JP5691662B2 - Non-thermal equilibrium plasma ignition device - Google Patents
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Description
本発明は、難着火性の燃焼機関に装着され該燃焼機関の点火を行う非熱平衡プラズマ点火装置に関する。 The present invention relates to a non-thermal equilibrium plasma ignition device that is mounted on a hardly ignitable combustion engine and ignites the combustion engine.
近年、CO2低減の観点から、小型で高出力を達成する高過給、高圧縮の自動車用エンジン、及び高効率、低NOXを達成するエンジン等の開発が進められている。
高過給、高圧縮の自動車用エンジンの場合は、点火前の筒内圧力が高いため火花点火プラグで着火する場合は、点火プラグに供給するエネルギを従来の数倍に増加する必要がある。また、コジェネレーションシステムの発電機用エンジンの場合は、シリンダボア径が大きく、混合気濃度も希薄である。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、燃焼速度が早くしかも着火性に優れた点火装置が望まれている。
Recently, from the viewpoint of CO 2 reduction, high supercharging to achieve high output in a small, high compression automobile engines, and high efficiency, the development of the engine such as to achieve low NO X is promoted.
In the case of a high-supercharged, high-compression automobile engine, the in-cylinder pressure before ignition is high, and therefore, when igniting with a spark ignition plug, it is necessary to increase the energy supplied to the ignition plug several times that of the prior art. Further, in the case of a generator engine for a cogeneration system, the cylinder bore diameter is large and the air-fuel mixture concentration is also lean. In order to burn such an inflammable internal combustion engine with high efficiency, an ignition device having a high combustion speed and excellent ignitability is desired.
難着火性の内燃機関等においても優れた着火性を発揮する点火装置として、特許文献1には、プラズマ点火装置が開示されている。
しかし、特許文献1にあるような、従来のプラズマ点火装置では、着火性に優れているものの、分子温度の高い熱平衡プラズマが発生するため、電極の消耗が激しく、実用化の妨げとなっている。
However, although the conventional plasma ignition device as disclosed in
一方、特許文献2には、非熱平衡プラズマ(低温プラズマ)の発生により、電極の溶損を起こすことなく、筒内にラジカルを生成し、自着火性の内燃機関の着火を補助すべく、バリア放電部を設けた内燃機関が開示されている。
特許文献2にあるような従来のバリア放電部では、棒状に形成した中心電極の全周を誘電体で覆い、さらにその外周を管状電極で覆い、中心電極と環状電極との間に高周波の交流電圧を印加することによって中心電極の側面と環状電極の内周との間の複数箇所にストリーマ放電を発生させ、放電室内に多量のラジカルを生成することで着火を図ろうとしている。
On the other hand,
In the conventional barrier discharge part as disclosed in
ところが、特許文献2にあるようなバリア放電では、非熱平衡プラズマは誘電体側面から管状電極に向かって放射状に広がるため、誘電体の表面では、エネルギ密度が高くても、徐々にエネルギ密度が低下する。
しかも、誘電体外周表面から管状電極内周表面に至る広汎な範囲に存在する混合気に非熱平衡プラズマのエネルギが吸収されてしまい、燃焼室内に電極を突き出しストリーマ放電を行う場合と同様、体積着火を生じさせるためには、膨大なエネルギを投入する必要がある。
また、誘電体の絶縁耐圧以下の電圧を印加することにより熱プラズマの発生を防止しているため、特許文献2の図3(b)に示されているように、1サイクル中に4回の非熱平衡プラズマが発生する機会があるが、その時間は、極めて短い時間に限られ、印加したエネルギの多くが、誘電体の温度上昇等の損失となる虞がある。
さらに、印加エネルギを多くするために、交流の印加電圧を高くしたり、印加時間を長くしたり、周波数を増加したりした場合に、中心電極と管状電極との間に蓄積されたエネルギによって誘電体の絶縁破壊が起こり、誘電体表面から管状電極に向かって伸びるストリーマ放電が管状電極に達した瞬間に放電経路が形成され、中心電極と管状電極との間に蓄積されたエネルギが一気に放出され、熱プラズマであるアーク放電が発生し、電極の消耗を招く虞もある。
However, in the barrier discharge as disclosed in
Moreover, the energy of the non-thermal equilibrium plasma is absorbed by the air-fuel mixture that exists in a wide range from the outer peripheral surface of the dielectric to the inner peripheral surface of the tubular electrode, and volume ignition is performed, as in the case of performing streamer discharge by projecting the electrode into the combustion chamber. In order to generate a large amount of energy, it is necessary to input enormous energy.
Further, since the generation of thermal plasma is prevented by applying a voltage equal to or lower than the dielectric withstand voltage of the dielectric, as shown in FIG. 3B of
Furthermore, in order to increase the applied energy, when the AC applied voltage is increased, the application time is increased, or the frequency is increased, the energy accumulated between the center electrode and the tubular electrode is reduced. When a body dielectric breakdown occurs and a streamer discharge extending from the dielectric surface toward the tubular electrode reaches the tubular electrode, a discharge path is formed, and the energy stored between the central electrode and the tubular electrode is released at once. Further, arc discharge, which is thermal plasma, is generated, and there is a possibility that the electrodes are consumed.
一方、特許文献2にあるようなバリア放電部の構造では、中心電極の側面と環状電極との間の任意の位置で放電が起こるため、放電位置を特定することができず、放電位置の違いによって、供給されたエネルギに対して発生する非熱平衡プラズマの量が変化し、着火が不安定となる虞がある。
このため、点火条件によって発生する非熱平衡プラズマの量を一定とすることができず、点火タイミングにズレを生じたり、中心電極と管状電極との間に蓄積されたエネルギが、吸気行程などの低圧時に放電されたりするなど、予期せぬ着火を引き起こす虞もある。
特に、多気筒エンジンにおいて、このような不正放電によりプレイグニションが発生すると、エンジンの破損などの深刻な障害を引き起こす虞がある。
On the other hand, in the structure of the barrier discharge part as in
For this reason, the amount of non-thermal equilibrium plasma generated due to the ignition condition cannot be made constant, causing a deviation in ignition timing, or the energy accumulated between the center electrode and the tubular electrode being a low pressure such as an intake stroke. There is also a risk of unexpected ignition, such as being discharged occasionally.
