JP5860753B2 - 点火装置及び点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、点火装置及び点火プラグに関するものである。

プラズマを発生させる点火装置としては、直流電力によって火花放電を電極間に発生させた状態で、交流電力によって交流プラズマを電極間に発生させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような技術では、点火プラグに直流電力と交流電力とを供給するための混合回路が利用される。混合回路を通じて交流電力が印加される場合、交流電力の一部が混合回路に設けられたコンデンサによって反射してしまい、点火装置の着火性能が低下してしまうといった問題があった。

特開昭５１−７７７１９号公報 特表２０１０−５０７２０６号公報

本発明は、上述した従来の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、点火装置の着火性能を向上させることのできる技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、以下の形態または適用例を取ることが可能である。

[適用例１]
点火プラグと、
前記点火プラグの電極間に火花放電を発生させる直流電力を生成する直流電源と、
前記火花放電を発生させた電極間に交流プラズマを発生させる交流電力を生成する交流電源と、
前記交流電力を前記点火プラグに供給するための回路と
を備える点火装置であって、
前記点火プラグは、内部にインダクタンス成分を有し、
前記回路は、前記交流電源と前記点火プラグとの間に直列に設けられたコンデンサを有し、
前記コンデンサの静電容量をＣ［Ｆ］とし、
前記交流電力の周波数をｆ［Ｈｚ］とした場合に、
前記インダクタンス成分のインダクタンスＬ［Ｈ］は、

の関係式を満たすことを特徴とする、点火装置。
この構成によれば、コンデンサに起因するインピーダンスの一部または全部を、点火プラグが内部に有するインダクタンス成分によって相殺することができるので、電力反射率を低減することができ、この結果、点火装置の着火性能を向上させることができる。

[適用例２]
適用例１記載の点火装置であって、
前記インダクタンス成分は、前記点火プラグ内に配置されたコイルによって生成されることを特徴とする、点火装置。
この構成によれば、インダクタンス成分を内部に有する点火プラグを容易に製造することができる。

[適用例３]
適用例２に記載の点火装置であって、
前記点火プラグは、絶縁体と、該絶縁体を取り囲む主体金具と、前記交流電力の供給を受けるための端子とを有し、
前記主体金具は、内径が縮小された縮径部と、該縮径部に接続された筒状部とを有し、
前記コイルの少なくとも一部は、前記縮径部と前記筒状部との境界よりも前記端子側に配置されていることを特徴とする、点火装置。
この構成によれば、主体金具とコイルとの間における静電容量を小さくすることができるので、点火装置の着火性能の低下を抑制することができる。

[適用例４]
適用例２または適用例３に記載の点火装置であって、
前記コイルを構成する導線の直径は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とする、点火装置。
この構成によれば、導線の抵抗が小さくなるので、供給される交流電力が高周波である場合におけるロスを低減することができ、点火装置の着火性能を向上させることができる。

[適用例５]
適用例２から適用例４のいずれか一項に記載の点火装置であって、
前記コイルは、内部にコアを有することを特徴とする、点火装置。
この構成によれば、インダクタンスＬを容易に大きな値にすることができるので、コンデンサの静電容量が小さい場合であっても、点火装置の着火性能を向上させることができる。

[適用例６]
適用例５に記載の点火装置であって、
前記コアは、フェライトまたはケイ素鋼板またはカーボニル鉄によって形成されていることを特徴とする、点火装置。
この構成によれば、インダクタンスＬを容易に大きな値にすることができるので、コンデンサの静電容量が小さい場合であっても、点火装置の着火性能を向上させることができる。

[適用例７]
火花放電を発生させた電極間に交流電力が供給されることによって交流プラズマを発生させる点火プラグであって、
前記点火プラグは、内部にインダクタンス成分を有しており、
前記交流電力を生成する交流電源と前記点火プラグとの間に直列に設けられたコンデンサの静電容量をＣ［Ｆ］とし、
前記交流電力の周波数をｆ［Ｈｚ］とした場合に、
前記インダクタンス成分のインダクタンスＬ［Ｈ］は、

の関係式を満たすことを特徴とする、点火プラグ。
この構成によれば、適用例１の場合と同様に、点火装置の着火性能を向上させることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、点火装置に用いられるスパークプラグ、点火装置の点火方法、点火システム、それらの装置または方法の機能を実現するための集積回路、コンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体等の形態で実現することができる。

