JP5818756B2

JP5818756B2 - Ignition device

Info

Publication number: JP5818756B2
Application number: JP2012184246A
Authority: JP
Inventors: 岡部　伸一; 伸一岡部; 明光杉浦; 祐也阿部
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2032-08-23
Also published as: JP2014041788A

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点火装置に関する。 The present invention relates to an ignition device that is mounted on a hardly ignitable combustion engine and ignites the combustion engine.

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。 Recently, fuel efficiency, for the purpose of CO2 reduction, small, development of high efficiency engines to achieve high output and low NO _X is promoted. A high-efficiency engine has a high supercharging and high compression, and the fuel concentration of the air-fuel mixture may be lean, so it is difficult to ignite with spark ignition.
In order to burn such a difficult-ignition internal combustion engine with high efficiency, an ignition device having a high combustion speed and excellent ignitability is desired.

特許文献１には、シリンダヘッドに取り付けられる導電体の第１電極と、前記第１電極と対向する導電体の第２電極と、前記第１電極又は前記第２電極の一方の電極に形成される誘電体と、を含み、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧が印加されると、前記誘電体と他方の電極との間のバリア放電によって混合気の自着火前の筒内にラジカルを生成可能なバリア放電部を有する、ことを特徴とする内燃機関が開示されている。
特許文献１にあるような誘電体で覆われた前記第１電極と前記第２電極との間でバリア放電を行う点火装置では、前記第１電極に、高電圧高周波発生器から交流電圧が印加されると、前記第２電極と前記誘電体との間で、ストリーマが上下方向に複数発生し、そのストリーマは、前記誘電体を中心として放射状に形成され、放電室に多量のラジカルを生成することができ、放電室内において多点同時に点火を起こして体積着火を実施することができると期待されている。 In Patent Document 1, a first electrode of a conductor attached to a cylinder head, a second electrode of a conductor facing the first electrode, and one of the first electrode and the second electrode are formed. And when the voltage is applied between the first electrode and the second electrode, the cylinder before self-ignition of the air-fuel mixture is caused by the barrier discharge between the dielectric and the other electrode. An internal combustion engine characterized by having a barrier discharge part capable of generating radicals therein is disclosed.
In an ignition device that performs barrier discharge between the first electrode and the second electrode covered with a dielectric as described in Patent Document 1, an AC voltage is applied to the first electrode from a high-voltage high-frequency generator. Then, a plurality of streamers are generated in the vertical direction between the second electrode and the dielectric, and the streamers are radially formed around the dielectric and generate a large amount of radicals in the discharge chamber. It is expected that volume ignition can be performed by simultaneously igniting multiple points in the discharge chamber.

一方、このような点火装置の高エネルギ電源として用いられる交流電圧の一周期当たりのエネルギは、図１２（ａ）に示すように、一周期当たりのエネルギ量を一定とした場合、単位時間当たりの投入エネルギ量は、電源の周波数に比例する。
さらに、図１２（ｂ）に示すように、入力エネルギＷを増加すると放電空間内に放電されるエネルギ量も増加し、一定のエネルギ密度を超えるとそれ以上入力エネルギＷを増加しても放電エネルギ量は増えるが着火性は良くならないことが判明した。
加えて、着火性が飽和する必要放電エネルギ量は、放電空間の容積が大きいほど多くなることが判明した。
これは、放電空間の容積が大きいと、放電空間内が一定のエネルギ密度に飽和するまで、それだけ長く放電が必要となるためと推察される。 On the other hand, the energy per cycle of the AC voltage used as a high energy power source of such an ignition device is as shown in FIG. 12 (a), when the amount of energy per cycle is constant, The amount of input energy is proportional to the frequency of the power source.
Furthermore, as shown in FIG. 12B, when the input energy W is increased, the amount of energy discharged into the discharge space also increases. When the energy density exceeds a certain energy density, the discharge energy is increased even if the input energy W is further increased. It turned out that the amount increased but the ignitability did not improve.
In addition, it has been found that the amount of required discharge energy that saturates the ignitability increases as the volume of the discharge space increases.
This is presumed that if the volume of the discharge space is large, the discharge is required for a long time until the inside of the discharge space is saturated to a constant energy density.

このことから、特許文献１にあるような従来のバリア放電を利用した内燃機関では、比較的放電空間の容積が大きく形成され、放電空間の容積に比例して放電空間内に放電されるエネルギも多くなるため、それだけ多く体積着火を発生するため着火性向上に有利に働くと考えられていた。 From this, in the internal combustion engine using the conventional barrier discharge as disclosed in Patent Document 1, the volume of the discharge space is relatively large, and the energy discharged into the discharge space in proportion to the volume of the discharge space is also large. Therefore, it is thought that it works favorably for improving the ignitability because it generates volume ignition.

しかし、本発明者等の鋭意試験により、放電空間の容積が大きいと内部に燃焼気体が滞留して誘電体が加熱され、所望の点火時期以外の時期に点火が発生する、いわゆるプレイングニションを招く虞があることが判明した。
また、放電空間の容積が大きいと放電空間の奥では混合気の入れ替わりが困難となり、放電空間の奥で発生した非平衡プラズマは、体積着火に寄与することなく消失し、あるいは中心誘電体の加熱に消費されることになり、エネルギ損失が大きいことが判明した。
一方、放電空間の基端側奥で発生した非平衡プラズマを利用するために、燃焼室内の強い気流を作用させて、放電空間内の気体を燃焼室内に引き込むようにすると、放電空間の奥に発生した非平衡プラズマも燃焼室内に拡散させることができ、ディーゼルエンジン等において自着火性の向上に対しては効果が期待される。
しかし、放電空間内で発生した初期火炎が強い筒内気流によって吹き消されてしまい、非平衡プラズマによる直接的な混合気への体積着火を実現することは困難となり、従来の点火装置では、用途が限定的である上に、全期間において安定した着火を実現することが困難であることが判明した。
さらに、従来の点火装置では、マイクロ波等の極めて高い周波数のエネルギ電源が用いられていたが、本発明者等の鋭意試験により、電源周波数を一定以上高くしても、放電空間内エネルギ密度が飽和状態となるとそれ以上の放電は無駄となり、着火性向上に寄与しないことが判明した。 However, as a result of diligent tests by the present inventors, when the volume of the discharge space is large, combustion gas stays inside, the dielectric is heated, and so-called plane ignition is generated that generates ignition at a timing other than the desired ignition timing. It turns out that there is a risk of inviting.
Also, if the volume of the discharge space is large, it becomes difficult to change the mixture in the back of the discharge space, and the non-equilibrium plasma generated in the back of the discharge space disappears without contributing to volume ignition, or the heating of the central dielectric It was found that the energy loss was large.
On the other hand, in order to use the non-equilibrium plasma generated in the back end of the discharge space, if a strong air flow in the combustion chamber is applied to draw the gas in the discharge space into the combustion chamber, The generated non-equilibrium plasma can also be diffused into the combustion chamber, which is expected to be effective for improving self-ignitability in a diesel engine or the like.
However, the initial flame generated in the discharge space is blown off by the strong in-cylinder airflow, making it difficult to achieve direct volume ignition to the air-fuel mixture by non-equilibrium plasma. However, it was found that it was difficult to achieve stable ignition over the entire period.
Furthermore, in the conventional ignition device, an extremely high frequency energy power source such as a microwave is used. However, even if the power source frequency is increased to a certain level or more by an intensive study by the present inventors, the energy density in the discharge space is reduced. It has been found that when the saturation state is reached, further discharge is wasted and does not contribute to improving the ignitability.

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交流電圧を印加して、発生させた非平衡プラズマと燃焼室内の混合気との反応により、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、印加する交流電圧の周波数を所定の範囲に限定すると共に、放電空間の容積を所定の範囲に限定しつつ、接地電極の高さと誘電体に覆われた中心電極の長さとの関係を所定の範囲に限定することで、プレイグニションの発生を防止しつつ、エネルギ損失を抑制して、安定した着火を実現可能とする点火装置を提供することを目的とする。 Therefore, in view of such circumstances, the present invention provides a mixture of non-equilibrium plasma generated in a combustion chamber by applying an AC voltage between a center electrode and a ground electrode provided in an internal combustion engine and covered with a dielectric. In an ignition device that generates an initial flame by reaction with air to ignite an internal combustion engine, while limiting the frequency of the alternating voltage to be applied to a predetermined range and limiting the volume of the discharge space to a predetermined range, By limiting the relationship between the height of the ground electrode and the length of the center electrode covered with the dielectric to a predetermined range, stable ignition can be achieved while preventing pre-ignition and suppressing energy loss. It is an object of the present invention to provide an ignition device.

