式点火装置１ｘが知られている。この装置では、プラズマ式点火プラグ１０ｘの中心電極１１０ｘと接地電極１３１ｘとの間にトリガ放電手段として放電用電源２０ｘから高電圧を印加すると共に、中心電極１１０ｘと接地電極１３１ｘとの間に形成された放電空間１４０ｘ内で放電が開始する瞬間に、プラズマエネルギ供給手段としてプラズマ発生用電源３０ｘから大電流を供給して、放電空間１４０ｘ内の気体を高温高圧のプラズマ状態にして、放電空間１４０ｘの先端から噴射して点火を行うことができる。
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内燃機関の点火装置としての応用が期待されている。

特許文献１には、中心電極の汚染を防止すべく、中心電極と中心に該中心電極を保持し縦に伸びる挿入孔を設けた絶縁体と該絶縁体を覆い下端に挿入孔と連通する開口を設けた接地電極とによって構成し、上記挿入孔内に放電ギャップを形成した表面ギャップ型点火プラグが開示されている。
また、特許文献２には、中心電極の放電面端部に局部的に電界密度が高かくなる凸部又は凹部を設けて、放電電圧の低下を図る技術が開示されている。

ところが、特許文献１及び特許文献２を初めとする従来のプラズマ式点火装置においては、中心電極を陰極とし、接地電極を陽極としている。この場合、図１２（ｂ）に示すプラズマ式点火装置１ｘのように、中心電極１１０ｘの表面において、高温で質量の大きな陽イオン５０の衝突により分解される陰極スパッタリングが発生しやすい。この陰極スパッタリングによって中心電極１１０ｘの表面は激しく浸食される。
中心電極１１０ｘの侵食に伴い中心電極１１０ｘと接地電極１３１ｘ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。

そこで、本発明者等は、先に特許願２００６−３４０７６１において、図１１（ａ）に示すような、中心電極１１０と接地電極１３１ｚとの間を絶縁する絶縁部材１２０ｚが配設されたプラズマ式点火プラグ１０ｚと、このプラズマ式点火プラグ１０ｚに高電圧を印加する高電圧電源２０ｚ、３０ｚとを具備し、中心電極１１０ｚと接地電極１３１ｚとの間に印加された高電圧によって、絶縁部材１２０ｚ内に形成された放電空間１４０ｚ内の気体を高温高圧のプラズマ状態にして内燃機関４０内に噴射して点火するプラズマ式点火装置１ｚにおいて、中心電極１１０ｚを陽極とし接地電極１３１ｚを陰極として高電圧電源２０ｚ、３０ｚを接続することにより電極の消耗を抑制する技術を提案した。

図１１（ｂ）に示すように、プラズマ式点火装置１ｚでは、中心電極１１０ｚが陽極であるため、放電による電子の流れは接地電極１３１ｚから中心電極１１０へ向かい、質量の小さい電子５１のみが中心電極１１０ｚに衝突し、プラズマ状態の気体中、質量の大きい窒素イオン等の陽イオン５０は陽極である中心電極１１０ｚと反発するため、中心電極１１０ｚの表面が陰極スパッタリングにより浸食されることがない。

また、接地電極１３１ｚは陰極となっているので、質量の大きい陽イオン５０によって、その表面が浸食され得るが、放電空間１４０ｚに接する接地電極１３１ｚの表面は、プラズマ状態の気体の噴射方向に対して略直交するように配設されており、プラズマ状態の気体が噴射する際に、陽イオン５０は接地電極１３１ｚの表面１３２ｚに斜めに衝突することになり、陽イオン５０の衝突する力が弱まり、従来の中心電極１１０ｘを陰極とした場合に比べ、陰極スパッタリングによる浸食の度合いが低くなる。
米国特許第３５８１１４１号明細書 実開昭５６−３５７９３号公報

ところが、プラズマ式点火装置１ｚにおいては、プラズマ発生用電源３０ｚからの大電流Ｉｐｌの放出によって放電空間内の気体がプラズマ状態となって噴射された後も、放電空間１４０ｚの絶縁破壊のために印加された放電用電源２０ｚからの高電圧による放電が継続している場合がある。プラズマ状態となった気体は極めて温度が高く、接地電極１３０ｚは高温に熱せられている。また、プラズマ状態となった気体が放電空間１４０ｚから噴射された後も放電空間１４０ｚ内の気体の一部が電離状態を維持しており、僅かな電位でも放電し易い状態になっている。このため、点火コイル２３ｚの２次コイル２３２ｚに残存する誘導電流Ｉｓｃにより放電が起こり、高温状態の接地電極１３０ｚの陰極スパッタリングを誘発する虞がある。

図１０に示すように、プラズマ発生用大電流Ｉｐｌが流れる時間は１０μｓｅｃ程度で、放電用電源２０ｚからの高電圧の印加は、放電空間１４０ｚの絶縁破壊を行った後は、本来必要がないものである。
しかしながら、プラズマ発生用大電流Ｉｐｌが１５ｍＡ以下となって、放電空間１４０ｚからプラズマ状態の気体が噴射されなくなった後も、点火コイル２３ｚの２次コイル２３２ｚに残存する誘導電流Ｉｓｃが１００ｍＡ以下の極めて低い電流値ながらも、およそ数百μｓｅｃに渡って放出され続ける。この時発生した陽イオンによって、高温状態の接地電極１３０ｚの陰極スパッタリングを引き起こしていることが判明した。

