JP6397702B2 - 副室付交流点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電圧の印加により非平衡プラズマ放電を発生させ、主燃焼室に連通する副燃焼室内に導入した混合気を着火させて主燃焼室内に燃焼火炎を噴射して内燃機関の点火を行う副室付交流点火装置に関する。

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、非平衡プラズマ放電（ストリーマ放電ともいう。）によって燃料に点火する非平衡プラズマ放電式エンジンであって、燃料が導入される主燃焼室に連通する副燃焼室と導電体からなり、副燃焼室内に延設する第１電極と導電体からなり、延設した第１電極の側部と対向するように配置される第２電極と、第１電極と第２電極との間に電圧を印加して、電極間の非平衡プラズマ放電によって副燃焼室内の燃料に体積点火させる電圧印加手段とを備えた非平衡プラズマ放電式エンジンが開示されている。

特開２００９−３６１２３号公報

ところが、近年の点火プラグ小型化の要求に対して、誘電体碍子を薄肉化して対応した場合に、特許文献１にあるような非平衡プラズマ放電式エンジンでは、副燃焼室内に収容された誘電体碍子が高温の燃焼ガスに晒されるので、熱歪により誘電体碍子の破損に至る虞があることが判明した。
また、誘電体碍子の熱歪割れを抑制するために、特許文献１にあるように、誘電体碍子の先端を厚肉にすると、厚肉部分が蓄熱して、プレイグニション等の燃焼異常を招く虞もある。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、燃料の導入される主燃焼室に連通する副燃焼室を具備し、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の交流電圧を印加して、上記副燃焼室内に発生させた非平衡プラズマと混合気との直接的な反応により、燃焼火炎を副燃焼室から主燃焼室内に噴出させて内燃機関の点火を行う副室付交流点火装置において、燃焼期間の短縮による着火安定性の向上と、熱歪による誘電体碍子の破損を抑制した耐久性の高い副室付交流点火装置を提供することを目的とする。

本発明の副室付交流点火装置（６、６ａ、６ｃ〜６ｄ）は、内燃機関（７）に設けられ、導体からなる軸状の中心電極（１）と、誘電体からなり前記中心電極の外周と先端とを覆う有底筒状の誘電体碍子（２）と、導体からなり前記誘電体碍子の外周を覆う筒状のハウジング（３）と、導体からなり前記ハウジングの先端に延設された環状の接地電極（３０）と、導体からなり前記接地電極よりも先端側に延設され、内側に前記内燃機関の主燃焼室（７０）と連通し、前記誘電体碍子の先端が前記ハウジングから露出した誘電体脚部（２０）の周囲を取り囲むように副燃焼室（４０）を区画する副室カバー（４）と、前記中心電極と前記接地電極との間に所定の周波数の交流電圧を供給する交流電源（５）とを具備し、前記交流電源からの交流電圧の印加により、前記副燃焼室内にストリーマ放電を発生させ、前記副燃焼室内に取り込んだ前記主燃焼室に導入された燃料と空気との混合気の一部を、前記副燃焼室内で着火させ、高温高圧の燃焼ガスを主燃焼室内に噴出して、前記内燃機関の点火を行う副室付交流点火装置であって、
前記接地電極は、環状の内周縁部が前記副室カバーの基端部よりも内側に位置して前記誘電体脚部の外周表面と対向し、
前記副室カバーが、先端側に向かって徐々に縮径するように湾曲して、前記接地電極との間に前記副燃焼室を区画する周壁部（４１）と、該周壁部に穿設され、前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通する複数の通気孔（４２）と、前記周壁部の先端側に設けられ、前記誘電体脚部の外周表面から所定の間隙（ＧＰ２）を隔て開口する開口部（４３）とを具備し、前記誘電体脚部の下半部が前記開口部から前記主燃焼室に突出していることを特徴とする。

本発明によれば、前記副燃焼室内に導入された混合気にストリーマ放電が作用し、高温高圧の燃焼ガスを発生して、前記通気路及び前記開口部と前記誘電体脚部との間に設けられた間隙から、主燃焼室７０内に噴射させ、火炎伝播させることで、安定した着火を実現できる。
加えて、前記副燃焼室内で発生した高温高圧の燃焼ガスに前記誘電体脚部が晒されても、前記開口部から前記誘電体脚部の下半部が前記主燃焼室内に突出しているため、誘電体脚部の下半部への過剰な応力集中による亀裂の発生を回避することができる。

本発明の第１の実施形態における副室付交流点火装置６の全体概要を示す半断面図 図１Ａの副室付交流点火装置６に用いられる副室カバー４の下面図 通気孔４２の穿設位置に偏りを設けた副室カバー４の変形例を示す下面図 通気孔４２の穿設方向を偏心させた副室カバー４の変形例を示す下面図 図１の副室付交流点火装置６の効果を燃焼行程順に追って示す要部断面図 図２Ａに続く要部断面図 本発明の第２の実施形態における副室付交流点火装置６ａの概要を示す要部断面図 本発明の第３の実施形態における副室付交流点火装置６ｂの概要を示す要部断面図 本発明の第４の実施形態における副室付交流点火装置６ｃの概要を示す要部断面図 図５Ｂ中Ｂ−Ｂに沿った横断面図 本発明の第５の実施形態における副室付交流点火装置６ｄの概要を示す要部断面図 図６Ａの下面図 本発明の第６の実施形態における副室付交流点火装置６ｅの概要を示す要部断面図 本発明の点火装置の要部である副室カバーの製造方法の一例を示す行程概要図 本発明の第５の実施形態における副室付交流点火装置６ｄの要部である副室カバー４ｄの製造方法の一例を示す工程図 比較例と共に、本発明の燃焼速度向上に対する効果を示す特性図 比較例１と共に本発明のプレイグニション抑制に対する効果を示す特性図 比較例２と共に本発明の熱歪割れ抑制に対する効果を示す特性図 比較例１として示す、副燃焼室のない交流点火装置６ｘの概要を示す要部断面図 比較例２として示す、通常の直流火花点火装置６ｖの概要を示す要部断面図 比較例３として示す、副室付直流火花点火装置６ｗの概要を示す要部断面図 比較例４として示す、従来の副室付交流点火装置６ｙの概要を示す要部断面図 比較例５として示す、誘電体碍子の肉厚を薄くした副室付交流点火装置６ｚの概要とその問題点を示す要部断面図

