JP5901459B2

JP5901459B2 - 点火装置

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Publication number: JP5901459B2
Application number: JP2012164371A
Authority: JP
Inventors: 祐也阿部; 明光杉浦; 岡部　伸一; 伸一岡部
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: US20140026848A1; JP2014026754A; DE102013211749A1; US9267474B2

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。

近年、燃費向上、ＣＯ２低減を目的として、小型、高出力及び低ＮＯＸ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。

特許文献１には、軸線方向に延びる軸孔を有する絶縁体と、先端面が前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向後端側に位置するように前記軸孔内に挿設される中心電極と、前記絶縁体の先端よりも前記軸線方向先端側に位置するように配置されるとともに前記中心電極との間に間隙を形成する接地電極と、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面により形成されるキャビティ部とを有するプラズマジェット点火プラグと、前記間隙に電圧を印加する放電用電源と、前記間隙に電力を投入するエネルギー投入部とを備え、前記放電用電源から前記間隙に電圧を印加することで前記間隙に火花放電を発生させると共に前記間隙に電力を投入することで前記キャビティ部にプラズマを生成可能な点火システムが開示されている。

ところが、特許文献１にあるようなキャビティ内に発生させた高温、高圧の熱プラズマを着火源とする点火装置では、発生した熱プラズマによる電極の消耗を避けられず、極めて短時間に繰り返して放電を行うことを要求される内燃機関の点火装置として、実用に耐え得るだけの耐久性の向上を図ることが極めて困難であった、

そこで、電極消耗を伴うことなく、着火性の向上を図るべく、特許文献２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バリア放電装置を設けたことを特徴とする内燃機関が開示されている。

特許文献２の内燃機関では、バリア放電によって非平衡プラズマを発生させ、混合気の自着火前の筒内にラジカルを生成することで、電極の消耗を招くことなく着火性の向上を図っている。

しかし、特許文献２にあるような従来のバリア放電装置では、エンジンの全運転領域において確実に非平衡プラズマにより着火させることが困難であることが判明した。
特に、さらなる燃費低減のため、燃焼室内に強い気流を発生させることによって、燃焼室内に噴射された燃料と大気とを激しく撹拌して、希薄な混合気の着火性を向上させようとする場合に、強い筒内気流によって非平衡プラズマが燃焼室内に散逸され、非平衡プラズマと混合気との直接的な反応により火炎核を成長させることができなかった。

加えて、従来のバリア放電装置においては、放電空間が燃焼室からエンジンヘッド内に深く引き込んだ状態で設けられているため、必ずしも発生した非平衡プラズマの全てを効率よく点火に利用することができない虞があった。

さらに、従来のバリア放電装置では、中心誘電体を固定するためのハウジングの一部によって放電空間の底部が形成されており、冷熱効果が大きく、エネルギ損失となっていることが判明した。

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、分子温度が低い非平衡プラズマ（低温プラズマ）を発生させ、これを燃焼室内の混合気に直接反応させて、火炎核を生成し、これを早期に成長させることにより、難着火性の内燃機関においても優れた着火性を示すと共に、高い耐久性を示す点火装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）では、燃焼室（５２）内に強い筒内気流が発生する内燃機関（５）に設けられ、少なくとも、長軸状の中心電極（１０）と、該中心電極（１０）を覆う有底筒状の中心誘電体（１１）と、該中心誘電体（１１）を覆う略筒状のハウジング（１２）と、その先端に設けた略環状の接地電極先端部（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）と、上記中心電極（１０）と上記接地電極先端部（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）との間に所定の周波数の高電圧を所定時間だけ印加する高周波電源（２）を具備し、上記中心誘電体（１１）によって上記中心電極（１０）と上記接地電極先端部（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）との絶縁を保持した状態で、上記中心誘電体（１１）と上記接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）との間に区画した略筒状の放電空間（１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ）内にストリーマ放電を行い、発生した非平衡プラズマと上記放電空間（１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ）内に存在する混合気とを反応せしめて、上記機関（５）の点火を行う点火装置であって、
上記中心誘電体（１１）の一部を拡径して、上記放電空間（１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ）の基底部（１１２）を形成すると共に、
該基底部（１１２）は、上記中心電極（１０）の軸と直交する面を備えており、この面を基準として、
上記接地電極先端部（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）が上記機関（５）の燃焼室（５２）内に向かって、３ｍｍ以上２５ｍｍ以下の接地電極突出高（Ｈ_１２０）をもって突出せしめ、
上記中心誘電体（１１）の先端部（１１０）が、上記接地電極突出高（Ｈ_１２０）と同一、又は、それ以上の中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）をもって突出せしめたことを特徴とする。