請求項１の発明では、内燃機関（５）に設けられ、略棒状の中心電極（１０）と、該中心電極（１０）の少なくとも先端部（１００）を覆いつつ、基端側から上記中心電極（１０）の基端側端末に設けた端子部（１０３）を露出せしめる略有低筒状の中心誘電体（１１）と、該中心誘電体（１１）の外周の一部を覆う略筒状のハウジング（１２）と、該ハウジング（１２）に延設して先端側に向かって略筒状に伸び、上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）に開口せしめた接地電極（１２０、１２１）と、上記中心誘電体（１１）の外周表面の一部と上記接地電極（１２０、１２１）の内周表面とによって区画した放電空間（１３０）とを具備し、上記誘電体（１１）で覆われた上記中心電極（１０）と上記接地電極（１２０、１２１）との間に交流電圧を印加して、上記放電空間（１３０）の内部に、電子温度が高く、分子温度が低い非平衡プラズマ（低温プラズマ）を発生させ、上記放電空間（１３０）の内部において上記燃焼室（５１）の内部に導入した混合気と直接反応させて、初期火炎を生成して上記内燃機関（５）の点火を行う点火装置において、上記交流電圧の周波数（ｆ）を８０ｋＨｚ以上、６２０ｋＨｚ以下に設定すると共に、上記放電空間（１３０）の容積（Ｖ_１３０）を３００ｍｍ^３以下、又は、上記放電空間（１３０）を区画する上記中心誘電体（１１）の外径をφＤ_１１０（ｍｍ）とし、上記接地電極（１２０、１２１）の内径をφＤ_１２０（ｍｍ）とし、上記接地電極内径φＤ_１２０と上記中心誘電体外径φＤ_１１０との差の２分の1を放電ギャップＤ_ＧＰ１（ｍｍ）とし、上記放電空間（１３０）の長さを放電空間長Ｌ_１３０としたとき、上記放電ギャップＤ_ＧＰ１を０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下に、上記放電空間長Ｌ_１３０を１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下に設定したことを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, the central electrode is provided in the internal combustion engine (5) and covers the substantially rod-shaped central electrode (10) and at least the distal end (100) of the central electrode (10) from the proximal end side. (10) a substantially low-cylindrical central dielectric (11) that exposes the terminal portion (103) provided at the proximal end, and a substantially cylindrical shape that covers a part of the outer periphery of the central dielectric (11). Housing (12), and a ground electrode (120, 121) extending in the housing (12) and extending in a substantially cylindrical shape toward the front end side and opened in the combustion chamber (51) of the internal combustion engine (5). ) And a discharge space (130) partitioned by a part of the outer peripheral surface of the central dielectric (11) and the inner peripheral surface of the ground electrode (120, 121), and the dielectric (11) Between the covered center electrode (10) and the ground electrode (120, 121) An AC voltage is applied to generate non-equilibrium plasma (low temperature plasma) having a high electron temperature and a low molecular temperature in the discharge space (130), and in the discharge space (130), the combustion chamber ( 51) In an ignition device that directly reacts with the air-fuel mixture introduced into the interior of the gas generator to generate an initial flame and ignite the internal combustion engine (5), the frequency (f) of the AC voltage is set to 80 kHz or more and 620 kHz or less. setting while the volume of the discharge space (130) to _{(V 130)} 300 mm ³ or less, or, the central dielectric partitioning the discharge space (130) the outer diameter (11) and [phi] D ₁₁₀ and (mm), the inner diameter of the ground electrode (120, 121) and [phi] D ₁₂₀ and (mm), 1 a discharge gap of half the difference between the ground electrode inner diameter [phi] D ₁₂₀ and the central dielectric outside diameter [phi] D ₁₁₀ _GP 1 and (mm), when the length of the discharge space (130) and the discharge space length _{L 130,} the discharge gap _{D GP} 1 to 0.5mm or more, to 2.0mm or less, the discharge space length _{L 130} Is set to 1 mm or more and 10 mm or less.

請求項２の発明では、上記放電空間（１３０）の基端側底部（１１２）を基準として、上記中心誘電体（１１）に埋設された上記中心電極先端部（１００）の末端までの長さを中心電極先端部長Ｌ_１００としたとき、該中心電極先端部長Ｌ_１００を上記放電空間長Ｌ_１３０よりも長く設定する。 In the invention of claim 2, the length from the base end side bottom portion (112) of the discharge space (130) to the end of the center electrode tip portion (100) embedded in the center dielectric (11) the when the center electrode tip director _{L 100,} the said center electrode tip director _{L 100} is set longer than the discharge space length _{L 130.}

請求項３の発明では、上記中心誘電体（１１）の長さを上記中心誘電体（１１）の底部（１１０）の表面から上記内燃機関（５）のピストン（５２）の頂面に至る長さを誘電体ピストン間ギャップＤ_ＧＰ２としたとき、該誘電体ピストン間ギャップＤ_ＧＰ２が上記放電ギャップＤ_ＧＰ１より長くなるように設定する。 In the invention of claim 3, the length of the central dielectric (11) is the length from the surface of the bottom (110) of the central dielectric (11) to the top surface of the piston (52) of the internal combustion engine (5). When the gap is the dielectric piston gap D _GP 2, the dielectric piston gap D _GP 2 is set to be longer than the discharge gap D _GP 1.

本発明によれば、上記放電空間（１３０）の容積（Ｖ_１３０）が一定の範囲に限定されているので、該放電空間（１３０）の内部に発生した燃焼ガスが放電空間（１３０）の内部に滞留せず、速やかに燃焼室（５１）の内部に排出されるので上記中心誘電体（１１）が過熱することがなくプレイグニションの発生が起こり難くなる。
加えて、放電空間（１３０）の内部に放電されたエネルギを効率良く体積点火に利用することが可能となることが本発明者らの鋭意試験により判明した。
さらに、上記中心電極先端部長Ｌ１００を上記放電空間長Ｌ_１３０よりも長く設定することにより、交流電圧の周波数ｆを８０ｋＨｚ以上としたときに、上記放電空間（１３０）の内部だけでなく、放電空間（１３０）から上記燃焼室（５１）側に突出した上記誘電体先端側底部（１１０）と接地電極（１２０）との間でも放電が起こり、より一層広い範囲で体積点火が実現され、着火性の向上を図ることができることが判明した。 According to the present invention, the internal volume of the discharge space (130) so (V ₁₃₀₎ is limited to a certain range, the combustion gas discharge space (130) generated inside the electrical discharge space (130) Therefore, the center dielectric (11) is not overheated, and pre-ignition is unlikely to occur.
In addition, it has been found by the inventors' diligent test that energy discharged into the discharge space (130) can be efficiently used for volume ignition.
Further, the center electrode tip director L100 by setting longer than the discharge space length L _130, a frequency f of the AC voltage when the above 80 kHz, well inside the discharge space (130), a discharge space Discharge also occurs between the dielectric tip bottom portion (110) protruding from the (130) to the combustion chamber (51) side and the ground electrode (120), volume ignition is realized in a wider range, and ignitability. It has been found that the improvement of can be achieved.

本発明の第１の実施形態における点火装置の概要を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline | summary of the ignition device in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第２の実施形態における点火装置の概要を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline | summary of the ignition device in the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第３の実施形態における点火装置の概要を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline | summary of the ignition device in the 3rd Embodiment of this invention. 比較例１として示す従来の点火装置の概要を示す断面図。Sectional drawing which shows the outline | summary of the conventional ignition device shown as the comparative example 1. FIG. 比較例２として示す従来の他の点火装置の概要を示す断面図、Sectional drawing which shows the outline | summary of the other conventional ignition device shown as the comparative example 2. 本発明の点火装置の高エネルギ電源に用いられる（ａ）高周波交流の例を示す特性図、（ｂ）低周波交流の例を示す特性図。The characteristic diagram which shows the example of (a) high frequency alternating current used for the high energy power supply of the ignition device of this invention, (b) The characteristic figure which shows the example of low frequency alternating current. （ａ）、（ｂ）は、本発明第１の実施形態の効果を示す要部断面模式図、（ｃ）、（ｄ）は、本発明第２の実施形態の効果を示す要部断面模式図。(A), (b) is a principal part cross-sectional schematic diagram which shows the effect of the 1st Embodiment of this invention, (c), (d) is a principal part cross-sectional model which shows the effect of the 2nd Embodiment of this invention. Figure. （ａ）、（ｂ）は、比較例１の効果を示す要部断面模式図、（ｃ）、（ｄ）は、比較例２の効果を示す要部断面模式図。(A), (b) is a principal part cross-section schematic diagram which shows the effect of the comparative example 1, (c), (d) is a principal part cross-section schematic diagram which shows the effect of the comparative example 2. 比較例と共に本発明の火炎成長速度に対する効果を示す特性図。The characteristic view which shows the effect with respect to the flame growth rate of this invention with a comparative example. 比較例と共に本発明のプレイグニションに対する効果を示す特性図。The characteristic view which shows the effect with respect to the preignition of this invention with a comparative example. 本発明の点火装置における放電空間容積のプレイグニションに対する効果を示す特性図。The characteristic view which shows the effect with respect to the preignition of the discharge space volume in the ignition device of this invention. （ａ）は、一周期当たりのエネルギを一定としたときの電源周波数と一定時間当たりに供給されるエネルギ量との相関を示す特性図、（ｂ）は、放電空間容積に対する入力エネルギと着火指数との相関を示す特性図。(A) is a characteristic diagram showing the correlation between the power supply frequency when the energy per cycle is constant and the amount of energy supplied per fixed time, and (b) is the input energy and the ignition index with respect to the discharge space volume. The characteristic view which shows correlation with.