図１Ａ，図１Ｂを参照して本発明の第１の実施形態における副室付交流点火装置６（以下、単に点火装置６と称す。他の実施形態においても同様である。）の概要について説明する。
点火装置６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７に設けられており、軸状の中心電極１と、中心電極１の外周と先端側を覆う有底筒状の誘電体碍子２と、誘電体碍子２を内側に収容保持する筒状のハウジング３と、ハウジング３の先端側に延設され、誘電体碍子２の先端側に設けた誘電体脚部２０の外周表面から所定の間隙ＧＰ１を隔てて対向する環状の接地電極３０と、接地電極３０の先端側において、内燃機関７の主燃焼室７０と連通し、誘電体脚部２０の周囲を取り囲む筒状の副燃焼室４０を区画する副室カバー４と、誘電体碍子２で覆われた中心電極１と接地電極３０との間に交流電界を作用させる交流電源５とで構成されている。

本実施形態における点火装置６は、副室カバー４が、副燃焼室４０を区画する周壁部４１と、周壁部４１に穿設され、主燃焼室７０と副燃焼室４０とを連通する複数の通気孔４２と、周壁部４１の先端側に設けられ、誘電体脚部２０の外周表面から所定の間隙ＧＰ２を隔て開口する開口部４３とを具備し、誘電体脚部２０の下半部が開口部４３から主燃焼室７０に突出していることを特徴とするものである。
本発明の点火装置６の適用される内燃機関７は、いわゆるレシプロエンジンであり、エンジンヘッド７１と図略のシリンダとのシリンダ内を昇降可能に収容したピストン７２とによって主燃焼室７０を区画し、主燃焼室７０に空気を導入する図略の吸気筒と、吸気筒を開閉する図略の吸気バルブと、主燃焼室７０から燃焼排気を排出する図略の排気筒と、排気筒を開閉する図略の排気バルブと、主燃焼室７０内に燃料を噴射する図略の燃料噴射弁とを具備し、主燃焼室７０内に導入した混合気の一部を副燃焼室４０内で着火させ、副燃焼室４０から噴出させた燃焼火炎によって、主燃焼室４０内に導入した混合気を着火させて燃焼膨張力によりピストン７２を押し下げることにより動力を発生する。
なお、本発明において、内燃機関７は、液体燃料と気体燃料とのいずれを用いるものであっても良い。

中心電極１は、導体からなり、中心電極放電部１０と、連結部１１と、接着層１２と、中軸部１３と、端子部１４とによって構成され、長軸状に形成されている。
なお、成形容易にすべく中心電極放電部１０と中軸部１３とは別体で設けられ、連結部１１、接着層１２を介して電気的導通が図られている。
中心電極放電部１０は、Ｆｅ、Ｎｉ、これらの合金等、公知の耐熱性金属材料が用いられ、長軸状に形成されている。
中心電極放電部１０の内側にＣｕ等の公知の熱伝導率の高い金属材料を埋設しても良い。中心電極放電部１０は、先端側が閉塞する有底筒状の誘電体脚部２０の内側に設けた放電部挿通孔２００に挿入されている。

中心電極放電部１０の基端には、径大となるように拡径された連結部１１が形成され、誘電体脚部２０の基端側に設けた連結部係止面２１１に係止されている。
なお、図１Ａにおいて、中心電極１の先端側において斜線を施した部分が誘電体脚部２０を介して接地電極４１との間でストリーマ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１０と称している。
ただし、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、中心電極放電部１０の先端から連結部１１に至る迄は一体的に形成されているものである。

接着層１２には、ガラス粉末と銅、鉄、若しくは、これらの合金等の金属粉末を混合したものが用いられ、誘電体碍子２内の所定位置に充填圧縮された後、加熱熔融されている。接着層１２は、連結部１１と、中軸部１３の先端とを誘電体碍子２の内側に封止固定すると共に、連結部１１と、中軸部１３の先端との電気的導通を図っている。
中軸部１３は、誘電体２の基端側に穿設した中軸挿入孔２３０内に収容され、先端の一部が接着層１２内に埋め込まれている。
中軸部１３の基端側には、誘電体頭部２３から露出する位置に端子部１４が設けられている。
端子部１４は、編組シールド線等の公知の同軸ケーブルを介して交流電源５に接続されている。