また、従来のプラズマ式点火装置においては、トリガ放電手段として通常の火花放電点火に用いられているイグナイタを流用して、プラズマ発生用コンデンサと組み合わせて使用されている。ところが、通常の火花放電用のイグナイタは、着火性の向上を図るべく火花放電時間をできるだけ長くする必要がある。
このため、通常の火花点火用のイグナイタをトリガ放電手段として用いた場合、点火時の誘導電流が流れる時間が極めて長く、プラズマ式点火装置のトリガ放電手段として好ましくないことが判明した。

そこで、本願発明はかかる実情に鑑み、プラズマ式点火装置において、放電空間内の気体をプラズマ状態化した後の放電を可及的速やかに終了し、陰極スパッタリングによる電極の消耗を抑制して、更なる耐久性の向上を実現したプラズマ式点火装置を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明では、内燃機関に装着される点火プラグと、高電圧の印加によって上記点火プラグに設けた放電空間の絶縁を破壊するトリガ放電手段と高エネルギをプラズマ発生用電流として供給するプラズマエネルギ供給手段とからなる高エネルギ電源を具備し、該高エネルギ電源からの高エネルギの供給によって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の点火を行うプラズマ式点火装置において、上記トリガ放電手段からの放電時間を６０μｓｅｃ以下とすると共に、上記プラズマ発生用電流が１５ｍＡ以下に低下した時には、上記トリガ放電手段からの負荷電圧は、１００Ｖ以下に設定する。

請求項１の発明によれば、プラズマエネルギ供給手段からの大電流の放出によって、放電空間内の気体が高温高圧のプラズマ状態となって、内燃機関の点火を行った後は、速やかにトリガ放電手段からの放電が終了し、接地電極がプラズマ状態の気体によって加熱され、消耗し易くなった状態においてプラズマ状態となった気体の噴射後の過剰な放電による陰極スパッタリングが抑制される。したがって、プラズマ式点火装置の耐久性を向上できる。

より好ましくは、請求項２の発明のように 上記プラズマ発生用電流が１０ｍＡ以下に低下した後は、上記放電用電源の負荷電圧を５０Ｖ以下に設定するのが望ましい。

請求項２の発明によれば、プラズマ状態となった気体の噴射後の過剰な放電による陰極スパッタリングが更に抑制され、プラズマ式点火装置の耐久性が向上する。

より好ましくは、請求項３の発明のように、上記トリガ放電手段からの放電を４０μｓｅｃ以下とするのが望ましい。

請求項３の発明によれば、トリガ放電手段からの放電時間を短くし、プラズマエネルギ供給手段からの大電流の放出後に速やかに放電を完了できるので、過剰な放電による陰極スパッタリングを抑制できる。よって、プラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。

より好ましくは、請求項４の発明のように、上記トリガ放電手段からの放電を上記プラズマエネルギ供給手段からの放電が完了するまでに終了せしめる。

請求項４の発明によれば、上記プラズマエネルギ供給手段からの放電によって発生したプラズマ状態の気体によって加熱された状態の上記接地電極に対して上記トリガ放電手段からの残留放電による陰極スパッタリングが起こり難くなる。したがって、プラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。

より好ましくは、請求項５の発明のように、上記トリガ放電手段からの放電を上記プラズマエネルギ供給手段からの放電電流がピーク電流に達するまでに終了せしめるのが望ましい。

請求項５の発明によれば、上記プラズマエネルギ供給手段からの放電により、放電空間内の気体が、高温、高圧のプラズマ状態となる前に、上記トリガ放電手段からの放電が完了するので、上記トリガ放電手段からの放電が上記放電空間の絶縁破棄のみに利用され、電極の陰極スパッタリングを抑制できる。

具体的には、請求項６の発明のように、上記高エネルギ電源は、上記トリガ放電手段として、電源と、上記電源の電圧を昇圧する点火コイルと、電子制御装置により開閉制御され上記点火コイルの駆動を制御する点火コイル駆動回路とを含む誘導放電型電源を具備し、上記プラズマエネルギ供給手段として、上記電源からの電気エネルギの充電と放電とを行うプラズマエネルギ蓄積用コンデンサを具備し、上記点火コイルの２次コイルの自己インダクタンスを１０Ｈ以下の範囲に設定する。

請求項６の発明によれば、放電空間内の絶縁を破壊するための放電時間が短くなり、点火終了後の過剰な放電時間を短くすることができる。したがって、電極の無駄な消耗が抑制され、プラズマ式点火装置の耐久性が向上する。

より好ましくは、請求項７の発明のように、上記点火コイルの２次コイルの自己インダクタンスを１Ｈ以下の範囲に設定するのが望ましい。

請求項７の発明によれば、点火終了後の過剰な放電時間が１０μｓｅｃ以下となるため、上記プラズマ発生用大電流が供給される時間と同程度の時間内に絶縁破壊のための放電が完了するので、過剰な放電による電極の無駄な消耗が抑制され、プラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。

請求項８の発明では、上記点火コイルは、開磁路コアを具備する。

請求項８の発明のように、上記点火コイルのコアを開磁路コアにすれば、コアに蓄積されるエネルギが少なくなることから放電時間が短くなり、過剰な放電による電極消耗が抑制される。したがって、プラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。

