JP6025283B2

JP6025283B2 - 点火装置

Info

Publication number: JP6025283B2
Application number: JP2012163209A
Authority: JP
Inventors: 祐也阿部; 明光杉浦; 岡部　伸一; 伸一岡部; 雅之丹羽
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2012-07-24
Filing date: 2012-07-24
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-07-24
Also published as: JP2014022341A

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低減の観点から、小型、高出力及び低ＮＯＸを実現可能な高効率エンジンの開発が進められており、その達成手段として、エンジンの高過給化、高圧縮化及び混合気の希薄化が採用されつつある。
高過給、高圧縮エンジンの場合は、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より増加する必要がある。さらに混合気濃度が希薄な場合は火花点火では着火しにくいことが判明している。
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。

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とも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、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を利用した内燃機関では、生成したラジカルによって自着火性の向上を図ることは可能であるが、発生した非平衡プラズマのエネルギは着火補助に用いられているだけで、発生した非平衡プラズマによって直接燃焼室内の混合気の点火を行うことが困難であることが判明した。
特に、更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発生した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発生させることができなかった。

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、火炎核を生成することにより、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。

第１の発明（１、１ａ、１ｂ、１ｃ）では、燃焼室（５２）内に強い筒内気流（ＴＭＢ）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（１００）と、該中心電極（１００）を覆う有底筒状の中心誘電体（１１０）と、略環状の接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）と、上記中心電極（１００）と上記接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）との間に所定の周波数の高電圧を所定時間だけ印加して、上記中心誘電体（１１０）によって上記中心電極（１００）と上記接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）との絶縁を保持した状態で、上記中心誘電体（１１０）と上記接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）との間に区画した略筒状の放電空間（１３０）内に放電を行う高エネルギ電源（２）とを具備し、上記放電によって発生した非平衡プラズマと上記放電空間（１３０）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、
上記接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）が、上記機関（５）の内壁を基準面とし上記燃焼室（５２）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）をもって突出すると共に、上記中心誘電体（１１０）が、上記燃焼室（５２）の内壁を基準面とし上記燃焼室（５２）内に向かって、上記接地電極突出高（Ｈ_１２０）よりも１ｍｍ以上大きく、かつ３０ｍｍ以下の中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）をもって突出することを特徴とする。

第２の発明（１ａ、１ｂ、１ｃ）では、上記接地電極突出高（Ｈ_１２０）が上記中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）の５分の１以上５分の４以下である。

第３の発明（１ｂ、１ｃ）では、上記接地電極（１２０ｂ）の一部を切り欠いたスリット溝状の通気部（１２１）、又は、上記接地電極（１２０ｃ）を貫通する貫通孔状の通気部（１２１ｃ）を一箇所以上に具備する。

第４の発明（１、１ａ、１ｂ、１ｃ）では、上記中心誘電体（１１０）の先端表面から上記燃焼室（５２）を区画するピストン（５３）の頂面までの距離（Ｄ_{１１０／５３}）が、上記中心誘電体（１１０）の表面から上記接地電極（１２０）の内側表面までの距離（Ｄ_{１１０／１２０}）よりも長くなる範囲で上記中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）を設ける。

第６の発明（１、１ａ、１ｂ、１ｃ）では、上記中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）が３ｍｍ以上、３０ｍｍ以下である。

本発明によれば、上記中心誘電体と上記接地電極との間に高電圧を印加して、放電空間内に非平衡プラズマを発生させ、該放電空間内に存在する混合気との反応により体積点火を行った場合に、上記燃焼室内に強い筒内気流が発生していても、該燃焼室内に突出した上記接地電極によって筒内気流の流速が抑制され、火炎核が成長する前に筒内気流によって吹き消されるのを防止すると共に、接地電極の下流側に上記筒内気流とは逆向きの渦を発生させ、上記放電空間内に発生した火炎核を上記渦の作用によって、上記接地電極の下流側の位置に形成される淀み部に留めつつ、火炎核と混合気との撹拌により火炎成長を促進し早期に安定した着火を実現できる。