In particular, in a multi-cylinder engine, when preignition occurs due to such unauthorized discharge, there is a risk of causing serious trouble such as engine breakage.
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、特定の範囲の周波数及び印加時間の高周波を印加することによって電子温度が高く、分子温度が低い非熱平衡プラズマを発生させ、ラジカルによる混合気の着火を図る上で、エネルギの損失を抑制し、安定した着火を実現できる非熱平衡プラズマ点火装置を提供することを目的としてなされたものである。 Therefore, in view of such circumstances, the present invention generates a non-thermal equilibrium plasma having a high electron temperature and a low molecular temperature by applying a high frequency within a specific range and an application time, thereby igniting an air-fuel mixture by radicals. An object of the present invention is to provide a non-thermal equilibrium plasma ignition device capable of suppressing energy loss and realizing stable ignition.
請求項1の発明では、内燃機関に装着され、少なくとも絶縁体、又は、誘電体からなる碍子部に覆われた中心電極と接地電極とを所定の放電空間を介して対向せしめた点火プラグと、内燃機関の運転状況に応じて点火信号を発信するエンジン制御装置と、該点火信号に従って、上記点火プラグに所定の電圧で、高周波の交流電圧を印加する交流電源、又は、高速パルスを高速で複数回発振する高速パルス電源いずれかからなる高電圧電源と、該高電圧電源から10kV以上の高電圧の印加によって、上記放電空間に、非熱平衡プラズマを発生させて、内燃機関の燃焼室内に導入された可燃性物質と支燃性ガスとの混合気に高い反応性を示すラジカルを反応させて点火を行う非熱平衡プラズマ点火装置において、上記高電圧電源の発振周波数が500kHz以上500MHz以下であり、又は、上記電圧電源の一周期当たりの電圧印加時間が1ns以上1μs以下であり、上記中心電極と上記接地電極とのいずれか一方、又は、両方の表面に略環状に形成した電界集中部を具備し、該電界集中部の一部にストリーマ放電の起点となる放電誘発部を設けると共に、
上記点火プラグを、
導電性材料を略長軸状に形成した中心電極と、絶縁体、又は、誘電体からなり、上記中心電極の外周及び先端面を覆うように、略有底筒状に形成した碍子部と、
該碍子部を保持すべく金属材料を略筒状に形成したハウジングと、
該ハウジングの一部に延設して燃焼室側に向かって伸び、先端側を上記中心電極に対向せしめて略L字形に形成した接地電極とによって構成する。
In the invention of
The spark plug
A center electrode formed of a conductive material in a substantially long axis shape, an insulator, or a dielectric, and an insulator portion formed in a substantially bottomed cylindrical shape so as to cover the outer periphery and the tip surface of the center electrode;
A housing in which a metal material is formed in a substantially cylindrical shape to hold the lever portion;
The grounding electrode is formed by extending to a part of the housing and extending toward the combustion chamber side, and having a front end side opposed to the center electrode and formed in a substantially L shape.
請求項2の発明では、内燃機関に装着され、少なくとも絶縁体、又は、誘電体からなる碍子部に覆われた中心電極と接地電極とを所定の放電空間を介して対向せしめた点火プラグと、内燃機関の運転状況に応じて点火信号を発信するエンジン制御装置と、該点火信号に従って、上記点火プラグに所定の電圧で、高周波の交流電圧を印加する交流電源、又は、高速パルスを高速で複数回発振する高速パルス電源いずれかからなる高電圧電源と、該高電圧電源から10kV以上の高電圧の印加によって、上記放電空間に、非熱平衡プラズマを発生させて、内燃機関の燃焼室内に導入された可燃性物質と支燃性ガスとの混合気に高い反応性を示すラジカルを反応させて点火を行う非熱平衡プラズマ点火装置において、上記高電圧電源の発振周波数が500kHz以上500MHz以下であり、又は、上記電圧電源の一周期当たりの電圧印加時間が1ns以上1μs以下であり、上記中心電極と上記接地電極とのいずれか一方、又は、両方の表面に略環状に形成した電界集中部を具備し、該電界集中部の一部にストリーマ放電の起点となる放電誘発部を設けると共に、
上記点火プラグを、
導電性材料を略長軸状に形成した中心電極と、
絶縁体、又は、誘電体からなり、該中心電極の外周及び先端面を覆いつつ、さらにその先端側に一定の容積の放電空間を区画するように形成した碍子部と、
該碍子部を保持すべく金属材料を略筒状に形成したハウジングと、
該ハウジングの先端を引き伸ばして、上記碍子部の先端を覆いつつ、上記放電空間の内周壁を構成する碍子部の内径に連通した開口を有し、略環状に形成した接地電極とによって構成する。
In the invention of
The spark plug
A central electrode formed of a conductive material in a substantially long axis shape;
An insulator made of an insulator or a dielectric, covering the outer periphery and the tip surface of the center electrode, and further forming a constant volume discharge space on the tip side; and
A housing in which a metal material is formed in a substantially cylindrical shape to hold the lever portion;
The housing is stretched to cover the tip of the insulator part, and has an opening communicating with the inner diameter of the insulator part constituting the inner peripheral wall of the discharge space, and is constituted by a substantially annular ground electrode.
請求項3の発明では、上記エンジン制御装置から発信された一の点火信号に対して、複数回の高電圧の印加を一定時間内に行った後、一定時間経過後再度複数回の高電圧の印加を繰り返して多重点火を行う。 In a third aspect of the present invention, a plurality of times of application of a high voltage to a single ignition signal transmitted from the engine control device is performed within a certain period of time, and then a plurality of times of high voltage are applied again after a certain period of time. Multiple ignition is performed by repeating the application.
請求項4の発明では、上記中心電極に対向する位置において、上記接地電極を貫通する貫通孔を有する。 According to a fourth aspect of the present invention, a through hole penetrating the ground electrode is provided at a position facing the center electrode.
請求項5の発明では、上記電界集中部が、上記中心電極の先端面と、上記接地電極の中心電極に対向する表面とのいずれか一方、又は、両方において略環状に突出する。 According to a fifth aspect of the present invention, the electric field concentrating portion projects substantially annularly at either or both of the front end surface of the center electrode and the surface of the ground electrode facing the center electrode.
