JP6035176B2 - 点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、難着火性の内燃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。

特許文献１には、第１電極と前記第１電極を囲む第２電極と、前記第１電極又は前記第２電極のいずれか一方を覆う誘電体と、を有し、前記誘電体といずれか他方の電極との間の放電ギャップが、前記電極の長手方向位置によって異なることを特徴とする内燃機関用バリア放電装置が開示されている。

特開２０10−３7949号公報

ところが、特許文献１にあるようなバリア放電装置では、中心誘電体の先端が接地電極からほとんど露出しないように放電空間が接地電極の先端から内側に大きく引き込むように設けられているため、放電空間内に放出されたエネルギが効果的に着火に利用されず、一定のリーン限界Ａ／Ｆで安定した着火を得るためには電源周波数を一定値（例えば、９００ｋＨｚ）以上とする必要があることが、本発明者等の鋭意試験により判明した。
車両など電源が限られている内燃機関においては、できるだけ供給した点火エネルギを無駄なく着火に利用できるようにすることが重要である。

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所定の周波数以下の交流電圧を印加して、上記誘電体によって区画した放電空間内に発生させた非平衡プラズマと燃焼室内の混合気との直接的な反応により、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、電界集中によるストリーマ放電を開始させる第１の放電部と放電開始後にストリーマ放電を燃焼室側に移動させる第２の放電部とを設けることにより放電エネルギを効率的に火炎成長に利用して、着火性の向上を図ることのできる内燃機関用の点火装置を提供することを目的とする。

本発明（１、１ａ、１ｂ）は、内燃機関（５）に設けられ、柱状の中心電極（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）と所定の放電ギャップ（１３０）を隔てて上記中心電極（１０）と同軸状に配設した筒状の接地電極（１２）と、上記中心電極（１０）と上記接地電極（１２）との間に、所定の周波数の高電圧を印加する高エネルギ電源（３）とを具備して、上記内燃機関（５）の点火を行う点火装置であって、
上記中心誘電体（１１）の先端側の側面を構成する誘電体筒状部（１１１）の一部と、上記誘電体筒状部（１１１）の基端側を拡径して設けた基底部（１１２）と、上記接地電極（１２）の先端側の側面を構成する接地電極筒状部（１２１）の内周面と、によって略筒状の放電空間（１３０）を区画し、
上記接地電極筒状部（１２１）の先端において上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）に開口する接地電極放電部（１２０）から、上記中心誘電体（１１）の先端側の底部を構成する誘電体先端部（１１０）と上記誘電体筒状部（１１１）とによって覆われた上記中心電極（１０）の先端部である中心電極放電部（１００）の一部を上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）内に突出せしめると共に、
上記接地電極放電部（１２０）の内周面の一部に角部を設けて上記誘電体筒状部（１１１）の所定の位置に対向せしめた第１の電界集中部（２００）と、該第１の電界集中部（２００）よりも先端側で、上記第１の電界集中部（２００）よりも大きい内径を有する第２の電界集中部（２０１）と、を設けたことを特徴とする。
基底部

本発明によれば、中心電極放電部（１００）の先端を接地電極放電部（１２０）よりも燃焼室（５１）の内側に配設すると共に、上記接地電極放電部（１２０）に第１の電界集中部（２００）を設けることによって、局所的な電界集中を生じさせ、上記接地電極放電部（１２０）の先端側で燃焼室（５１）の内側に突出した上記中心誘電体先端部（１１１）の表面と上記接地電極放電部（１２０）との間にストリーマ放電（ＳＴＲ）を高密度で発生させ易くし、さらに、上記第１の電界集中部（２００）よりも先端側に上記第２の電界集中部（２０１）を設けることによって、上記中心誘電体先端部（１１０）で覆われた上記中心電極放電部（１００）の先端との間にもストリーマ放電（ＳＴＲ）を生じさせ、上記放電空間（１３０）と上記燃焼室（５１）との境界に生じていたストリーマ放電をより上記燃料室（５１）の内側に移動させると共に、上記接地電極放電部（１２０）によって、燃焼室（５１）との境界における気流を整流し、上記放電空間（１３０）の内側に発生した火炎核と燃焼室（５１）内に導入された混合気との撹拌を促し、火炎成長速度を高め、比較的低い周波数の電源でも、高いリーン限界空燃比の混合気を安定して着火できることが判明した。