請求項２の発明（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）では、上記中心誘電体（１１）の表面の特定範囲に導電層（１７０）を形成し、その弾性を利用して上記ハウジング（１２）との密着状態を維持せしめる。

本発明によれば、上記放電空間基底部（１１２）を中心誘電体（１１）の一部を利用して形成することにより、熱伝導性の高い金属製のハウジングで当該部分を形成した場合に比べ、消炎効果を抑制してエネルギ損失の低減を図ることができる。
一方、上記中心誘電体（１１）の表面の特定範囲に上記導電層（１７０）を形成することで、その弾性を利用して上記ハウジング（１２）との密着状態を維持し、上記放電空間（１３０）内以外での放電発生を防止することができる。
さらに、上記接地電極先端部（１２０）、及び、中心誘電体先端部（１１０）を燃焼室（５１）内に突出させることで、上記放電空間（１３０）内で非平衡プラズマと混合気とを反応させて火炎核を発生させた時に、燃焼室（５２）内の強い筒内気流が、上記接地電極先端部（１２０）に衝突することよって抑制され、火炎核が吹き消されないようにすることができ、上記接地電極先端部（１２０）の下流側に形成される渦を利用して、発生した火炎核と混合気との撹拌を促し、早期の火炎成長を実現することができる。

本発明の点火装置の一部断面図。図１の点火装置に用いられる中心誘電体の概要を示す一部断面図。本発明の効果を確認するための比較例１として示す従来の点火装置の一部断面図。本発明の効果を確認するための比較例２として示す従来の他の点火装置の断面図。本発明に先立って検討した比較例２として示す点火装置の概要を示す一部断面図。比較例と共に本発明の効果を示す特性図。本発明に係る点火装置の変形例を示す要部断面図。本発明に係る点火装置の変形例を示す要部断面図。本発明に係る点火装置の変形例を示す要部断面図。本発明に係る点火装置の変形例を示す要部断面図。本発明に係る点火装置の変形例を示す要部断面図。本発明に係る点火装置の変形例を示す要部断面図。

本発明は、高過給、高圧縮、高ＥＧＲ、リーン燃焼による高効率、低ＮＯＸ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点火装置である。
図１を参照して本発明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、略棒状の中心電極１０と、中心電極１０の先端部１００を覆い、基端側が露出する略有低筒状の中心誘電体１１と、中心誘電体１１の外周を覆う略筒状のハウジング１２とからなり、電子制御装置（ＥＣＵ）３は、内燃機関５の運転状況に応じて、点火装置１に高エネルギを供給する高エネルギ電源２から、所定の周波数（１５ｋＨｚ〜５０ＭＨｚ）の高周波電圧を、所定時間だけ印加して、点火装置１の先端部において、非平衡プラズマを発生させ、燃焼室内の混合気との反応により初期火炎核を発生させるものである。

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、結合部１０１と、ステム部１０２と、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。
成形容易にすべく先端部１００とステム部１０２とは別体で設けられ、結合部１０１を介して電気的導通が図られている。
端子部１０３は、外部に設けた高周波電源２に接続されている。

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、図２に示すように、中心誘電体１１は、先端側底部１１０、先端側側面部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、所定の範囲において外周表面を覆うように導電層１７０が形成されている。
導電層１７０は、導体膜印刷、メッキ、金属箔貼付、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の公知の方法によって形成することができる。

先端側底部１１０は、燃焼室５１内に、所定の高さだけ突出するように形成されている。具体的な基準については後述する。
先端側側面部１１１、及び、放電空間基底部１１２によってハウジング１２との間に、放電空間１３０が区画されている。
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おり、拡径部１１４を含む一定の範囲が、導電層１７０の弾性を利用して、ハウジング１２の内周面と密着状態となっている。
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。
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。

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、燃焼室５１内に所定の高さだけ露出する略環状の接地電極先端部１２０、中心誘電体１１との間に放電空間１３０を区画する筒状部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。
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、接地電極先端部１２０や、中心電極先端部１００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。