本発明は、高過給、高圧縮、高ＥＧＲ、リーン燃焼による高効率、低ＮＯ_Ｘを達成するエンジン等の難着火性の内燃機関に用いられ優れた着火性と耐久性を示す内燃機関点火装置である。
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、略棒状の中心電極１０と、中心電極１０の少なくとも先端部１００を覆いつつ、基端側から中心電極１０の基端側端末に設けた端子部１０３を露出せしめる略有低筒状の中心誘電体１１と、中心誘電体１１の外周の一部を覆う略筒状のハウジング１２と、ハウジング１２に延設して先端側に向かって略筒状に伸び、内燃機関５の燃焼室５１に開口せしめた接地電極１２０、１２１と、中心誘電体１１の外周表面の一部と接地電極１２０、１２１の内周表面とによって区画した放電空間１３０とを具備する。 The present invention, high supercharging, high-compression, high EGR, high efficiency, engine ignition exhibiting excellent ignitability and durability used in flame ignition of the internal combustion engine such as an engine to achieve low NO _X by the lean burn Device.
With reference to FIG. 1, the outline | summary of the ignition device 1 in the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
The ignition device 1 is provided in the internal combustion engine 5 and has a substantially rod-shaped center electrode 10 and a terminal portion 103 provided at a proximal end of the central electrode 10 from the proximal end side while covering at least the distal end portion 100 of the central electrode 10. And a substantially cylindrical housing 11 that exposes a portion of the center dielectric 11, a substantially cylindrical housing 12 that covers a part of the outer periphery of the central dielectric 11, and a substantially cylindrical shape that extends to the housing 12 and extends toward the distal end side. Elongated and grounded electrodes 120 and 121 opened in the combustion chamber 51 of the internal combustion engine 5, and a discharge space 130 partitioned by a part of the outer peripheral surface of the central dielectric 11 and the inner peripheral surface of the grounded electrodes 120 and 121. To do.

点火装置１は、中心誘電体１１で覆われた中心電極１０と接地電極１２０、１２１との間に交流電圧を印加して、記放電空間１３０の内部に、電子温度が高く、分子温度が低い非平衡プラズマ（低温プラズマ）を発生させ、放電空間１３０の内部において燃焼室５１の内部に導入した混合気と直接反応させて、初期火炎を生成して内燃機関５の点火を行うものである。
本発明では、高エネルギ電源２から印加する交流電圧の周波数（ｆ）を８０ｋＨｚ以上、６２０ｋＨｚ以下に設定すると共に、放電空間１３０の容積Ｖ_１３０を３００ｍｍ^３以下に設定し、又は、放電空間１３０を区画する中心誘電体１１の外径をφＤ_１１０（ｍｍ）とし、接地電極１２０、１２１の内径をφＤ_１２０（ｍｍ）とし、接地電極内径φＤ_１２０と中心誘電体外径φＤ_１１０との差の２分の１を放電ギャップＤ_ＧＰ１（ｍｍ）とし、放電空間１３０の長さを放電空間長Ｌ_１３０（ｍｍ）としたとき、放電ギャップＤ_ＧＰ１を０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下に設定し、放電空間長Ｌ_１３０を１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下に設定したことを特徴とする。
さらに、本実施形態においては、放電空間１３０の基端側底部１１２を基準として、中心誘電体１１に埋設された中心電極先端部１００の末端までの長さを中心電極先端部長Ｌ_１００としたとき、中心電極先端部長Ｌ_１００を放電空間長Ｌ_１３０よりも長く設定されている。 The ignition device 1 applies an AC voltage between the central electrode 10 covered with the central dielectric 11 and the ground electrodes 120 and 121, and the electron temperature is high and the molecular temperature is low inside the discharge space 130. Non-equilibrium plasma (low temperature plasma) is generated and reacted directly with the air-fuel mixture introduced into the combustion chamber 51 inside the discharge space 130 to generate an initial flame and ignite the internal combustion engine 5.
In the present invention, the frequency (f) of the AC voltage applied from the high energy power source 2 is set to 80 kHz or more and 620 kHz or less, the volume V ₁₃₀ of the discharge space 130 is set to 300 mm ³ or less, or the discharge space 130 is set to The outer diameter of the partitioning central dielectric 11 is φD ₁₁₀ (mm), the inner diameters of the ground electrodes 120 and 121 are φD ₁₂₀ (mm), and the difference between the ground electrode inner diameter φD ₁₂₀ and the central dielectric outer diameter φD ₁₁₀ is two minutes. 1 is the discharge gap D _GP 1 (mm) and the length of the discharge space 130 is the discharge space length L ₁₃₀ (mm), the discharge gap D _GP 1 is set to 0.5 mm or more and 2.0 mm or less. The discharge space length L ₁₃₀ is set to 1 mm or more and 10 mm or less.
Furthermore, in the present embodiment, when the length to the end of the center electrode tip portion 100 embedded in the central dielectric 11 is defined as the center electrode tip length L ₁₀₀ with reference to the base end side bottom portion 112 of the discharge space 130. It is set longer than the discharge space length _{L 130} of the center electrode leading end director _{L 100.}

中心誘電体１１の長さは、その先端側に設けた中心誘電体底部１１０の表面から内燃機関５のピストン５２の頂面に至るまでの長さを誘電体ピストン間ギャップＤ_ＧＰ２としたとき、誘電体ピストン間ギャップＤ_ＧＰ２が放電ギャップＤ_ＧＰ１より長くなるように設定されている。
ハウジング１２は、接地電極筒状部１２１の外周に設けたネジ部１２２を介して内燃機関５のシリンダヘッド５０に螺結され接地状態となっている。 The length of the central dielectric 11 when the distance from the surface of the central dielectric bottom 110 provided on the tip side to the top surface of the piston 52 of the internal combustion engine 5 is the dielectric piston gap D _GP 2. The gap between the dielectric pistons D _GP 2 is set to be longer than the discharge gap D _GP 1.
The housing 12 is screwed to the cylinder head 50 of the internal combustion engine 5 via a screw portion 122 provided on the outer periphery of the ground electrode cylindrical portion 121 and is in a grounded state.

点火装置１は、内燃機関５の運転状況に応じて、電子制御装置（ＥＣＵ）３から発信された点火信号にしたがって、高エネルギ電源２から所定の周波数（８０ｋＨｚ〜６２０ｋＨｚ）の交流電圧を、中心電極１０と接地電極筒状部１２１との間に所定時間だけ印加することにより、放電空間１３０内の複数箇所に非平衡プラズマを発生させ、燃焼室５１から放電空間１３０内に取り込まれた混合気との直接的で、同時多発的な反応により初期火炎核を発生させ体積着火を実現するものである。
本発明においては放電空間１３０を一定の容積に限定することで、放電空間１３０内に放電された非平衡プラズマのエネルギを効率的に利用すると共に、放電空間１３０内に発生した火炎核の滞留を防ぎ、中心誘電体１１０の過熱によるプレイグニションの発生を防止するものである。 The ignition device 1 is configured to center an alternating voltage of a predetermined frequency (80 kHz to 620 kHz) from the high energy power source 2 in accordance with an ignition signal transmitted from an electronic control unit (ECU) 3 in accordance with an operation state of the internal combustion engine 5. By applying a predetermined time between the electrode 10 and the ground electrode cylindrical portion 121 for a predetermined time, non-equilibrium plasma is generated at a plurality of locations in the discharge space 130, and the air-fuel mixture taken into the discharge space 130 from the combustion chamber 51. The initial flame kernel is generated by direct and simultaneous multiple reactions, and volume ignition is realized.
In the present invention, by limiting the discharge space 130 to a certain volume, the energy of the non-equilibrium plasma discharged in the discharge space 130 is efficiently used, and the residence of flame nuclei generated in the discharge space 130 is prevented. This prevents the occurrence of preignition due to overheating of the central dielectric 110.