本発明の第１の実施形態における点火装置１の全体概要を示す一部断面図 本発明に用いられる高周波電源の一例を示す特性図 実施例１として示す本発明の第１の実施形態における点火装置の放電初期の様子を模式的に示す要部断面図 実施例１の放電中期以降の様子を模式的に示す要部断面図 実施例１の着火時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例１として示す本発明の効果を発揮し得ない点火装置１ｚの概要と放電時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例１の着火時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例２として示す本発明の効果を発揮し得ない他の点火装置１ｙの概要と放電時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例２の着火時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例３として示す従来の点火装置１ｘの放電時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例３の着火時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例４として示す従来の他の点火装置１ｗの放電時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例４の着火時の様子を模式的に示す要部断面図 実施例２として示す本発明の第２の実施形態における点火装置１ａの放電時の様子を模式的に示す要部断面図 実施例２の着火時の様子を模式的に示す要部断面図 実施例３として示す本発明の第３の実施形態における点火装置１ｂの放電時の様子を模式的に示す要部断面図 実施例３の着火時の様子を模式的に示す要部断面図 比較例と共に本発明のリーン限界Ａ／Ｆに対する効果を示す特性図 本発明の臨界的意義を示す特性図 本発明の効果を発揮する限界における接地電極突出長さの範囲を示す要部断面図 本発明の効果を発揮する限界における第１の電界集中部位置と第２の電界集中部位置との最大差を示す要部断面図 本発明の効果を発揮する限界における第１の電界集中部位置と第２の電界集中部位置との最小差を示す要部断面図 本発明の効果を発揮する限界における第２の電界集中部位置の最長位置を示す要部断面図 本発明の効果を発揮する変形例を示す要部断面図

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、柱状の中心電極１０と中心電極１０を覆う略有底筒状の中心誘電体１１と、中心誘電体１１と所定の放電空間１３０を隔てて同軸状に配設した略筒状の接地電極１２と、中心電極１０と接地電極１２との間に、所定の周波数（８０ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ）の交流高電圧（例えば、±２０ｋＶ〜５０ｋＶ）を印加する高エネルギ電源３とを具備して、中心電極１０と接地電極１２との間に高周波の高電界を作用させて、放電空間１３０内にストリーマ放電を発生させて内燃機関５の点火を行うものである。
本発明の点火装置１では、中心誘電体１１に覆われた中心電極１０の中心電極放電部１００の一部を内燃機関５の燃焼室５１内に突出させると共に、放電空間１３０に望む接地電極放電部１２０の特定の位置において、内周面の一部に角部を設けて第１の電界集中部２００とすることにより、第１の電界集中部１においてストリーマ放電を起こり易くし、さらに、第１の電界集中部２００よりも燃焼室５１側に第２の電界集中部２０１を設けることによって、ストリーマ放電を燃焼室５１側に移動させるようにして、燃焼室５１内に早期に火炎伝播させて着火性の向上を図ったものである。

中心誘電体１１の誘電体先端筒状部１１１の外周表面の一部と、誘電体先端筒状部１１１の基端側を拡径して設けた基端側基底部１１２と、接地電極１２の接地電極放電部１２０の内周面とによって略筒状の放電空間１３０が設けられている。
接地電極１２の先端において内燃機関５の燃焼室５１に開口する略環状の接地電極放電部１２０と、中心誘電体１１の底部を構成する誘電体先端部１１０と誘電体先端筒状部１１１とによって覆われた中心電極１０の中心電極放電部１００の一部を接地電極放電部１２０から内燃機関５の燃焼室５１内に突出せしめてある。

本発明の要部である接地電極放電部１２０の内周面の一部には、中心電極放電部１００の中間に対向する位置に第１の電界集中部２００とその先端側に第２の電界集中部２０１とが設けられていることを特徴とする。
具体的には、本実施形態における第１の電界集中部２００と第２の電界集中部２０１は、接地電極放電部１２０の内周面に先端に向かって径大となるように連続的に拡径する略円錐斜辺状の傾斜面を形成することで、放電空間１３０の特定の位置に対向する２カ所のエッジ部分を構成している。