本実施形態においては、中心誘電体１１の一部を拡径して形成した放電空間基底部１１２を基準として、中心電極長さＬ_１００、中心誘電体先端部長さＬ_１１０（すなわち、中心誘電体突出高Ｈ _１１０）、放電空間長さＬ_１３０を設定し、シリンダヘッド５０の燃焼室５１に望む内壁面を基準として、接地電極突出高Ｈ_１２０が設定されている。
本発明においては、少なくとも、接地電極突出高Ｈ_１２０が、例えば、３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下の範囲に設けられている。
さらに、中心誘電体突出高Ｈ_１１０は、少なくとも接地電極突出高Ｈ_１２０と同一か、それ以上に設定されている。
接地電極突出高Ｈ_１２０を３ｍｍより低くすると、筒内気流を弱めることができず、筒内気流が接地電極１２０の開口部を通過する際に強い引込み力が発生し、放電空間１３０内に作用し、初期火炎核が吹き飛ばされ本発明の効果を発揮できない。

一方、接地電極突出高Ｈ_１２０を２５ｍｍより高くすると、筒内気流を点火装置１の先端方向に向かって整流する作用が強くなり、放電空間１３０内に発生した非平衡プラズマを吸い出す力が強くなり、却って着火性が低下する虞がある。
また、中心誘電体突出高Ｈ_１１０が一定以上となると、ピストン５２の頂面との距離Ｄ_ＧＰ１が短くなり、接地電極１２０によって筒内気流が抑制された放電空間１３０よりも、筒内気流の流れの強い中心誘電体先端部１１０とピストン５２との間で放電を起こすことになり、発生した非平衡プラズマが火炎核を生成する前に広い燃焼室内に直ちに拡散してしまう虞もある。
そこで、中心誘電体１１０の先端表面から上死点におけるピストン５２の頂面までの距離Ｄ_ＧＰ１が中心誘電体先端部１１０の表面から接地電極１２０の内側表面までの距離Ｄ_ＧＰ２（＝（接地電極内径φＩＤ_１２０−中心誘電体外径φＤ_１１０）／２）よりも長くなるように中心誘電体突出高さＨ_１１０を決定するのが望ましい。
また、接地電極突出高Ｈ_１２０を中心誘電体突出高Ｈ_１１０よりも高くすると、中心電極先端部１００の末端に電界集中を招き、中心誘電体１１０の絶縁が破壊され、接地電極１２０と中心電極先端部１００との間でアーク放電を発生する虞もある。
そこで、本発明においては、中心電極先端部長さＬ_１００を放電空間長さＬ_１３０より短くすることで、中心電極先端部１００の末端部に電界集中させ、接地電極先端部１２０の先端側開口周辺で放電を起こし易くしつつ、中心誘電体先端部長さＬ_１１０を接地電極先端部１２０より長く突出させると共に、誘電体底部１１０が絶縁破壊されないだけの充分な絶縁距離を持つように設定してある。

さらに、本実施形態において、接地電極１２０の先端から、放電空間基底部１１２までの放電空間長さＬ_１３０は、１０ｍｍ以下となるように設定してある。
このように、放電空間長さＬ_１３０を制限することで、放電空間１３０内に発生した非平衡プラズマのエネルギを効率よく点火に利用することが可能となる。
本発明においては、接地電極１２０によって、筒内気流の流速が制限されているので、引込力が相対的に弱くなっており、本発明の範囲を外れ、放電空間長さＬ１３０が１０ｍｍを超える長さに設けても、基端側奥に発生した非平衡プラズマは点火に利用されず、エネルギの無駄となる虞がある。

本発明においては、中心誘電体先端部１１０の端末部を平らにし、外周を丸めた形状に形成してあるが、これは、中心誘電体先端部１１０と接地電極先端部１２０との間でアーク放電を招くことなく、より接地電極先端部１２０の開口端に近い位置でのストリーマ放電を誘発し、混合気との反応をできる限り速やかに行わせるためのものである。
従来のように、中心誘電体先端部１１０の先端を球面状に形成した場合には、アーク放電は確実に防止される反面、中心誘導体先端部１１０の側面外周と接地電極先端部１２０との間のストリーマ放電が先端側よりも奥で起こり易くなるため、放電空間１３０の基端側底部に近い位置での放電エネルギが無駄になる虞がある。