本発明の点火装置を備えた内燃機関の概要を示す断面図。本発明の第１の実施形態における点火装置の要部断面図。本発明の第２の実施形態における点火装置の要部断面図。本発明の第３の実施形態における点火装置の要部断面図。本発明の第４の実施形態における点火装置の要部断面図。本発明の効果を説明すべく、放電時の様子を示す断面模式図。本発明の効果を説明すべく、放電直後の様子を示す断面模式図。本発明の効果を説明すべく、火炎核成長の様子を示す断面模式図。第１の比較例として示す従来の点火装置の要部断面図。第２の比較例として示す従来の点火装置の要部断面図。比較例の問題点を説明すべく、放電時の様子を示す断面模式図。比較例の問題点を説明すべく、放電直後の様子を示す断面模式図。比較例の問題点を説明すべく、非平衡プラズマ拡散の様子を示す断面模式図。比較例と共に本発明の効果を示す図面代用写真。比較例と共に本発明の効果を示す特性図。比較例１における流れ解析図。本発明の効果を発揮しない範囲における流れ解析図。実施例１の突出高の下限を求めるための流れ解析図。実施例１の流れ解析図。実施例２の流れ解析図。実施例２における突出高の上限を求めるための流れ解析図。比較例２の流れ解析図。本発明の効果を発揮しない範囲における流れ解析図。本発明の効果を示す特性図。

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に設けられ機関燃焼室５２内にその先端部が特定の長さだけ突出するように設けられている点に特徴を有する。
具体的な突出量等の詳細に付いては、図２Ａ〜図２Ｆを参照して後述する。
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、所定の周波数の高周波電圧を、所定の印加時間だけ印加して、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プラズマ火炎核を発生させるものである。

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の範囲で、ＥＣＵからの点火信号に応じた適切なタイミングで点火装置１に発振することによって、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。
このとき、点火装置１の先端側に設けた少なくとも接地電極１２０が燃焼室５２内に所定の高さＨ_１２０だけ突出しているため、燃焼室５２内に発生したタンブル渦等の強い筒内気流ＴＭＢが、接地電極１２０に外壁に衝突して流速が弱められた状態で、接地電極１２０の開口部に放電空間１３０内の気体を燃焼室５２側に引き込む引込流れを形成しつつ、接地電極１２０の下流側に筒内気流ＴＭＢと逆向きの渦ＶＴＸを形成する。
なお、本発明において、筒内気流ＴＭＢをＴＭＢの符号を付して表現してあるが、筒内気流ＴＭＢは、タンブル渦に限定するものではなく、スワール等を含み、燃焼室内に発生する気流の総称として用いている。

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ＦＭＫが発生する。
このとき、燃焼室５２内に接地電極１２０が突き出しているので、火炎核ＦＭＫが筒内気流ＴＭＢ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ＦＭＫの淀み部ＳＴＧで、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、筒状のシリンダ５０と、その上面を覆うシリンダヘッド５１と、シリンダ５０の内側で昇降可能に保持されたピストン５３の頂面とで、燃焼室５２を区画し、シリンダヘッド５１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５１に設けた排気筒５１３と、これを開閉する排気バルブ５１４と、吸気筒５１０内の吸気圧力を検出する吸気圧センサ５４、ピストン５３の上下動を伝達するコンロッド５３１、ピストン５３の上下動を回転運動に変換するクランクシャフト５３２、クランクシャフト５３２の回転角を検出するための回転角検出子５５１及び回転角センサ５５、ＥＣＵ３からの信号により、所定のタイミングで所定量の燃料を燃焼室５２内に噴射する燃料噴射弁４等によって構成されている。
ＥＣＵ３は、吸気圧センサ５４の検出圧力からエンジン負荷を算出し、回転角センサ５５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、燃料噴射弁４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５２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２Ａを参照して、より具体的な実施形態における点火装置１について説明する。
第１の実施形態における点火装置１は、図２Ａに示すように、少なくとも、例えば、アルミナ、ジルコニア等の耐熱性の誘電材料を用いて略有底筒状に形成した中心誘電体１１０と、その中心に保持され、ステンレス、ニッケル、ニッケル合金、銅等の良電導性金属材料を用いて長軸状に形成した中心電極１００と、ステンレス、ニッケル、ニッケル合金等の導電性材料を用いて略筒状に形成され中心誘電体１１０を保持するハウジングを兼ねて中心誘電体１１０の先端側に配設された略環状の接地電極１２０とからなる。
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、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１１０の先端、及び、接地電極１２０の先端が、燃焼室５２側に突出して設けられており、少なくとも、接地電極突出高Ｈ_１２０を、シリンダヘッド５１の内壁を基準として、例えば、３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下の範囲に設けている。
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より大きく設定されている。
接地電極突出高Ｈ_１２０を３ｍｍより低くすると、筒内気流ＴＭＢ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ＦＭＫ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２０ｍｍ以上で、火炎成長を加速させる効果は一定となることが判明し、２５ｍｍより高くすると、筒内気流ＴＭＢ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５３の頂面との距離が短くなり、接地電極１２０によって筒内気流ＴＭＢの放電空間１３０よりも、中心誘電体１１０とピストン５３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５３の頂面までの距離Ｄ_{１１０／５３}が中心誘電体１１０の表面から接地電極１２０の内側表面までの距離Ｄ_{１１０／１２０}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１００の先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１００との間でアーク放電を発生する虞もある。