プラズマ点火装置を示す説明図である。 スパークプラグに対して交流電力が供給されている場合における等価回路を示す説明図である。 スパークプラグ内にコイルが設けられていない場合における等価回路を示す説明図である。 スパークプラグ内にコイルが設けられていない場合における電力反射率Ｐを示す説明図である。 スパークプラグの構成を示す断面図である。 第２実施形態におけるスパークプラグの構成を示す断面図である。 第３実施形態におけるスパークプラグの構成を示す断面図である。 コイルのインダクタンスとプラズマの面積比との関係を示すグラフである。 コイルのインダクタンスとプラズマの面積比との関係の他の例を示すグラフである。 コイルの位置の異なるスパークプラグを示す説明図である。 コイルの位置とプラズマの面積比との関係を示すグラフである。 コイルを構成する導線の直径とプラズマの面積比との関係をグラフ形式で示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．プラズマ点火装置の構成：
Ａ−２．原理：
Ａ−３．スパークプラグの構成：
Ｂ．第２実施形態：
Ｃ．第３実施形態：
Ｄ．実験例：
Ｄ−１．コイル７０のインダクタンスＬの値に関する実験例：
Ｄ−２．コイル７０の位置に関する実験例：
Ｄ−３．コイル７０を構成する導線の直径に関する実験例：
Ｅ．変形例：

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．プラズマ点火装置の構成：
図１は、プラズマ点火装置７００を示す説明図である。プラズマ点火装置７００は、スパークプラグ１００における中心電極２０と接地電極３０との電極間に交流プラズマを発生させることによって点火する。本実施形態では、プラズマ点火装置７００は、内燃機関（図示せず）の燃料に点火する装置である。

具体的には、プラズマ点火装置７００は、スパークプラグ１００の中心電極２０に直流電力を印加して火花放電を発生させた後、スパークプラグ１００の中心電極２０に交流電力を印加して交流プラズマを発生させる。スパークプラグ１００の電極間に交流プラズマが発生すると、交流プラズマによる電極消耗を抑制するために、プラズマ点火装置７００は、スパークプラグ１００の電極間に交流プラズマを維持しながら、中心電極２０に印加する交流電力を低減する。

プラズマ点火装置７００は、スパークプラグ１００の他、直流電源２１０と、交流電源２２０と、混合回路３００と、点火制御部５００とを備えている。本実施形態では、プラズマ点火装置７００は、内燃機関の運転を制御する運転制御部８００に電気的に接続され、運転制御部８００から出力される制御信号に基づいて、内燃機関の運転状態に応じた点火制御を実現する。

直流電源２１０は、スパークプラグ１００の電極間に火花放電を発生させる直流電力を生成する。本実施形態では、直流電源２１０によって生成される直流電力は、数万ボルトの高電圧パルスである。

交流電源２２０は、火花放電を発生させたスパークプラグ１００の電極間に交流プラズマを発生させる交流電力を生成する。本実施形態では、交流電源２２０によって生成される交流電力の周波数ｆは、交流プラズマを発生させるために、「５０ｋＨｚ（キロヘルツ）≦ｆ≦１００ＭＨｚ（メガヘルツ）」を満たすことが好ましい。

混合回路３００は、直流電源２１０で生成された直流電力と、交流電源２２０で生成された交流電力とを、相互に結合してスパークプラグ１００に伝送する。混合回路３００は、インダクタ（コイル）３１０と、コンデンサ３２０とを備える。インダクタ３１０は、スパークプラグ１００の中心電極２０および交流電源２２０に対して直流電源２１０を電気的に接続し、交流電源２２０で生成された交流電力の直流電源２１０側への流入を抑制する。なお、直流電源２１０がインダクタを含む場合には（例えば、直流電源に点火コイルを用いる場合）、混合回路３００のインダクタ３１０は省略することができる。コンデンサ３２０は、スパークプラグ１００の中心電極２０および直流電源２１０に対して交流電源２２０を電気的に接続し、直流電源２１０で生成された直流電力の交流電源２２０側への流入を抑制する。

スパークプラグ１００の中心電極２０は、混合回路３００を介して直流電源２１０および交流電源２２０に電気的に接続され、スパークプラグ１００の接地電極３０は、電気的に接地されている。

交流電源２２０からスパークプラグ１００までの交流電力の伝送路では、インピーダンスの不連続点で交流電力の反射損失（リターンロス）が発生する。そのため、スパークプラグ１００の中心電極２０に入射される入射電力は、交流電源２２０から印加される交流電力から反射損失を差し引いた電力になる。