具体的には、上記開磁路コアは、請求項９の発明のように、中心コアと外周コアとで構成しても良い。

請求項９の発明によれば、磁束漏れがあり、インダクタンスを小さくでき、放電時間を短縮できるので、過剰な放電による電極消耗が抑制される。したがって、プラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。

また、上記開磁路コアは、請求項１０の発明のように、中心コアのみで構成しても良い。

請求項１０の発明によれば、磁束漏れがあり、更にインダクタンスを小さくできるので、過剰な放電による電極消耗が抑制される。したがって、プラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。

請求項１１の発明では、上記点火コイルは、複数の幅の異なる短冊状の硅素鋼板を積層して略円柱状に形成した積層コアと、被覆銅線を該積層コアと同心に巻着した２次コイルと、被覆銅線を該２次コイルと同心に巻着した１次コイルと、上記積層コアと上記２次コイルと上記１次コイルとの層間を絶縁する絶縁部材とを有し、断面円形の細軸状に形成する。

請求項１１の発明によれば、点火コイルのインダクタンスを小さくすると共に点火コイルの体格を小さくできる。したがって、搭載性を飛躍的に向上しつつ、点火終了後の過剰な放電時間が更に短くなるため、プラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。

請求項１２の発明では、上記点火コイル駆動回路は、上記電源と上記点火コイルとの間に直列に介装した昇圧用コンデンサを含む。

請求項１２の発明によれば、コンデンサに蓄積した必要なだけの電荷を１次コイルに一気に放電し、点火コイルに急激な時速変化を与え、２次コイルに必要な時間だけ高電圧を発生させるので、短い時間の放電とすることができる。したがって、プラズマ式点火装置の耐久性が更に向上する。

請求項１３の発明では、上記高エネルギ電源は、上記トリガ放電手段として、電源と、該電源の電圧を昇圧する圧電トランスとを含み、圧電効果によって低圧の１次電圧を高圧の２次電圧に昇圧する容量放電型電源を具備し、上記プラズマエネルギ供給手段として、上記電源からの電気エネルギの充電と放電とを行うプラズマエネルギ蓄積用コンデンサを具備する。

請求項１３の発明によれば、上記圧電トランスによって高電圧に昇圧され上記点火プラグに印加された電圧による放電は、容量性の放電であるため極めて短時間で終了し、放電終了後に不要な残留電流が継続して流れることがないので、陰極スパッタリングによる電極の消耗を抑制することができる。

具体的には、請求項１４の発明のように、上記容量放電型電源は、上記圧電トランスと、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチと、コイルと、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとを制御し上記圧電トランスに交流パルスを印加する圧電トランス駆動制御装置とを具備する。

請求項１４の発明によれば、極めて短期間で放電空間内の絶縁破壊のためのトリガ放電を終了し、プラズマ噴射後の残留電流による陰極スパッタリングを抑制した耐久性の高いプラズマ式点火装置を実現できる。

更に、請求項１５の発明のように、上記圧電トランスは、矩形状で厚み方向に分極し、その分極方向の上下面に一対の１次側電極を設けた１次側圧電素子と、矩形状で長手方向に分極し、その分極方向の一方の側端表面に２次側電極を設けた２次側圧電素子とからなり、上記１次側圧電素子の分極方向に垂直な側端面の一方と、上記２次側圧電素子の２次側電極に対向する側端面とを接合して一体となした構成としても良い。

請求項１５の発明によれば、１次側圧電素子に印加された交流電流により、１次側圧電素子の逆圧電効果で１次側圧電素子が伸縮し、この伸縮によって２次側圧電素子が共振振動して、圧電効果によって２次側圧電素子に高い電圧が発生し、これが重畳的に蓄積され、上記放電空間内の絶縁耐圧を超える電圧に達すると放電空間内に放電が開始される。このように圧電効果によって発生した高電圧は極めて短い期間内に放出されるので、プラズマ噴射後の残留電流による陰極スパッタリングを抑制した耐久性の高いプラズマ式点火装置を実現できる。

請求項１６の発明では、上記高エネルギ電源は、上記トリガ放電手段と上記プラズマエネルギ供給手段とから上記点火プラグに供給される電流を整流する整流素子を具備し、該整流素子は、上記点火プラグの中心電極が陽極となる方向に整流する。

請求項１６の発明によれば、上記中心電極が陽極となるため、質量の大きい陽イオンは、電気的に反発するので、中心電極がスパッタリングにより消耗し難くなる。又、接地電極は陰極スパッタリングにより消耗する虞があるが、高温高圧のプラズマ状態となった気体の噴射方向に対して、略垂直方向にその表面が露出しているので、陽イオンの衝突角度が浅くなり、陰極スパッタリングによる消耗が抑えられる。従って、プラズマ噴射後の残留電流による陰極スパッタリングを抑制した耐久性の高いプラズマ式点火装置の耐久性を更に向上できる。

本発明の第１の実施形態について、図１を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態におけるプラズマ式点火装置１は、トリガ放電手段２０とプラズマエネルギ供給手段３０とからなる高エネルギ電源と、プラズマ式点火プラグ１０とによって構成されている。本実施形態において、トリガ放電手段２０として誘導放電型の電源を用いた場合について説明する。
プラズマ式点火プラグ１０は、導電性金属材料からなる柱状の中心電極１１０と中心電極１１０を絶縁保持する略筒状の絶縁部材１２０と絶縁部材１２０を覆う略筒状の金属からなる接地電極１３０とによって構成されている。