請求項6の発明では、上記電界集中部が、先端先細りのテーパ状である。 According to a sixth aspect of the present invention, the electric field concentration portion has a tapered shape with a tapered tip.
請求項7の発明では、上記放電誘発部が、上記電界集中部の一部を切り欠いたスリット状である。 According to a seventh aspect of the invention, the discharge inducing portion has a slit shape in which a part of the electric field concentration portion is cut out.
請求項8の発明では、上記電界集中部が、複数箇所に所定の幅で切り欠かれた切り欠き部を有し、一の切り欠き部の幅を他の切り欠き部の幅と異ならせて上記放電誘発部とする。 In the invention of claim 8, the electric field concentration part has a notch part that is notched at a predetermined width at a plurality of locations, and the width of one notch part is different from the width of the other notch part. The discharge inducing part is used.
請求項9の発明では、上記中心電極の先端面と、上記接地電極の上記中心電極に対向する表面とのいずれか一方、又は、両方において、複数箇所で略柱状に突出させた柱状突起部を、略環状に配設して上記電界集中部とする。 In the invention of claim 9 , columnar protrusions that are protruded in a substantially columnar shape at a plurality of locations on either or both of the front end surface of the center electrode and the surface of the ground electrode facing the center electrode. The electric field concentration portion is arranged in a substantially annular shape.
請求項10の発明では、上記複数の柱状突起部の内、一の柱状突起部の外径を他の柱状突起部の外径と異ならせて、上記放電誘発部とする。 In a tenth aspect of the present invention, the discharge inducing portion is formed by making the outer diameter of one columnar protrusion out of the plurality of columnar protrusions different from the outer diameter of the other columnar protrusion.
請求項11の発明では、上記複数の柱状突起部を配設する間隔の一部を他の間隔と異ならせて、上記放電誘発部とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, a part of the interval at which the plurality of columnar protrusions are arranged is different from other intervals to form the discharge inducing portion.
本発明によれば、上記中心電極、又は、/及び、上記接地電極の対向する表面に、上記電界集中部を形成することにより、ストリーマ放電を起こすのに必要となる要求電圧を低下させる効果に加え、上記放電誘発部を形成することにより、上記電界集中部の特定の位置にストリーマ放電を開始するきっかけを生じさせ、上記電界集中部のみを形成した場合よりも、さらに安定して、低い電圧での放電が可能となる。
加えて、上記中心電極と上記接地電極との間で一定のエネルギ密度を維持しつつ、筒状に広がる非熱平衡プラズマが発生し、その内外表面で着火、火炎伝播が起こるので、反応性の高いラジカルとの反応領域が飛躍的に拡大され、極めて優れた着火性を実現できる。
また、非熱平衡プラズマは、反応性の高いラジカルを発生させ、上記放電空間に存在する混合気の燃焼反応を誘発し、内燃機関の点火を行うことができる。
According to the present invention, by forming the electric field concentration portion on the surface facing the center electrode or / and the ground electrode, it is possible to reduce the required voltage required for causing the streamer discharge. In addition, by forming the discharge inducing portion, a trigger for starting a streamer discharge is generated at a specific position of the electric field concentration portion, and more stable and lower voltage than when only the electric field concentration portion is formed. It becomes possible to discharge at.
In addition, while maintaining a constant energy density between the center electrode and the ground electrode, non-thermal equilibrium plasma that spreads in a cylindrical shape is generated, and ignition and flame propagation occur on the inner and outer surfaces thereof, so the reactivity is high The reaction area with radicals is dramatically expanded, and extremely excellent ignitability can be realized.
Further, the non-thermal equilibrium plasma generates highly reactive radicals, induces a combustion reaction of the air-fuel mixture existing in the discharge space, and can ignite the internal combustion engine.
また、上記高電圧電源は、高電圧の印加時間が、1ns以上1μs以下に制限され、さらに、500kHx以上500MHz以下の発振周期で高電圧の印加と停止が繰り返されており、ストリーマ放電からアーク放電に変化する前に電子の放出が遮断されるので、次々とストリーマ放電の発生が断続的に繰り返され、燃焼室内の圧力変動や混合気の空燃比に変動等があっても、ストリーマ放電がアーク放電に遷移することなく、効率よく非熱平衡プラズマを発生させ、混合気の着火に至らしめることができる。
一方、本発明によらず、高電圧の印加時間が長い場合には、ストリーマ放電が発生した後も継続して電子が放出され続けているので、中心電極と接地電極との間に電流経路が形成され、熱平衡に達し、アーク放電が発生してしまう虞がある。
Further, the high voltage power source has a high voltage application time limited to 1 ns or more and 1 μs or less, and further, high voltage application and stop are repeated at an oscillation cycle of 500 kHz to 500 MHz, and from streamer discharge to arc discharge. Since the emission of electrons is interrupted before the change to, the generation of streamer discharge is repeated one after another, and the streamer discharge does not arc even if the pressure in the combustion chamber or the air-fuel ratio of the mixture changes. Without transitioning to discharge, non-thermal equilibrium plasma can be generated efficiently and the mixture can be ignited.
On the other hand, regardless of the present invention, when the high voltage application time is long, electrons continue to be emitted after the streamer discharge has occurred, so there is no current path between the center electrode and the ground electrode. There is a risk that arcing will occur due to the formation of thermal equilibrium.
また、上記中心電極の先端が上記碍子部に覆われているのに加え、非熱平衡プラズマは、電子温度は高いが、分子温度は低いため、電極の消耗が起こり難い。したがって、熱プラズマを発生する従来の点火プラグにおいて、電極消耗を抑制するために用いられるような、イリジウム、イリジウム合金等の高価で、耐熱性の高い材料を用いなくても良いため、製造コストの削減を図ることも可能となる。 In addition to the fact that the tip of the center electrode is covered with the insulator, the non-thermal equilibrium plasma has a high electron temperature but a low molecular temperature, so that the electrode is hardly consumed. Therefore, in conventional spark plugs that generate thermal plasma, it is not necessary to use expensive and heat-resistant materials such as iridium and iridium alloys, which are used to suppress electrode consumption. Reduction can also be achieved.