そこで、本実施形態では、反射損失を低減し、着火性能の向上を図るために、スパークプラグ１００の内部にコイル７０が配置されている。コイル７０は、交流電源２２０と中心電極２０との間に設けられており、これらと電気的に接続されている。コイル７０のインダクタンスＬ［Ｈ］の好ましい数値範囲については、後に詳述する。

点火制御部５００は、運転制御部８００から出力される制御信号に基づいて、内燃機関の運転状態に応じた点火制御を実行する。点火制御部５００は、直流電源２１０および交流電源２２０の動作を制御する電力制御部５１０を備える。本実施形態では、点火制御部５００における電力制御部５１０の機能は、点火制御部５００のＣＰＵ（Central Processing Unit）がプログラムに基づいて動作することによって実現されるが、他の実施形態において、点火制御部５００の少なくとも一部の機能は、点火制御部５００の物理的な回路構成に基づいて実現されても良い。

電力制御部５１０は、スパークプラグ１００の電極間に火花放電が発生した後に交流プラズマが発生するように、直流電源２１０に対して直流電力の生成を指示すると共に、交流電源２２０に対して交流電力の生成を指示する。特に、電力制御部５１０は、交流電源２２０で生成される交流電力を制御することによって、スパークプラグ１００の電極間に交流プラズマを発生させた後に、スパークプラグ１００に供給される交流電力を低減する。

Ａ−２．原理：
図２は、スパークプラグ１００に対して交流電力が供給されている場合における等価回路を示す説明図である。なお、この図２には、交流電源２２０の内部抵抗２２２および放電時における負荷（抵抗）８０が示されている。この等価回路において、電力反射率Ｐは、以下の式（１）によって示される。

また、上記式（１）におけるＺは、以下の式（２）によって示される。

ここで、Ｚ０［Ω］は交流電源２２０の内部抵抗２２２の抵抗値であり、ｆ［Ｈｚ］は交流電源２２０が発生させる交流電力の周波数であり、Ｚｓ［Ω］は負荷８０の抵抗値である。

上記式（１）から理解できるように、Ｚの絶対値を小さくすれば、電力反射率Ｐを小さくすることができる。具体的には、上記式（２）のインダクタンスＬの値を以下の式（３）の値とすれば、上記式（２）の右辺第２項は、右辺第３項によって相殺され、電力反射率Ｐを小さくすることができる。

なお、上記式（３）を満たすインダクタンスＬの値を、理想インダクタンス値とも呼ぶ。本実施形態では、コイル７０のインダクタンスＬの値を以下の式（４）に示された範囲としている。

このようにすれば、Ｚの絶対値が小さくなるため、電力反射率Ｐを小さくすることができる。すなわち、コンデンサ３２０に起因するインピーダンスの一部または全部を、スパークプラグ１００が内部に有するインダクタンス成分によって相殺することができるので、電力反射率Ｐを低減することができ、この結果、プラズマ点火装置７００の着火性能を向上させることができる。

図３は、スパークプラグ１００内にコイル７０が設けられていない場合における等価回路を示す説明図である。図４は、スパークプラグ１００内にコイル７０が設けられていない場合における電力反射率Ｐを示す説明図である。図３に示された等価回路の場合、すなわち、コイル７０が設けられていない場合には、式（２）における右辺第３項は０となる。そして、図４に示されるように、コイル７０が設けられていない場合には、例えば、交流電力の周波数が１０［ＭＨｚ］の場合において、コンデンサ３２０の静電容量が１００［ｐＦ］であっても、７０％近くの電力が反射してしまうことが理解できる。上述したように、本実施形態では、コイル７０をスパークプラグ１００の内部に設けることによって、Ｚの絶対値を小さくし、電力反射率Ｐを小さくすることができる。以下では、スパークプラグ１００の内部構成について説明する。

Ａ−３．スパークプラグの構成：
図５は、スパークプラグ１００の構成を示す断面図である。なお、図５において、スパークプラグ１００の軸線方向ＯＤを図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１００の先端側、上側を後端側として説明する。

スパークプラグ１００は、絶縁碍子１０と、主体金具５０と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０とを備えている。中心電極２０は、絶縁碍子１０内に軸線方向ＯＤに延びた状態で保持されている。絶縁碍子１０は、絶縁体として機能しており、主体金具５０は、この絶縁碍子１０を取り囲んだ状態で内挿している。端子金具４０は、直流電力および交流電力の供給を受けるための端子であり、絶縁碍子１０の後端部に設けられている。

