JP6444833B2 - Ignition plug and ignition device for internal combustion engine having the same - Google Patents
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Description
本発明は、誘電体バリア放電とアーク放電とを行う点火プラグ及びこれを備えた内燃機関の点火装置に関する。 The present invention relates to a spark plug that performs dielectric barrier discharge and arc discharge, and an ignition device for an internal combustion engine including the same.
内燃機関の熱効率を高めるためには、燃焼速度を高めて等容度を高めることが効果的である。燃焼速度を高めるために、点火プラグにコロナ放電やグロー放電によって低温プラズマ(非平衡プラズマ)を発生させ、燃焼反応に寄与する高エネルギー電子による活性種(ラジカル反応場)を燃焼室内に生成することで、燃焼室全体への火炎伝播を促進できることが知られている。 In order to increase the thermal efficiency of the internal combustion engine, it is effective to increase the combustion rate and increase the isovolume. In order to increase the combustion rate, low temperature plasma (non-equilibrium plasma) is generated by corona discharge or glow discharge in the spark plug, and active species (radical reaction field) due to high energy electrons contributing to the combustion reaction are generated in the combustion chamber. It is known that the flame propagation to the entire combustion chamber can be promoted.
誘電体バリア放電により低温プラズマを発生させ得る内燃機関の点火プラグとして、燃焼室に露出する露出表面及び被覆材により覆われた被覆表面を有する高電圧電極(アノード)と、燃焼室に露出する露出表面及び被覆材により覆われた被覆表面を有する誘導電極(カソード)とを備えたものが公知である(特許文献1参照)。この点火プラグは、両電極間にパルス電圧が印加されることによって両電極の被覆表面間に前駆放電(誘電体バリア放電)を発生させ、これに続けて両電極の露出表面間に主放電(アーク放電)を発生させる。このように活性種を生成する低温プラズマが発生した空間をアーク放電の経路とすることにより、アーク放電を安定して発生させる。 As an ignition plug of an internal combustion engine capable of generating low temperature plasma by dielectric barrier discharge, a high voltage electrode (anode) having an exposed surface exposed to the combustion chamber and a coated surface covered with a coating material, and an exposed exposed to the combustion chamber A device including an induction electrode (cathode) having a surface and a coating surface covered with a coating material is known (see Patent Document 1). This spark plug generates a precursor discharge (dielectric barrier discharge) between the coated surfaces of both electrodes by applying a pulse voltage between both electrodes, followed by a main discharge (exposed to the exposed surfaces of both electrodes). Arc discharge). Thus, the arc discharge is stably generated by using the space where the low temperature plasma generating the active species is generated as a path of the arc discharge.
また、低温プラズマを発生させる放電形態と熱プラズマを発生させる放電形態とを切り替え可能な点火プラグとして、絶縁碍子により保持された中心電極と、中心電極の外周側に位置する外側電極とを有するものが公知である(特許文献2参照)。特許文献2の図13には、中心電極が外側電極に対して燃焼室側に突出し、且つ外側電極が燃焼室の頂部壁面に沿った位置で燃焼室に露出するように配置された点火プラグが開示されている。この点火プラグは、両電極間に相対的に低い電圧を印加されることによって中心電極の周囲にストリーマ(低温プラズマ)を発生させ、印加する電圧を相対的に高くされることで中心電極と外側電極とが短絡するアーク放電により熱プラズマを発生させる。
Further, as an ignition plug capable of switching between a discharge mode for generating low-temperature plasma and a discharge mode for generating thermal plasma, a spark plug having a center electrode held by an insulator and an outer electrode located on the outer peripheral side of the center electrode Is known (see Patent Document 2). In FIG. 13 of
しかしながら、特許文献1、2に記載の点火プラグでは、誘電体バリア放電とアーク放電の発生場所が共通しており、アーク放電が被覆材の表面を伝わる沿面放電を含むため、被覆材の表面にアーク放電(熱プラズマ)による溶損や削れが発生する。そのため、被覆材が劣化するだけでなく、最終的には被覆材の貫通、割れに至り、点火プラグが破壊される虞がある。また、誘電体バリア放電の発生中に放電形態が沿面アーク放電に移行するため、誘電体バリア放電で生成された活性種がアーク放電により即座に消費される。つまり、燃焼に有効な活性種を燃焼室内に溜めておくことができず、誘電体バリア放電による燃焼改善効果が小さい。
However, in the spark plugs described in
本発明は、このような背景に鑑み、耐久性が高く、燃焼安定性の高い点火プラグ及びそれを備えた内燃機関の点火装置を提供することを課題とする。 In view of such a background, an object of the present invention is to provide an ignition plug having high durability and high combustion stability and an ignition device for an internal combustion engine including the same.