本発明は、高過給、高圧縮、高EGR、極低リーン燃焼等による、高効率、低NOxを達成するエンジン等の難着火性内燃機関に用いられ優れた着火性と耐久性とを示す非熱平衡プラズマ点火装置である。
図1、図2を参照して、本発明の第1の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置4について説明する。なお、以下の説明において、図の上方を基端側、下方を先端側と称する。
図1は、本実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置4の全体概要を示し、図2は、本実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置4の要部の詳細を示すものである。
The present invention shows excellent ignitability and durability used for a highly ignitable internal combustion engine such as an engine that achieves high efficiency and low NOx by high supercharging, high compression, high EGR, extremely low lean combustion, etc. It is a non-thermal equilibrium plasma ignition device.
With reference to FIG. 1 and FIG. 2, the non-thermal equilibrium plasma ignition apparatus 4 in the 1st Embodiment of this invention is demonstrated. In the following description, the upper side of the figure is referred to as the proximal end side, and the lower side is referred to as the distal end side.
FIG. 1 shows an overall outline of a non-thermal equilibrium plasma ignition device 4 in the present embodiment, and FIG. 2 shows details of a main part of the non-thermal equilibrium plasma ignition device 4 in the present embodiment.
本発明の非熱平衡プラズマ点火装置4は、詳述略の内燃機関5のエンジンヘッド50に装着され、先端が燃焼室500内に露出し、所定の印加時間、又は、周波数で高電圧を印加したときに非熱平衡プラズマを40発生する点火プラグ1と、所定の高電圧を発生する高電圧電源2と、内燃機関5の運転状況に応じて、高電圧電源2を駆動すべく点火信号IGtを発信するエンジン制御装置(ECU)3とによって構成されている。
本実施形態において、点火プラグ1は、略長軸状の中心電極10とその外周及び先端を覆う略有底筒状に形成された碍子部11と、これらを覆いつつ内燃機関5の燃焼室50に固定するための略筒状のハウジング12とハウジング12の先端に延設した略L字形の接地電極13とによって構成され、中心電極10の先端面101、又は/及び、接地電極13の中心電極10に対向する表面には、本発明の要部である略環状の電界集中部102、132が形成され、電界集中部102、132には、放電誘発部103、133が形成されている。
The non-thermal equilibrium plasma ignition device 4 of the present invention is mounted on the
In the present embodiment, the
中心電極10には、長軸状に形成された中心電極軸部100の先端面101の、外周縁に延設して、先端方向に向かって略筒状に突出する中心電極電界集中部102が形成されており、さらに中心電極電界集中部102の一部をスリット状に局所的に切り欠いた中心電極放電誘発部103が形成されており、基端側には、中心電極ステム104及び、外部の高電圧電源2に接続される中心電極端子105が形成されている。
The
なお、本発明において、点火プラグ1を構成する材料を特に限定するものではなく、一般的な内燃機関の点火に用いられる火花式の点火プラグ等に広く用いられている材料を適宜使用することができる。
例えば、中心電極10には、ニッケル、ニッケル合金、鉄等の導電性材料を用いることができる。また、中心電極10の比較的温度の低い部分には、通常の火花点火プラグと同様に銅などの導電性の高い材料が用いられている。
本実施形態においては、中心電極10の先端が絶縁体11に覆われているのに加え、非熱平衡プラズマは、電子温度は高いが、分子温度は低いため、電極の消耗が起こり難い。したがって、熱プラズマを発生する点火プラグにおいて、電極消耗を抑制するために用いられるような、イリジウム、イリジウム合金等の高価で、耐熱性の高い材料を用いなくても良い。
In the present invention, the material constituting the
For example, the
In the present embodiment, in addition to the tip of the
碍子部11は、絶縁体でもあり、誘電体でもある、アルミナや、スピネル、ジルコニア等の耐熱性セラミック材料を用いて、略有底筒状に形成されている。
碍子部11を構成する碍子筒状部110は、基端側の一端が開口し、燃焼室側の他端が閉塞する有底筒状に形成され、内側に中心電極軸部100、及び、中心電極中軸部104を保持している。
碍子筒状部110の先端側には、閉塞する隔壁部111が形成され、隔壁部111は、中心電極10の先端面101、及び中心電極電界集中部102を覆っている。
碍子部11の中腹には、ハウジング12に加締め固定される碍子係止部112が形成され、基端側には、中心電極端子部105とハウジング12との絶縁を確保するために、略筒状で、その表面に凹凸を付けたコルゲート状に加工した碍子頭部113が形成されている。
The
The insulator
A blocking
An
ハウジング12は、SUSや炭素鋼等の金属材料を略筒状に形成したハウジング胴部120の内側に碍子11を保持し、詳述略の封止部材を介してハウジング胴部120の基端側に設けたハウジング加締め部122によって加締め固定している。
ハウジング胴部120の先端側には、碍子11の先端外周を覆うように筒状に伸びるハウジング筒状部123が形成され、その外周にはネジ部124が形成され、さらにその先端側には、燃焼室500に露出する環状のハウジング先端部125が形成されている。
ハウジング胴部120の基端側外周には、シリンダヘッド50にネジ部124を螺結するためのハウジング六角部121が形成されている。
ハウジング先端部124に延設して、略L字形の接地電極13が形成されている。
The
A housing
A housing
A substantially L-shaped
接地電極13は、ニッケル、ニッケル合金、鉄等の通常の火花点火プラグに用いられるものと同様の耐熱性金属材料が用いられている。
接地電極13は、ハウジング先端部124に接続され、燃焼室500内に向かって伸びる接地電極延接部130と、接地電極延設部130から、中心電極10の先端面101に対向するように、点火プラグ1の軸中心に向かって略L字形に屈曲して接地電極対向部131が形成されている。
接地電極対向部131の中心電極電界集中部102に対向する位置には、中心電極10側に向かって略環状に突出する接地電極電界集中部132が形成されている。
また、中心電極電界集中部102と同様に、接地電極電界集中部132に、その一部をスリット状に切り欠いた、接地電極放電誘発部133を形成しても良い。
The
The
A ground electrode electric
Similarly to the central electrode electric
電界集中部(102、132)、及び、放電誘発部(103、133)は、中心電極10と接地電極13とのいずれか一方に形成したものでも良いが、両方に形成した方が、よりストリーマ放電が起こり易くなり、また、プラズマの発生領域が、安定して筒状に形成されることとなる。
絶縁体11の隔壁部111に覆われた中心電極電界集中部102と、接地電極電界集中部132とが、所定の間隙を隔てて対向し、放電空間14を形成している。
The electric field concentration portions (102, 132) and the discharge inducing portions (103, 133) may be formed on either the
The central electrode electric
本実施形態における高電圧電源2は、10kV以上の高電圧を半導体スイッチング素子の開閉により、一周期当たりの電圧印加時間τが、1ns以上1μs以下の極短い時間だけ高電圧が印加されるように、500kHz以上500MHz以下の発振周期で印加と停止が繰り返される高速パルスに変換して印加する高速パルス電源である。