誘電体碍子２は、高純度アルミナ、ジルコニア等の公知の耐熱性絶縁セラミック材料からなり、先端側が閉塞し、基端側が開口する有底筒状に形成されている。
誘電体碍子２は、中心電極１の外周及び先端を覆い、中心電極１と、ハウジング３、ハウジング３に延設した接地電極３０、及び、接地電極３０に延設した副室カバー４との電気絶縁性を確保している。
誘電体碍子２の内側には、放電部挿通孔２００と連結部係止面２１１と中軸挿通孔２３０とが設けられ、中心電極１を挿通保持している。

誘電体碍子２は、有底筒状に形成された誘電体脚部２０と、誘電体脚部２０の基端側に設けられ、誘電体脚部２０よりも径大となる筒状の誘電体胴部２１と、誘電体胴部２１の基端側に設けられ、誘電体胴部２１より径大となるように拡径した鍔状の誘電体大径部２２と、誘電体大径部２２の基端側に設けられ、誘電体大径部２２よりも径小となるように縮径した筒状の誘電体頭部２３、放電部挿通孔２００と、連結部係止面２１１と、中軸挿通孔２３０とによって構成されている。

誘電体脚部２０の基端側半部は、誘電体脚部２０の表面と、誘電体胴部２１の誘電体底部２１０と、接地電極３０の内周面とで区画された放電空間３００と、副室カバー４によって区画された筒状の副燃焼室４０とによって取り囲まれており、誘電体脚部２０の先端側半部は、副室カバー４に穿設された開口部４３から露出し、主燃焼室７０に接している。
誘電体脚部２０の基端側には、誘電体脚部２０よりも径大となるように拡径した筒状の誘電体胴部２１が形成されている。
誘電体胴部２１は、筒状に形成したハウジング３の筒状部３１に収容保持されている。

誘電体胴部２１の基端側には、鍔状に拡径した誘電体大径部２２が形成されている。
誘電体大径部２２は、ハウジング３の胴部３３に収容保持されつつ、ハウジング３に設けられ、基端側に向かって径大となるように拡径する径変部３３と加締め部３５とによって挟持され、円環状のシール部材３７、３９、タルク等の公知の粉末充填部材３８を介して気密に保持されている。

誘電体大径部２２の基端側には誘電体頭部２３が形成され、ハウジング３の基端側から露出している。
誘電体頭部２３は、中心電極端子部１４とハウジング３との間の放電を防止すべく絶縁性を確保している。
中心電極端子部１４とハウジング３との間で沿面放電を一層起こり難くするため、誘電体頭部２３の基端側を、凹凸面が交互に並んだコルゲート状に形成しても良い。

ハウジング３は、導体からなり、接地電極３０と、筒状部３１と、ネジ部３２と、径変部３３と、胴部３４と、加締部３５と、六角部３６とによって構成されている。
ハウジング３は、Ｆｅ、Ｎｉ、これらの合金、炭素鋼、ステンレス等公知の耐熱性金属材料が用いられ、筒状に形成され、内側に誘電体碍子２を収容・保持している。

ハウジング３の基端には、加締め部３５が設けられ、シール部材３７、３９、タルクなど粉末充填部材３８等の公知の封止部材を介して、径変部３３と共に、誘電体碍子２の誘電体大径部２２に軸方向の圧縮力を作用させて、誘電体碍子２とハウジング３との間の気密性を確保している。
ハウジング３の先端側外周には、エンジンヘッド７１に点火装置６を固定するためのネジ部３２が形成され、基端側外周には、ネジ部３２を締め付け固定するための六角部３６が形成されている。

ハウジング３の先端側には、環状の接地電極３０が延設されている。
電気的には、接地電極３０は、ネジ部32を介してエンジンヘッド７１に接地状態となっている。
接地電極３０の内周壁は、誘電体底部２１０と誘電体脚部２０の外周面と共に、放電空間３００を区画している。
本実施形態においては、接地電極３０の内周壁の一部が誘電体脚部２０の表面に向かって突出する突出部３０１が全周に亘って形成されている。
突出部３０１は、誘電体脚部２０の表面との間に所定の間隙（第１の間隙）ＧＰ１を隔て対向している。

接地電極３０の先端側に延設して本発明の要部である副室カバー４が設けられている。
副室カバー４は、Ｆｅ、Ｎｉ、これらの合金、炭素鋼、ステンレス等公知の耐熱性金属材料が用いて、誘電体脚部２０の上半部を取り囲むように筒状に形成されている。
本実施形態における副室カバー４は、先端側に向かって徐々に縮径するように湾曲している。

副室カバー４は、電気的に接地電極３０と接続されており、接地電極３０と同様、エンジンヘッド７１に接地された状態となっている。
副室カバー４の内周壁と、誘電体胴部２１の誘電体底部２１０、と誘電体脚部２０の表面とによって、誘電体脚部２０の周囲を取り囲むように、筒状の副燃焼室４０（副室ともいう。）が区画されている。
周壁部４１には、複数の通気孔４２が穿設されており、主燃焼室７０と副燃焼室４０とを連通している。

通気孔４２は、軸中心に対して末広がりとなる角度θを設けて穿設されている。
周壁部４１の先端には、誘電体脚部２０の表面から一定の間隙（第２の間隙）ＧＰ２を隔てて開口する開口部４３が形成されている。
開口部４３からは、誘電体脚部２０の下半部が露出して、主燃焼室７０内に突出している。
なお、接地電極３０（突出部３０１が設けられている場合には、その先端）の内周面と誘電体脚部２０の表面との間の第１の間隙ＧＰ１及び、開口部４３と誘電体脚部２０の表面との間の第２の間隙ＧＰ２は、以下の範囲に設定するのが望ましい。
ＧＰ１≧０．５ｍｍ、好ましくは、ＧＰ１≧０．８ｍｍ、
ＧＰ２≦０．５ｍｍ、好ましくは、ＧＰ２≦０．３ｍｍとする。