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、中心電極先端部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。
中心電極先端部１００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先端部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。
中心電極端子部１０３は、外部に設けた高エネルギ電源２に接続されている。 The center electrode 10 is made of a highly conductive material formed in a long axis shape, and includes a center electrode tip portion 100, a center electrode coupling portion 101, a center electrode stem portion 102, and a center electrode terminal portion 103. Yes.
The center electrode tip portion 100 may be made of a nickel alloy having high conductivity and excellent heat resistance, or a material in which a highly conductive material such as copper is combined.
Note that the center electrode tip portion 100 and the center electrode stem portion 102 are provided separately to facilitate molding, and electrical conduction is achieved through the center electrode coupling portion 101.
The center electrode terminal portion 103 is connected to a high energy power source 2 provided outside.

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、先端側筒状部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によって構成されている。 The central dielectric 11 is formed in a substantially bottomed cylindrical shape using a high heat-resistant dielectric material such as alumina or zirconia, and the central dielectric 11 includes a distal end side bottom 110, a distal end side cylindrical portion 111, a discharge. The space base portion 112, the electrode holding portion 113, the enlarged diameter portion 114, the head portion 115, the center electrode insertion holes 116 and 118, and the electrode locking surface 117 are configured.

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。 The diameter-expanded portion 114 is expanded so as to increase in diameter in the outer diameter direction, and is fixed by caulking the housing 12 from above and below via a substantially annular sealing member.
The sealing members 160 and 161 ensure airtightness by using a known sealing member such as a metal seal formed in a substantially annular shape, a powder molded body in which talc or the like is formed in a substantially cylindrical shape.
The head portion 115 exposed to the proximal end side of the housing 12 ensures insulation so that no discharge occurs between the center electrode terminal portion 103 and the housing 12.

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。
中心誘電体１１０の先端側筒状部１１１の外周面と放電空間基底部１１２と接地電極筒状部１２１の内周面とによって、中心誘電体１１０の外周を取り囲むように略筒状の放電空間１３０が区画されている。 If necessary, the base 115 of the head 115 is formed in a corrugated shape in which concave and convex surfaces are alternately arranged to increase the insulation distance, and further creeping discharge is generated between the electrode terminal portion 103 and the housing 12. You may make it hard to happen.
The long-axis center electrode 10 is inserted into the center electrode insertion holes 116 and 118, and the coupling portion 101 of the center electrode 10 is locked and fixed by the electrode locking surface 117.
A substantially cylindrical discharge space is formed so as to surround the outer periphery of the central dielectric 110 by the outer peripheral surface of the front end side cylindrical portion 111 of the central dielectric 110, the discharge space base portion 112, and the inner peripheral surface of the ground electrode cylindrical portion 121. 130 is partitioned.

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Ｈ_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。
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。 The housing 12 is formed in a substantially cylindrical shape using a known metal material such as iron, nickel, and stainless steel, and is exposed to a predetermined height H ₁₂₀ from the inner wall of the cylinder head 50 into the combustion chamber 51. The ground electrode tip exposed portion 120, the ground electrode cylindrical portion 121 that partitions the discharge space 130 between the center dielectric 11, the screw portion 122 for fixing to the cylinder head 50, and the enlarged diameter portion 114 of the central dielectric 11. Are formed by a locking portion 123 for holding the screw, a caulking portion 124 for caulking and fixing the enlarged diameter portion 114 via the sealing members 160 and 161, a hexagonal portion 125 for screwing the screw portion 122, and the like.
In the ignition device 1 of the present invention, thermal plasma is not generated at the time of discharge, so that it is essentially difficult for the electrode to be consumed. Therefore, the ground electrode tip exposed portion 120, the center electrode tip portion 100, etc. There is no need to use a special material excellent in heat resistance, and a material used for a general spark plug can be appropriately selected.

本実施形態においては、放電空間基底部１１２を基準とし、接地電極露出部１２０の先端に至るまでの放電空間１３０の長さを放電空間長Ｌ_１３０とし、中心誘電体１１内に埋設された中心電極先端部１００の末端に至るまでの長さを中心電極先端部長Ｌ_１００としたとき、Ｌ_１３０＜Ｌ_１００の関係を満たすように、より具体的には、中心電極先端部１００及び先端側底部１１０が接地電極先端部１２０の末端よりも燃焼室５１内に突出した構成となっている。
さらに、本実施形態においては、中心誘電体１１の先端側底部１１０の末端からピストン５２の頂面までの距離Ｄ_ＧＰ１が、中心誘電体１１の先端側筒状部１１１の外径φＤ１１０と接地電極筒状部１２１の内径φＤ１２１との間隙Ｄ_ＧＰ２よりも短くならないよう、中心誘電体１１の突き出長Ｌ_１１０を制限することによって、中心誘電体１１と接地電極１２０との間での放電が優先され、中心誘電体先端側底部１１０とピストン５２の頂面との間で放電が起こらないようにしてある。 In the present embodiment, the discharge space base L 112 is used as a reference, and the length of the discharge space 130 reaching the tip of the ground electrode exposed portion 120 is the discharge space length L ₁₃₀ , and the center embedded in the central dielectric 11 is used. More specifically, when the length up to the end of the electrode tip ₁₀₀ is defined as the center electrode tip length L ₁₀₀ , more specifically, the center electrode tip 100 and the tip-side bottom portion satisfy the relationship of L ₁₃₀ <L _100. 110 is configured to protrude into the combustion chamber 51 from the end of the ground electrode tip 120.
Further, in the present embodiment, the distance D _GP 1 from the end of the front end bottom portion 110 of the central dielectric 11 to the top surface of the piston 52 is equal to the outer diameter φD110 of the front end cylindrical portion 111 of the central dielectric 11. so as not shorter than the gap _{D GP} 2 of the inner diameter φD121 electrode tubular portion 121, by limiting the projecting length _{L 110} of the center dielectric 11, a discharge between the center dielectric 11 and the ground electrode 120 Priority is given so that no discharge occurs between the bottom 110 of the center dielectric tip side and the top surface of the piston 52.

シリンダヘッド５０の燃焼室５１に望む内壁を基準として、接地電極突出高Ｈ_１２０が設定されており、少なくとも、接地電極突出高Ｈ_１２０が、例えば、３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下の範囲に設けて、放電空間１３０内に発生した初期火炎が、燃焼室５１内の気流によって吹き消されないようにしてある。
加えて、本発明においては、放電空間長Ｌ_１３０を一定の範囲に制限することで、放電空間１３０の容積Ｖ_１３０（＝π（φＤ_１２０ ^２−φＤ_１１０ ^２）・Ｌ_１３０／４）を小さくして放電空間１３０内に初期火炎が滞留するのを防ぎ、中心誘電体１１からの受熱によるプレイグニションの発生を抑制している。
また、本発明者等の鋭意試験により、放電空間１２０の容積Ｖ_１３０を３００ｍｍ^３以下とするのが望ましいことが判明した。詳細については、図１１を参照して後述する。 The ground electrode protrusion height _H120 is set with reference to the inner wall desired for the combustion chamber 51 of the cylinder head 50, and at least the ground electrode protrusion height _H120 is provided in a range of 3 mm or more and 25 mm or less, for example. The initial flame generated in the space 130 is prevented from being blown out by the air flow in the combustion chamber 51.
In addition, in the present invention, a discharge space length _{L 130} to limit to a certain extent, reduce the volume _{V 130} of the discharge space _{^{130 (= π (φD 120 2}} -φD 110 2) · L 130/4) Thus, the initial flame is prevented from staying in the discharge space 130, and the occurrence of preignition due to heat reception from the central dielectric 11 is suppressed.
Moreover, the intensive study of the present inventors, the volume _{V 130} of the discharge space 120 has been found that it is desirable to 300 mm ³ or less. Details will be described later with reference to FIG.