また、高電圧電源2は、ECU3から内燃機関5の運転状況に応じて発信される点火信号IGtに対して、高速パルスを複数回発振し(例えば10パルス程度)、さらに、500μs程度の時間間隔をバースト周期として、一定時間内に、一定時間経過後再度複数回の高速パルスの発振を繰り返す、高速多重パルス発振を行い、多重点火を実施することができる(図1参照)。
中心電極10と接地電極13との間に、高電圧電源2から高速パルスが印加されると、碍子隔壁部111の中心電極放電誘発部103に対向する位置、又は、接地電極放電誘発部133に対向する位置を起点としてストリーマ放電のきっかけとなる極短いストリーマ放電が開始され、これが、環状に形成された中心電極電界集中部101と接地電極電界集中部132に沿うように、筒状に広がり、エネルギ密度が高く表面積の大きな非熱平衡プラズマ発生領域を形成する(図2(b)参照)。
In the present embodiment, the high
Further, the high
When a high-speed pulse is applied from the high
また、本発明の高電圧電源2では、一周期当たりの高電圧の印加時間τが、1ns以上1μs以下に制限され、さらに、500kHx以上500MHz以下の発振周期で高電圧の印加と停止が繰り返されており、ストリーマ放電からアーク放電に変化する前に電子の放出が遮断されるので、次々とストリーマ放電の発生が断続的に繰り返され、燃焼室500内の圧力変動等があっても、ストリーマ放電がアーク放電に遷移することはない。
一方、本発明によらず、高電圧の印加時間が長い場合には、ストリーマ放電が発生した後も継続して電子が放出され続けているので、中心電極と接地電極との間に電流経路が形成され、熱平衡に達し、アーク放電が発生してしまう。
Further, in the high
On the other hand, regardless of the present invention, when the high voltage application time is long, electrons continue to be emitted after the streamer discharge has occurred, so there is no current path between the center electrode and the ground electrode. As a result, thermal equilibrium is reached and arc discharge occurs.
略筒状に広がるように発生したストリーマ放電により、中性のラジカルが形成され、反応性の高いラジカルが周囲の混合気と局所的に反応し、自己着火反応が起こる。
このとき、本発明によれば、ストリーマ放電が筒状に広がるように形成されているので、10eV以上の極めて電子温度の高い非熱平衡プラズマと混合気とが反応する確率が高くなり、着火性が向上する。
また、ストリーマ放電により発生する電子は、温度は極めて高くても、質量が小さいため、電極に衝突しても、電極を消耗させることはなく、熱平衡プラズマが発生する場合に比べて、極めて高い耐久性を示すこととなる。
なお、非熱平衡プラズマ発生時の衝突解離反応及び衝突励起反応は、以下の通りであると推察されている。
RH(可燃性物質)+e−*(高速電子) → R・ + H・+e−
O2+e−* → O・+O・+e−
N2+e−* → N2 *
O・ラジカルは、極めて反応性が高く、これをトリガとして、局所的自己着火反応が起こると考えられている。
Neutral radicals are formed by the streamer discharge generated so as to spread in a substantially cylindrical shape, and highly reactive radicals locally react with the surrounding air-fuel mixture to cause a self-ignition reaction.
At this time, according to the present invention, since the streamer discharge is formed so as to spread in a cylindrical shape, the probability that the non-thermal equilibrium plasma having an extremely high electron temperature of 10 eV or higher and the air-fuel mixture react with each other is increased, and the ignitability is increased. improves.
In addition, electrons generated by streamer discharges are extremely high in temperature and low in mass, so they do not consume the electrodes even when they collide with the electrodes, and are extremely durable compared to the case where thermal equilibrium plasma is generated. Will show gender.
The collisional dissociation reaction and collisional excitation reaction when non-thermal equilibrium plasma is generated are assumed to be as follows.
RH (flammable substance) + e − * (high-speed electron) → R ・ + H ・ + e−
O 2 + e − * → O · + O · + e −
N 2 + e − * → N 2 *
O. radicals are extremely reactive, and it is considered that local auto-ignition reaction occurs using this as a trigger.
一方、中心電極10と接地電極13との間に高電圧を印加したときに、中心電極10の側面とハウジング胴部120との間に電界が生じるが、碍子筒状部110の肉厚は、隔壁部111の肉厚に比べて遙かに厚く、中心電極10の先端面101、又は/及び、接地電極13の表面には、電界集中部102、132が形成されているので、確実に中心電極10と接地電極13との間でストリーマ放電が発生し、中心電極10の側面とハウジング胴部120との間ではストリーマ放電が起こり難くなっている。
したがって、本発明の非熱平衡プラズマ点火装置4によれば、燃焼室500内の特定の位置で点火を開始させることができるため、均質混合燃焼機関にも、成層燃焼機関にも適用可能となる。
On the other hand, when a high voltage is applied between the
Therefore, according to the non-thermal equilibrium plasma ignition device 4 of the present invention, since ignition can be started at a specific position in the
また、高電圧電源2の高速パルスを発生するために用いられる開閉素子としては、例えば、GaAs(現状考えられる素子を列挙して下さい。)等の半導体を含む、パワーMOSFET、IGBT等のパワー半導体デバイスが好適である。
なお、現状において入手可能な半導体デバイスを用いた場合、10パルス程度の開閉により、半導体の温度が上昇し、安定した開閉制御が困難となり、正常に回復するのに500μs程度の時間を要する。このため、上記実施形態においては500μs以下の短いインターバルで、複数回の高速パルスを再開させることが困難であるが、本発明は、500μs以下のバースト周期を廃除するものではない。
Moreover, as a switching element used for generating a high-speed pulse of the high-
When a currently available semiconductor device is used, the semiconductor temperature rises due to about 10 pulses of switching, making stable switching control difficult, and it takes about 500 μs to recover normally. For this reason, in the above embodiment, it is difficult to restart a plurality of high-speed pulses at short intervals of 500 μs or less, but the present invention does not eliminate burst periods of 500 μs or less.