このような課題を解決するために、本発明に係る点火プラグ(11、31)は、導電性材料により形成され、誘電体(25)により覆われる被覆部(21a)及び前記誘電体により覆われない露出部(21b)を有する高電圧電極(21)と、前記高電圧電極の前記被覆部に対して前記誘電体を挟んで対向配置された誘電体バリア放電用電極(22)と、前記高電圧電極の前記露出部に対向配置されたアーク放電用電極(23)とを備える構成とする。 In order to solve such a problem, the spark plug (11, 31) according to the present invention is formed of a conductive material, and is covered with a covering portion (21a) covered with a dielectric (25) and the dielectric. A high voltage electrode (21) having no exposed portion (21b), a dielectric barrier discharge electrode (22) disposed opposite to the covering portion of the high voltage electrode with the dielectric interposed therebetween, And an arc discharge electrode (23) disposed opposite to the exposed portion of the voltage electrode.
この構成によれば、一本の点火プラグで誘電体バリア放電(非平衡プラズマ放電)及びアーク放電が可能であり、低コスト且つ低容積で燃焼安定性の高い点火が可能となる。また、アーク放電用電極が誘電体バリア放電用電極とは別に設けられることで、アーク放電が沿面放電を含む従来のプラズマ点火プラグに比べて誘電体の損傷が抑制され、耐久性が向上する。 According to this configuration, dielectric barrier discharge (non-equilibrium plasma discharge) and arc discharge are possible with a single spark plug, and ignition with high combustion stability at low cost and low volume is possible. In addition, since the arc discharge electrode is provided separately from the dielectric barrier discharge electrode, damage to the dielectric is suppressed and durability is improved as compared with the conventional plasma spark plug in which the arc discharge includes creeping discharge.
また、上記の発明において、前記高電圧電極(21)は、前記露出部(21b)を先端側に有し、前記被覆部(21a)を基端側に有する構成とするとよい。 In the above invention, the high voltage electrode (21) may have the exposed portion (21b) on the distal end side and the covering portion (21a) on the proximal end side.
この構成によれば、誘電体よりも先端側、即ち混合ガスが存在する燃焼室側でアーク放電による点火が行われるため、誘電体に対する熱害が抑制される。 According to this configuration, ignition by arc discharge is performed on the tip side of the dielectric, that is, the combustion chamber side where the mixed gas exists, so that thermal damage to the dielectric is suppressed.
また、上記の発明において、前記誘電体バリア放電用電極(22)から前記誘電体(25)までの距離をAとし、前記誘電体における前記誘電体バリア放電用電極に対向する領域(P)から前記高電圧電極(21)の前記露出部(21b)までの外表面(21b)に沿った最短沿面距離をBとし、前記アーク放電用電極(23)と前記高電圧電極の前記露出部までの距離をCと定義した時、A<C<Bの関係である構成とするとよい。 In the above invention, the distance from the dielectric barrier discharge electrode (22) to the dielectric (25) is A, and the region from the region (P) facing the dielectric barrier discharge electrode in the dielectric. The shortest creepage distance along the outer surface (21b) of the high voltage electrode (21) to the exposed portion (21b) is B, and the distance between the arc discharge electrode (23) and the exposed portion of the high voltage electrode is B. When the distance is defined as C, it is preferable that A <C <B.
この構成によれば、沿面放電を防止しつつアーク放電に先がけて誘電体バリア放電を実施することができる。 According to this configuration, the dielectric barrier discharge can be performed prior to the arc discharge while preventing the creeping discharge.
また、上記の発明において、前記誘電体バリア放電用電極(22)と前記アーク放電用電極(23)とが前記高電圧電極(21)を挟んで対向するように設けられる構成とするとよい。 In the above invention, the dielectric barrier discharge electrode (22) and the arc discharge electrode (23) may be provided so as to face each other with the high voltage electrode (21) interposed therebetween.
この構成によれば、点火プラグの大型化を防止できる。 According to this configuration, an increase in the size of the spark plug can be prevented.
また、上記の発明において、前記誘電体バリア放電用電極(22)を複数備える構成とするとよい。 In the above invention, the dielectric barrier discharge electrode (22) may be provided in plural.
この構成によれば、ラジカル反応場を広範囲に形成し、燃焼室全体への火炎伝播を促進することができる。 According to this configuration, a radical reaction field can be formed over a wide range, and flame propagation to the entire combustion chamber can be promoted.
また、上記の発明において、前記高電圧電極(21)は、アーク電流を制限するための素子(32)によって互いに分断された、前記露出部(21b)を含む露出側部分(21B)及び前記露出部を含まない電源側部分(21A)を有し、前記誘電体バリア放電用電極(22)が前記電源側部分に対向配置され、前記アーク放電用電極(23)が前記露出側部分に対向配置された構成とすることができる。 In the above invention, the high-voltage electrode (21) includes the exposed portion (21B) including the exposed portion (21b) and the exposed portion separated from each other by an element (32) for limiting an arc current. The dielectric barrier discharge electrode (22) is disposed opposite to the power supply side portion, and the arc discharge electrode (23) is disposed opposite to the exposed side portion. It can be set as the structure made.