中心電極１１０の先端側は、例えばイリジウム、イリジウム合金等の導電性材料によって長軸状に形成され、内部には鉄鋼材料、銅等の良電導性で高熱伝導性の金属材料からなる中心電極中軸１１１が形成され、基端側は中心電極ターミナル部１１２が形成されている。

接地電極１３０は、その下端には接地電極開口部１３１が形成され、その外周には図略の内燃機関４０に螺結するためのネジ部１３２が形成され、基端側には、絶縁部材１２０を収納保持するハウジング部１３５が形成され、更にハウジング１３５の外周には、ネジ部１３２をネジ締めするための六角部１３３が形成されている。接地電極１３０を含むハウジング１３５は、ニッケル、鉄等の金属材料によって形成されている。

絶縁部材１２０の内側には、放電空間１４０が形成され、中心電極１１０と接地電極１３０との間で放電可能となっている。絶縁部材１２０は、耐熱性、機械的強度、高温における絶縁耐力、熱伝導率などに優れた高純度のアルミナ等からなり、基端側は、絶縁部材頭部１２１が形成され、中心電極ターミナル部１１１とハウジング１３５との電気絶縁性を確保している。

プラズマ式点火プラグ１０は、図略の内燃機関４０の燃焼室内に先端が露出するように装着されと共に、接地電極１３０が内燃機関４０に電気的に接地された状態となっている。

本実施形態において、トリガ放電手段２０は、電源２１と、イグニションスイッチ２２と点火コイル２３と点火コイル駆動回路２４と、電子制御装置（ＥＣＵ）２５と、第１の整流素子２６とによって構成されている。
プラズマエネルギ供給手段３０は、第２の電源３１と、抵抗３２と、プラズマ発生用コンデンサ３３と、第２の整流素子３４とによって構成されている。

点火コイル駆動回路２４は、ＥＣＵ２５によって開閉制御されるトランジスタを含み、第１の電源２１からの電圧を点火コイル２３によって昇圧した高電圧のプラズマ式点火プラグ１０への供給を制御している。
点火コイル２３により発生する高電圧の印加時間は極めて短時間で良い。そこで、本発明の要部である点火コイル２３の２次コイル２３２は、自己インダクタンスが１０Ｈ以下、より好ましくは１Ｈ以下の範囲に設定されている。
点火コイル２３の１次コイル２３１と２次コイル２３２との巻数比は、供給される１次電圧Ｖｐｒと必要な２次電圧Ｖｓｃとの関係によって設定されるが、インダクタンスを小さくするため、従来に比べて巻数を少なくしてある。
なお、放電時間は２次コイル２３２のインダクタンスに比例し、２次コイル２３２の内部抵抗に反比例する。放電時間と２次コイル２３２のインダクタンス及び内部抵抗との間に成立する関係について後述する。

第１の整流素子３５は、点火コイル２３からの高電圧Ｖｓｃを整流すると共にプラズマ発生用コンデンサ３３からの大電流Ｉｐｌの逆流を阻止している。

プラズマ発生用コンデンサ３３は、第２の電源３１によって充電され、放電時にはプラズマ式点火プラグ１０に大電流Ｉｐｌを放出する。

第２の整流素子３４は、プラズマ発生用コンデンサ３３からの大電流Ｉｐｌを整流すると共に点火コイル２３からの高電圧Ｖｓｃの逆流を阻止している。

ＥＣＵ２５には、点火コイル２３の２次電圧Ｖｓｃ、放電電流Ｉｄｃ、プラズマ発生用電流Ｉｐｌ等が入力され、点火コイル駆動回路２４のスイッチング制御を行っている。

図２を参照して本発明の効果について詳述する。
点火コイル２３の１次コイル２３１に１次電流Ｉｐｒを流すと積層コア２２３が磁化し、磁気エネルギが蓄えられ、その周囲に磁界が形成される。
ＥＣＵ２５からの点火信号Ｓｉｇに従って点火コイル駆動回路２４のスイッチングにされ、１次電流Ｉｐｒが遮断されると、磁界が変化し、自己誘導作用によって、１次コイル２３１に−数百Ｖの１次電圧Ｖｐｒが生じる。この時、２次コイル２３２に数〜数十ｋＶの２次電圧Ｖｓｃが発生する。

この２次電圧Ｖｓｃが放電空間１４０の絶縁破壊電圧を超えると、放電空間１４０内に放電される。放電により放電空間１４０の気体が小領域でプラズマ状態となる。プラズマ状態となった気体は導電性を有し、プラズマ発生用コンデンサ３３に蓄えられた電荷の放出を引起し、大きな電流量のプラズマ発生用電流Ｉｐｌが流れる。放電空間１４０内に放出された大量の電荷によって、放電空間１４０内の気体が電離し、高温・高圧のプラズマ状態となって内燃機関４０内に噴射される。

この時、プラズマ発生用電流Ｉｐｌが供給される時間は、１０μｓｅｃ程度であり、本発明の２次コイル２３２はインダクタンスが小さいので放電時間は従来と比較して遙かに短くなり数十μｓｅｃ程度となる。
また、プラズマ発生用電流Ｉｐｌが１５ｍＡ以下まで低下した時には、放電電圧Ｖｓｃは１００ｖ以下となり、放電電流Ｉｄｃは、数ｍＡまで低下し、次の点火までは再び放電することはない。したがって、本実施形態によれば、耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。