さらに、本実施形態において、高電圧電源2は、高速パルス電源を例に説明したが、10kV以上の高電圧を、発振周波数が500kHz以上500MHz以下の高周波で発振する高周波の交流電圧によって印加する高周波交流電源であっても良い。
高周波交流電源を用いる場合、電流の方向が入れ代わる度ごとにストリーマ放電を発生させることになり、上記実施形態と同様の効果を発揮できる。
一方、本発明によらず、500kHzより低い周波数、又は、500MHzよりも高い周波数で発振する交流電源を用いた場合には、ストリーマ放電を起こすことができないか、アーク放電を発生させてしまう虞がある。
Furthermore, in the present embodiment, the high-
When a high-frequency AC power supply is used, streamer discharge is generated every time the direction of current is changed, and the same effect as in the above embodiment can be exhibited.
On the other hand, regardless of the present invention, when an AC power source that oscillates at a frequency lower than 500 kHz or higher than 500 MHz is used, a streamer discharge cannot be generated or an arc discharge may occur. is there.
本発明の非熱平衡プラズマ点火装置4は、中心電極10、又は、/及び、接地電極13の対向する表面に、電界集中部102、132を形成することにより、ストリーマ放電を起こすのに必要となる要求電圧を低下させる効果に加え、放電誘発部103、133を形成することにより、電界集中部102、132の特定の位置にストリーマ放電を開始するきっかけを生じさせ、電界集中部102、132のみを形成した場合よりも、さらに安定して、低い電圧での放電が可能となる。
加えて、中心電極電界集中部102と、接地電極電界集中部132間で一定のエネルギ密度を維持しつつ、筒状に広がる非熱平衡プラズマが発生し、その内外表面で着火、火炎伝播が起こるので、反応性の高いラジカルとの反応領域が飛躍的に拡大され、極めて優れた着火性を実現できる。
このため、本発明の非熱平衡プラズマ点火装置4は、可燃性ガスと支燃性ガスとの混合気の燃焼、爆発により発生するエネルギを動力源とする内燃機関であれば、使用される燃料を限定するものではなく、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、気体燃料エンジン等のいずれの内燃機関の点火装置として適用し得るものであり、高過給気混合燃焼、極希薄燃焼、高EGR燃焼等の難着火性の条件においても優れた着火性を発揮し得るものである。
The non-thermal equilibrium plasma ignition device 4 of the present invention is required to cause streamer discharge by forming the electric
In addition, non-thermal equilibrium plasma that spreads in a cylindrical shape is generated while maintaining a constant energy density between the central electrode electric
Therefore, if the non-thermal equilibrium plasma ignition device 4 of the present invention is an internal combustion engine that uses energy generated by combustion or explosion of a mixture of combustible gas and combustion-supporting gas as a power source, the fuel used is It is not limited, and can be applied as an ignition device for any internal combustion engine such as a gasoline engine, diesel engine, gas fuel engine, etc., and difficult ignition such as high supercharged mixed combustion, extremely lean combustion, high EGR combustion, etc. It can exhibit excellent ignitability even in the condition of the property.
なお、本実施形態において、中心電極軸部100及び中心電極電界集中部102の外径を、φ5.0mm、中心電極電界集中部102の内径を、φ4.6mm、碍子隔壁部111の先端表面から接地電極電界集中部132の先端までの距離を、1mmに設定したとき、放電ギャップが1mmで、中心電極の外径をφ1mmに設定した従来構造の火花点火プラグの中心電極を絶縁体で覆って高速パルスを印加したときに発生する略柱状の非熱平衡プラズマと等しいエネルギ密度で、筒状の非熱平衡プラズマ発生領域の表面積を2.5倍にすることができる。
In this embodiment, the outer diameter of the central
図3を参照して、本発明の第2の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の要部である点火プラグ1aについて説明する。
上記実施形態における比熱平衡プラズマ点火装置4の点火プラグ1では、接地電極対向部131を略平板状に形成し、中心電極電界集中部102に対向する位置を中心電極10側に向かって略環状に突出させて接地電極集中部132を形成したものを示したが、本実施形態においては、点火プラグ1aとして、接地電極対向部131aに、接地電極電界集中部132の内周に連通するように貫通孔134を設けた点が相違し、高電圧電源2、その他の構成は第1の実施形態と同様である。
本実施形態によれば、上記実施形態と同様の効果に加え、本図(b)に示すように、筒状に非熱平衡プラズマが発生し、燃焼反応が開始されたときに、非熱平衡プラズマが発生する領域に貫通孔134を通過して、新気が導入されることになり、燃焼火炎の伝播速度が向上し、さらなる着火性の向上を図ることができる。
With reference to FIG. 3, the
In the
According to the present embodiment, in addition to the same effects as the above embodiment, as shown in FIG. 5B, when the non-thermal equilibrium plasma is generated in a cylindrical shape and the combustion reaction is started, the non-thermal equilibrium plasma is generated. New air is introduced through the through-
図4を参照して、本発明の第2の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の要部である点火プラグ1aの変形例である点火プラグ1bについて説明する。本実施形態においては、上記第2の実施形態における点火プラグ1aと同様の構成に加え、点火プラグ1bでは、貫通孔134を穿設したことによる接地電極対向部131bの熱引き性の低下を補うため、接地電極電界集中部131の周辺を径方向に引き伸ばして表面積を広げた点が相違する。
このような構成とすることによって、上述と同様の効果に加え、接地電極13bの熱引き性を向上させプレイグニションの発生を防ぐことができる。
With reference to FIG. 4, the ignition plug 1b which is a modification of the
By adopting such a configuration, in addition to the same effects as described above, it is possible to improve the heat drawability of the
図5を参照して、本発明の第1の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の変形例、及び、第2の実施形態における非熱平衡ラズマ点火装置の他の変形例について説明する。上記実施形態においては、中心電極電界集中部102、接地電極電界集中部132を断面積が一定の円筒状に形成した例を示したが、本実施形態に示すように、中心電極電界集中部102c、102d、接地電極電界集中部132c、132dとして、内周壁又は外周壁が徐々に縮形した先端先細りのテーパ状に形成した点が相違する。
このような構成とすることにより、上記実施形態と同様の効果に加え、電界集中部が先端先細りとなっているので、電界集中の効果が高められ、より低い要求電圧でストリーマ放電を発生させることができる。
With reference to FIG. 5, a modification of the non-thermal equilibrium plasma ignition device in the first embodiment of the present invention and another modification of the non-thermal equilibrium plasma ignition device in the second embodiment will be described. In the above embodiment, an example in which the center electrode electric
By adopting such a configuration, in addition to the same effects as in the above embodiment, the electric field concentration portion is tapered at the tip, so that the effect of electric field concentration is enhanced and streamer discharge can be generated at a lower required voltage. Can do.