第１の間隙ＧＰ１は、放電空間３００と副燃焼室４０との間の混合気の入れ替わりを考慮して、一定以上の間隙とするのが望ましい。
また、副燃焼室４０内に発生した高温高圧の燃焼ガスＧ_ＥＸが、通気孔４２を介して噴出されるようにするのが望ましく、できるだけ第２の間隙ＧＰ２を小さくするのが望ましい。副燃焼室４０内の燃焼圧力を高め、通気孔４２から主燃焼室７０へ勢い良く噴出させるためである。

但し、誘電体脚部２０と開口部４３とが接触すると、放電が起こらなくなるため、第２の間隙ＧＰ２は、０ｍｍより大きくなければならない。
第２の間隙ＧＰ２が狭いと、開口部４３と誘電体脚部２０との間に一定以上の電荷が溜まったときに、開口部と誘電体脚部２０との間ではストリーマ放電が起こらなくなる場合があるが、副燃焼室４０内において、周壁部４１の内周面及び接地電極３０の内周面と誘電体脚部２０の表面との間のいずれかの場所でストリーマ放電が発生するので、副燃焼室４０内に導入された混合気の着火が行われる。

図１Ｂには、仮想円ＶＣ上において等間隔に通気孔４２を４個並べた例を示してあるが、通気孔４２の数を限定するものではなく、また、必ずしも等間隔に穿設する必要はない。なお、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄに示した通気孔４２に引き出された矢印は。通気孔４２の穿設方向を示すと共に、副燃焼室４０内で混合気の着火が発生したときに副燃焼室４０から主燃焼室７０に噴射される燃焼ガスＧ_ＥＸの噴射方向を示すものである。
内燃機関７の燃焼特性に応じて、通気孔４２の数、位置、方向を、適宜変更することができる。

例えば、図１Ｃに示すように、通気孔４２を周方向に対して、不均一に配置して、燃焼室７０の吸気側と排気側とで副燃焼室４０から噴射する燃焼火炎Ｇ_ＥＸの量を異ならせることで、ノッキングの抑制を図ることもできる。
また、図１Ｄに示すように、通気孔４２の穿設方向を偏心させることにより、副燃焼室４０から噴射される燃焼ガスを旋回させ、主燃焼室７０内での混合気との反応性を高め、より一層の火炎成長速度の向上を図ることもできる。

本発明の交流点火装置６に用いられる交流電源５は、中心電極１と接地電極３０との間に、所定の周波数ｆ（例えば、８５ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下）の高電圧（例えば、尖頭値Ｖ_ＰＰで２０ｋＶ以上５０ｋＶ以下）を印加する。
交流電源５は、内燃機関７の運転状況に応じて、図略のエンジン制御装置によって開閉制御される。

図２Ａ、図２Ｂを参照して、第１の実施形態における点火装置６の効果について説明する。
図２Ａの中心線から左側半部には、圧縮行程において燃焼室７０内に導入された混合気ＭＸＦが副燃焼室４０内に導入される様子を模式的に示したものである。
図２Ａの中心線から右側半部は、中心電極１と接地電極３０との間に交流高電圧を印加したときのストリーマ放電行程を模式的に示すものである。
図２Ｂの中心線から左側半部は、副燃焼室４０内に発生したストリーマ放電によって、同時多発的に体積着火が発生する様子を模式的に示し、図２Ｂの中心線から右側半部は、副燃焼室４０から主燃焼室７０に燃焼ガスＧＥＸが噴射される様子を模式的に示すと共に、熱歪による誘電体脚部２０の先端側への応力集中が抑制される効果を模式的に示すものである。

図２Ａの左側半部に示すように、内燃機関７の圧縮行程においては、ピストン７２の上昇に伴って主燃焼室７０内の筒内圧力Ｐ_ＳＹＬが上昇する。
ＢＴＤＣ３０°からＡＴＤＣ３０°の範囲内であって、内燃機関７の運転状況に応じた所定のタイミングにおいて、図略の燃料噴射弁が開閉駆動され、主燃焼室７０内に燃焼が噴射され、ピストン７２の移動によって発生する筒内気流によって、主燃焼室７０内の空気と燃料が混合され混合気ＭＸＦが形成される。
主燃焼室７０内の混合気ＭＸＦは、ピストン７２の上昇に伴って、開口部４３及び通気孔４２を介して副燃焼室４０内に導入される。

図２Ａの右側半部に示すように、所定の点火時期に交流電源５から中心電極１と接地電極３０との間に所定の周波数ｆで、所定の尖頭値Ｖｐｐの交流電圧が印加されると、接地電極３０及び開口部４３と誘電体脚部２０の表面との間にストリーマ放電ＳＴＲが発生する。
このとき、図２Ｂの左側半部に示すように、副燃焼室４０内に導入された混合気にストリーマ放電が作用し、副燃焼室４０の内側と開口部４３の近傍で初期火炎核ＦＬＫが発生し、副燃焼室４０内の混合気が同時多発的に着火される体積着火が行われる。