一方、従来のプラズマ式点火装置においては、放電時間が本発明のプラズマ式点火装置における放電時間の１０数倍となる数百μｓｅｃ程度あり、プラズマ発生用電流Ｉｐｌ消滅後もしばらく放電が続き、これが高温となった電極の消耗を引き起こしていたことが判明した。

ここで、図３を参照して、点火コイル２３の２次コイル２３２のインダクタンスＬ_２３２と、放電電流ｉ及び放電時間ｔとの関係について説明する。
本図（ａ）は、トリガ放電手段としての点火コイル２３と点火プラグ１０との要部を抜き出した回路図であり、（ｂ）は、これを単純化した等価回路図である。点火コイル２３から点火プラグ１０に高電圧が印加される瞬間に流れる電流は、（ｂ）に示すように、バッテリから電荷Ｅ_２３２をインダクタンスＬ_２３２とＲ_ＳＵＭの抵抗とに直列に接続し、インダクタンスＬ_２３２に蓄えられた電荷によりスイッチを切断した瞬間に流れる電流ｉに近似できる。
２次コイル２３２の内部抵抗Ｒ_２３２及び、放電空間１４０の放電抵抗Ｒ_１４０及び整流素子２６の内部抵抗Ｒ２６の合成抵抗をＲ_ＳＵＭとし、２次コイル２３２に蓄えられた電荷をＥ_２３２とすると、２次コイル２３２のインダクタンスＬ_２３２と放電電流ｉと放電時間ｔとの間には、本図（ｃ）に示すように、下記式１の関係が成立する。
ｉ＝Ｅ_２３２／Ｒ_ＳＵＭ・ｅｘｐ（−Ｒ_ＳＵＭ／Ｌ_２３２・ｔ）・・・式１
したがって、放電時間ｔは、Ｒ_ＳＵＭ／Ｌ_２３２によって決定することができる。
トリガ放電がなされた瞬間の初期電流をｉ_０とし、放電電流ｉがその１０分の１となった時間を放電終了時間ｔ_ＥＮＤとすると、
ｉ／ｉ_０＝０．１
＝｛Ｅ_２３２／Ｒ_ＳＵＭ・ｅｘｐ（−Ｒ_ＳＵＭ／Ｌ_２３２・ｔ_ＥＮＤ）｝／｛Ｅ_２３２／Ｒ_ＳＵＭ・ｅｘｐ（−Ｒ_ＳＵＭ／Ｌ_２３２・ｔ_０）｝
＝ｅｘｐ（−Ｒ_ＳＵＭ／Ｌ_２３２・ｔ_ＥＮＤ）
ここで、
ｌｎ（０．１）＝−Ｒ_ＳＵＭ／Ｌ_２３２・ｔ_ＥＮＤ
よって、インダクタンスＬ_２３２と放電時間ｔ_ＥＮＤとには、下記式２が成立する。
Ｌ_２３２（Ｈ）≒（Ｒ_ＳＵＭ／２．３０２５９）・ｔ_ＥＮＤ・・・式２

したがって、大気圧下での合成抵抗Ｒ_ＳＵＭが５０ｋΩであるとすると、
Ｌ_２３２（Ｈ）≒２１７１４．７・ｔ_ＥＮＤ（ｓｅｃ）となり、かかる場合において、放電時間ｔ_ＥＮＤを１０μｓｅｃ以下とするためには、インダクタンスＬ_２３２は、０．２２（Ｈ）以下とする必要があることが分かる。
実際の合成抵抗Ｒ_ＳＵＭは、放電空間１４０の放電時の圧力によって変化するが、２次コイルＬ_２３２が１Ｈ以下であれば、放電時間ｔ_ＥＮＤは、５０μｓｅｃ以下にできると推察される。

また、プラズマエネルギ供給手段３０からの高エネルギの供給時間を着火性向上の観点から５０μｓｅｃ程度まで延長する場合がある。かかる場合には、２次コイルのインダクタンスは１Ｈ以下とするのが望ましい。
加えて、Ｒ_ＳＵＭ／Ｌ_２３２を２３０２５９以下となるように設定すれば、放電時間ｔ_ＥＮＤを１０μｓｅｃ程度とすることができると推察される。
さらに、放電時の圧力変化によりＲ_ＳＵＭが変化するため、これも考慮して２次コイルのインダクタンスＬ_２３２を設定したい場合にも、上記式２を利用して適切なインダクタンスＬ_２３２の選定が可能となる。

本発明の具体的な効果を図４に比較例とともに示す。
プラズマ式点火装置を、内燃機関を想定した５気圧の窒素雰囲気下において、点火周期を６０Ｈｚとして、１００ｍＪのプラズマエネルギを放出する条件において、１万ｋｍの走行に相当する１６，８５０，０００回の通電試験を行い、電極の消耗量を測定した。
比較例１は、従来の点火コイルとして２次コイルの自己インダクタンスが２０Ｈのものを用い、実施例１は、本発明の点火コイルとして２次コイルの自己インダクタンスが５．２Ｈのものを用いた。
図４に示すように、本発明によれば、電極消耗量を従来に比較して３０％程度低減できることが判明した。

