JP5217862B2

JP5217862B2 - プラズマ点火装置

Info

Publication number: JP5217862B2
Application number: JP2008256748A
Authority: JP
Inventors: 辰夫小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: JP2010086881A

Description

本発明は、プラズマ点火装置に関する。

内燃機関において、点火プラグにより気筒内全体の均質混合気又は気筒内の一部に存在する混合気を確実に着火させなければならない。しかしながら、点火ギャップに火花を発生させる一般的な点火プラグは、混合気の一点を着火させるものであり、それほど高い着火性を有してはいない。

着火性に優れた点火装置として、プラズマジェットを噴射するプラズマ点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。一般的なプラズマ点火装置は、絶縁体の側壁により形成されて軸線方向に延在するチャンバと、チャンバの気筒内開口部に対向する底面に配置された中心電極と、チャンバの気筒内開口部回りの接地電極とを具備し、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して発生する放電によってチャンバ内に高温高圧のプラズマを発生させるものである。こうして、チャンバの気筒内開口部からプラズマジェットを噴射し、プラズマジェットの断面積に相当する混合気の所定面積を同時に着火させることによって、高い着火性を実現することができる。

このようなプラズマ点火装置において、プラズマを発生させるための放電として、先ずは、中心電極と接地電極との間の絶縁体の側壁内面上の沿面放電が実施されてチャンバ内の一部のガスをプラズマ化させる。次いで、チャンバ内の大部分のガスを効率的にプラズマ化させるために気中放電が実施される。このような二段階の放電において、沿面放電によるプラズマ化されたガスの存在によって気中放電を起こすための電圧を低くすることができる。こうして、気中放電より放電電圧の低い沿面放電を最初に実施することにより、最初から気中放電を起こす場合のような高い放電電圧は必要ない。

特開２００６−２９４２５７特開２００６−２４４８６７

前述のようにチャンバ内でプラズマを発生させるために沿面放電が利用される場合において、沿面放電が絶縁体の側壁内面の同じ位置に繰り返し集中して起こると、絶縁体の側壁は、この位置において損傷し易くなるために、沿面放電は絶縁体の側壁内面の広範囲に分散して起こるようにすることが好ましい。

それにより、中心電極及び接地電極は、絶縁体の側壁内面近傍において、例えば外径又は内径のような全体として比較的長いエッジ部を有し、絶縁体の側壁内面上のいずれの位置においても沿面放電が起こるようにしている。こうして、接地電極は一般的にリング形状とされ、その中心孔は、気筒内開口部としてプラズマジェットの噴出孔とされる。

そのために、リング形状の接地電極は、チェンバ内にプラズマを発生させるための沿面放電及び気中放電に使用されて温度上昇し、さらに、高温高圧のプラズマジェットの噴出に際しても温度上昇するために、非常に高価な高融点材料としない限りは溶損し易くなっている。

従って、本発明の目的は、接地電極の溶損を抑制することができるプラズマ点火装置を提供することである。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置は、絶縁体の側壁により形成されるチャンバと、前記チャンバの気筒側の第一端面部に位置する接地電極と、前記チャンバの前記第一端面部とは反対側の第二端面部に位置する中心電極と、を具備して、最初に前記中心電極と前記接地電極との間の前記絶縁体の側壁内面上の沿面放電を実施し、次いで前記中心電極と前記接地電極との間の気中放電を実施して、前記チャンバ内のガスをプラズマ化させ、前記チャンバ内のガスをプラズマジェットとして、前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔から気筒内へ噴出させるプラズマ点火装置において、前記接地電極は、前記絶縁体の側壁近傍の複数のエッジ部を有し、前記第一端面部において前記接地電極の前記エッジ部が存在せずに前記沿面放電が発生しない前記絶縁体の側壁部分に隣接する部分に前記噴孔が形成され、前記第一端面部は金属製ハウジングに形成されていることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置によれば、接地電極は、チャンバの気筒側の第一端面部において、絶縁体の側壁近傍の複数のエッジ部を有しているために、チャンバ内にプラズマを発生させるための沿面放電に際して、接地電極のこれらの複数のエッジ部が使用され、絶縁体の側壁内面上において沿面放電が起こる位置が同じ位置に集中して絶縁体の側壁が損傷することはなく、また、第一端面部において接地電極のこれらの複数のエッジ部が存在せずに沿面放電が発生しない絶縁体の側壁部分に隣接する部分に噴孔が形成されているために、沿面放電及び気中放電により温度上昇する接地電極は、高温高圧のプラズマジェットの通過により温度上昇する噴孔とは離間しており、接地電極の溶損を抑制することができる。

図１は本発明によるプラズマ点火装置を示す縦断面図である。同図において、１はプラズマ点火装置の軸線方向に延在するように絶縁体２の側壁により形成されてプラズマを生成するチャンバであり、チャンバ１の気筒側の第一端面部１ａには接地電極３が配置され、また、チャンバ１の第一端面部１ａとは反対側の第二端面部１ｂには中心電極４が配置されている。