絶縁碍子１０は、アルミナ等を焼成して形成され、軸中心に軸線方向ＯＤへ延びる軸孔１２が形成された筒形状を有する。軸線方向ＯＤの略中央には外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、それより後端側（図５における上側）には後端側胴部１８が形成されている。鍔部１９より先端側（図５における下側）には、後端側胴部１８よりも外径の小さな先端側胴部１７が形成され、さらにその先端側胴部１７よりも先端側に、先端側胴部１７よりも外径の小さな脚長部１３が形成されている。脚長部１３は先端側ほど縮径され、スパークプラグ１００が内燃機関のエンジンヘッド２００に取り付けられた際には、その燃焼室に曝される。脚長部１３と先端側胴部１７との間には支持部１５が形成されている。

主体金具５０は、低炭素鋼材より形成された円筒状の金具であり、スパークプラグ１００を内燃機関のエンジンヘッド２００に固定する。そして、主体金具５０は、絶縁碍子１０を内部に保持しており、絶縁碍子１０は、その後端側胴部１８の一部から脚長部１３にかけての部位を主体金具５０によって取り囲まれている。

また、主体金具５０は、工具係合部５１と、取付ねじ部５２とを備えている。工具係合部５１は、スパークプラグレンチ（図示せず）が嵌合する部位である。主体金具５０の取付ねじ部５２は、ねじ山が形成された部位であり、内燃機関の上部に設けられたエンジンヘッド２００の取付ねじ孔２０１に螺合する。なお、本実施形態における取付ねじ部５２のねじ径は、Ｍ１２である。

主体金具５０の工具係合部５１と取付ねじ部５２との間には、鍔状のシール部５４が形成されている。取付ねじ部５２とシール部５４との間のねじ首５９には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、スパークプラグ１００をエンジンヘッド２００に取り付けた際に、シール部５４の座面５５と取付ねじ孔２０１の開口周縁部２０５との間で押し潰されて変形する。このガスケット５の変形により、スパークプラグ１００とエンジンヘッド２００間が封止され、取付ねじ孔２０１を介したエンジン内の気密漏れが防止される。

主体金具５０の工具係合部５１より後端側には、薄肉の加締部５３が設けられている。また、シール部５４と工具係合部５１との間には、加締部５３と同様に、薄肉の座屈部５８が設けられている。主体金具５０の工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と、絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間には、円環状のリング部材６，７が介在されている。さらに両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。加締部５３を内側に折り曲げるようにして加締めると、絶縁碍子１０は、リング部材６，７およびタルク９を介して主体金具５０内の先端側に向け押圧される。これにより、絶縁碍子１０の支持部１５は、主体金具５０の内周に形成された段部５６に支持され、主体金具５０と絶縁碍子１０とは、一体となる。このとき、主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は、絶縁碍子１０の支持部１５と主体金具５０の段部５６との間に介在された環状の板パッキン８によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。板パッキン８は、例えば、銅や鉄等の材料によって形成される。座屈部５８は、加締めの際に、圧縮力の付加に伴い外向きに撓み変形するように構成されており、タルク９の圧縮ストロークを稼いで主体金具５０内の気密性を高めている。なお、主体金具５０の段部５６よりも先端側と絶縁碍子１０との間には、所定寸法のクリアランスＣＬが設けられている。

中心電極２０は、軸孔１２内の先端に配置された棒状の電極であり、電極母材２１の内部に芯材２５を埋設した構造を有している。電極母材２１は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケルまたはニッケルを主成分とする合金から形成されている。芯材２５は、電極母材２１よりも熱伝導性に優れる銅または銅を主成分とする合金から形成されている。通常、中心電極２０は、有底筒状に形成された電極母材２１の内部に芯材２５を詰め、底側から押出成形を行って引き延ばすことで作製される。芯材２５は、胴部分においては略一定の外径をなすものの、先端側においては縮径部が形成される。

軸孔１２の内部のうち、中心電極２０の後端側には、シール体４、導電部材３、コイル７０および端子金具４０がこの順で配置されている。すなわち、中心電極２０は、シール体４、導電部材３およびコイル７０を経由して、端子金具４０に電気的に接続されている。コイル７０が有するインダクタンス成分のインダクタンスＬ［Ｈ］の好ましい値は、前述したとおりである。端子金具４０には、高圧ケーブル（図示せず）がプラグキャップ（図示せず）を介して接続され、高電圧が印加される。なお、本実施形態では、端子金具４０および導電部材３は、ニッケルめっきが施された鉄で形成されている。