さらに、本実施形態において、放電空間１３０の接地電極１２０の先端から、基端側底部までの放電空間高Ｈ_１３０は、シリンダヘッド５２の内周面を基準面として、基端側底部までの距離が１０ｍｍ以下となるように設定してある。
このように、放電空間高Ｈ_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良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ＴＭＢ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、１０ｍｍを超えて放電空間を設けても、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１１０の先端を平らにし、外周を丸めた形状に形成してあるが、これは、中心誘電体１１０の先端と接地電極１２０との間でアーク放電を招くことなく、より接地電極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。
中心誘電体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１１０の側面外周と接地電極１２０との間のストリーマ放電が起こり易くあるため、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。

図２Ｂ、図３Ａ〜図４Ｃを参照して、第２の実施形態における点火装置１ａについて説明する。
上記実施形態においては、中心誘電体突出高Ｈ_１１０を接地電極突出高Ｈ_１２０よりも僅かに高く設定した例を示したが、本実施形態においては、接地電極突出高Ｈ_１２０ａを中心誘電体突出高Ｈ_１１０の５分の１以上、５分の４以下とした点が相違する。
なお、本実施形態において、上記実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、相違点のある構成については、対応する構成と同じ符号に枝番としてアルファベットを付加して示してあるので、一致する点については説明を省略し、相違点を中心に説明する。以下の実施例においても同様である。

本実施形態のように、接地電極突出高Ｈ_１２０と中心誘電体突出高Ｈ_１１０との段差を大きくすることによって、点火装置１の先端側に発生する渦がより複雑な流れを形成し、放電空間１３０ａ内に発生した初期火炎核ＦＭＫと新気との混合を促進させより、早期の火炎成長を達成できる。
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに本実施形態における非平衡プラズマ放電から火炎核ＦＭＫの成長に至るまでの様子を模式的に示す。

図３Ａに示すように、点火装置１ａに、高エネルギ電源１から、所定の周波数の高電圧を所定時間印加すると、中心誘電体１１０の表面から接地電極１２０ａの内周壁に向かってストリーマ放電が開始される。次いで、図３Ｂに示すように、放電空間１３０内に存在する混合気と非平衡プラズマとが直接反応し、火炎核を発生する。さらに、図３Ｃに示すように、放電空間１３０内に発生した火炎核は、筒内気流ＴＭＢによって下流側に引き込まれるが、接地電極１２０ａの開口部における筒内気流ＴＭＢの流速は、燃焼室５２内に突き出した接地電極１２０ａとの衝突によって抑制されているため、引込力も抑制されており、吹き飛ばされることがない。さらに、中心誘電体１１０及び接地電極１２０ａの下流側には、渦ＶＴＸが発生しているため、発生した火炎核ＦＭＫと燃焼室５２内に存在する混合気との撹拌が行われ、火炎核ＦＭＫが点火装置１ａの先端部に留まった状態で速やかに成長する。
また、後述の試験結果により、接地電極１２０ａを、中心誘電体１１０より短くすることによって、冷熱損を低減し、第１の実施形態よりもさらに、早期に火炎成長できることが判明した。

図２Ｃを参照して、第３の実施形態における点火装置１ｂについて説明する。
上記実施形態においては、燃焼室５２側に突出する接地電極１２０を略環状に形成した例を示したが、本実施形態においては、接地電極１２０ｂの一部をスリット溝状に切り欠いた通気部１２１を一箇所以上に形成した点が相違する。
なお、本図においては、周方向に向かって等間隔に３箇所に設けた例を示してある。
通気部１２１を介して放電空間１３０内に新気が入り込むため、より複雑な渦を形成し、放電空間１３０内に発生した非平衡プラズマと混合気との反応による体積点火によって発生した火炎成長がさらに促進される。
なお、本実施形態は、上記第１、第２のいずれにも適用可能で、接地電極突出高Ｈ_１２０ｂは、３ｍｍ以上、中心誘電体突出高Ｈ_１１０より低くい範囲で任意に設定することができる。