図6を参照して、本発明の非熱平衡プラズマ点火装置に適用し得る変形例について説明する
上記実施形態においては、中心電極電界集中部102、102a、102b、102c、102dを中心電極先端面101から一体的に略環状に突出するように形成した例を示したが、本図に示す中心電極の変形例10e〜10hを適宜採用することができる。
本図(a−1)、(a−2)に示すように、電界集中部102eとして、中心電極先端面101に略柱状に形成した柱状突起部を等間隔に複数箇所に並べて環状に配設し、さらに、放電誘発部103eとして、一カ所だけ突起部の間隔を狭めている。このような構成とすることにより、高電圧を印加したときに発生する非熱平衡プラズマが発生する領域は、上記実施形態と同様に、放電誘発部103eをきっかけとしてストリーマ放電が開始され、電界集中部103eに沿って広がり、表面積の大きな略筒状に形成される。なお、放電誘発部103eとして、略柱状に形成した突起部の一つを間引いても良い。
また、本図(b−1)、(b−2)に示すように、電界集中部102fとして、中心電極先端面101に略柱状に形成した突起部を等間隔に複数並べ環状に配設し、さらに、放電誘発部103fとして、一つの突起部の外径を細くしてある。また、これとは逆に一つの突起部の外径を太くしても良い。
さらに、本図(c−1)、(c−2)に示すように、電界集中部102gとして、略環状に突出させた突起部に複数のスリット状の切り欠きを等間隔で穿設し、さらに、放電誘発部103gとして、一つの切り欠きの幅を広くしてある。
また、本図(d−1)、(d−2)に示すように、界集中部102hとして、略環状に突出させた突起部に複数の幅の広いスリット状の切り欠きを等間隔で穿設し、さらに、放電誘発部103hとして、一つの切り欠きの幅を狭くしても良い。
いずれの場合においても、高電圧を印加したときに発生する非熱平衡プラズマが発生する領域は、上記実施形態と同様に、放電誘発部103f、g、hをきっかけとしてストリーマ放電が開始され、電界集中部103f、g、hに沿って広がり、表面積の大きな略筒状に形成される。
なお、本実施形態においては、中心電極10e〜10hの電界集中部102e〜102hのみを示しているが、同様の構成を接地電極13にも適用することができる。
A modification that can be applied to the non-thermal equilibrium plasma ignition device of the present invention will be described with reference to FIG. 6. In the above embodiment, the center electrode electric
As shown in FIGS. (A-1) and (a-2), as the electric
Further, as shown in FIGS. (B-1) and (b-2), as the electric
Further, as shown in FIGS. (C-1) and (c-2), as the electric
In addition, as shown in FIGS. (D-1) and (d-2), a plurality of wide slit-shaped notches are bored at equal intervals as the
In any case, in the region where the non-thermal equilibrium plasma generated when a high voltage is applied is generated, the streamer discharge is started by using the
In the present embodiment, only the electric
図7を参照して、本発明の第3の実施形態における非熱平衡プラズマ点火装置の要部である点火プラグ10iについて説明する。
上記実施形態においては、接地電極13が略L字形に形成され、碍子部11の隔壁部111で覆われた中心電極10の先端面101に対向させた例を示したが、本実施形態においては、点火プラグ10iの碍子部11iの隔壁部111よりも下方となる部分が燃焼室側に向かって引き延ばされ、中心電極10iと接地電極13iとの間に形成される放電空間14iを一定の容積に区画する碍子筒状部112が形成され、さらに、ハウジング12の先端のシュラウド部分125iが引き伸ばされて、碍子筒部112の外周が覆われ、さらに、接地電極13iとして、シュラウド部分125iに接続して、放電空間14iの内周壁を構成する碍子筒部112の内径に連通した開口を有する接地電極対向部131iが、碍子筒部112の底面を覆うように略環状に形成され、さらに、碍子筒状部112内を基端側に向かって略環状に突出するように接地電極電界集中部132iが形成され、接地電極電界集中部132i、及び、接地電極対向部131iを切り欠いた放電誘発部133iが形成されている。
このような構成とすることにより、放電空間14iが碍子部12iの内側に引き込まれた状態で形成されるので、上記実施形態と同様の効果に加え、燃焼室内に強い筒内気流が形成される機関においても、発生した非熱平衡プラズマが筒内気流によって吹き飛ばされ、着火しない内に燃焼室内に広がるのを防ぐことが可能となる。
したがって、限られた容積に区画された放電空間14i内に導入された混合気に、非熱平衡プラズマによって着火が起こると、急激に放電空間14i内の圧力が上昇し、容積的に大きな火炎球となって燃焼室500内に噴出されることになり、さらに着火性に優れた点火装置が実現できる。
また、本実施形態においても、中心電極電界集中部102i、接地電極電界集中部132iに対して、上述の変形例を適宜採用することが可能である。
With reference to FIG. 7, the
In the embodiment described above, the
By adopting such a configuration, the
Therefore, when the air-fuel mixture introduced into the
Also in the present embodiment, the above-described modified examples can be appropriately employed for the center electrode electric field concentration portion 102i and the ground electrode electric field concentration portion 132i.