さらに、放電空間１３０の底部を形成する基端側基底部１１２を基準面として、第１の電界集中部２００までの距離を第１の電界集中部位置長さＬ_２００とし、第２の電界集中部２０１までの距離を第２の電界集中部位置長さＬ_２０１とし、中心電極放電部１００の長さを中心電極放電部長さＬ_１００としたとき、少なくとも、Ｌ_２００＜Ｌ_２０１≦Ｌ_１００の関係が成り立つように構成するのが望ましい。
より具体的には、０．５ｍｍ≦Ｌ_２０１−Ｌ_２００≦５ｍｍとするのが望ましい。
また、接地電極放電部１２０が内燃機関５を構成するシリンダヘッド５０の内壁から燃焼室５１内に突出する長さを接地電極放電部長さＬ_１２０とすると、０．５ｍｍ≦Ｌ_１２０とするのが望ましい。
また、第１の電界集中部２００の内径を第１の電界集中部内径φＤ_２００とし、第２の電界集中部２０１の内径を第２の電界集中部内径φＤ_２０１としたとき、Ｄ_２００＜Ｄ_２０１の関係が成り立つように構成するのが望ましい。

中心電極１０は、柱状に形成された良導電性材料からなり、中心電極放電部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１０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放電部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。

さらに、中心電極放電部１００に斜線を施した部分が中心誘電体側面部１１１、誘電体先端部１１０を介して接地電極放電部１２０及び接地電極筒状部１２１との間で放電を起こし得る範囲であり、この範囲を中心電極放電部１００と称しているが、その基端側の斜線を施していない部分と別体のものではなく中心電極結合部１０１迄は一体に形成されているものである。
中心電極端子部１０３は、外部に設けた高エネルギ電源３に接続されている。
高エネルギ電源３は、交流高電圧電源３１と内燃機関５の運転状態を制御する電子制御装置３０とによって構成され、内燃機関５の運転状況に応じた所定のタイミングで所定の周波数（例えば、８０ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下、発生電圧±２０ｋＶ〜５０ｋＶ）の交流電圧を印加する。

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、中心誘電体１１は、中心電極放電部１００の先端を覆う誘電体先端部１１０、中心誘電体１１の先端側の側面を構成する誘電体先端筒状部１１１、放電空間１３０の底面を構成する基底部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。
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、シリンダヘッド５０の内壁から燃焼室５１内に所定の高さＬ_１２０だけ露出する略環状の接地電極放電部１２０、中心誘電体１１との間に放電空間１３０を区画するし、接地電極（１２）の先端側の側面を構成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並びに本発明の要部である第１の電界集中部２００及び第２の電界集中部２０１を構成している。
略筒状に形成されたハウジング１２は、点火装置１を固定する筐体としの機能と、電気的には、シリンダヘッド５０に接地状態となっており接地電極１２としての機能とを兼用している。
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。

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、本実施例においては、いわゆる４サイクルエンジンを例としてある。
内燃機関５は、図略の筒状のシリンダと、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５０１と、これを開閉する吸気バルブ５０２と、シリンダヘッド５０に設けた排気筒５０３と、これを開閉する排気バルブ５０４等によって構成されている。
ＥＣＵ３０は、内燃機関５の運転状況に応じて、図略の燃料噴射装置から燃料を噴射させ所定のタイミングで点火装置１に高周波電源３１から所定の交流電圧を印加して、放電空間１３０、及び燃焼室５１との境界部分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２を参照して本発明に用いられる高周波電源３の一例について説明する。
本発明に用いられる高エネルギ電源３から供給される交流高電圧は、高周波ｆ（例えば、周波数８０ｋＨｚ〜８５０ｋＨｚで、最大電圧Ｖ_ＰＰ（例えば、±２０ｋＶ〜５０ｋＶ）交流の高電圧電源３１から１周期当たり一定量（例えば、１ｍＪ）のエネルギが供給される。
交流高電圧電源３１の周波数ｆに同期して、ストリーマ放電が完結的に放電される。当然のことながら、電源周波数が高いほど単位時間当たりの放電回数が増加し、点火エネルギも増える。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｂを参照して、実施例１として示す本発明の第１の実施形態における点火装置１の効果について説明する。
図３Ａ中、交叉斜線で覆った部分が、接地電極放電部１２０である。
本図に示すように、高エネルギ電源３から、例えば、３００ｋＨｚの比較的低い周波数で、３００ｍＪのエネルギを１．０ｍｓ印加すると、放電初期には、図３Ａに示すように、放電空間１３０内にストリーマ放電ＳＴＲが複数箇所に発生する。
このとき、第１の電界集中部２００の電界強度が高くなるため、第１の電界集中部２００と中心誘電体筒状部１１１の表面との間のストリーマ放電ＳＴＲが他の位置よりも優先的に起こりやすくなり、エネルギ密度が高くなる。
ストリーマ放電ＳＴＲが開始され放電空間１３０内に火炎核が発生すると、放電中期以降では、図３Ｂに示すように、接地電極放電部１２０の先端側に設けた第２の電界集中部２０１と中心誘電体筒状部１１１の表面との間でもストリーマ放電ＳＴＲが発生するようになる。