接地電極３及び中心電極４は、耐熱性と高い導電性とを有する金属、例えば、ステンレス等の鉄系金属、ニッケル系金属、又は、イリジウム系金属又はイリジウム合金とすることができる。中心電極４に対して接地電極３を絶縁するための絶縁体２の先端部は筒状の側壁を有しており、絶縁体２の材質は、セラミックス（例えばアルミナセラミックス）とすることが好ましい。５は中心電極４へ電圧を印加するための導体（例えばニッケル）である。本実施形態において、中心電極４は、絶縁体２の側壁近傍に位置するリング状の外側電極４ａと、絶縁体２の側壁から離間してチャンバ１の中央に位置する内側電極４ｂとから成り、それぞれが、導体５に嵌め込まれ、好ましくは、導電性接着剤により導体５に接着されている。６は金属性ハウジングである。本実施形態においては、第一端面部１ａは、ハウジング６により形成された端面であるが、絶縁体２の側壁と平行なハウジング６により形成される側面が含められることもある。

図２は第一端面部１ａの平面図であり、本実施形態において、接地電極３は十字形とされ、絶縁体２の側壁近傍の四つの第一エッジ部３ａと、絶縁体２の側壁から離間する八つの第二エッジ部３ｂとを有している。７は噴孔であり、第一端面部１ａの接地電極が位置していない四つの部分にそれぞれ形成されている。各噴孔７はプラズマ点火装置の軸線に対して斜め下方向に徐々に離間するように形成されている。

図３は本発明によるプラズマ点火装置の電源制御回路である。図３において、１０は電子制御装置ＥＣＵにより制御されるトランジスタであり、１１は第一バッテリであり、１２は点火コイルである。また、１３はコンデンサであり、１４は第二バッテリ１５の制御回路である。

このように構成された電源制御回路において、ＥＣＵは、先ず、トランジスタ１０のスイッチングによって第一バッテリ１１の電圧を点火コイル１２により増幅して中心電極４と接地電極３との間に印加する。こうして、中心電極４と接地電極３との間に作用する高電圧によって、図１にＳ１で示すように、絶縁体２の側壁近傍に位置する外側電極４ａの外径エッジ部及び接地電極３の第一エッジ部３ａとの間において絶縁体２の側壁内面上の沿面放電が発生し、チャンバ１内の沿面放電近傍のガス（混合気）をプラズマ化させる。こうして、チャンバ１内のガスの一部がプラズマ化されてイオン及び電子が生成されると同時にコンデンサに蓄えられた電圧が放出され、図１にＳ２で示すように、絶縁体２の側壁から離間して位置する内側電極４ｂ（中心電極）の外径エッジ部及び接地電極３の第二エッジ部３ｂとの間においてチャンバ１内に気中放電が発生する。

制御回路は気中放電が持続するようにだけ比較的低い第二バッテリ１５の電圧を中心電極４と接地電極３との間に印加するが、比較的大きな電流を流すことができる。気中放電を発生し易くするために、中心電極４と接地電極３との間の距離を短くすることが好ましく、本実施形態においては、中心電極４の内側電極４ｂを外側電極４ａより接地電極３へ近づけて配置するようにしている。

こうして、気中放電によってチャンバ１内のガスの大部分がプラズマ化されると、チャンバ１内のガスは高温高圧となってプラズマジェットとして噴孔７から噴射され、気筒内の混合気を良好に着火させる。

チャンバ１内のガスをプラズマ化させる際に、気中放電に比較して沿面放電の方が低い電圧で発生させることができる。しかしながら、沿面放電だけでチャンバ１内のガスの大部分をプラズマ化させることは、絶縁体２の側壁内面上で長い時間沿面放電を持続させなければならないために効率的ではなく、チャンバ１内に気中放電を発生させることが必要とされる。前述のように、沿面放電により一部のガスをプラズマ化させることにより気中放電を発生させるのに必要な電圧を低くすることができる。こうして、最初に沿面放電を発生させ、次いで気中放電を発生させることにより、それほど高電圧を必要とすることなくチャンバ１内のガスの大部分をプラズマ化させることができる。

絶縁体２の側壁内面において、同じ位置で沿面放電が繰り返し集中して起こると、この位置において絶縁体２の側壁が損傷するために、このような沿面放電の繰り返し集中を起こさないことが望ましい。それにより、本実施形態においては、接地電極３が絶縁体２の側壁近傍に複数（四つ）の第一エッジ３ａを有し、図１に一点鎖線で示すように、他の第一エッジ３ａでも沿面放電が起こるようにしている。こうして、複数の第一エッジ３ａのいずれかで沿面放電が起こるようにして、絶縁体２の側壁内面の同じ位置で沿面放電が繰り返し集中して起こらないようにしている。

ところで、接地電極３は、沿面放電及び気中放電に使用されるために温度上昇する。このような接地電極３に噴孔が形成されて高温高圧のプラズマジェットが通過するようになっていると、さらに温度上昇して接地電極が溶損し易くなる。これに対して本実施形態においては、噴孔７は、第一端面部１ａにおいて、接地電極３の複数の第一エッジ部３ａが存在せずに沿面放電が発生しない絶縁体２の側壁部分に隣接する部分に形成されているために、接地電極３は、高温高圧のプラズマジェットの通過により温度上昇する噴孔とは離間しており、接地電極３の溶損を抑制することができる。第一端面部１ａがハウジング６の側面を有している場合には、噴孔７は、沿面放電が発生しない絶縁体２の側壁部分に隣接する第一端面部としてのハウジング６の側面部分に形成するようにしても良い。