図５に本発明の第２の実施形態におけるプラズマ式点火装置１ａを示す。本実施形態では、放電用電源とプラズマ発生用電源とを１つの高圧電源６０を用いた点と、点火コイル２３ａと点火コイル駆動回路２４と第１の整流素子２６と第２の整流素子３４とを内燃機関４０のプラグホール４３０内に一体的に載置した点とが第１の実施形態と相違する。第１の実施形態と実質的に同一の構成については同じ符号を付したので説明を省略する。

本実施形態においては、点火コイル２３ａは、透磁率が大きく、複数の幅の異なる短冊状の硅素鋼板を積層して略円柱状に形成した積層コア２３３と、比較的細い被覆銅線を積層コア２３３と同心に１００回程度巻着した２次コイル２３２と、比較的太い被覆銅線を２次コイル２３２と同心に１５０００回程度巻着した１次コイル２３１と、積層コア２３３と２次コイル２３２と１次コイル２３１との層間を絶縁する樹脂等の絶縁部材とからなり、断面円形の細軸状に形成されている。点火コイル２３ａをこのような構成とすることで、積層コア２３３は開磁路を形成し、自己インダクタンスが小さくなることに加えて、点火コイル２３ａの体格が小さくなり内燃機関４０への搭載が容易となる。

図６に点火コイル２３の水平断面図を示す。本実施形態において、（ａ）に示すように中心コア２３３と２次コイル２３２と１次コイル２３１と外周コア２３４とこれらを絶縁する絶縁部材２３５、２３６、２３７とで構成しても良いし、（ｂ）に示すように、中心コア２３３と２次コイル２３２と１次コイル２３１とこれらを絶縁する絶縁部材２３５、２３６、２３７とで構成しても良い。このような構成とすることで開磁路コアとなるので自己インダクタンスが小さくなり、放電時間の短縮が可能となり本発明の効果が実現される。

図７に本発明の第３の実施形態におけるプラズマ式点火装置を示す。本実施形態においては、点火コイル駆動回路２４に換えて、昇圧用コンデンサ２４１を含む容量放電型点火コイル駆動回路２４ｂにした点が上述した本発明の第１、第２の実施形態と相違している。本実施形態においては、電子制御装置２５からの点火信号Ｓｉｇに従って、昇圧用コンデンサ２４１に充電した電荷（〜数百Ｖ）を点火コイル１３の１次コイル２３２に放電し、急激な磁束変化が与えられる。これに伴い、２次コイル２３２に２次電圧Ｖｓｃ（数〜数十ｋＶ）が発生し、これが電極間に印加され、放電空間１４０内の絶縁を破壊する。 これに伴い、プラズマ発生用コンデンサ３３の放電が促され、プラズマ電流Ｉｐｌが放電空間１４０内に放出され、放電空間１４０内の気体が高温高圧のプラズマ状態となって噴射される。

本実施形態においては、昇圧用コンデンサ２４１からの放電は短時間で行われ、２次コイル２３２からの放電も短時間の内に終了する。
したがって、上述の第１、第２の実施形態と同様、点火後の過剰な放電が抑制され、電極の消耗を抑えることができる。加えて、放電時間をコンデンサ２４１の容量によって調整できる利点がある。

本発明の第４の実施形態について、図８を参照して説明する。本図（ａ）に示すように、本実施形態におけるプラズマ式点火装置１ｃは、プラズマ式点火プラグ１０とトリガ放電手段として圧電トランス２７を含む容量放電型電源２０ｃと３０とによって構成されている。
容量放電型電源２０ｃは、電源２１と、イグニションスイッチ２２と、本発明の要部であり後述する圧電式高圧発生回路２７と、圧電式高圧発生回路２７を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）２５ｃと、第１の整流素子２６とによって構成されている。
圧電式高圧発生回路２７の電源端子Ａは、電源２１に接続され、電源２１から一次電源が入力されている。圧電式高圧発生回路２７の入力端子Ｂは、ＥＣＵ２５ｃに接続されＥＣＵ２５ｃからの制御信号が入力されている。
圧電式高圧発生回路２７の出力端子Ｃは、プラズマ式点火プラグ１０に第１の整流素子２６を介して接続され、プラズマ式点火プラグ１０にトリガ放電用の高電圧を印加する構成となっている。

プラズマエネルギ供給用電源３０は、上記実施形態と同様の第２の電源３１と、抵抗３２と、プラズマ発生用コンデンサ３３と、第２の整流素子３４とによって構成されている。なお、点火プラグ１０については、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。

本図（ｂ）を参照して、本発明の要部である圧電式高圧発生回路２７について詳述する。圧電式高圧発生回路２７は、圧電トランス２７０と、第１の半導体スイッチ２７７と第２の半導体スイッチ２７８と、コイル２７９と、圧電トランス駆動制御装置（ＤＣＵ）２７６とによって構成されている。

本実施形態において、圧電トランス２７０は、一体的に接合された一次側圧電素子２７２と二次側圧電素子２７４とによって構成されている。
一次側圧電素子２７２は、矩形状に形成され、厚み方向に分極され、一次側圧電素子２７２の分極方向の上下両表面には、一対の一次側電極２７１、２７３が形成されている。
二次側圧電素子２７４は、矩形状に形成され、長手方向に分極され、二次側圧電素子の分極方向の側端表面には、二次側電極２７５が形成されている。
一次側圧電素子２７２と二次側圧電素子２７４とは、一次側圧電素子２７２の分極方向に垂直な側端面と二次側圧電素子２７４の二次側電極２７５に対向する側端面とが接合され一体となっている。