本発明の点火装置１に用いられる高エネルギ電源２は、例えば、周波数１５ｋＨｚ〜５０ＭＨｚの範囲の高周波電圧の印加により、熱プラズマを発生させることなく、非平衡プラズマを発生させることができる。

高エネルギ電源２から点火装置１に所定の周波数のエネルギが投入され、放電空間１３０内に非平衡プラズマが発生し、放電空間１３０内に引き込まれた混合気と直接反応して初期火炎核が発生する。
このとき、放電空間基底部１１２が中心誘電体１１の一部によって形成されており、金属で基底部を形成した場合に比べ、冷熱損失を抑制することができる。
また、中心誘電体１１がハウジング１２によって保持される一定の範囲に導体膜１７０が形成され、中心誘電体１１の表面とハウジング１２の内周面とが、導体膜１７０を介して密着状態となっている。
このため、中心電極１０と接地電極１２０との間に高周波電圧を印加した時に、放電空間１３０に対向する表面以外で、ハウジング１２との間に放電が発生することがなく、エネルギ損失を抑制することができる。
さらに、燃焼室５１内に接地電極先端部１２０が突出しているので、発生した火炎核が燃焼室５１内に存在する筒内気流によって吹き消されることなく、点火装置１の先端に保持された状態となり、火炎核の淀み部において、新気との混合による火炎成長が促進されるため、早期に火炎成長を安定化させ、難着火性の機関の点火を安定して実現することができる。

本発明の適用される内燃機関５について極簡単に説明する。
内燃機関５は、少なくとも、筒状の図略のシリンダと、その上面を覆うシリンダヘッド５０と、シリンダの内側で昇降可能に保持されたピストン５２の頂面とで、燃焼室５１を区画し、シリンダヘッド５０に設けた吸気筒５１１と、これを開閉する吸気バルブ５１２と、シリンダヘッド５０に設けた排気筒５１３と、これを開閉する排気バルブ５１４とを含んで構成されたいわゆるレシプロエンジンである。
ＥＣＵ３は、図略の吸気圧センサの検出圧力からエンジン負荷を算出し、図略の回転角センサからエンジン回転数、及び、燃焼サイクルを算出し、所定のタイミングで、図略の燃料噴射弁から所定量の燃料噴射を実施すると共に、所定のタイミングで点火装置１に所定の高周波電圧を印加して、放電空間１３０内に非平衡プラズマを発生させ、燃焼室５１内の混合気に点火する。
なお、本発明において、内燃機関５を特に限定するものではなく、ガソリン、ディーゼル、気体燃料等の種々の燃料系に適用可能である。

図３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。本発明の点火装置１と対応する構成について同じ符号を用い、相違する部分にｚの枝番を付してある。以下の比較例においても同様とする。
比較例１として示す点火装置１ｚは、特許文献１にあるような従来の点火装置を代表するものであり、中心誘電体１１ｚの電極保持部１１３ｚが封止部材１６０ｚを介してハウジング１２ｚの係止部１２３ｚによって保持しつつ、係止部１２３ｚの先端側が放電空間基底部１２６ｚを形成している。
さらに、中心誘電体先端部１１０ｚ、及び、接地電極先端部１２０ｚが共に、シリンダヘッド５０の内壁面と略面一となるように配設されており、燃焼室５１内に突出していない。
また、放電空間１３０ｚの長さが、本発明の放電空間長さＬ_１３０に比べて遙かに長い。
点火装置１ｚに高エネルギ電源２から所定の周波数の高電圧を印加すると、放電空間１３０ｚ内にストリーマ放電が開始され、非平衡プラズマが発する。
このとき、放電空間１３０ｚ内の混合気との反応により火炎核を形成し得るが、点火装置１ｚにおいては、放電空間基底部１２６ｚが金属製のハウジング１２の一部によって形成されているため、中心誘電体１１の一部によって放電空間基底部１１２を形成した場合に比べ、遙かに熱伝導性が高いので、冷熱損失が大きくなる。
さらに、筒内気流が接地電極先端部１２０ｚの表面を通過する際に、強い引込力が作用し、非平衡プラズマが、混合気との反応を起こし火炎核を生成する前に燃焼室５１内に放出され、点火装置１ｚの先端から離れた位置に拡散する。
したがって、比較例１の点火装置においては、非平衡プラズマと混合気との直接的な反応による体積点火を引き起こさず、非平衡プラズマは、圧縮自着火や、火花放電着火をする際に着火性を改善する着火性向上物質として作用するに留まる。