中心電極２０の先端部２２は、絶縁碍子１０の先端部１１よりも突出している。中心電極２０の先端部２２の先端には、中心電極チップ９０が接合されている。中心電極チップ９０は、軸線方向ＯＤに伸びた略円柱形状を有しており、耐火花消耗性を向上するため、高融点の貴金属によって形成されている。中心電極チップ９０は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）や、Ｉｒを主成分として、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、レニウム（Ｒｅ）のうち、１種類あるいは２種類以上を添加したＩｒ合金によって形成される。

接地電極３０は、耐腐食性の高い金属から形成され、例えば、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル合金から形成されている。この接地電極３０の基部３２は、溶接によって、主体金具５０の先端部５７に接合されている。また、接地電極３０は屈曲しており、接地電極３０の先端部３３は、中心電極チップ９０と対向している。

さらに、接地電極３０の先端部３３には、接地電極チップ９５が接合されている。接地電極チップ９５は、中心電極チップ９０と対向しており、接地電極チップ９５と、中心電極チップ９０との間には、火花放電ギャップＧが形成されている。なお、接地電極チップ９５は、中心電極チップ９０と同様の材料で形成することができる。

次に、コイル７０について説明する。本実施形態では、コイル７０は、絶縁被膜付の銅によって形成されており、コイル７０の直径は３．２ｍｍ、線径は０．２ｍｍ、巻き数は６５回、軸線方向ＯＤにおける長さは１４ｍｍである。

次にコイル７０が配置される好ましい位置について説明する。図５に示すように、主体金具５０は、シール部５４の内側において内径が縮小された縮径部５０ａと、縮径部５０ａに接続された筒状部５０ｂとを有している。ここで、コイル７０の少なくとも一部は、縮径部５０ａと筒状部５０ｂとの境界Ｂよりも端子金具４０側に配置されていることが好ましい。この理由について説明する。コイル７０が縮径部５０ａと筒状部５０ｂとの境界Ｂよりも先端側にあると、主体金具５０とコイル７０との間における静電容量が大きくなってしまい、コイル７０を配置した効果が小さくなってしまう。そこで、コイル７０の少なくとも一部が縮径部５０ａと筒状部５０ｂとの境界Ｂよりも端子金具４０側、すなわち後端側に配置されていれば、主体金具５０とコイル７０との間における静電容量を小さくすることができるので、電極間に発生するプラズマが小さくなってしまうことを抑制することができ、プラズマ点火装置７００の着火性能を向上させることができる。

また、上述したように、本実施形態では、コイル７０を構成する導線の直径（線径）は、０．２ｍｍである。ここで、コイル７０を構成する導線の直径は、０．２ｍｍ以上であることが好ましい。導線の直径は、０．２ｍｍ以上であれば、必要なインダクタンスを確保した上で導線の抵抗値は小さくなるので、供給される交流電力が高周波である場合におけるロスを低減することができる。結果として、発生するプラズマを大きくすることができ、プラズマ点火装置７００の着火性能を向上させることができる。

なお、コイル７０を内部に有するスパークプラグは、例えば、次のようにして製造することができる。まず、絶縁碍子１０の軸孔１２に中心電極２０を挿入し、シール体４となる導電性の粉末を入れてプレスする。そして、軸孔１２に導電部材３を挿入し、高温下でプレスする。導電性の粉末は、高温下でプレスされることにより焼き固まり、シール体４となる。その後、絶縁碍子１０の軸孔１２にコイル７０を挿入し、端子金具４０を取り付ける。なお、端子金具４０の下部には雄ネジ部が形成されており、この雄ネジ部は、絶縁碍子１０の軸孔１２の内側に形成された雌ネジ部に螺合する。

このように、本実施形態では、スパークプラグ１００の内部に、インダクタンス成分を有するコイル７０を配置するので、コンデンサ３２０に起因するインピーダンスの全部または一部を、コイル７０のインダクタンス成分によって相殺することができ、電力反射率を低減することができる。結果として、プラズマ点火装置７００の着火性能を向上させることが可能である。