さらに、通気部１２１の開口幅Ｗ_１２１は、０．５ｍｍ以上、４ｍｍ以下とするのが望ましい。
本実施例の範囲を外れ通気部１２１の開口幅Ｗ_１２１を大きくしすぎると、接地電極１２０ｂによる筒内気流ＴＭＢの速度を抑制することができなくなり、本発明の効果が発揮されなくなる。
また、通気部１２１は、１個以上、６個以下の範囲で設けるのが望ましい。
通気部１２１の数が多すぎると、開口幅Ｗ_１２１を大きくしたのと同様、本発明の効果が発揮されなくなる。

図２Ｄを参照して、第４の実施形態における点火装置１ｃについて説明する。
第３の施形態においては、通気部１２１として、スリット溝状に形成した例を示したが、本実施形態においては、通気部１２１ｃとして、接地電極１２０ｃを貫通する貫通孔状に形成した点が相違する。
通気部１２１ｃの開口径φ_１２１ｃは、φ０．５ｍｍ以上、φ５ｍｍ以下の範囲で設定するのが望ましい。
通気部１２１ｃは、１個以上、６個以下の範囲で設けるのが望ましい。
上記実施形態と同様、上限を超えると筒内気流ＴＭＢの流速が抑制されず、本発明の効果が発揮されない。

図４Ａ、及び、図５Ａ〜５Ｃ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、比較例１においては、中心誘電体１１０ｚの先端、及び、接地電極１２０ｚの先端が共に、シリンダヘッド５２の内壁面と略面一となるように配設されており、燃焼室５２内に突出していない。
また、放電空間高Ｈ_１３０ｚは、本発明の放電空間高Ｈ_１３０に比べて遙かに高い。
点火装置１ｚに高エネルギ電源から所定の周波数の高電圧を印加すると、図５Ａに示すように、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、図５Ｂに示すように、点火装置１ｚにおいては、筒内気流ＴＭＢが接地電極１２０ｙの先端側を通過する際に、強い引込力が作用する。

このため、図５ｃに示すように、放電空間１３０ｚ内に発生した非平衡プラズマが、燃焼室５２内に放出され、点火装置１ｙ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４Ｂを参照して、比較例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１１０ｙが燃焼室５２内に大きく突出している点が比較例１と相違するが、接地電極１２０ｙが、シリンダヘッド５２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ＴＭＢが、中心誘電体１１０ｙに衝突し、中心誘導体１１０ｙの長手軸方向に沿った流れが形成され、中心誘電体１１０ｙの下流側には渦を発生する。
しかし、筒内気流ＴＭＢの流速が早い状態で中心誘電体１１０ｙに衝突するため、発生する軸方向の流れが強く、しかも直接放電空間１３０ｙに渦の影響が作用するため、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。

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、燃焼室内に１０ｍ／ｓの流速の筒内気流が発生した状態で、各実施形態において放電後の火炎伝播の様子を写真撮影したものである。
試料Ｎｏ．１、Ｎｏ．２、Ｎｏ．３は、それぞれ、上述の点火装置１、点火装置１ａ、点火装置１ｂとして示したものである。比較例１として、点火装置１ｚを用いた。
比較例１においては、点火装置１ｚの先端における着火が確認されず、点火装置１を用いた場合に、点火装置１の先端において火炎核の成長が観察され、点火装置１ａにおいて、さらなる火炎成長が観察され、点火装置１ｂにおいて、さらに早期の火炎成長が観察された。

図７を参照して、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。
本試験においては、上述の点火装置１、１ａ、１ｂ、１ｃ及び比較例２として示した点火装置１ｙを用いて、火炎成長速度の比較を行った。
横軸は、点火開始からの時間、縦軸は、それぞれの時間における写真撮影した火炎の面積を示す。
本図に示すように、本発明の点火装置は、比較例２に比べて、最大で３．１ｍｓ程度、一定の火炎面積に到達するまでの火炎成長時間を短くできることが判明した。