第１の半導体スイッチ２７７のドレイン端子Ｄ_１は、電源３０の正極側に接続され、第１の半導体スイッチ２７７のソース端子Ｓ_１は、第２の半導体スイッチ２７８のドレイン端子Ｄ_２に接続され、第２の半導体スイッチ２７８のソース端子Ｓ_２は、グランドに接地され、第１の半導体スイッチ２７７のゲート端子Ｇ_１と第２の半導体スイッチ２７８のゲート端子Ｇ_２とは、ＤＣＵ２７６に接続され、ソース端子Ｓ_１とドレイン端子Ｄ_２とは、コイル２７９を介して、圧電トランス２７０の一方の一次側電極２７１に接続されている。圧電トランス２７０の他方の一次側電極２７３は、グランドに接地されている。
圧電トランス２７０の二次側電極２７５は、プラズマ式点火プラグ１０の中心電極ターミナル１１２に第１の整流素子２６を介して接続されている。二次側電極２７５と第１の整流素子２６との間に、第３の整流素子２８０をプラズマ式点火プラグ１０に対して並列となるように介装しても良い。第３の整流素子２８０は、交流で出力される圧電トランス２７０からの出力を整流して最大電圧値を上げる効果がある。

半導体スイッチ２７７、２７８には、例えばＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）等が用いられる。第１の整流素子２６、第２の整流素子３４、第３の整流素子２８０には、ダイオード等が用いられる。特に第２の整流素子３４は、大電流が流れるので、大容量に適したＳｉＣダイオード等のワイドバンドギャップ半導体素子を用いても良い。

図９に示すように、ＤＣＵ２７６は、電源２１から入力された直流を、ＥＣＵ２５からの点火信号に従って、半導体スイッチ２７７と半導体スイッチ２７８とを交互に開閉することのより交流の一次パルス電流に変換し、圧電トランス２７０の一次側圧電素子２７２に印加する。

一次側圧電素子２７２に一次パルス電流が印加されると、逆圧電効果により、一次側圧電素子２７２が伸縮する。一次側圧電素子２７２の伸縮により、二次側圧電素子２７４に、二次側圧電素子２７４の共振周波数と一致した衝撃が加えられると、二次側電極２７５に二次電圧として高電圧が発生する。
圧電トランスの出力は容量性であり放電経路形成後のような低インピーダンス負荷に対してエネルギ出力時間を短くできる。

第１の整流素子２６によって、正電位に整流された二次電圧がプラズマ式点火プラグ１０の中心電極１１０に印加される。この二次電圧が放電空間１４０の絶縁耐圧を超えると、放電空間１４０内の絶縁が破壊され、中心電極１１０と接地電極１３０との間に放電が始まり、絶縁体１２０の表面を這うように沿面放電経路が形成される。
放電空間１４０内で放電が開始されると、コンデンサ３３に蓄積されたエネルギが第２の整流素子３４により中心電極１１０が陽極となるように整流されて、１００〜２００Ａの大電流として一気に印加される。
この時、放電空間１４０内の気体に高エネルギ状態の電子が衝突して電離が起こり、高温・高圧のプラズマ状態となって、放電空間１４０から機関４０の燃焼室内に噴射され、機関４０の点火が行われる。
圧電トランス２７０からの高電圧の印加によって放電が起こる際に、５０〜１００ｍＡの放電電流が流れるが、この放電は極めて短い期間に終了する。
したがって、プラズマ状態となった気体が噴射された後に、残留電流による陰極スパッタリングを起こす虞がない。

本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、プラズマ式点火プラグを用いた場合について説明したが、本発明のプラズマ式点火装置は、点火プラグとして、中心電極と接地電極との間のエアギャップに放電するスパークプラグや絶縁体表面で放電を行う延面放電プラグにも適宜採用し得るものである。
更に、上記実施形態においては、第１の電源２１と第２の電源３１との２つの電源を用いた例を示したが、１つの電源からＤＣ−ＤＣ回路などを用いて変圧して取り出すような構成としてもよい。
また、上記実施形態においては、圧電トランス駆動回路は図８に示したようなハーフブリッジで駆動してもよいが、スイッチング素子を４個用いたフルブリッジ回路で駆動してもよい。

本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の構成を示す全体図。 比較例とともに本発明の効果を示すタイムチャート。 本発明の作用原理を説明する図であり、（ａ）は、トリガ放電手段の要部を示す回路図、（ｂ）は、簡易な方法で示した等価回路図、（ｃ）は、二次側コイルのインダクタンスと放電電流並びに放電時間との関係を示す特性図。 比較例とともに耐久試験結果における本発明の効果を示す特性図。 本発明の第２の実施形態におけるプラズマ式点火装置を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に用いられる点火コイルの概要を示す断面図で、（ａ）は、中心コアと外周コアとで開磁路コアを構成し、（ｂ）は、中心コアのみで開磁路コアを構成する実施例。 本発明の第３の実施形態におけるプラズマ式点火装置の構成を示す全体図。 本発明の第４の実施形態におけるプラズマ式点火装置を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は、本実施形態に用いられる圧電トランスを例示する構成図。 本発明に第４の実施形態における本発明の効果を示すタイムチャート図。 耐久性を向上したプラズマ式点火装置の問題点を示すタイムチャート並びに要部断面模式図。 （ａ）は、耐久性を向上したプラズマ式点火装置全体を示す構成図、（ｂ）は、要部拡大断面図。 （ａ）は、従来のプラズマ式点火装置全体を示す構成図、（ｂ）は、本図における動作波形を示すタイムチャート。