図２を参照して本発明の第２の実施形態における点火装置１ａについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、相違する部分には枝番としてアルファベットの符号を付したので説明を省略し、相違点を中心に説明する。以下の、実施例及び比較例においても同様である。
上記実施形態においては、中心電極先端部１００及び中心誘電体１１の先端側底部１１０が接地電極露出部１２０より燃焼室側に突出した構成を示したが、本実施形態においては、中心電極先端部１００ａが接地電極露出部１２０と同じかそれよりも基端側に引き込んだ位置となるように形成されている点が相違する。 An ignition device 1a according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the structure similar to the said embodiment, and since the code | symbol of the alphabet was attached to the different part as a branch number, description is abbreviate | omitted and it demonstrates centering on difference. The same applies to the following examples and comparative examples.
In the above-described embodiment, the configuration in which the center electrode tip portion 100 and the tip-side bottom portion 110 of the center dielectric 11 protrude from the ground electrode exposed portion 120 to the combustion chamber side is shown. However, in this embodiment, the center electrode tip portion The difference is that 100a is formed to be the same as or exposed to the base end side from the ground electrode exposed portion 120.

本発明の最も効果的な構成は、第１の実施形態に示したように、中心電極先端部１００を、接地電極露出部１２０よりも先端側に突出すように、中心電極先端部長Ｌ_１００を放電空間長Ｌ_１３０よりも長く設定するのが望ましいが、本実施形態のように、中心電極先端部長Ｌ_１００ａを放電空間長Ｌ_１３０以下となるように設定しても良い。
この場合、上記実施形態に比べれば、着火性は劣るが、放電空間１３０の容積を第１の実施形態と同様に、一定の範囲に制限することで、放電空間１３０内に発生した非平衡プラズマによる体積着火を効率良く行うことを可能とすると共に、放電空間１３０内部に燃焼ガスが滞留するのを防ぎプレイグニションを抑制できる。 In the most effective configuration of the present invention, as shown in the first embodiment, the center electrode tip portion length L ₁₀₀ is set so that the center electrode tip portion 100 protrudes further to the tip side than the ground electrode exposed portion 120. Although it is desirable to set it longer than the discharge space length L ₁₃₀ , the center electrode tip length L ₁₀₀ a may be set to be equal to or less than the discharge space length L ₁₃₀ as in this embodiment.
In this case, the ignitability is inferior to that in the above embodiment, but the non-equilibrium plasma generated in the discharge space 130 is limited by limiting the volume of the discharge space 130 to a certain range as in the first embodiment. It is possible to efficiently perform the volume ignition by the above, and to prevent the combustion gas from staying in the discharge space 130 and to suppress the preignition.

図３を参照して、本発明の第３の実施形態における点火装置１ｂについて説明する。
本実施形態は、第１の実施形態と基本的には同様の構成であるが、第１の実施形態においては、中心誘電体１１の一部を放電空間基底部１１２として利用する構造について説明したが、本実施形態においては、接地電極筒状部１２１ｂの基端側を縮径して、放電空間基底部１２６としている点が相違する。
誘電体よりも熱伝導率の高い金属によって放電空間基底部１２６が形成されているので、上述の効果と同様の効果に加え、中心誘電１１の一部を拡径して放電空間基底部１１２を形成した場合に比べ、消炎効果が大きくなり、プレイグニションの抑制効果が高くできる。 With reference to FIG. 3, the ignition device 1b in the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated.
The present embodiment has basically the same configuration as that of the first embodiment. However, in the first embodiment, a structure in which a part of the central dielectric 11 is used as the discharge space base 112 has been described. However, the present embodiment is different in that the base end side of the ground electrode cylindrical portion 121b is reduced in diameter to form the discharge space base portion 126.
Since the discharge space base 126 is formed of a metal having a higher thermal conductivity than the dielectric, in addition to the same effects as described above, a part of the central dielectric 11 is expanded to form the discharge space base 112. Compared with the case where it forms, the flame-extinguishing effect becomes large and the pre-ignition suppressing effect can be enhanced.

第１の実施形態における点火装置１は、リーンバーンエンジンなどの着火しにくいエンジンに適する。リーンバーンはプレイグニションも発生し難いため、着火性の優れる点火装置１を使うのが望ましい。
また、第２の実施形態における点火装置１ａは、一般のＡ／Ｆストイキで運転するエンジンに適する。
さらに、第３の実施形態における点火装置１ｂは、過給エンジンなどプレイグニションが発生し易いエンジンに適する。点火装置１ｂは、着火性は点火装置１に劣る反面、プレイグニションは発生し難い。
したがって、適用する内燃機関の燃焼特性に応じて、第１の実施形態における点火装置１、第２の実施形態における点火装置１ａ、第３の実施形態における点火装置１ｂとを使い分けることで、より安定した着火性能を発揮することができる。 The ignition device 1 according to the first embodiment is suitable for an engine that does not easily ignite, such as a lean burn engine. Since lean burn hardly causes preignition, it is desirable to use the ignition device 1 having excellent ignitability.
Moreover, the ignition device 1a in the second embodiment is suitable for an engine that operates with a general A / F stoichiometry.
Furthermore, the ignition device 1b in the third embodiment is suitable for an engine in which pre-ignition is likely to occur, such as a supercharged engine. The ignition device 1b is inferior to the ignition device 1 in terms of ignitability, but preignition is unlikely to occur.
Therefore, according to the combustion characteristics of the internal combustion engine to be applied, the ignition device 1 according to the first embodiment, the ignition device 1a according to the second embodiment, and the ignition device 1b according to the third embodiment can be used more stably. Ignition performance can be demonstrated.

図４を参照して、比較例１として示す、従来の点火装置１ｚについて説明する。
比較例１では、中心誘電体１１ｚの先端側底部１１０ｚと中心電極筒状部１２１ｚの先端とが略面一となるように形成されており、また、放電空間１３０ｚの長さＬ_１３０ｚは、１０ｍｍより長く形成されている。
また、接地電極筒状部１２１ｚの先端は、燃焼室５１を区画するシリンダヘッド５０の内壁と略面一となっており、燃焼室５１内に突き出していない。
このような構成とした場合、第１の実施形態に比べ、火炎成長速度が遅く、また、燃焼機関の運転条件によっては、放電空間１３０ｚ内に燃焼ガスが滞留してプレイグニションが発生したり、燃焼室５１内に強い筒内気流が存在する場合には、放電空間１３０ｚ内に発生した非プラズマ放電が燃焼室５１内に拡散し、体積点火が困難となる虞がある。 With reference to FIG. 4, the conventional ignition device 1z shown as the comparative example 1 is demonstrated.
In Comparative Example 1, the bottom end 110z of the center dielectric 11z and the tip of the center electrode cylindrical portion 121z are substantially flush with each other, and the length L ₁₃₀ z of the discharge space 130z is: It is formed longer than 10 mm.
The tip of the ground electrode cylindrical portion 121 z is substantially flush with the inner wall of the cylinder head 50 that partitions the combustion chamber 51, and does not protrude into the combustion chamber 51.
When such a configuration is used, the flame growth rate is slower than in the first embodiment, and depending on the operating conditions of the combustion engine, combustion gas may stay in the discharge space 130z and pre-ignition may occur. When a strong in-cylinder airflow is present in the combustion chamber 51, non-plasma discharge generated in the discharge space 130z may diffuse into the combustion chamber 51, making volume ignition difficult.

図５を参照して、比較例２として示す点火装置１ｙについて説明する。点火装置１ｙは、第１の実施形態における点火装置１と同様に、放電空間長Ｌ１３０ｙよりも、中心電極先端部長Ｌ１００ｙが長くなっているが、中心誘電体１１ｙの先端側底部１１０ｙの表面からピストン５２の頂面までの距離Ｄ_ＧＰ２が、中心誘電体１１０ｙの表面から接地電極筒状部１２１ｙの内周表面までの距離Ｄ_ＧＰ１よりも短く形成されている点と、放電空間長Ｌ_１３０ｙが、１０ｍｍを超える長さに形成されている点が相違する。 With reference to FIG. 5, the ignition device 1y shown as the comparative example 2 is demonstrated. Like the ignition device 1 in the first embodiment, the ignition device 1y has a center electrode tip length L100y that is longer than the discharge space length L130y, but the piston from the surface of the tip-side bottom portion 110y of the center dielectric 11y. The distance D _GP 2 to the top surface of 52 is formed shorter than the distance D _GP 1 from the surface of the central dielectric 110y to the inner peripheral surface of the ground electrode cylindrical portion 121y, and the discharge space length L ₁₃₀ The difference is that y is formed to a length exceeding 10 mm.