すると、図２Ｂの右側半部に示すように、副燃焼室４０内の圧力が高くなり、通気孔４２及び開口部４３から、高温の燃焼ガスＧ_ＥＸが主燃焼室７０内に噴出される。
このとき、副燃焼室４０に囲まれた誘電体脚部２０の上半部が高熱に晒され、熱膨張が大きくなるが、誘電体脚部２０の下半部は、副燃焼室４０内よりも温度の低い主燃焼室７０に突出しているため、その分、軸方向と断面方向の熱膨張が抑制され、熱歪に弱い誘電体脚部２０の側面と底部との交わる角部への応力集中が緩和される。

一方、副燃焼室４０から、勢いよく噴射された燃焼ガスＧ_ＥＸによって、主燃焼室７０内に導入された混合気が着火され、早期に完爆に至ることができる。
第１の実施形態における点火装置６では、誘電体脚部２０の先端を副室カバー４から主燃焼室７０内に露出させるために、中心電極放電部１０及びこれを覆う誘電体脚部２０を長く形成してある。
このため、副燃焼室４０内に発生するストリーマ放電は、中心電極放電部１０の先端側に引き寄せられ、副燃焼室４０において、開口部４３に近い位置に偏って発生する虞がある。

副燃焼室４０内の既燃ガスの掃気及び新規の吸入を効果的に行うためには、通気孔４２及び開口部４３から離れた混合気の着火を確実に行うのが望ましい。
そこで、点火装置６では、接地電極３０の一部を誘電体脚部２０の表面に向かって環状に突出させた突出部３０１を設けて、開口部４３に過剰に電界集中しないようにしてある。ここで、図３〜図７を参照して、本発明の他の実施形態における副室付交流点火装置６ａ〜６ｅについて説明する。

なお、以下の説明において、前記実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し、各実施形態における特徴的な部分については、アルファベットの枝番を付して区別したので、共通する部分についての説明を省略し、特徴的な部分を中心に説明する。
本発明においては、誘電体脚部２０の熱歪による破損を避けるため、誘電体脚部２０の一部を副室カバー４の先端から主燃焼室７０内に突出させてあり、第１の実施形態においては、誘電体脚部２０と、中心電極放電部１０とを長く形成してある。

このため、中心電極放電部１０の先端への電界集中により副燃焼室４０内に発生するストリーマ放電は、開口部４３側に偏って発生する傾向となっている。
誘電体脚部２０の一部を副室カバー４の先端側から露出させれば熱歪による破損を回避できるため、中心電極放電部１０を必ずしも、誘電体脚部２０の長さにあわせて長く形成する必要はない。

そこで、図３に示す、第２の実施形態における点火装置６ａでは、中心電極放電部１０ａの長さを接地電極３０ａに対向する位置又はそれよりも僅かに先端側となる位置とし、誘電体脚部２０に設けた放電部挿通孔２００との間に空間部１５を設けている。
このような構成とすることによって、第１の実施形態と同様に、誘電体脚部２０の熱歪割れを抑制する効果に加え、電界集中し易い中心電極放電部１０の先端と接地電極３０ａとが誘電体脚部２０を介して対向するため、中心電極放電部１０ａが存在して誘電体脚部２０に設けた放電部挿通孔２００が中実となった部分において、ストリーマ放電が起こりやすくなるため、開口部４３付近だけでなく、放電空間３００ａから副燃焼室４０の開口部４３に至るまでの広範囲に亘ってストリーマ放電が発生する。
その結果、副燃焼室４０内に導入された混合気を効率良く燃焼させ、更なる着火安定性を図ることができる。

また、本実施形態においては、接地電極３０ａが中心電極放電部１０ａの先端に近い位置に対向し、ストリーマ放電が起こり易くなってているため、内周面３０１ａには、誘電体脚部２０の表面に向かって突出する突出部を設けなくとも良い。
このため、放電空間３００ａと副燃焼室４０ａとの間における気体の入れ替わりに妨げとならず、放電空間３００ａ内に未燃ガスが残留するのを抑制することもできる。

図４を参照して、本発明の参考形態である第３の形態における副室付交流点火装置６ｂについて説明する。
前記実施形態においては、副室カバー４、４ａを先端側に向かって徐々に縮径する球面状に形成した例を示したが、本形態では、図４に示すような、周壁部４１ｂを一定の内径で軸方向に伸び、先端に開口部４３を有する底面を設けた有底筒状に形成し、通気孔４２ｂを周壁部４１ｂの底面に穿設するようにしている。
本形態においても、第２の実施形態と同様、放電部挿通孔２００に空間部１５を設けて、接地電極３０に対向する位置までの長さとした中心電極放電部１０ａを用いても良い。

図５Ａ、図５Ｂを参照して、本発明の第４の実施形態における副室付交流点火装置６ｃの概要について説明する。
第１の実施形態においては、接地電極３０の内周面の一部を誘電体脚部２０の表面に向かって環状に突出せしめた突出部３０１を形成した例を示したが、本実施形態における点火装置６ｃでは、突出部３０１ｃがピン状に形成され、接地電極３０ｃの内周面の複数箇所に設けられている。
このような構成とすることにより、突出部３０１ｃに電界集中を起こさせ、初期のストリーマ放電を通気孔４２から離れた位置で発生させ、副燃焼室４０ｃ内の通気孔４２から離れた位置にある混合気の着火を容易にすることができる。