アーク放電時には他の機器に障害になり得る電磁波が発生する。この構成によれば、誘電体バリア放電時には上記素子によるエネルギーロスを生じさせず、アーク放電時には電流が上記素子を通ることでアーク放電による電磁波障害を抑制することができる。 During arc discharge, electromagnetic waves that can interfere with other devices are generated. According to this configuration, energy loss due to the element is not caused during dielectric barrier discharge, and electromagnetic interference due to arc discharge can be suppressed by passing a current through the element during arc discharge.
また、上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関(1)の点火装置(10)は、上記点火プラグ(31)と、前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置(12)とを備え、前記制御装置が前記高電圧電極(21)にパルス電圧を印加する構成とする。 In order to solve the above problems, an ignition device (10) for an internal combustion engine (1) according to the present invention includes the ignition plug (31) and a control device (12) for controlling a voltage applied to the ignition plug. The control device applies a pulse voltage to the high voltage electrode (21).
誘電体バリア放電用の電圧を高くすると、圧力や温度等の環境条件によってはアーク放電が発生する虞がある。この構成によれば、点火プラグが持つ容量成分によりアーク放電用電極側に上記素子の抵抗成分によりRC回路が形成されるため、誘電体バリア放電用の電圧を高くすることができ、誘電体バリア放電により高いエネルギーを有するラジカル反応場を生成することができる。 When the voltage for dielectric barrier discharge is increased, arc discharge may occur depending on environmental conditions such as pressure and temperature. According to this configuration, since the RC circuit is formed by the resistance component of the element on the arc discharge electrode side due to the capacitance component of the spark plug, the dielectric barrier discharge voltage can be increased. A radical reaction field having high energy can be generated by discharge.
また、上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関(1)の点火装置(10)は、上記点火プラグ(11、31)と、前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置(12)とを備え、前記制御装置が、前記高電圧電極(21)に短時間パルスを印加して誘電体バリア放電を行った後、前記高電圧電極に長時間パルスを印加してアーク放電を行う構成とする。 In order to solve the above problems, an ignition device (10) of an internal combustion engine (1) according to the present invention includes a spark plug (11, 31) and a control device that controls a voltage applied to the spark plug ( 12), the controller applies a short time pulse to the high voltage electrode (21) to perform dielectric barrier discharge, and then applies a long time pulse to the high voltage electrode to cause arc discharge. The configuration is to be performed.
この構成によれば、制御装置が高電圧電極への印加電圧をパルス制御することにより、誘電体バリア放電及びアーク放電の両方を実施できる。 According to this configuration, the control device can control both the dielectric barrier discharge and the arc discharge by pulse-controlling the voltage applied to the high voltage electrode.
また、上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関(1)の点火装置(10)は、上記点火プラグ(11、31)と、前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置(12)とを備え、前記制御装置が、前記高電圧電極に比較的低い電圧を印加して誘電体バリア放電を行った後、前記高電圧電極に比較的高い電圧を印加してアーク放電を行う構成とする。 In order to solve the above problems, an ignition device (10) of an internal combustion engine (1) according to the present invention includes a spark plug (11, 31) and a control device that controls a voltage applied to the spark plug ( 12), and the controller performs a dielectric barrier discharge by applying a relatively low voltage to the high voltage electrode, and then performs an arc discharge by applying a relatively high voltage to the high voltage electrode. The configuration.
この構成によれば、制御装置が高電圧電極に対する印加電圧を制御することにより、誘電体バリア放電及びアーク放電の両方を実施できる。 According to this configuration, both the dielectric barrier discharge and the arc discharge can be performed by the control device controlling the voltage applied to the high voltage electrode.