図８Ａから図８Ｈは、点火装置の違いによる燃焼室５２内に発生する筒内気流ＴＭＢの違いをシミュレーションした流れ解析図である。
図８Ａに示すように、比較例１においては強い筒内気流ＴＭＢの影響により、放電空間１３０ｚ内の気体が引き込まれ点火装置１ｚから遠い位置に運ばれることが判る。
図８Ｂに示すように、接地電極突出高Ｈ_１２０及び中心誘電体突出高Ｈ_１１０を２ｍｍとしても、筒内気流ＴＭＢへの影響は少ない。
図８Ｃに示すように、接地電極突出高Ｈ_１２０を５ｍｍとし、中心誘電体突出高Ｈ_１１０を６ｍｍとしたとき、筒内気流ＴＭＢの抑制効果が見られ、接地電極１２０の下流側に渦ＶＴＸが発生した。
図８Ｄから図８Ｆに示すように、接地電極突出高Ｈ_１２０を１０ｍｍから２５ｍｍの範囲で、中心誘電体突出高Ｈ_１１０を１０ｍｍから３０ｍｍ以下の範囲で変化させたときに接地電極開口部における筒内気流ＴＭＢの流速を抑制しつつ、下流側に渦ＶＴＸが形成される。
図８Ｇに示すように、中心誘電体１１０ｙのみを燃焼室５２内に突出させた場合、下流側に渦ＶＴＸが形成されるが、放電空間１３０ｙ内の気体が渦流ＶＴＸに直接的に引き込まれることが判明し、図８Ｈに示すように、接地電極突出高Ｈ_１２０を３０ｍｍ以上とすると、下向きの流れが強くなる上に、渦ＶＴＸの中心が、点火装置１の先端から遠くなるため、火炎核ＦＭＫを点火装置１の先端付近に留める効果が却って低下する虞があることが判明した。

さらに、燃焼室内に気流を発生していない状態と、１０ｍ／ｓの流速の気流を付加した状態で、中心誘電体突出高Ｈ_１１０を変化させた場合の火炎伝播速度Ｖｆに対する効果の違いを計測した結果を図９に示す。
火炎伝播速度Ｖｆは、所定時間毎の火炎の広がる様子を写真撮影し、火炎の大きさの変化を速度換算したものである。
本図に示すように、燃焼室内に気流が発生していない状態（＠０ｍ／ｓ）では、中心誘電体突出高Ｈ_１１０を変えても、火炎伝播速度Ｖｆに変化はないが、燃焼室内に流速１０ｍ／ｓの気流を発生させた状態（＠１０ｍ／ｓ）においては、中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）を３ｍｍ以上としたときに、火炎伝播速度Ｖｆの上昇が認められ、１０ｍｍ以上とすることで、急激な火炎伝播速度Ｖｆの向上が認められた。中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）を２０ｍｍ以上突出させても火炎伝播速度Ｖｆの向上効果は一定となる。
このことから、上述のシミュレーション結果と合わせて考えると、少なくとも接地電極突出高Ｈ_１２０を３ｍｍ以上とすることによって筒内気流ＴＭＢを点火装置１の先端側を通過する際の速度を弱めつつ、下流側に渦ＶＴＸを形成して火炎を点火装置１の先端位置に留め、混合気との反応を促進できると考えられる。

以上により、以下の知見を得た。
（Ａ）燃焼室５２内に強い筒内気流ＴＭＢ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１００と、該中心電極１００を覆う有底筒状の中心誘電体１１０と、略環状の接地電極１２０と、中心電極１００と接地電極１２０との間に所定の周波数の高電圧を所定時間だけ印加して、中心誘電体１１０によって中心電極１００と接地電極１２０との絶縁を保持した状態で、中心誘電体１１０と接地電極１２０との間に区画した略筒状の放電空間１３０内に、放電を行う高エネルギ電源２とを具備し、放電によって発生した非平衡プラズマと上記放電空間１３０内に存在する混合気とを反応せしめて、機関５の点火を行う点火装置であって、少なくとも、接地電極１２０が機関５の燃焼室５２内に向かって所定の接地電極突出高Ｈ_１２０をもって突出すると共に、中心誘電体１１０が、接地電極突出高Ｈ_１２０より大きい中心誘電体突出高Ｈ_１１０をもって突出することにより、発生した火炎を点火装置先端の淀み部に留め、火炎伝播速度を向上させることができる。
（Ｂ）接地電極突出高Ｈ_１２０を中心誘電体突出高Ｈ_１１０の５分の１以上５分の４以下（例えば、中心誘電体突出高Ｈ_１１０を１５ｍｍとした場合に、接地電極突出高Ｈ_１２０を３ｍｍ以上、１２ｍｍ以下とする。）とすることで、強い筒内気流が存在する場合でも上述の火炎伝播速度の向上効果を発揮できる。接地電極突出高Ｈ_１２０を一定以上に維持することで、筒内気流が直接的に点火装置１の先端に作用し強い引き込み力を発生するのを抑制しつつ、中心誘電体突出高Ｈ_１１０よりも僅かに低く設定することにより初期火炎核の発生位置をより先端側に配置させ、更なる火炎伝播速度の向上を図ることができる。（Ｃ）接地電極１２０ｂの一部を切り欠いたスリット溝状の通気部１２１、又は、接地電極１２０ｃを貫通する貫通孔状の通気部１２１ｃを一箇所以上に設けることで、点火装置１ｂ、１ｃの先端に発生した火炎核と混合気との撹拌が促され、更なる着火性の向上を図ることができる。
（Ｄ）中心誘電体１１０の先端表面から燃焼室５２を区画するピストン５３の頂面までの距離Ｄ_{１１０／５３}が、中心誘電体１１０の表面から接地電極１２０の内側表面までの距離Ｄ_{１１０／１２０}よりも長くなる範囲で中心誘電体突出高Ｈ_１１０を設けることによって、強い筒内気流の発生している中心誘電体１１０の先端とピストン５３の頂面との間で放電を起こすことなく、確実に中心誘電体１１０の表面と接地電極１２０との間でストリーマ放電を起こし、接地電極１２０によって覆われた放電空間１３０内に非平衡プラズマを発生させ、安定した着火を実現できる。
（Ｅ）具体的には、接地電極突出高Ｈ_１２０を３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下の範囲で設定するのが望ましい。
（Ｆ）具体的には、中心誘電体突出高Ｈ_１１０を接地電極突出高Ｈ _１２０より大きく、３０ｍｍ以下の範囲で設定するのが望ましい。