また、ピン状の突出部３０１ｃは、放電空間３００ｃと副燃焼室４０ｃとの間の気体の移動の妨げとならず、放電空間３００ｃ内に未燃ガスが残留するを抑制することもできる。また、突出部３０１ｃと誘電体脚部２０の表面との距離を短くすることで、誘電体脚部２０の表面を這うように発生する沿面ストリーマ放電を発生させることができ、放電開始電圧が低くなり、早期に副燃焼室４０ｃ内の混合気に着火させることができる。

図６Ａ、図６Ｂを参照して、本発明の第５の実施形態における副室付交流点火装置６ｄについて説明する。
本実施形態においては、基本的な構造は、第２の実施形態における点火装置６ａと同様であるが、副室カバー４ｄを別体で形成し、接地電極３０ｄに嵌着させるようにして構成した点が相違する。
このような構成とすることで、副室カバー４をプレス成形によって簡単に成形することが可能となり、製造コストの低減を図ることもできる。
さらに、本実施形態においては、本図に示すように通気孔４２ｄと開口部４３ｄとを繋げることにより、一回のプレス工程で、通気孔４２ｄと開口部４３ｄとを有する副室カバー４を打ち抜き加工することが可能となる。

ここで、図８Ａ、図８Ｂを参照して、プレス加工によって副室カバー４ｄを形成する方法の具体例について説明する。
図８Ａに示す、複数回に亘って加工する方法では、まず、図８Ａ（ａ）に示すように、平板状の鋼板を金型を用いて打ち抜き加工することで、通気孔４２及び開口部４３となる貫通孔を設けた穴あきブランクを形成する。
次いで、図８Ａ（ｂ）、（ｃ）に示すように、絞り加工用ダイＤｉとパンチＰＮＣとからなる金型を用いて絞り加工することで、図８Ａ（ｄ）に示すよう副室カバー４ｄを加工することができる。
なお、加工時に耳部が形成される場合には、必要に応じて耳部のカットを行う。
孔無しのブランクを用いて絞り加工後の仕上げ加工時に、通気孔４２と開口部４３とを打ち抜くようにしても良い。

一方、図８Ｂに示す方法は、一回の打ち抜きによって、通気孔４２ｄと開口部４３ｄとを有する副室カバー４ｄの加工を可能とするものである。
図８Ｂ（ａ）に示すように、ガイドポストＧＰ、ダイホルダＤＨ、ダイＤｉ、ブランク押さえＢＨ、第１のコアパンチＣＰ１、第２のコアパンチＣＰ２、パンチホルダＰＨ等からなるダイセットに、ブランクＢＲＫをセットする。
図８Ｂ（ｂ）に示すように、第１のコアパンチＣＰ１、第２のコアパンチＣＰ２は、通気孔４２ｄと開口部４３ｄとが繋がった一体的に打ち抜きが可能な形状とあっている。

図８Ｂ（ｃ）に示すように、ブランクＢＲＫをダイＤＩとブランク押さえＢＨとで挟持しながら、ダイＤＩが下降するこで、平板状のブランクＢＲＫが、第１のコアパンチＣＰ１、第２のコアパンチＣＰ２の形状に沿って、有底筒状の外形に絞り込まれていく。
図８Ｂ（ｄ）に示すように、ダイＤＩの内側に設けた突起部がワークＷの底部を押し圧し、第１のコアパンチＣＰ１が固定され、第２のコアパンチＣＰ２が沈み込むことで、図８Ｂ（ｅ）に示すように、通気孔４２ｄと開口部４３ｄとが繋がった形状の抜きカスＤＢＳが打ち抜かれる。

このような工程を経ることで、図８Ｂ（ｆ）に示すような副室カバー４ｄを一回の打ち抜き加工によって形成することができる。
なお、成形過程で、いわゆる耳部やフランジ部と称される余剰部分が形成される場合には、必要に応じて除去すれば良い。
また、本実施形態に示した金型の構造は、本発明の点火装置を実現するための一例を示したに過ぎず、本発明において、製造方法を限定するものではない。

図９を参照して、燃焼速度向上に対する本発明の効果について説明する。
本図は、燃焼行程において、燃料の化学エネルギが燃焼によって取り出される速度を示す熱発生率ＲＯＨＲ（Ｊ／ｄｅｇ）について、燃焼条件を同じにして、点火装置を変えた場合のる熱発生率の違いを示すものである。
本図中実線で示す実施例１は、第１の実施形態における点火装置６を用いた場合の熱発生率ＲＯＨＲを示す。
なお、副燃焼室のない、従来の交流点火装置６ｘを用いた場合の熱発生率を比較例１として点線で示し、副燃焼室を設けていない通常の直流火花点火装置６ｖを用いた場合の熱発生率を比較例２として波線で示し、従来の副室付直流火花点火装置６ｗを用いた場合の熱発生率を比較例３として一点鎖線で示してある。

通常の火花点火装置６ｖに比べ、副室付直流火花点火装置６ｗの方が燃焼速度が向上し、さらに、副燃焼室を設けていない交流点火装置６ｘの方が、副室付直流火花点火装置６ｗよりも燃焼速度が向上することが確認された。
さらに、本発明の副室付交流点火装置６では、初期の熱発生は、従来の副燃焼室を備えていない点火装置６ｘより遅いものの、中期以降の熱発生が速くなっており、全体では点火装置６ｘをさらに上回り、例示した中では最も速い燃焼速度を達成していることが確認された。