図４を参照して、比較例２として示す従来の点火装置１ｙについて説明する。
比較例２においては、中心誘電体先端部１１０ｙが燃焼室５１内に大きく突出している点が比較例１と相違するが、放電空間基底部１２６ｚがハウジング１２の一部によって形成されている点、接地電極先端部１２０ｚが、シリンダヘッド５０の内周壁と略面一に形成されている点は比較例１と同様である。
比較例２においては、筒内気流が、中心誘電体先端部１１０ｙに衝突し、中心誘導体先端部１１０ｙの長手軸方向に沿った流れが形成され、中心誘電体先端部１１０ｙの下流側には渦を発生する。
しかし、筒内気流の流速が早い状態で中心誘電体先端部１１０ｙに衝突するため、発生する軸方向の流れが強く、しかも発生した渦が放電空間１３０ｙに直接的に作用するため、強い引込流が作用し、早期に非平衡プラズマが放電空間１３０ｙ内から排出されるため、火炎核の成長が促進されないものと推察される。

図５を参照して、比較例３として、本発明に至るまでに検討した点火装置１ｘについて説明する。
比較例３においては、筒内気流の影響を抑制するために、本発明と同様に、中心誘電体先端部１１０、及び、接地電極先端部１２０を燃焼室５１内に突出させ、放電空間１３０の容積を小さくなるように、放電空間基底部１２６ｘを金属製のハウジング１２の一部によって形成した。
その結果、比較例３においては、筒内気流の抑制により、非平衡プラズマによって放電空間１３０ｘ内の混合気と直接に反応させ、体積点火を実現することが可能となったが、放電空間基底部１２６ｘの熱引き作用により、本発明の点火装置１に比べ火炎成長が遅いことが判明した。

図６を参照して比較例と共に本発明の効果を確認するために行った試験結果について説明する。
本試験結果は、燃焼室を模したエンジンベンチ内に１０ｍ／ｓの流速の筒内気流が発生した状態で、比較例１、２、３及び実施例１において放電後の火炎伝播の様子を写真撮影し、時間経過と共に変化する火炎面積の増加をグラフ化したものである。
なお、燃焼速度の違いを明確にするため、燃焼室内の温度、圧力を実際の燃焼条件よりも低い条件で試験を行っている。
この結果、実施例１において早期の火炎成長が見られ、比較例３においては、非平衡プラズマによる体積点火が実現されたが、火炎成長速度は実施例１に比べて遅く、比較例１、２においては、非平衡プラズマによる体積点火を実現できない場合がある等不安定な着火であった。

図７Ａ〜図７Ｆを参照して、本発明に適用し得る幾つかの変形例について説明する。以下の変形例においても、上記実施形態と同様に、中心誘電体１１の一部を利用して放電空間基底部１１２を形成しており、消炎効果を抑制してエネルギ損失の低減を図ると共に、中心誘電体の表面の特定範囲に導電層を形成し、その弾性を利用してハウジングとの密着状態を維持し、放電空間内以外での放電発生を防止しつつ、接地電極先端部及び中心誘電体先端部を燃焼室内に突出させることで、放電空間内で非平衡プラズマと混合気とを反応させて火炎核を発生させた時に、強い筒内気流を、接地電極先端部によって抑制して吹き消されないようにし、接地電極の下流側に形成される渦を利用して火炎核と混合気とを撹拌して早期の火炎成長を実現する本発明の基本的な効果を発揮し得るものである。