本実施形態において、接地電極３はハウジング６内へ延在する延長部３ｃを有し、この延長部３ｃが、非円形断面形状（本実施形態では矩形）を有して、ハウジング６に形成された同じ断面形状の孔に嵌合している。それにより、十字形状の接地電極３を第一端面部１ａに配置する際に、第一端面部１ａに形成された噴孔７に対して干渉しないように容易に位置決めすることができる。

図４は本発明によるプラズマ点火装置のもう一つの実施形態を示すチャンバの第一端面部近傍の断面図である。図１及び２に示す実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態において、チャンバ１の気筒側の第一端面部１ａに配置されている接地電極３’は、例えば四つであり、それぞれが絶縁体２の側壁内面に当接する円弧断面を有している。それにより、各接地電極３’は、絶縁体２の側壁近傍の第一エッジ３ａ’を有し、これら複数の第一エッジ３ａ’のいずれかで沿面放電が起こるようにしている。また、各接地電極３’は、絶縁体２の側壁から離間する第二エッジ部３ｂ’を有し、これらの第二エッジ部３ｂ’を使用して気中放電が起こるようにしている。

噴孔７’は、複数の接地電極３’の第一エッジ部３ａ’が存在せずに沿面放電が発生しない絶縁体２の側壁部分に形成されているために、接地電極３は、高温高圧のプラズマジェットの通過により温度上昇する噴孔とは離間しており、接地電極３の溶損を抑制することができる。また、第一端面部１ａがハウジング６の側面を有している場合には、噴孔７’は、絶縁体を貫通することなく、沿面放電が発生しない絶縁体２の側壁部分に隣接するハウジング６の側面部分に形成するようにしても良い。

図５は、図４の実施形態の四つの接地電極３’に代えて使用可能な四つの切欠３ｄ”を有するリング状接地電極３”を示している。本接地電極３”において、絶縁体２の側壁近傍の第一エッジ部３ａ”（外径エッジ部）と絶縁体２の側壁から離間する第二エッジ部３ｂ”（内径エッジ部）とを有しており、四つの切欠３ｄ”の位置を絶縁体２の側壁に四つの噴孔の位置に合わせるようにすれば良い。

絶縁体２は、一般的にセラミック粉体を焼結して形成されるために、噴孔のための穴明けは、焼結後の機械加工となってしまう。このような機械加工を無くすために、絶縁体の側壁の内側側面図である図６に示すように、焼結型に突部を設けて絶縁体２の側壁の先端に噴孔７’用の切欠２ａを形成するようにしても良い。

本実施形態において、プラズマ点火装置の噴孔は、プラズマ点火装置の軸線に対して斜め下方向に徐々に離間するように形成されているために、プラズマ点火装置を気筒上部略中心においてプラズマ点火装置の軸線と気筒軸線とが略平行となるように配置しても、プラズマ点火装置から噴出するプラズマジェットが圧縮行程末期のピストンに対してその頂面に垂直に衝突するようなことなく、それにより、プラズマジェットが噴出直後にピストン頂面に衝突して温度低下により着火性が低下するようなことはない。また、このようなプラズマジェットのピストン頂面への衝突によりピストン頂面が損傷することも抑制される。

本発明によるプラズマ点火装置を示す縦断面図である。図１のプラズマ点火装置におけるチャンバの第一端面部の平面図である。図１のプラズマ点火装置の電源制御回路である。本発明によるプラズマ点火装置のもう一つの実施形態を示すチャンバの第一端面部近傍の縦断面図である。図４のプラズマ点火装置において交換可能な接地電極を示す縦断面図である。噴孔のための切欠を示す絶縁体の側壁の内側側面図である。

符号の説明

１チャンバ
２絶縁体
３、３’、３” 接地電極
４中心電極
７、７’ 噴孔

Claims

絶縁体の側壁により形成されるチャンバと、前記チャンバの気筒側の第一端面部に位置する接地電極と、前記チャンバの前記第一端面部とは反対側の第二端面部に位置する中心電極と、を具備して、最初に前記中心電極と前記接地電極との間の前記絶縁体の側壁内面上の沿面放電を実施し、次いで前記中心電極と前記接地電極との間の気中放電を実施して、前記チャンバ内のガスをプラズマ化させ、前記チャンバ内のガスをプラズマジェットとして、前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔から気筒内へ噴出させるプラズマ点火装置において、前記接地電極は、前記絶縁体の側壁近傍の複数のエッジ部を有し、前記第一端面部において前記接地電極の前記エッジ部が存在せずに前記沿面放電が発生しない前記絶縁体の側壁部分に隣接する部分に前記噴孔が形成され、前記第一端面部は金属製ハウジングに形成されていることを特徴とするプラズマ点火装置。