図１０Ａを参照して、比較例と共に、本発明のプレイグニション抑制に対する効果について説明する。
比較例４として、後述する点火装置６ｙを用い、本発明の第１の実施形態に示した点火装置６を、内燃機関の燃焼室を模した高圧容器に取り付け、副燃焼室内に高温の気体を導入したときの誘電体脚部表面の温度の違いを測定した。
その結果比較例４では、誘電体脚部２０ｙの表面温度が、プレイグニションを発生させる温度以上に昇温され、実施例においては、プレイグニション発生温度よりも低い表面温度を維持できた。

図１０Ｂを参照して、比較例と共に、本発明の耐久性向上に対する効果について説明する。
比較例５として、後述する点火装置６ｚを用い、本発明の第１の実施形態に示した点火装置６を、内燃機関の燃焼室を模した圧力容器に取り付け、一定時間、交流電源５から交流二次電圧の印加と停止を繰り返す耐久試験を行った。
比較例５として示す、点火装置６ｚでは、試料（ｎ＝３）の全てにおいて、所定の耐久時間に到達する前に誘電体脚部２０ｚに亀裂が生じ、本発明の実施例として示す、点火装置６では、所定の耐久試験後においても、誘電体脚部２０に損傷はなく、正常な状態を維持できた。

図１１を参照して、比較例１として示す、従来の副燃焼室を備えていない交流点火装置６ｘについて説明する。
点火装置６ｘは、軸状の中心電極１ｘと、中心電極１ｘを覆う有底筒状の誘電体碍子２ｘと、誘電体碍子２ｘを収容保持するハウジング３ｘと、ハウジング３ｘの先端に延設され、誘電体碍子２ｘの先端に設けた誘電体脚部２０ｘの表面と所定の放電距離ＧＰを隔てて対向する環状の接地電極３０ｘと、中心電極１ｘと接地電極３０ｘとの間に、所定周波数で、所定の二次電圧を有する交流電源５によって構成されている。
交流電源５からの交流電圧の印加により、点火装置６ｘの誘電体脚部２０ｘの表面と接地電極３０ｘとの間にストリーマ放電が生成され、ストリーマ放電と燃焼室７０内の混合気との直接的な反応により、従来の火花点火装置６ｖや副室付直流火花点火装置６ｗよりも、早期の着火安定化を図ることができる。

図１２を参照して、比較例２として示す従来の直流火花点火装置６ｖについて説明する。点火装置６ｖは、公知の火花式点火装置で、長軸状の中心電極１ｖと、筒状の絶縁碍子２ｖと筒状のハウジング３ｖと、ハウジング３の先端側からＬ字形に伸びるように延設され、中心電極１の先端に設けた中心電極放電部１０ｖと所定の放電距離ＧＰを隔てて対向する接地電極３０ｖとによって構成されている。
点火装置６ｖは、直流電源から供給された一次電圧を図略の点火コイルによって昇圧した二次電圧を供給する直流高圧電源５ｗを具備し、中心電極１ｖと接地電極３０ｖとの間に印加し、中心電極放電部１０ｖと接地電極３０との間に所定の放電距離ＧＰを隔てて設けられた放電空間４０ｖに火花放電を発生し、その周辺の混合気を着火する。
また、直流高圧電源５ｗは、放電開始後から、二次電流の供給を続けることで、放電アークの吹き消え防止を図るものもある。

図１３を参照して、比較例３として示す、従来の副室付直流火花点火装置６ｗについて説明する。
点火装置６ｗは、比較例２として示した、火花点火装置６ｖの先端側を覆う半球型の周壁部４１ｖを設けて、内側に副燃焼室４０ｖを区画し、周壁部４１ｖには、副燃焼室４０ｖと主燃焼室７０と連通する通気孔４２ｖが穿設されている。
副燃焼室４０ｖを設けることで、副燃焼室４０ｖ内に導入された混合気が火花放電によって着火され、高温高圧の燃焼ガスとなり、通気孔４２ｖを介して主燃焼室７０内に噴射され、主燃焼室７０内の混合気に火炎伝播し、通常の火花点火装置６ｗよりも、燃焼速度が向上する。

図１４を参照して、比較例４として示す、従来の副室付交流点火装置６ｙの概要と問題点について説明する。
点火装置６ｙでは、中心電極放電部１０ｙを覆う有底筒状の誘電体脚部２０ｙの先端を肉厚の半球面状に形成することで、熱歪に耐久性確保している。
副室カバー４ｙは、一定の間隙を隔てて誘電体脚部２０ｙの先端側を覆う半球型の周壁部４１ｙを設けて、内側に副燃焼室４０yを区画し、周壁部４１ｙには、副燃焼室４０ｙと主燃焼室７０と連通する通気孔４２ｙが穿設されている。

圧縮行程で副燃焼室４２ｙの内側に導入された混合気は、中心電極１と接地電極３０ｙとの間に交流電圧の印加によって、発生したストリーマ放電によって、燃焼を始める。
副燃焼室４０ｙ内の混合気は燃焼により高温高圧の燃焼ガスとなり、通気孔４２ｙを通過して主燃焼室７０に噴出し、主燃焼室７０内の混合気に火炎伝播する。

このとき主燃焼室７０内の燃焼は、燃焼ガスの噴出による乱れをともなって進行するため、副燃焼室４０ｙを設けていない比較例１として示した交流点火装置６ｗよりも燃焼期間を短縮し、燃焼を安定させることができと期待されていた。
ところが、比較例４の点火装置６ｙでは、副燃焼室４０ｙの高温に対抗するため、中心電極放電部１０ｙを覆う誘電体脚部２０ｙの肉厚が厚く、熱容量が大きくなる。
このため、誘電体脚部２０ｙの蓄熱により、プレイグニション等の燃焼異常を招く虞がある。