図６を参照して、本発明に用いられる高エネルギ電源２から供給される交流電圧の周波数の違いによる放電開始電圧、及び、放電開始時間の違いについて説明する。
図６（ａ）に示すように、例えば、周波数を３５０ｋＨｚとした場合のように、比較的周波数の高い交流電源を用いた場合、電圧の立ち上がりが早く、放電開始電圧が高くなることが判明した。
一方、図６（ｂ）に示すように、例えば、周波数を１５ｋＨｚとした場合のように、比較的周波数の低い交流電源を用いた場合、電圧の立ち上がりが遅く、放電開始のタイミングは遅くなる反面、放電開始電圧は、低くなることが判明した。
高周波と低周波とは、エンジン回転数に応じて使い分けることで、過剰なエネルギ供給をさけ、プレイグニションを抑制しつつ、効率的に体積プラズマを発生させることができる。 With reference to FIG. 6, the difference in the discharge start voltage and the discharge start time by the difference in the frequency of the alternating voltage supplied from the high energy power supply 2 used for this invention is demonstrated.
As shown in FIG. 6A, for example, when an AC power source having a relatively high frequency is used, such as when the frequency is 350 kHz, it has been found that the voltage rises quickly and the discharge start voltage increases. .
On the other hand, as shown in FIG. 6B, for example, when an AC power supply having a relatively low frequency is used, such as when the frequency is 15 kHz, the rise of the voltage is slow, and the timing of starting discharge is delayed. It was found that the discharge start voltage was lowered.
By selectively using the high frequency and the low frequency according to the engine speed, it is possible to efficiently generate volume plasma while avoiding excessive energy supply and suppressing preignition.

図７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と、第２の実施形態における点火装置１ａを用いた場合の入力周波数の変化に対する放電の様子の違いについて説明する。
点火装置１に対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、１５ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは１５ｍＪとなり、本図（ａ）に示すように、放電空間１３０内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。
点火装置１に対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、３５０ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは３５０ｍＪとなり、本図（ｂ）に示すように、放電空間１３０内だけでなく、放電空間１３０から飛び出した中心誘電体底部１１０に近い位置と接地電極露出部１２０との間にも複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。 With reference to FIG. 7, the difference in the state of the discharge with respect to the change of the input frequency at the time of using the ignition device 1 in the first embodiment of the present invention and the ignition device 1a in the second embodiment will be described.
When the energy per cycle is 2 mJ / T and an alternating current of 15 kHz is applied to the ignition device 1 for 0.5 ms, the input energy is 15 mJ. As shown in FIG. Streamer STR occurs at a plurality of locations.
When the energy per cycle is 2 mJ / T and an alternating current of 350 kHz is applied for 0.5 ms to the ignition device 1, the input energy is 350 mJ, and as shown in FIG. In addition, streamers STR are generated at a plurality of locations between the position near the bottom portion 110 of the central dielectric that protrudes from the discharge space 130 and the ground electrode exposed portion 120.

点火装置１ａに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、１５ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは１５ｍＪとなり、本図（ｃ）に示すように、点火プラグ１０を用いたときと同様、放電空間１３０内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。
点火装置１ａに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、３５０ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは３５０ｍＪとなり、本図（ｄ）に示すように、放電空間１２０内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。低周波の場合に比べ印加電圧の周波数が高いとそれだけ、放電回数が多くなる。 When the energy per cycle is 2 mJ / T and an alternating current of 15 kHz is applied for 0.5 ms to the ignition device 1a, the input energy is 15 mJ. As shown in FIG. As when used, streamers STR are generated at a plurality of locations in the discharge space 130.
When the energy per cycle is 2 mJ / T and an alternating current of 350 kHz is applied for 0.5 ms to the ignition device 1a, the input energy is 350 mJ, and as shown in FIG. Streamer STR occurs at a plurality of locations. When the frequency of the applied voltage is higher than in the case of the low frequency, the number of discharges increases accordingly.

図８を参照して、比較例１として示した点火装置１ｚと、比較例２として示した点火装置１ｙを用いた場合の入力周波数の変化に対する放電の様子の違いについて説明する。
点火装置１ｚに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、１５ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは１５ｍＪとなり、本図（ａ）に示すように、放電空間１３０ｚ内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。このとき、放電空間１３０ｚの容積が点火装置１に比べて大きいので、より多くの場所にストリーマＳＴＲが発生する。 With reference to FIG. 8, the difference in the discharge state with respect to the change of the input frequency when the ignition device 1z shown as the comparative example 1 and the ignition device 1y shown as the comparative example 2 are used will be described.
When the energy per cycle is 2 mJ / T and an alternating current of 15 kHz is applied for 0.5 ms to the ignition device 1 z, the input energy is 15 mJ, and as shown in FIG. Streamer STR occurs at a plurality of locations. At this time, since the volume of the discharge space 130z is larger than that of the ignition device 1, the streamer STR is generated in more places.

点火装置１ｚに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、３５０ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは３５０ｍＪとなり、本図（ｂ）に示すように、放電空間１３０ｚ内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。また、印加電圧の周波数が高いので、低周波を印加した場合に比べ放電回数は多くなっている。
点火装置１ｙに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、１５ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは１５ｍＪとなり、本図（ｃ）に示すように、放電空間１３０ｙ内だけでなく、中心誘電体１１０ｙの表面とピストン５２の表面との間にストリーマＳＴＲが発生し、放電空間１３０ｙ内に発生するストリーマＳＴＲは少なくなる。 When the energy per cycle is 2 mJ / T and an alternating current of 350 kHz is applied for 0.5 ms to the ignition device 1 z, the input energy is 350 mJ, and as shown in FIG. Streamer STR occurs at a plurality of locations. In addition, since the frequency of the applied voltage is high, the number of discharges is larger than when a low frequency is applied.
When the energy per cycle is 2 mJ / T and an alternating current of 15 kHz is applied for 0.5 ms to the ignition device 1y, the input energy is 15 mJ, and as shown in FIG. In addition, the streamer STR is generated between the surface of the central dielectric 110y and the surface of the piston 52, and the streamer STR generated in the discharge space 130y is reduced.

点火装置１ｙに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、３５０ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは３５０ｍＪとなり、本図（ｄ）に示すように、放電空間１３０ｙ内だけでなく、中心誘電体１１０ｙの表面とピストン５２の表面との間にストリーマＳＴＲが発生し、放電空間１３０ｙ内に発生するストリーマＳＴＲは少なくなる。また、印加電圧の周波数が高いので、低周波を印加した場合に比べ放電回数は多くなっている。
発生するストリーマＳＴＲは、放電空間の容積が大きい分だけ点火装置１、１ａよりも点火装置１ｚ、１ｙの方が多くなっている。 When the energy per cycle is 2 mJ / T and an alternating current of 350 kHz is applied for 0.5 ms to the ignition device 1y, the input energy is 350 mJ, and as shown in FIG. In addition, the streamer STR is generated between the surface of the central dielectric 110y and the surface of the piston 52, and the streamer STR generated in the discharge space 130y is reduced. In addition, since the frequency of the applied voltage is high, the number of discharges is larger than when a low frequency is applied.
The generated streamer STR is larger in the igniters 1z and 1y than in the igniters 1 and 1a because the volume of the discharge space is larger.

そこで、点火装置１、点火装置１ａ、点火装置１ｚ、点火装置１ｙを用いて、エンジンの燃焼室内を観察可能とした可視化エンジンにて着火性の違いを観察した。
観察したエンジン条件は、回転数２０００ｒｐｍ、ＩＭＥＰ０．３ＭＰａで、放電開始２．０ｍｓ後の火炎の大きさを測定し、周波数１５ｋＨｚにおける火炎面積を１として、相対値を着火性指標とし、印加周波数を増減して、着火性指数の変化を調査した。その結果を図９に示す。 Therefore, the ignition device 1, the ignition device 1a, the ignition device 1z, and the ignition device 1y were used to observe the difference in ignitability in a visualization engine that enabled observation of the combustion chamber of the engine.
The observed engine conditions were a rotational speed of 2000 rpm, IMEP 0.3 MPa, a flame size of 2.0 ms after the start of discharge, a flame area at a frequency of 15 kHz as 1, a relative value as an ignitability index, and an applied frequency as The change in ignitability index was investigated by increasing and decreasing. The result is shown in FIG.

図９に示すように、点火装置１と点火装置１ａとは、放電空間１３０の容積Ｖ_１３０は、同じであるが、点火装置１の方が印加周波数を増加に伴う着火性指数の増加が早く、着火性が良いことが判る。
これは、図７（ｂ）に示したように、点火装置１では、印加周波数が高くなると、放電空間１３０の外でも放電が起こり、それだけ早く火炎成長が進むためと推察される。 As shown in FIG. 9, the ignition device 1 and the ignition device 1a have the same volume V ₁₃₀ of the discharge space 130, but the ignition device 1 has a faster increase in the ignitability index as the applied frequency increases. It can be seen that the ignitability is good.
As shown in FIG. 7B, this is presumed that, in the ignition device 1, when the applied frequency is increased, discharge occurs outside the discharge space 130, and the flame growth proceeds faster.