さらに、図３Ｃに示すように、放電空間１３０内で発生した火炎核ＦＬＫは、第２の電界集中部２００と中心誘電体１１１との間の放電により、接地電極放電部１２０が燃焼室５１に望む位置で大きな火炎核ＦＬＫに成長し、速やかに燃焼室５１内の混合気に燃え広がり安定した着火を実現できる。
このとき、放電空間１３０の容積（Ｖ_１３０）が３００ｍｍ^３以下の比較的小さい容積で形成されているので、放電空間１３０内に発生した火炎が閉じ込められ、点火エネルギが無駄にシリンダヘッド５０に放出されることがない。
また、接地電極放電部１２０が燃焼室５１内に突出しており、これが筒内気流を適度に制限し、放電空間１３０内に発生した火炎核を吹き消すことなく、また、放電空間１３０内に新気を取り込んでより一層の火炎成長を促進することになる。

図４Ａ、図４Ｂを参照して比較例１として示す点火装置１ｚの構造とその問題点について説明する。
なお、本発明との違いを分かり易くするため、上記実施形態と同じ構成については同一の符号を付し、相違する部分に枝番としてｚの符号を付した。
後述する比較例及び実施例においても同様にそれぞれ特徴的な部分に、対応するアルファベットで枝番を付してある。
点火装置１ｚでは、本発明の効果を明確にするため、第２の電界集中部２０１を設けていない点以外は、本発明の点火装置１と同様の構成となっている。
なお、比較例１では、基端側基底部１１２から接地電極放電部１２０ｚの先端までの距離Ｌ_２００ｚは、中心電極放電部１００の長さＬ_１００の１／３〜２／３の範囲となるように形成されている。

点火装置１ｚに実施例１と同じ条件で高周波のエネルギを供給すると、図４Ａに示すように、放電空間１３０ｚ内の複数箇所でストリーマ放電ＳＴＲが発生し、接地電極放電部１２０ｚの先端と中心誘電体１１１の表面との間でのエネルギ密度も高くなるが、図４Ｂに示すように接地電極放電部１２０ｚの先端側に発生する火炎核ＦＬＫは、実施例１に比べると小さいことが判明した。
これは、接地電極放電部１２０ｚの先端部２００ｚが実施例１の第１の電界集中部２００と同様に電界集中を引き起こすが、一カ所であるため、その周辺のエネルギ密度がすぐに飽和し、それ以上の火炎核の誘発を招かなかったものと推察される。

図５Ａ、図５Ｂを参照して比較例２として示す点火装置１ｙの構造とその問題点について説明する。
点火装置１ｙでは、接地電極放電部１２０ｙの先端に実施例１と同じような傾斜面を設けて第１の電界集中部２００ｙと第２の電界集中部２０１ｙを設けてあるが、接地電極放電部１２０ｙが中心誘電体１１の中心誘電体先端部１１０の先端と同じ位置まで引き延ばした点が相違する。
このため、比較例２では、基端側基底部１１２から接地電極放電部１２０ｙの先端までの距離Ｌ_２０１ｙは、中心電極放電部１００の長さＬ_１００のよりも長くなっている。
点火装置１ｙに実施例１と同じ条件で高周波エネルギを供給すると、図５Ａに示すように、放電空間１３０ｙ内の複数箇所でストリーマ放電ＳＴＲが発生するが、第２の電界集中部２００ｙにストリーマ放電が移動することがないことが判明した。