１点火装置
１００中心電極
１１０中心誘電体部
１２０接地電極
１３０放電空間
２高エネルギ電源
３電子制御装置（ＥＣＵ）
４燃料噴射装置
５内燃機関
５０シリンダブロック
５１０吸気筒
５１１吸気バルブ
５１２排気筒
５１３排気バルブ
５１シリンダヘッド
５２燃焼室
５３ピストン
５３１コンロッド
５３２クランクシャフト
５４吸気厚センサ
５５回転角センサ
５５１回転角検出子
Ｈ_１１０誘電部燃焼室内突出高
Ｈ_１２０接地電極燃焼室内突出高
Ｈ_１３０放電空間高さ

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（ＴＭＢ）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（１００）と、
該中心電極（１００）を覆う有底筒状の中心誘電体（１１０）と、
略環状の接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）と、
上記中心電極（１００）と上記接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）との間に所定の周波数の高電圧を所定時間だけ印加して、上記中心誘電体（１１０）によって上記中心電極（１００）と上記接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）との絶縁を保持した状態で、上記中心誘電体（１１０）と上記接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）との間に区画した略筒状の放電空間（１３０）内に放電を行う高エネルギ電源（２）とを具備し、
上記放電によって発生した非平衡プラズマと上記放電空間（１３０）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、
上記接地電極（１２０、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ）が、上記機関（５）の燃焼室（５２）の内壁を基準面とし上記燃焼室（５２）内に向かって、３ｍｍ以上２５ｍｍ以下の接地電極突出高（Ｈ_１２０）をもって突出すると共に、
上記中心誘電体（１１０）が、上記燃焼室（５２）の内壁を基準面とし上記燃焼室（５２）内に向かって、上記接地電極突出高（Ｈ_１２０）よりも１ｍｍ以上大きく、かつ３０ｍｍ以下の中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）をもって突出することを特徴とする点火装置（１、１ａ、１ｂ、１ｃ）。
上記接地電極突出高（Ｈ_１２０）が上記中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）の５分の１以上、５分の４以下である請求項１に記載の点火装置（１ａ、１ｂ、１ｃ）。
上記接地電極（１２０ｂ）の一部を切り欠いたスリット溝状の通気部（１２１）、又は、上記接地電極（１２０ｃ）を貫通する貫通孔状の通気部（１２１ｃ）を一箇所以上に具備する請求項１又は２記載の点火装置（１ｂ、１ｃ）。
上記中心誘電体（１１０）の先端表面から上記燃焼室（５２）を区画するピストン（５３）の頂面までの距離（Ｄ_{１１０／５３}）が、上記中心誘電体（１１０）の表面から上記接地電極（１２０）の内側表面までの距離（Ｄ_{１１０／１２０}）よりも長くなる範囲で上記中心誘電体突出高（Ｈ_１１０）を設けた請求項１ないし３のいずれかに記載の点火装置（１、１ａ、１ｂ、１ｃ）。