また、本実施形態では、コイル７０を利用するので、インダクタンス成分を内部に有するスパークプラグを容易に製造することができる。さらに、コンデンサ３２０の静電容量を大きくしなくても電力反射率を低減することができるため、混合回路３００を小型化することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図６は、第２実施形態におけるスパークプラグ１００ｂの構成を示す断面図である。図５に示した第１実施形態との違いは、コイル７０の内部にコア７２が設けられているという点だけであり、他の構成は第１実施形態と同じである。

コンデンサ３２０の静電容量が小さい場合に電力反射率Ｐを低減するためには、スパークプラグ１００の内部におけるインダクタンスＬを大きな値にすることが好ましい。ただし、スパークプラグ１００内の空間は限られるため、コイル７０の巻き数を増やしたり、コイル７０の寸法を大きくしてインダクタンスＬを大きな値にすることは容易ではない。そこで、本実施形態のように、コイル７０の内部に、空気層よりも透磁率の高いコア７２を設ければ、スパークプラグ１００の内部におけるインダクタンスＬを容易に大きな値にすることができるので、コンデンサ３２０の静電容量が小さい場合においても、電力反射率Ｐを低減することができ、プラズマ点火装置７００の着火性能を向上させることができる。

本実施形態では、コア７２は、フェライトによって形成されているため、スパークプラグ１００の内部におけるインダクタンスＬを容易に大きな値にすることができる。なお、コア７２は、フェライトの代わりに、ケイ素鋼板や鉄、カーボニル鉄粉、パーマロイ等の他の軟磁性材料によって形成されていてもよい。

このように、本実施形態によっても、電力反射率Ｐを低減することができ、プラズマ点火装置７００の着火性能を向上させることができる。

Ｃ．第３実施形態：
図７は、第３実施形態におけるスパークプラグ１００ｃの構成を示す断面図である。上記実施形態では、スパークプラグ１００が内部に有するインダクタンス成分は、軸孔１２内に配置されたコイル７０によって生成されていたが、本実施形態のように、コイル７０の代わりに、段差形状の導電部材７６が配置されていてもよい。この導電部材７６は、コイル７０と同様に、インダクタンス成分を有しており、そのインダクタンスＬは、上記式（４）を満たしている。このように、コイル７０の代わりに段差形状の導電部材７６が配置されていても、電力反射率Ｐを低減することができ、プラズマ点火装置７００の着火性能を向上させることができる。

Ｄ．実験例：
Ｄ−１．コイル７０のインダクタンスＬの値に関する実験例：
コイル７０のインダクタンスＬの値と、着火性能との関係を調べるため、インダクタンスＬの値の異なるコイルを備えるスパークプラグのサンプルを用意し、発生したプラズマの大きさを調べた。具体的には、本実験例では、電極間に発生したプラズマを撮影し、撮影したプラズマの面積を測定した。そして、コイル７０が設けられていないスパークプラグの電極間において発生したプラズマの面積を１として、発生したプラズマの面積比を求めた。

図８は、コイル７０のインダクタンスＬとプラズマの面積比との関係を示すグラフである。この図８におけるプラズマ点火装置７００の条件は以下のとおりである。
交流電力の周波数：１３［ＭＨｚ］
電力：３００［Ｗ］
持続時間：１［ｍｓ］
コンデンサ３２０の容量：５０［ｐＦ］
この条件下では、理想インダクタンス値は、以下の式（５）に示されるように、２．８［μＨ］となる。

この図８によれば、コイル７０のインダクタンスＬが、理想インダクタンス値の±５０％の範囲にある場合には、プラズマの面積比は２．５倍以上になることが理解できる。そして、コイル７０のインダクタンスＬが理想インダクタンス値と一致している場合には、プラズマの面積比は４．０倍にも達することが理解できる。

図９は、コイル７０のインダクタンスＬとプラズマの面積比との関係の他の例を示すグラフである。この図９におけるプラズマ点火装置７００の条件は以下のとおりである。
交流電力の周波数：４０［ＭＨｚ］
電力：３００［Ｗ］
持続時間：１［ｍｓ］
コンデンサ３２０の容量：５０［ｐＦ］
この条件下では、理想インダクタンス値は、以下の式（６）に示されるように、０．３２［μＨ］となる。

この図９においても、コイル７０のインダクタンスＬが、理想インダクタンス値の±５０％の範囲にある場合には、プラズマの面積比は２．５倍以上になることが理解できる。そして、コイル７０のインダクタンスＬが理想インダクタンス値と一致している場合には、プラズマの面積比は３．５倍にも達することが理解できる。