符号の説明

１ プラズマ式点火装置
１０ プラズマ式点火プラグ
１１０ 中心電極
１２０ 絶縁部材
１３０ 接地電極
１４０ 放電空間
２０ トリガ放電手段
２１ 第１の電源
２２ イグニションスイッチ
２３ 点火コイル
２４ 点火コイル駆動回路
２５ 電子制御装置（ＥＣＵ）
２６ 第１の整流素子
３０ プラズマエネルギ供給手段
３１ 第２の電源
３２ 抵抗
３３ プラズマ発生用コンデンサ
３４ 第２の整流素子
４０ 内燃機関
Ｉｄｃ 放電電流
Ｉｐｌ プラズマ発生用電流
Ｖｓｃ ２次電圧

Claims (16)

1. 内燃機関に装着される点火プラグと、高電圧の印加によって上記点火プラグに設けた放電空間の絶縁を破壊するトリガ放電手段と高エネルギをプラズマ発生用電流として供給するプラズマエネルギ供給手段とからなる高エネルギ電源を具備し、該高エネルギ電源からの高エネルギの供給によって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の点火を行うプラズマ式点火装置において、
   上記トリガ放電手段からの放電時間を６０μｓｅｃ以下とすると共に、
   上記プラズマ発生用電流が１５ｍＡ以下に低下した時には、上記トリガ放電手段からの負荷電圧は、１００Ｖ以下に設定することを特徴とするプラズマ式点火装置。
2. 上記プラズマ発生用電流が１０ｍＡ以下に低下した時には、上記トリガ放電手段の負荷電圧は、５０Ｖ以下に設定することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ式点火装置。
3. 上記トリガ放電手段の放電時間を４０μｓｅｃ以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ式点火装置。
4. 上記トリガ放電手段からの放電を上記プラズマエネルギ供給手段からの放電が完了するまでに終了せしめることを特徴とする請求項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。
5. 上記トリガ放電手段からの放電を上記プラズマエネルギ供給手段からの放電電流がピーク電流に達するまでに終了せしめることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
6. 上記高エネルギ電源は、上記トリガ放電手段として、電源と、上記電源の電圧を昇圧する点火コイルと、電子制御装置により開閉制御され上記点火コイルの駆動を制御する点火コイル駆動回路とを含む誘導放電型電源を具備し、上記プラズマエネルギ供給手段として、上記電源からの電気エネルギの充電と放電とを行うプラズマエネルギ蓄積用コンデンサを具備し、
   上記点火コイルの２次コイルの自己インダクタンスを１０Ｈ以下の範囲に設定することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
7. 上記点火コイルの２次コイルの自己インダクタンスを１Ｈ以下の範囲に設定することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
8. 上記点火コイルは、開磁路コアを具備することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
9. 上記開磁路コアは、中心コアと外周コアとで構成することを特徴とする請求項８に記載のプラズマ式点火装置。
10. 上記開磁路コアは、中心コアのみで構成することを特徴とする請求項８に記載のプラズマ式点火装置。
11. 上記点火コイルは、複数の幅の異なる短冊状の硅素鋼板を積層して略円柱状に形成した積層コアと、被覆銅線を該積層コアと同心に巻着した２次コイルと、被覆銅線を該２次コイルと同心に巻着した１次コイルと、上記積層コアと上記２次コイルと上記１次コイルとの層間を絶縁する絶縁部材とを有し、断面円形の細軸状に形成した請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
12. 上記点火コイル駆動回路は、上記電源と上記点火コイルとの間に直列に介装した昇圧用コンデンサを含む請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
13. 上記高エネルギ電源は、上記トリガ放電手段として、電源と、該電源の電圧を昇圧する圧電トランスとを含み、圧電効果によって低圧の１次電圧を高圧の２次電圧に昇圧する容量放電型電源を具備し、上記プラズマエネルギ供給手段として、上記電源からの電気エネルギの充電と放電とを行うプラズマエネルギ蓄積用コンデンサを具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
14. 上記圧電式高圧発生回路は、上記圧電トランスと、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチと、コイルと、第１の半導体スイッチと第２の半導体スイッチとを制御し上記圧電トランスに交流パルスを印加する圧電トランス駆動制御装置とを具備することを特徴とする請求項１３に記載のプラズマ式点火装置。
15. 上記圧電トランスは、矩形状で厚み方向に分極し、その分極方向の上下面に一対の１次側電極を設けた１次側圧電素子と、矩形状で長手方向に分極し、その分極方向の一方の側端表面に２次側電極を設けた２次側圧電素子とからなり、上記１次側圧電素子の分極方向に垂直な側端面の一方と、上記２次側圧電素子の２次側電極に対向する側端面とを接合して一体となしたことを特徴とする請求項１３又は１４に記載のプラズマ式点火装置。
16. 上記高エネルギ電源は、上記トリガ放電手段と上記プラズマエネルギ供給手段とから上記点火プラグに供給される電流を整流する整流素子を具備し、該整流素子は、上記点火プラグの中心電極が陽極となる方向に整流することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。

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