さらに、図５Ｂに示すように火炎核ＦＬＫは、放電空間１３０ｙ内にとどまるため、火炎伝播速度が遅く、実施例１に比べ着火性が劣ることが判明した。
比較例２においては、第２の電界集中部２００ｙが中心電極放電部１００の先端よりも先端側に設けられているので、第２の電界集中部２０１ｙに電界集中が起こらなかったためと推察される。
また、放電空間１３０ｙの容積が実施例１に比べて遙かに大きいため、混合気の着火に有効に利用されることなく放電空間１３０ｙ内に発生したエネルギが接地電極１２ｙや中心誘電体１１に放出され、無駄に消費されたものと推察される。

図６Ａ、図６Ｂを参照して比較例３として示す従来の点火装置１ｘの構造とその問題点について説明する。
図６Ａに示すように、点火装置１ｘでは、接地電極１２ｘとして、中心誘電体先端部１１０の先端に至る範囲を覆うように略筒状に伸びる接地電極筒状部１２０ｘが形成され、さらに、接地電極筒状部１２０ｘは、その先端が、シリンダヘッド５０から露出しないように、シリンダヘッド５０の内周面に対して、略面一に設けられており、放電空間１３０ｘの容積は、実施例１の２倍程度となっている。

さらに、接地電極１２ｘの内径は、先端側に向かって徐々拡径するように形成されている。
点火装置１ｘに、上記実施例１と同じ条件で高周波エネルギを供給したとき、図６Ａに示すように、放電空間１３０ｘ内で多発的にストリーマ放電ＳＴＲが発生するが、図６Ｂに示すように、放電空間１３０ｚ内で火炎核が発生しても、放電空間１３０ｚの容積が大きいので、燃焼室５１内への火炎の伝播速度が遅くなる。
このため、接地電極筒状部１２１を介してシリンダヘッド５０へのエネルギ放出が大きくなり、失火に至ったり、中心誘電体１１ｙの先端筒状部１１１ｙの過剰に加熱してプレイグニションを引き起こしたりして、安定した着火を維持することが困難であった。
さらに、比較例３では、燃焼室５１内の圧力変化によってストリーマ放電ＳＴＲの発生する部位が変動するため、内燃機関５の運転状況によっても着火が不安定となる虞があることが判明した。

図７Ａ、図７Ｂを参照して比較例４として示す従来の点火装置１ｗの構造と問題点について説明する。
点火装置１ｗでは、点火装置１ｘと同様、接地電極１２ｗとして、中心誘電体先端部１１０の先端に至る範囲を覆うように略筒状に伸びる接地電極放電部１２０ｗが形成されているが、接地電極放電部１２０ｗの内側に放電ギャップが軸方向で異なるように内周面の一部が内側に向かって突出する略環状の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で突起部への電界集中により、ストリーマ放電ＳＴＲを起こり易くできると考えられたが、実施例１と同じ条件で高周波エネルギを供給した場合、比較例４では、放電空間１３０ｗの奥の方の放電ギャップが狭いため、図７Ａに示すように燃焼室５１側の突起部ではストリーマ放電が起こり難く、図７Ｂに示すように火炎核が放電空間１３０ｗの奥に発生し、比較例３と同様、火炎伝播の速度が遅く、放電空間１３０ｗ内に発生したエネルギが無駄となり、着火も不安定となる虞があることが判明した。

図８Ａ、図８Ｂを参照して実施例２として示す本発明の第２の実施形態における点火装置１ａの概要について説明する。
上記実施形態においては、第１の電界集中部２００と第２の電界集中部２０１との間に連続的に拡径する傾斜面を形成した例を示したが、本実施形態における点火装置１ａでは、図８Ａに示すように、第１の電界集中部２００ａと第２の電界集中部２０１ａとが段階的に径変する段差形状となっている点が相違する。
このような構成によっても、実施例１と同様に、放電初期には、第１の電界集中部２００ａと中心誘電体筒状部１１１の表面との間でストリーマ放電が開始され、火炎核ＦＬＭの形成とともに、放電中期以降、第２の電界集中部２０１ａとの間にストリーマ放電ＳＴＲが移動し、燃焼室５１内の混合気に速やかに火炎伝播して安定した着火を実現することができる。