図７Ａに示す点火装置１ａでは、接地電極先端部１２０ａとして、内側に基端側から先端側に向かって径大となる傾斜面ＴＰ_１を設けて放電空間１３０ａの容積が先端に向かって徐々に拡大するように形成してある。このような構成とすることで、放電空間１３０ａ内で発生した火炎核と混合気と撹拌が容易になり、より一層早期の火炎成長が期待できる。
図７Ｂに示す点火装置１ｂでは、内側に基端側から先端側に向かって径小となる傾斜面ＴＰ_２を設けて放電空間１３０ｂの容積が先端に向かって徐々に縮小するように形成してある。このような構成とすることで、放電空間１３０ｂ内で発生した火炎核が筒内気流によってさらに吹き飛ばされ難くなり、早期の火炎成長が期待できる。
図７Ｃに示す点火装置１ｃでは、接地電極先端部１２０ｃの外周に基端側から先端側に向かって径小となるように傾斜面ＴＰ_３が設けられている。このような構成とすることによって、接地電極先端部１２０ｃの周辺を流れる筒内気流を特定の方向に整流する作用が生まれ、火炎核と混合気との撹拌をより速やかにし、早期の火炎成長が期待できる。
図７Ｄに示す点火装置１ｄでは、接地電極先端部１２０ｄの内壁に内側に向かって突出する突起部を複数箇所に設けてある。このような構成とすることにより突起部での電界集中が起こり、ストリーマ放電をし易くなり、エネルギ効率の向上を図ることができると期待される。
図７Ｅに示す点火装置１ｅでは、接地電極先端部１２０ｅの先端縁に先端に向かって縮径する傾斜面ＴＰ_４を形成してある。このような構成とすることで、接地電極先端部１２０ｅの端末部に電界集中し易くなり、新気との入れ替わりが起こり易い位置で火炎核を発生させ、早期の火炎成長が期待できる。
図７Ｆに示す点火装置１ｆでは、接地電極先端部１２０ｅｆ先端縁の内側に先端に向かって縮径する傾斜面ＴＰ_５を形成してある。このような構成とすることで、接地電極先端部１２０ｆの端末部に電界集中し易くなるのに加え、筒内気流が放電空間１３０ｆ内に導入され易くなり、新気との入れ替わりが起こり易い位置で火炎核を発生させ、早期の火炎成長が期待できる。
なお、上記実施形態１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆは、適用する内燃機関の筒内気流、点火装置の取付位置、ボア径等のエンジン条件により使い分けることができる。

１点火装置
１０中心電極
１００中心電極先端部
１１中心誘電体部
１１０中心誘電体先端部
１１２基底部
１２ハウジング
１２０接地電極先端部
１３０放電空間
１７０導電層
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
５１０吸気筒
５１１吸気バルブ
５１２排気筒
５１３排気バルブ
５１燃焼室
５２ピストン
Ｌ_１００中心電極先端部長さ
Ｌ_１１０誘電体先端部長さ
Ｈ_１２０接地電極燃焼室内突出高
Ｌ_１３０放電空間長さ
Ｄ_ＧＰ１誘電体先端部ピストン頂面間距離
Ｄ_ＧＰ２誘電体先端部接地電極内径間距離

特開２０１２−９９３０３号公報特開２００９−１２１４０６号公報

Claims

燃焼室（５２）内に強い筒内気流が発生する内燃機関（５）に設けられ、
少なくとも、
長軸状の中心電極（１０）と、
該中心電極（１０）を覆う有底筒状の中心誘電体（１１）と、
該中心誘電体（１１）を覆う略筒状のハウジング（１２）と、
その先端に設けた略環状の接地電極先端部（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）と、
上記中心電極（１０）と上記接地電極先端部（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）との間に所定の周波数の高電圧を所定時間だけ印加する高周波電源（２）を具備し、
上記中心誘電体（１１）によって上記中心電極（１０）と上記接地電極先端部（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）との絶縁を保持した状態で、
上記中心誘電体（１１）と上記接地電極先端部（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）との間に区画した略筒状の放電空間（１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ）内にストリーマ放電を行い、発生した非平衡プラズマと上記放電空間（１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ）内に存在する混合気とを反応せしめて、上記機関（５）の点火を行う点火装置であって、
上記中心誘電体（１１）の一部を拡径して、上記放電空間（１３０、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１３０ｄ、１３０ｅ、１３０ｆ）の基底部（１１２）を形成すると共に、
該基底部（１１２）は、上記中心電極（１０）の軸と直交する面を備えており、この面を基準として、
上記接地電極先端部（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆ）が上記機関（５）の燃焼室（５２）内に向かって、３ｍｍ以上２５ｍｍ以下の接地電極突出高（Ｈ_１２０）をもって突出せしめ、
上記中心誘電体（１１）の先端部（１１０）が、上記接地電極突出高（Ｈ_１２０）と同一、又は、それ以上の中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）をもって突出せしめたことを特徴とする点火装置（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）。
上記中心誘電体（１１）の表面の特定範囲に導電層（１７０）を形成し、その弾性を利用して上記ハウジング（１２）との密着状態を維持せしめた請求項１に記載の点火装置（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ）。