また、誘電体脚部２０ｙの先端が肉厚の半球状に形成されているため、ストリーマ放電は、専ら、誘電体脚部２０ｙの側面と筒状に形成された側面電極３１ｙ及び側面電極３１ｙに延設された環状の接地電極３０ｙとの間で生じることとなり、副燃焼室４０ｙを区画する半球状の周壁部４１ｙとの間にはストリーマ放電が生じ難くなっている。
このため、通気孔４２ｙの近傍にはストリーマ放電が発生しないため、副燃焼室４０ｙ内で燃焼が開始されたときに、燃焼ガスに先んじて低温の未燃ガスが噴出されることになる。
その結果、燃焼速度向上効果が十分に発揮できない虞があった。
さらに、誘電体脚部２０ｙの先端を肉厚に形成する都合上、誘電体２ｙの細径化に限界があり、近年の点火プラグの細径化に対する要求にも対応が困難であった。

図１５を参照して、比較例５として示す、従来の副室付交流点火装置において、誘電体脚部２０ｚの肉厚を薄くして細径化した点火装置６ｚの概要と問題点について説明する。
点火装置６ｚでは、ハウジング３ｚのネジ部３２ｚを例えば、従来、呼び径Ｍ１４であったものをＭ１２以下の呼び径にするため、誘電体脚部２０ｚを薄肉に形成してあり、誘電体脚部２０ｚは、比較例４として示した点火装置６ｙと同様、副室カバー４ｚの内側に収容されている。
このため、中心電極１ｚと接地電極３０ｚとの間に所定の周波数の交流電圧を印加し、ストリーマ放電を発生させて、副燃焼室４０ｚ内に導入された混合気の着火を行うと、誘電体脚部２０ｚが全面的に加熱される。
このとき、高温に晒された誘電体脚部２０ｚの筒状の側面の軸方向の熱膨張と底面の断面方向の熱膨張とが互いに干渉し、側面部と底部とが直交する角部に応力集中を招くことになり、亀裂を生じる虞がある。

６、６ａ〜６ｄ 副室付交流点火装置
１ 中心電極
１０ 放電部
１１ 連結部
１２ 接着層
１３ 中軸部
１４ 端子部
１５ 空間部
２ 誘電体碍子
２０ 誘電体脚部
２００ 中心電極放電部挿通孔
２１ 誘電体胴部
２１１ 係止部
２２ 誘電体大径部
２３ 誘電体頭部
２３０ 中軸挿通孔
３ ハウジング
３０ 接地電極
３００ 放電空間
３０１ 突出部
３１ 筒状部
３２ ネジ部
３３ 径変部
３４ 胴部
３５ 加締め部
３６ 六角部
３７、３９ シール部材
３８ 粉末充填部材
４ 副室カバー
４０ 副燃焼室
４１ 周壁部
４２ 通気孔
４３ 開口部
５ 交流電源
７ 内燃機関
７０ 主燃焼室
７１ エンジンヘッド
７２ ピストン

Claims (4)

1. 内燃機関（７）に設けられ、導体からなる軸状の中心電極（１）と、誘電体からなり前記中心電極の外周と先端とを覆う有底筒状の誘電体碍子（２）と、導体からなり前記誘電体碍子の外周を覆う筒状のハウジング（３）と、導体からなり前記ハウジングの先端に延設された環状の接地電極（３０）と、導体からなり前記接地電極よりも先端側に延設され、内側に前記内燃機関の主燃焼室（７０）と連通し、前記誘電体碍子の先端が前記ハウジングから露出した誘電体脚部（２０）の周囲を取り囲むように副燃焼室（４０）を区画する副室カバー（４）と、前記中心電極と前記接地電極との間に所定の周波数の交流電圧を供給する交流電源（５）とを具備し、
   前記交流電源からの交流電圧の印加により、前記副燃焼室内にストリーマ放電を発生させ、前記副燃焼室内に取り込んだ前記主燃焼室に導入された燃料と空気との混合気の一部を、前記副燃焼室内で着火させ、高温高圧の燃焼ガスを主燃焼室内に噴出して、前記内燃機関の点火を行う副室付交流点火装置であって、
   前記接地電極は、環状の内周縁部が前記副室カバーの基端部よりも内側に位置して前記誘電体脚部の外周表面と対向し、
   前記副室カバーが、先端側に向かって徐々に縮径するように湾曲して、前記接地電極との間に前記副燃焼室を区画する周壁部（４１）と、該周壁部に穿設され、前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通する複数の通気孔（４２）と、前記周壁部の先端側に設けられ、前記誘電体脚部の外周表面から所定の間隙（ＧＰ２）を隔て開口する開口部（４３）とを具備し、
   前記誘電体脚部の下半部が前記開口部から前記主燃焼室に突出していることを特徴とする副室付交流点火装置（６、６ａ、６ｃ〜６ｄ）
2. 前記接地電極の内周面の一部を前記誘電体脚部の表面に向かって突出せしめた請求項１に記載の副室付交流点火装置
3. 前記通気孔と前記開口部とを繋いで一体的に形成した請求項１又は２に記載の副室付交流点火装置
4. 前記中心電極の先端を前記接地電極に対向する位置までの長さとし、前記誘電体脚部の内側に、空間部（１５）を設けた請求項１ないし３のいずれかに記載の副室付交流点火装置

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