図９Ａ、図９Ｂを参照して実施例３として示す本発明の第３の実施形態における点火装置１ｂについて説明する。
点火装置１ｂでは、上記実施形態と同様に第１の電界集中部２００と第２の電界集中部２０１とを所定の位置に設けるとともに、中心誘電体１１ｂとして、接地電極放電部１２０ｂの先端から露出する部分が先端先細りとなる縮径部２０２を設けた点が相違する。
本実施形態においても上記実施形態と同様の効果を発揮できるのに加え、本実施形態２の縮径部２０２によって、その先端側の中心誘電体筒状部１１１ｂの表面電位を高くし、中心誘電体平面部２００と第２の電界集中部２０１との間にストリーマ放電の発生を起こり易くし、燃焼室５１との境界に発生する火炎核ＦＬＫを大きくし、さらに着火の安定を図ることができる。

図１０を参照して、比較例の効果と本発明の効果の違いを明確にすべく行った試験結果について説明する。
投入エネルギとして、周波数ｆ：３００ｋＨｚ、印加電圧Ｖｐｐ：５０ｋＶの交流電圧を１ｍｓ印加し、エンジン条件として、回転数：２０００ｒｐｍ、図示平均有効圧Ｐｍｉ：３００ｋＰａで、上述の点火装置１、１ａ、１ｂ、１ｚ、１ｙ、１ｘ、１ｗを用いたときのリーン限界Ａ／Ｆを調査した。
その結果、比較例１では、比較例３、４として示した従来の点火装置１ｘ、１ｗよりもリーン限界Ａ／Ｆを高くすることができたが、本発明の実施例１、実施例２、実施例３はいずれも比較例１、比較例２、比較例３、比較例４のいずれよりも高いリーン限界Ａ／Ｆを示し、着火性の高い点火装置１、１ａ、１ｂが実現できることが確認された。

さらに、点火装置１において、第２の電界集中部２０１の形成位置を変化させたときのリーン限界Ａ／Ｆに対する効果を調査し、その結果を図１１に示す。
その結果、第２の電界集中部２０１は、中心電極放電部１００の長さＬ_１００よりも短く、即ち、Ｌ_２０１≦Ｌ_１００となるように設定するのが望ましいことが確認された。
以上により、誘電体基底部１１２を基準面として、第１の電界集中部２００までの距離Ｌ_２００と、第２の電界集中部２０１までの距離Ｌ_２０１と中心電極放電部１００の長さＬ_１００との間に、Ｌ_２００＜Ｌ_２０１＜Ｌ_１００の関係が成り立つように形成することが望ましく、この範囲に第１の電解集中部２００と第２の電界集中部２０１と設定することで、比較的低い周波数の高電圧交流電源を用いても、従来に比べ高いリーン限界Ａ／Ｆで安定した着火を実現できるとの知見を得た。
本発明の範囲を外れＬ_２０１をＬ_１００よりも長くすると、第２の電界集中部２０１に電界集中できなくなり、接地電極放電部１２０の先端において、第１の電界集中部２００と第２の電界集中部２０１との間にストリーマ放電を発生させ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。

加えて第１の電界集中部２００の内径φＤ_２００と第２の電界集中部２０１の内径φＤ_２０１との間に、Ｄ_２００＜Ｄ_２０１の関係が成り立つように設定することにより、放電初期には、中心誘電体筒状部１１１と第１の電界集中部２００との間にストリーマ放電ＳＴＲを発生され、放電中期以降、第２の電界集中部２０１へ放電を移動させることが可能となる。
これとは逆に先端側に位置する第２の電界集中部２０１の内径φＤ_２０１を第１の電界集中部２００の内径φＤ_２００よりも小さくしてしまうと、中心電極放電部１００の先端に近い第２の電界集中部２０１のみに電界が集中して、第１の電界集中部２００での放電が開始され難くなり、放電開始の要求電圧が高くなるおそれもある。