一方、点火装置１ｚでは、放電空間容積Ｖ_１３０ｚが点火装置１、１ａの放電空間容積Ｖ_１３０より大きく、図８に示したように、より多くの場所にストリーマＳＴＲが発生しているにも拘わらず、着火性指数は、点火装置１、１ａよりも低い結果となった。
これは、従来の点火装置１ｚでは、放電空間１３０ｚの奥の方に発生したストリーマＳＴＲが体積点火に利用されず、無駄になっていたものと推察される。 On the other hand, in the ignition device 1z, the discharge space volume V ₁₃₀ z is larger than the discharge space volume V ₁₃₀ of the ignition devices 1 and 1a, and the streamer STR is generated in more places as shown in FIG. Regardless, the ignitability index was lower than that of the ignition devices 1 and 1a.
This is presumed that in the conventional ignition device 1z, the streamer STR generated in the back of the discharge space 130z was not used for volume ignition and was wasted.

さらに、点火装置１ｙでは、体積着火を実現することができなかった。これは、燃焼室５１内の広い空間で中心誘電体底部１１０ｙとピストン５２の表面との間でストリーマ放電が発生しても、燃焼室５１内に発生している筒内気流によって吹き飛ばされて燃焼室５１内に拡散してしまい、体積着火に至らなかったためと推察される。 Furthermore, the ignition device 1y could not realize volume ignition. Even if streamer discharge is generated between the center dielectric bottom 110y and the surface of the piston 52 in a wide space in the combustion chamber 51, the combustion is blown off by the in-cylinder airflow generated in the combustion chamber 51. It is guessed that it diffused into the chamber 51 and did not lead to volume ignition.

そして、本図に示すように、いずれの点火装置１、１ａ、１ｚにおいても、一定以上、印加周波数を高くしても、それ以上着火性指数を向上させることはできないことが判明した。
具体的には、印加周波数を８０ｋＨｚ以上、６２０ｋＨｚ以下の範囲とすることで、着火性の向上を図ることができると期待される。 And as shown in this figure, it became clear that in any of the ignition devices 1, 1a, 1z, the ignitability index could not be further improved even if the applied frequency was increased above a certain level.
Specifically, it is expected that ignitability can be improved by setting the applied frequency in the range of 80 kHz or more and 620 kHz or less.

図１０を参照して、本発明の実施例１（点火装置１）、２（点火装置１ａ）、３（点火装置１ｂ）と、比較例１（点火装置１ｚ）のプレイグニションの発生状況の違いを調査した結果について説明する。
なお、比較例２として示した点火装置１ｙは、そもそも体積点火を起こし難くプレイグニションは発生しないため比較対象から除外した。
プレイグニションの発生し易い燃焼条件として、空燃比をストイキとし、エンジン回転数を４０００ｐｍとした過給エンジンにおいて、吸気圧を大気圧基準として６０ｋＰａ．Ｇから１１０ｋＰａ．Ｇまで上昇させたときのプレイグニションの発生有無を調査した。
なお、本試験に用いた点火装置１、１ａ、１ｂにおいては、放電空間容積Ｖ_１３０を１７０ｍｍ^３、接地電極内径Ｄ_１２０を８．７ｍｍ、中心誘電体外径Ｄ_１１０を５．７ｍｍ、第１の放電ギャップＤ_ＧＰ１を１．５ｍｍ、放電空間長Ｌ_１３０を５ｍｍとしたものを用いた。 Referring to FIG. 10, the difference in the occurrence of preignition between Examples 1 (ignition device 1), 2 (ignition device 1a), 3 (ignition device 1b) and Comparative Example 1 (ignition device 1z) of the present invention. The results of the investigation will be described.
Note that the ignition device 1y shown as the comparative example 2 was excluded from the comparison target because it is difficult to cause volume ignition in the first place and preignition does not occur.
In a supercharged engine in which the air-fuel ratio is stoichiometric and the engine speed is 4000 pm, the combustion conditions that are likely to cause pre-ignition are 60 kPa. G to 110 kPa. The presence or absence of pre-ignition when it was raised to G was investigated.
In the ignition devices 1, 1 a, and 1 b used in this test, the discharge space volume V ₁₃₀ is 170 mm ³ , the ground electrode inner diameter D ₁₂₀ is 8.7 mm, the central dielectric outer diameter D ₁₁₀ is 5.7 mm, and the first A discharge gap D _GP 1 of 1.5 mm and a discharge space length L ₁₃₀ of 5 mm were used.

比較例１として用いた点火装置１ｚにおいては、放電空間容積Ｖ_１３０ｚを約８００ｍｍ^３、接地電極内径Ｄ_１２０を８．７ｍｍ、中心誘電体外径Ｄ_１１０を５．７ｍｍ、第１の放電ギャップＤ_ＧＰ１を１．５ｍｍ、放電空間長Ｌ_１３０を２３．５ｍｍとしたものを用いた。
吸気圧が高い、即ち、トルクが高い条件となるほど、燃焼温度が上昇しプレイグニションが発生し易くなる。 In the ignition device 1z used as Comparative Example 1, the discharge space volume V ₁₃₀ z is about 800 mm ³ , the ground electrode inner diameter D ₁₂₀ is 8.7 mm, the central dielectric outer diameter D ₁₁₀ is 5.7 mm, and the first discharge gap D _GP 1 with 1.5 mm and discharge space length L ₁₃₀ of 23.5 mm was used.
The higher the intake pressure, i.e., the higher the torque, the higher the combustion temperature and preignition is likely to occur.

本図に示すように、比較例１が最もプレイグニションを発生し易いことが判明した。これは、比較例１として示した点火装置１ｚにおいては、本発明の点火装置１、１ａ、１ｂに比べ放電空間１３０ｚの容積が大きく、燃焼気体が放電空間１３０ｚの奥に滞留し、中心誘電体１１０ｚの温度が過剰に高くなり易いためと推察される。
また、実施例１（点火装置１）に比べて、実施例２（点火装置１ａ）の方がプレイグニションが発生し難く、さらに、実施例３（点火装置１ｂ）が最もプレイグニションが発生し難いことが明らかとなった。 As shown in the figure, it was found that Comparative Example 1 is most likely to generate preignition. This is because, in the ignition device 1z shown as the comparative example 1, the volume of the discharge space 130z is larger than that of the ignition devices 1, 1a, and 1b of the present invention, and the combustion gas stays in the back of the discharge space 130z. It is assumed that the temperature of 110z tends to be excessively high.
Further, compared to the first embodiment (ignition device 1), the second embodiment (ignition device 1a) is less likely to cause preignition, and the third embodiment (ignition device 1b) is least likely to cause preignition. It became clear.

これは、実施例１においては、中心誘電体１１０が長く、燃焼室５２内に突き出しているため、発生する燃焼熱によっても加熱され易いのに加え熱容量が大きくなっているためと推察される。
また、実施例３においては、実施例１と同様に中心誘電体１１０ｂが長く、燃焼室５２内に突き出しているが、金属製のハウジング１２の一部を利用して、放電空間基底部１２１ｂが形成されているおり、熱伝導性が高く、中心誘電体１１０ｂの熱を速やかに放熱するため、プレイグニションが起こり難くなっていると考えられる。 This is presumably because, in Example 1, the central dielectric 110 is long and protrudes into the combustion chamber 52, so that it is easily heated by the generated combustion heat and the heat capacity is increased.
In the third embodiment, the central dielectric 110b is long and protrudes into the combustion chamber 52 as in the first embodiment. However, the discharge space base 121b is formed using a part of the metal housing 12. Since it is formed, the thermal conductivity is high, and the heat of the central dielectric 110b is quickly dissipated. Therefore, it is considered that preignition hardly occurs.