1 点火プラグ
10 中心電極
100 中心電極軸部
101 中心電極先端面
102 中心電極電界集中部(環状突部)
103 中心電極放電誘発部
104 中心電極中軸部
105 中心電極端子部
11 碍子部
110 碍子筒状部
111 碍子隔壁部(底部)
112 碍子係止部
113 碍子頭部
12 ハウジング
120 ハウジング胴部
121 ハウジングナット部
122 ハウジング加締め部
123 ハウジング筒状部
124 ネジ部
125 ハウジング先端部(シュラウド部分)
13 接地電極
130 接地電極延接部
131 接地電極対向部
132 接地電極電界集中部
134 接地電極放電誘発部
14 放電空間
2 高電圧電源
3 ECU
4 非熱平衡プラズマ点火装置
5 内燃機関
50 シリンダヘッド
500 燃焼室
IGt 点火信号
D 駆動電圧
PLSNEQ 非熱平衡プラズマ
τ 高電圧印加時間
DESCRIPTION OF
103 Center electrode
112
DESCRIPTION OF
4 Non-thermal equilibrium plasma ignition device 5
Claims (11)
上記高電圧電源の発振周波数が500kHz以上500MHz以下であり、
又は、
上記電圧電源の一周期当たりの電圧印加時間が1ns以上1μs以下であり、
上記中心電極と上記接地電極とのいずれか一方、又は、両方の表面に略環状に形成した電界集中部を具備し、
該電界集中部の一部にストリーマ放電の起点となる放電誘発部を設けると共に、
上記点火プラグを、導電性材料を略長軸状に形成した中心電極と、絶縁体、又は、誘電体からなり、上記中心電極の外周及び先端面を覆うように、略有底筒状に形成した碍子部と、該碍子部を保持すべく金属材料を略筒状に形成したハウジングと、該ハウジングの一部に延設して燃焼室側に向かって伸び、先端側を上記中心電極に対向せしめて略L字形に形成した接地電極とによって構成したことを特徴とする非熱平衡プラズマ点火装置。 A spark plug that is mounted on the internal combustion engine and that has at least a center electrode and a ground electrode that are covered with an insulator or a dielectric made of a dielectric and face each other through a predetermined discharge space, and according to the operating status of the internal combustion engine an engine control unit originating an ignition signal Te, according to the ignition signal, a predetermined voltage to the spark plug, the AC power source applies an AC voltage of high frequency, or, the fast pulse power source which oscillates a plurality of times faster pulses at high speed Non-thermal equilibrium plasma is generated in the discharge space by application of a high voltage power source composed of any of these and a high voltage of 10 kV or more from the high voltage power source, and the combustible material introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine is supported. In a non-thermal equilibrium plasma ignition device that performs ignition by reacting a highly reactive radical with a gas mixture with a flammable gas,
The oscillation frequency of the high voltage power source is 500 kHz or more and 500 MHz or less,
Or
The voltage application time per cycle of the voltage power source is 1 ns to 1 μs,
Either one of the center electrode and the ground electrode, or an electric field concentration portion formed in a substantially annular shape on both surfaces,
Electric field concentrated portion of the part provided with the discharge inducing portion serving as a starting point for streamer discharge Rutotomoni,
The spark plug is composed of a center electrode formed of a conductive material in a substantially long axis shape and an insulator or a dielectric, and is formed in a substantially bottomed cylindrical shape so as to cover the outer periphery and the tip surface of the center electrode. And a housing in which a metal material is formed in a substantially cylindrical shape so as to hold the insulator, and extends toward a part of the housing and extends toward the combustion chamber, with the tip side facing the center electrode. A non-thermal equilibrium plasma igniter characterized by comprising a ground electrode formed in a substantially L shape at least .
上記高電圧電源の発振周波数が500kHz以上500MHz以下であり、
又は、
上記電圧電源の一周期当たりの電圧印加時間が1ns以上1μs以下であり、
上記中心電極と上記接地電極とのいずれか一方、又は、両方の表面に略環状に形成した電界集中部を具備し、
該電界集中部の一部にストリーマ放電の起点となる放電誘発部を設けると共に、
上記点火プラグは、導電性材料を略長軸状に形成した中心電極と、絶縁体、又は、誘電体からなり、該中心電極の外周及び先端面を覆いつつ、さらにその先端側に一定の容積の放電空間を区画するように形成した碍子部と、該碍子部を保持すべく金属材料を略筒状に形成したハウジングと、該ハウジングの先端を引き伸ばして、上記碍子部の先端を覆いつつ、上記放電空間の内周壁を構成する碍子部の内径に連通した開口を有し、略環状に形成した接地電極とによって構成したことを特徴とする非熱平衡プラズマ点火装置。 A spark plug that is mounted on the internal combustion engine and that has at least a center electrode and a ground electrode that are covered with an insulator or a dielectric made of a dielectric and face each other through a predetermined discharge space, and according to the operating status of the internal combustion engine An engine control device that emits an ignition signal and an AC power source that applies a high-frequency AC voltage to the spark plug at a predetermined voltage according to the ignition signal, or a high-speed pulse power source that oscillates a high-speed pulse multiple times at high speed Non-thermal equilibrium plasma is generated in the discharge space by application of a high voltage power source composed of any of these and a high voltage of 10 kV or more from the high voltage power source, and the combustible material introduced into the combustion chamber of the internal combustion engine is supported. In a non-thermal equilibrium plasma ignition device that performs ignition by reacting a highly reactive radical with a gas mixture with a flammable gas,
The oscillation frequency of the high voltage power source is 500 kHz or more and 500 MHz or less,
Or
The voltage application time per cycle of the voltage power source is 1 ns to 1 μs,
Either one of the center electrode and the ground electrode, or an electric field concentration portion formed in a substantially annular shape on both surfaces,
While providing a discharge inducing portion serving as a starting point of streamer discharge in a part of the electric field concentration portion,
The spark plug is composed of a center electrode formed of a conductive material in a substantially long axis shape, and an insulator or a dielectric. The spark plug covers the outer periphery and the tip surface of the center electrode, and further has a constant volume on the tip side. An insulator formed so as to partition the discharge space, a housing formed of a metal material in a substantially cylindrical shape to hold the insulator, and extending the tip of the housing to cover the tip of the insulator, A non-thermal equilibrium plasma ignition device comprising an opening communicating with an inner diameter of an insulator portion constituting an inner peripheral wall of the discharge space, and a ground electrode formed in a substantially annular shape .
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