ここで、図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄ、１２Ｅを参照して、本発明の効果を発揮するための、各部の臨界的な構成並びに変形例について説明する。
なお、図１２Ａ〜図１２Ｅは、点火装置１と基本構成が同じで、図中に示した各部の位置、大きさ等を変化させたときに、本発明の効果を発揮し得る各部の臨界的な範囲を示すものである。
図１２Ａに示す点火装置１ｃでは、接地電極放電部１２０ｃの燃焼室５１内への突出する接地電極放電部長さＬ_１２０が、本発明の効果を発揮し得る最小値（例えば、０．５ｍｍ）となるように設定してある。
これ以上、接地電極放電部長さＬ_１２０を短くすると強い筒内気流を整流、抑制する作用が生じなくなり、筒内気流の強い引き込み力によって、放電空間１３０と燃焼室５１との境界に発生した火炎核が成長する前に吹き消されてしまう虞がある。

図１２Ｂに示す点火装置１ｄでは、第１の電界集中部位置長さＬ_２００と第２の電界集中部位置長さＬ_２０１との差が最も大きくなるように設定してある。
本発明の効果を発揮するためには、Ｌ_２０１−Ｌ_２００≦５ｍｍとするのが望ましい。
本発明の範囲を外れ、Ｌ_２０１−Ｌ_２００が５ｍｍを超えると、第１の電界集中部２００で発生したストリーマ放電ＳＴＲが第２の電界集中部２０１へ移動し難くなり、本発明の効果を発揮できなくなり、比較例３と同じような問題を生ずるおそれがある。

図１２Ｃに示す点火装置１ｅでは、第１の電界集中部位置長さＬ_２００と第２の電界集中部位置長さＬ_２０１との差が最も小さくなるように設定してある。
本発明の効果を発揮するためには、０．５≦Ｌ_２０１−Ｌ_２００とするのが望ましい。
本発明の範囲を外れ、第１の電界集中部２００と第２の電界集中部２０１との距離が近くなりすぎると、本発明の効果が発揮されなくなり、比較例１と同程度の着火性となる。

図１２Ｄに示す点火装置１ｆでは、第１の電界集中部長さＬ_２００と第２の電界集中部長さＬ_２０１との差は適切な範囲（０．５≦Ｌ_２０１−Ｌ_２００≦５）に設定し、第２の電界集中部長さＬ_２０１を中心電極放電部長さＬ_１００と等しく設定してあり、これが、本発明の効果を発揮し得る限界となる。
本発明の範囲を外れ、第２の電界集中部２０１を中心電極放電部１００の先端よりも燃焼室側に設けると、第２の電界集中部２０１と中心誘電体筒状部１１１の表面、又は、中心誘電体先端部１１０の表面との間でストリーマ放電ＳＴＲを生じなくなり、本発明の効果を発揮できなくなる。

上記実施形態においては、放電空間１３０を区画する中心誘電体１１の基底部１１２が内燃機関５のシリンダヘッド５０内に引き込んだ位置に設けられた例を示したが、図１２Ｅに示す点火装置１ｇのように、基底部１１２がシリンダヘッド５０よりも燃焼室側に位置するように設けても良い。
点火装置１ｇでは、
Ｌ_２００＜Ｌ_２０１≦Ｌ_１００、
０．５≦Ｌ_２０１−Ｌ_２００≦５、
０．５ｍｍ≦Ｌ_１２０、
Ｖ_１３０≦３００ｍｍ^３
Ｄ_２００＜Ｄ_２０１の関係が満たされており、上記実施形態と同様の効果を発揮できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、中心誘電体の一部を接地電極の先端から露出させると共に、接地電極放電部１２０の所定の位置に第１の電界集中部２００と第２の電界集中部２０１とを設けることによって、放電初期には第１の電界集中部２００と中心誘電体筒状部１１１の表面との間に従来よりも低い周波数の交流電圧を用いて、比較的低いエネルギで、ストリーマ放電を発生させ、さらに、放電中期以降は第１の電界集中部２００よりも先端側に設けた第２の電界集中部２０１と中心誘電体筒状部１１１と間にストリーマ放電を発生させるようにして、燃焼室５１内に導入された混合気への速やかな火炎伝播を図り、効率的に体積着火を引き起こす本発明の趣旨に反しない限りにおいて、適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態においては、第１の電界集中部２００と第２の電界集中部２０１との間を、円錐斜辺で構成された傾斜面状に形成した例や、階段状に内径を変化させて形成した例を示したが、第１の電界集中部２００と第２の電界集中部２０１との間を先端側に向かって凸となる湾曲面や、凹となる湾曲面で構成しても良い。
接地電極放電部１２０の先端側外周面に先端に向かって径小となるように縮径する傾斜面を設けても良い。
このような形状とすることによって、上記実施形態と同様の効果に加え、燃焼室内に発生する筒内気流を整流して、混合気との攪拌を促し、火炎伝播速度の更なる向上を図ることも可能となる。