図１１を参照して、本発明者等が行った、本発明の点火装置において、プレイグニション抑制効果の高い放電空間容積Ｖ_１３０の調査結果について説明する。
プラグ形状１(実施例１）のφＤ_１１０が５．６ｍｍ、第１のプラグギャップＤ_ＧＰ１を０．５〜２．０ｍｍの範囲で、放電空間長Ｌ_１１０を１．０〜１０ｍｍの範囲で変更し、放電空間容積Ｖ_１３０を変更させたプラグを用いて、プレイグの発生状況を調査した。
エンジン条件は、回転数４０００ｐｍ、吸気圧６０ｋＰａ．Ｇ、Ａ／Ｆストイキである。
その結果、図１１に示すように、容積Ｖ_１３０が３００ｍｍ^３を超えると、プレイグニションの発生確率が急激に高くなり、３００ｍｍ^３以下では、プレイグニションがほとんど発生しないことが判明した。
放電空間容積Ｖ_１３０の大きなプラグでは、第１の放電ギャップＤ_ＧＰ１が広く、放電空間長Ｌ_１３０が長いため、放電空間１３０内で着火した場合に火炎が燃焼室まで伝播し難く放電空間１３０内に滞留し、中心誘電体１２０が過剰に熱せられ、プレイグニションが発生し易くなるものと考えられる。
反対に第１の放電ギャップＤ_ＧＰ１が狭い場合は、放電空間１３０内で着火した場合に、燃焼室まで直ちに火炎伝播され、中心誘電体１２０に蓄熱され難いためプレイグに至りにくいものと推察される。 With reference to FIG. 11, the investigation result of the discharge space volume V ₁₃₀ having a high preignition suppressing effect in the ignition device of the present invention performed by the present inventors will be described.
In the plug shape 1 (Example 1), φD ₁₁₀ is 5.6 mm, the first plug gap D _GP 1 is in the range of 0.5 to 2.0 mm, and the discharge space length L ₁₁₀ is in the range of 1.0 to 10 mm. Using the plug that was changed and the discharge space volume V ₁₃₀ was changed, the state of occurrence of the plague was investigated.
The engine conditions were as follows: rotation speed 4000 pm, intake pressure 60 kPa. G, A / F stoichiometry.
As a result, as shown in FIG. 11, it was found that when the volume V ₁₃₀ exceeds 300 mm ³ , the probability of occurrence of preignition increases rapidly, and when it is 300 mm ³ or less, almost no preignition occurs.
In the plug having a large discharge space volume V ₁₃₀ , the first discharge gap D _GP 1 is wide and the discharge space length L ₁₃₀ is long. Therefore, when the ignition is ignited in the discharge space 130, the flame hardly propagates to the combustion chamber. The central dielectric 120 is excessively heated and preignition is likely to occur.
On the other hand, when the first discharge gap D _GP 1 is narrow, it is assumed that when ignition occurs in the discharge space 130, the flame is immediately propagated to the combustion chamber and is not easily stored in the central dielectric 120, so that it is difficult to reach the pre-ignition. The

以上の試験結果より、以下の知見を得た。
（１）誘電体で覆われた中心電極と接地電極との間に放電空間を区画し、高電圧を印加して非平行プラズマ発生させて、放電空間内で混合気の体積着火を行う点火装置において、放電空間を一定の容積に限定することで、投入エネルギを無駄なく体積着火に利用できる。
（２）一周期当たりのエネルギ量が一定の交流電圧を印加した場合、入力エネルギ量は、入力周波数に比例して増加するが、入力周波数を一定以上高くしても、着火性向上には結びつかず、入力周波数を一定の範囲に規定するのが望ましい。
（３）中心電極先端部長Ｌ_１００を放電空間長Ｌ_１３０よりも長くすることで、放電空間１３０の外にも放電を行うことができ、着火性の向上を図ることができる。
（４）中心誘電体底部とピストン頂面までの距離が短くなりすぎると、接地電極との間の放電よりもピストン頂面との間の放電が支配的になり、体積着火を実現できなくなる。
（５）内燃機関の燃焼特性に応じて、本発明の実施例１、２、３の点火装置１、１ａ、１ｂを適宜選択することで、着火性の向上を図りつつ、プレイグニションの発生を抑制できる。 From the above test results, the following knowledge was obtained.
(1) An ignition device that divides a discharge space between a center electrode covered with a dielectric and a ground electrode, generates a non-parallel plasma by applying a high voltage, and performs volumetric ignition of an air-fuel mixture in the discharge space Therefore, by limiting the discharge space to a constant volume, the input energy can be used for volume ignition without waste.
(2) When an AC voltage with a constant energy amount per cycle is applied, the input energy amount increases in proportion to the input frequency, but even if the input frequency is increased above a certain level, it does not improve ignitability. Instead, it is desirable to define the input frequency within a certain range.
(3) the center electrode tip director L ₁₀₀ discharge space length L ₁₃₀ to be longer than than, also can to discharge out of the discharge space 130, it is possible to improve the ignitability.
(4) If the distance between the bottom of the central dielectric and the top surface of the piston becomes too short, the discharge between the top surface of the piston becomes more dominant than the discharge between the ground electrode and volume ignition cannot be realized.
(5) By appropriately selecting the ignition devices 1, 1a, and 1b according to the first, second, and third embodiments of the present invention according to the combustion characteristics of the internal combustion engine, the occurrence of preignition is improved while improving the ignitability. Can be suppressed.

１点火装置
１０中心電極
１００中心電極先端部
１０１中心電極結合部
１０２中心電極ステム部
１０３中心電極端子部
１１中心誘電体
１１０先端側底部
１１１先端側外周面
１１２放電空間基底部
１１３電極保持部
１１４拡径部
１１５頭部
１１６、１１８中心電極挿通孔
１１７電極係止面
１２ハウジング
１２０接地電極先端露出部
１２１接地電極筒状部
１２２接地電極ネジ部
１３０放電空間
２高エネルギ電源
３電子制御装置（ＥＣＵ）
５内燃機関
５０シリンダヘッド
５０１吸気筒
５０２吸気バルブ
５０３排気筒
５０４排気バルブ
５１燃焼室
５２ピストン DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ignition apparatus 10 Center electrode 100 Center electrode front-end | tip part 101 Center electrode coupling | bond part 102 Center electrode stem part 103 Center electrode terminal part 11 Central dielectric 110 Front end side bottom 111 Front end side outer peripheral surface 112 Discharge space base part 113 Electrode holding part 114 Expansion Diameter portion 115 Head portion 116, 118 Center electrode insertion hole 117 Electrode locking surface
12 Housing 120 Ground electrode tip exposed portion 121 Ground electrode cylindrical portion 122 Ground electrode screw portion 130 Discharge space 2 High energy power source 3 Electronic control unit (ECU)
5 Internal combustion engine 50 Cylinder head 501 Intake cylinder 502 Intake valve 503 Exhaust cylinder 504 Exhaust valve 51 Combustion chamber 52 Piston

特開２００９−３６１２５号公報JP 2009-36125 A

Claims

Provided in the internal combustion engine (5),
A substantially rod-shaped center electrode (10);
A substantially cylindrical center that covers at least the distal end portion (100) of the central electrode (10) and exposes the terminal portion (103) provided at the proximal end of the central electrode (10) from the proximal end side. A dielectric (11);
A substantially cylindrical housing (12) covering a part of the outer periphery of the central dielectric (11);
A ground electrode (120, 121) extending in the housing (12) and extending in a substantially cylindrical shape toward the tip, and opened in the combustion chamber (51) of the internal combustion engine (5);
A discharge space (130) partitioned by a part of the outer peripheral surface of the central dielectric (11) and the inner peripheral surface of the ground electrode (120, 121);
An alternating voltage is applied between the center electrode (10) covered with the dielectric (11) and the ground electrode (120, 121),
In the discharge space (130), non-equilibrium plasma (low temperature plasma) having a high electron temperature and a low molecular temperature is generated,
In the ignition device for reacting directly with the air-fuel mixture introduced into the combustion chamber (51) inside the discharge space (130) to generate an initial flame and ignite the internal combustion engine (5),
While setting the frequency (f) of the AC voltage to 80 kHz or more and 620 kHz or less,
The volume of the discharge space (130) to _{(V 130)} is set to 300 mm ³ or less,
Or
The outer diameter of the central dielectric (11) partitioning the discharge space (130) is φD ₁₁₀ (mm),
The inner diameter of the ground electrode (120, 121) is φD ₁₂₀ (mm),
One half of the difference between the ground electrode inner diameter φD ₁₂₀ and the central dielectric outer diameter φD ₁₁₀ is defined as a discharge gap D _GP 1 (mm),
When the length of the discharge space (130) is the discharge space length L ₁₃₀ (mm),
The discharge gap D _GP 1 is set to 0.5 mm or more and 2.0 mm or less,
The ignition device characterized in that the discharge space length L ₁₃₀ is set to 1 mm or more and 10 mm or less.

The length from the bottom end (112) on the base end side of the discharge space (130) to the end of the center electrode tip (100) embedded in the center dielectric (11) is the center electrode tip length L _100. The ignition device according to claim 1, wherein the center electrode tip portion length L ₁₀₀ is set longer than the discharge space length L ₁₃₀ .

The length of the central dielectric (11) is the length from the surface of the bottom (110) of the central dielectric (11) to the top surface of the piston (52) of the internal combustion engine (5). when a D _{GP 2,} an ignition device according to claim 1 or 2 the dielectric piston gap D _{GP 2} is set to be longer than the discharge gap D _{GP 1.}