以上より、コイル７０のインダクタンスＬの値を上記式（４）の範囲とすれば、発生するプラズマの面積比が大きくなり、プラズマ点火装置７００の着火性能を向上させることができる。

Ｄ−２．コイル７０の位置に関する実験例：
コイル７０の位置と、着火性能との関係を調べるため、コイルの位置が異なるスパークプラグのサンプルを用意し、発生したプラズマの大きさを調べた。実験結果におけるプラズマの面積比については、上記のインダクタンスＬの値に関する実験例と同様である。また、この実験例におけるプラズマ点火装置７００の条件は以下のとおりである。
交流電力の周波数：１３［ＭＨｚ］
電力：３００［Ｗ］
持続時間：１［ｍｓ］
コンデンサ３２０の容量：５０［ｐＦ］
コイル７０のインダクタンスＬ：２．８［μＨ］

図１０は、コイル７０の位置の異なるスパークプラグを示す説明図である。図１０（Ａ）に示されたサンプル１のスパークプラグＳ１では、コイル７０の全体が、縮径部５０ａと筒状部５０ｂとの境界Ｂよりも端子金具４０側に配置されている。図１０（Ｂ）に示されたサンプル２のスパークプラグＳ２では、コイル７０の一部が、縮径部５０ａと筒状部５０ｂとの境界Ｂよりも端子金具４０側に配置されている。図１０（Ｃ）に示されたサンプル３のスパークプラグＳ３では、コイル７０の全体が、縮径部５０ａと筒状部５０ｂとの境界Ｂよりも先端側に配置されている。

図１１は、コイル７０の位置とプラズマの面積比との関係を示すグラフである。サンプル１のスパークプラグＳ１では、プラズマの面積比は４．０倍であるが、サンプル２のスパークプラグＳ２では、プラズマの面積比は３．８倍程度に低下し、サンプル３のスパークプラグＳ３では、プラズマの面積比は３．１倍程度まで低下した。この理由は、コイル７０の位置が先端側に近づくほど、主体金具５０とコイル７０との間における静電容量が大きくなるためであると考えられる。したがって、プラズマ点火装置の着火性能の低下を抑制するためには、コイル７０は、端子金具４０側、すなわち後端側に配置されている方が好ましいことが理解できる。具体的には、サンプル１やサンプル２のように、コイル７０の少なくとも一部は、縮径部５０ａと筒状部５０ｂとの境界Ｂよりも端子金具４０側に配置されていることが好ましい。

Ｄ−３．コイル７０を構成する導線の直径に関する実験例：
コイル７０を構成する導線の直径と、着火性能との関係を調べるため、導線の直径の異なるコイルを備えるスパークプラグのサンプルを用意し、発生したプラズマの大きさを調べた。実験結果におけるプラズマの面積比については、上記のインダクタンスＬの値に関する実験例と同様である。また、この実験例におけるプラズマ点火装置７００の条件は以下のとおりである。
交流電力の周波数：１３［ＭＨｚ］
電力：３００［Ｗ］
持続時間：１［ｍｓ］
コンデンサ３２０の容量：５０［ｐＦ］
コイル７０のインダクタンスＬ：２．８［μＨ］

図１２は、コイル７０を構成する導線の直径と、プラズマの面積比との関係をグラフ形式で示す説明図である。この図１２によれば、コイル７０を構成する導線の直径が小さくなるほど、発生したプラズマの面積比が小さくなったことが理解できる。この理由は、導線の直径が小さくなるほど、コイル７０の抵抗値が大きくなり、高周波におけるロスが大きくなるからであると考えられる。

具体的には、コイル７０を構成する導線の直径が０．５ｍｍの場合には、プラズマの面積比が４．０倍になり、導線の直径が０．２ｍｍの場合には、プラズマの面積比が３．５倍になり、導線の直径が０．１ｍｍの場合には、プラズマの面積比が１．５倍になることが理解できる。以上より、コイル７０を構成する導線の直径は、０．２ｍｍ以上であることが好ましく、０．５ｍｍ以上であることがさらに好ましいことが理解できる。

Ｅ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記実施形態では、混合回路３００におけるコンデンサ３２０は、交流電源２２０とは別の回路として構成されていたが、コンデンサ３２０は、交流電源２２０に組み込まれていてもよい。