１ 点火装置
１０ 中心電極
１００ 中心電極放電部
１１ 中心誘電体
１１０ 誘電体先端部
１１１ 誘電体先端筒状部
１１２ 基底部
１２ ハウジング（接地電極）
１２０ 接地電極放電部
１２１ 接地電極筒状部
１３０ 放電空間
２００ 第１の電界集中部
２０１ 第２の電界集中部
３ 高エネルギ電源
３１ 交流高電圧電源
３０ 電子制御装置（ＥＣＵ）
５ 内燃機関
Ｌ_１００ 中心電極放電部長さ
Ｌ_１２０ 接地電極放電部長さ
Ｌ_２００ 第１の電界集中部位置長さ
Ｌ_２０１ 第２の電界集中部位置長さ
Ｄ_２００ 第１の電界集中部内径
Ｄ_２０１ 第２の電界集中部内径
Ｖ_１３０ 放電空間の容積

Claims (6)

1. 内燃機関（５）に設けられ、柱状の中心電極（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）と所定の放電ギャップ（１３０）を隔てて上記中心電極（１０）と同軸状に配設した筒状の接地電極（１２）と、上記中心電極（１０）と上記接地電極（１２）との間に、所定の周波数の高電圧を印加する高エネルギ電源（３）とを具備して、上記内燃機関（５）の点火を行う点火装置であって、
   上記中心誘電体（１１）の先端側の側面を構成する誘電体筒状部（１１１）の一部と、上記誘電体筒状部（１１１）の基端側を拡径して設けた基底部（１１２）と、上記接地電極（１２）の先端側の側面を構成する接地電極筒状部（１２１）の内周面と、によって略筒状の放電空間（１３０）を区画し、
   上記接地電極筒状部（１２１）の先端において上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）に開口する接地電極放電部（１２０）から、上記中心誘電体（１１）の先端側の底部を構成する誘電体先端部（１１０）と上記誘電体筒状部（１１１）とによって覆われた上記中心電極（１０）の先端部である中心電極放電部（１００）の一部を上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）内に突出せしめると共に、
   上記接地電極放電部（１２０）の内周面の一部に角部を設けて上記誘電体筒状部（１１１）の所定の位置に対向せしめた第１の電界集中部（２００）と、該第１の電界集中部（２００）よりも先端側で、上記第１の電界集中部（２００）よりも大きい内径を有する第２の電界集中部（２０１）と、を設けたことを特徴とする点火装置。
2. 上記接地電極放電部（１２０）は、上記第１の電界集中部（２００）と上記第２の電界集中部（２０１）との間が、先端側に向かって連続的に径大となる傾斜面状、又は、先端側に向かって段階的に径大となる段差形状である請求項１に記載の点火装置。
3. 上記基底部（１１２）を基準面として、上記中心電極放電部（１００）の先端までの長さを中心電極放電部長さＬ_１００とし、上記第１の電界集中部（２００）までの長さを第１の電界集中部位置長さＬ_２００とし、上記第２の電界集中部（２０１）までの長さを第２の電界集中部位置長さＬ_２０１としたとき、少なくとも、
   Ｌ_２００＜Ｌ_２０１≦Ｌ_１００の関係が成り立つ請求項１又は２に記載の点火装置。
4. 上記第１の電界集中部（２００）の内径をφＤ_２００とし、上記第２の電界集中部（２０１）の内径をφＤ_２０１としたとき、
   Ｄ_２００＜Ｄ_２０１の関係が成り立つ請求項１ないし３のいずれかに記載の点火装置。
5. 上記高エネルギ電源（３）から供給される交流電圧の周波数（ｆ）が８０ｋＨｚ以上８５０ｋＨｚ以下である請求項１ないし４のいずれかに記載の点火装置。
6. 上記放電空間（１３０）の容積（Ｖ_１３０）が３００ｍｍ^３以下である請求項１ないし５のいずれかに記載の点火装置。

Images