Ｅ２．変形例２：
上記実施形態では、スパークプラグ１００内に配置されるコイルは１つであったが、この代わりに、スパークプラグ１００の軸孔１２の内部において複数のコイルが並んだ構成であってもよい。この場合、複数のコイルに起因するインダクタンスＬの値が、上記式（４）の範囲内であることが好ましい。

Ｅ３．変形例３：
上記実施形態では、取付ねじ部５２のねじ径は、Ｍ１２であったが、本発明は、Ｍ１２以外のねじ径を有するスパークプラグに対しても適用可能である。

３…導電部材
４…シール体
５…ガスケット
６…リング部材
８…板パッキン
９…タルク
１０…絶縁碍子
１１…先端部
１２…軸孔
１３…脚長部
１５…支持部
１７…先端側胴部
１８…後端側胴部
１９…鍔部
２０…中心電極
２１…電極母材
２２…先端部
２５…芯材
３０…接地電極
３２…基部
３３…先端部
４０…端子金具
５０…主体金具
５０ａ…縮径部
５０ｂ…筒状部
５１…工具係合部
５２…取付ねじ部
５３…加締部
５４…シール部
５５…座面
５６…段部
５７…先端部
５８…座屈部
５９…ねじ首
７０…コイル
７２…コア
７６…導電部材
８０…負荷
９０…中心電極チップ
９５…接地電極チップ
１００…スパークプラグ
１００ｂ…スパークプラグ
１００ｃ…スパークプラグ
２００…エンジンヘッド
２０１…取付ねじ孔
２０５…開口周縁部
２１０…直流電源
２２０…交流電源
２２２…内部抵抗
３００…混合回路
３１０…インダクタ
３２０…コンデンサ
５００…点火制御部
５１０…電力制御部
７００…プラズマ点火装置
８００…運転制御部
Ｇ…火花放電ギャップ
Ｂ…境界
Ｓ１…スパークプラグ
Ｓ２…スパークプラグ
Ｓ３…スパークプラグ
ＯＤ…軸線方向
ＣＬ…クリアランス

Claims (7)

1. 点火プラグと、
   前記点火プラグの電極間に火花放電を発生させる直流電力を生成する直流電源と、
   前記火花放電を発生させた電極間に交流プラズマを発生させる交流電力を生成する交流電源と、
   前記交流電力を前記点火プラグに供給するための回路と
   を備える点火装置であって、
   前記点火プラグは、内部にインダクタンス成分を有し、
   前記回路は、前記交流電源と前記点火プラグとの間に直列に設けられたコンデンサを有し、
   前記コンデンサの静電容量をＣ［Ｆ］とし、
   前記交流電力の周波数をｆ［Ｈｚ］とした場合に、
   前記インダクタンス成分のインダクタンスＬ［Ｈ］は、
   

   

   の関係式を満たすことを特徴とする、点火装置。
2. 請求項１記載の点火装置であって、
   前記インダクタンス成分は、前記点火プラグ内に配置されたコイルによって生成されることを特徴とする、点火装置。
3. 請求項２に記載の点火装置であって、
   前記点火プラグは、絶縁体と、該絶縁体を取り囲む主体金具と、前記交流電力の供給を受けるための端子とを有し、
   前記主体金具は、内径が縮小された縮径部と、該縮径部に接続された筒状部とを有し、
   前記コイルの少なくとも一部は、前記縮径部と前記筒状部との境界よりも前記端子側に配置されていることを特徴とする、点火装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の点火装置であって、
   前記コイルを構成する導線の直径は、０．２ｍｍ以上であることを特徴とする、点火装置。
5. 請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の点火装置であって、
   前記コイルは、内部にコアを有することを特徴とする、点火装置。
6. 請求項５に記載の点火装置であって、
   前記コアは、フェライトまたはケイ素鋼板またはカーボニル鉄によって形成されていることを特徴とする、点火装置。
7. 火花放電を発生させた電極間に交流電力が供給されることによって交流プラズマを発生させる点火プラグであって、
   前記点火プラグは、内部にインダクタンス成分を有しており、
   前記交流電力を生成する交流電源と前記点火プラグとの間に直列に設けられたコンデンサの静電容量をＣ［Ｆ］とし、
   前記交流電力の周波数をｆ［Ｈｚ］とした場合に、
   前記インダクタンス成分のインダクタンスＬ［Ｈ］は、
   

   

   の関係式を満たすことを特徴とする、点火プラグ。

Images