このように本発明によれば、耐久性が高く、燃焼安定性の高い点火プラグ及びそれを備えた内燃機関の点火装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide an ignition plug having high durability and high combustion stability and an ignition device for an internal combustion engine including the same.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、図示された方向に従って車両に搭載される内燃機関1やその点火装置10について説明するが、内燃機関1の搭載姿勢は図示のものに限られない。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, the
≪第1実施形態≫
まず、図1〜図8を参照して第1実施形態に係る内燃機関1の点火装置10について説明する。図1に示されるように、内燃機関1は、4ストロークガソリンエンジンであり、円筒状のシリンダ2aを画成するシリンダブロック2や、シリンダブロック2の上面に接合されたシリンダヘッド3、シリンダ2a内に摺動可能に設けられたピストン4等を備えている。内燃機関1の気筒数や気筒列は任意であってよい。
<< First Embodiment >>
First, an
シリンダヘッド3の下面におけるシリンダ2aに対応する位置には、曲面状の窪みである燃焼室凹部3aが形成されている。燃焼室凹部3a、シリンダ2a及びピストン4の頂面により囲まれる空間により燃焼室5が形成される。つまり、燃焼室凹部3aが燃焼室5の頂部を画定している。
A combustion chamber recess 3 a that is a curved depression is formed at a position corresponding to the
シリンダヘッド3の略中央には、シリンダヘッド3の上面から燃焼室5に至る点火プラグ挿入孔3bが形成されている。本実施形態では、1つのシリンダ2aに対して1つの点火プラグ挿入孔3bが形成されている。点火プラグ挿入孔3bは、燃焼室凹部3aの中央に開口するようにシリンダ軸線上に形成されている。シリンダヘッド3の点火プラグ挿入孔3bには筒状のプラグガイド6が圧入されており、プラグガイド6によって点火プラグ挿入孔3bが上方に延長されている。
A spark
また、シリンダヘッド3には、左側面に開口すると共に燃焼室凹部3aに開口する吸気ポート3cと、燃焼室凹部3aに開口すると共に右側面に開口する排気ポート3dとが形成されている。本実施形態では、1つのシリンダ2aに対して2つの吸気ポート3cと2つの排気ポート3dとが形成されている。シリンダヘッド3には、各吸気ポート3cを開閉する吸気弁7及び各排気ポート3dを開閉する排気弁8が摺動可能に設けられている。
The cylinder head 3 is formed with an
シリンダヘッド3の右側面には排気装置9が接合されている。排気装置9は、排気ポート3dに接続されて排気通路を形成する排気管9aの他、排気通路の上流側から順に触媒コンバータ9b、消音器(図示せず)を備えている。触媒コンバータ9bは例えば三元触媒であってよい。触媒コンバータ9bには、触媒温度を検出する温度センサ9cが設けられている。
An
内燃機関1には、吸気ポート3cから燃焼室5に吸入される混合ガスに点火を行う点火装置10が設けられている。点火装置10は、点火プラグ挿入孔3bに挿入され、先端を燃焼室5に露出或いは突出させるようにシリンダヘッド3に取り付けられた点火プラグ11と、電源13(13a、13b)から点火プラグ11に印加される電圧を制御する制御装置12とを備えている。本実施形態では、電源13として短パルス高周波電源13aと長パルス電源13bとが備えられており、制御装置12は両電源13a、13bから点火プラグ11に印加される電圧を制御する。
The
点火プラグ11は、プラグキャップ15により基端部を保持されており、点火プラグ挿入孔3bの下部に形成された雌ねじに螺着される。点火プラグ11の基端(上端)にはターミナル部16が形成されている。プラグキャップ15の内部に収容されたコイルスプリングからなる高電圧導電部材17がターミナル部16に弾接することにより、ターミナル部16が電源13と電気的に接続される。
The
図2に併せて示されるように、点火プラグ11は、先端(下端)に3つの電極21〜23(以下、第1電極21、第2電極22、第3電極23と称する)を有している。点火プラグ11の中心軸線上に配置された第1電極21は、ターミナル部16を介して電源13と電気的に接続され、高電圧を印加される中心電極である。
As shown in FIG. 2, the
点火プラグ11の先端部分は、外周に雄ねじ(図示せず)が形成され、シリンダヘッド3に電気的に接続する円筒状の本体部24と、本体部24の内部に挿入される筒状の絶縁碍子25とを有している。本体部24の内面には、絶縁碍子25に比べて誘電率が低い材料からなる絶縁膜26が形成されている。絶縁碍子25は筒状とされており、内部に高電圧電極をなす第1電極21を収容しており、後述するように絶縁体として振る舞う。絶縁碍子25は本体部24の先端面24aよりも下方に延出しており、この延出部分は燃焼室5に露出している。本体部24の先端面24aには、第2電極22及び第3電極23が下方に向けて延出するように一体に設けられている。第2電極22と第3電極23とは、第1電極21を挟んで対向する位置に配置されている。
The distal end portion of the
第1電極21は、絶縁碍子25の先端部25aよりも更に下方に延出した後、屈曲して径方向外側に延びている。即ち、第1電極21は、絶縁碍子25により覆われた基端側の被覆部21aと、被覆部21aよりも先端側に配置され、絶縁碍子25により覆われずに燃焼室5に露出する露出部21bとを有している。露出部21bは、屈曲した部分の先端に径方向外側端部21cを有している。
The
第2電極22は、本体部24の外周部から下方に第3電極23よりも短く直線状に延びた後、屈曲して径方向内側に延びている。第2電極22における屈曲した部分の内向き先端部22a(径方向内側の端面)が第3電極23に比べて絶縁碍子25の外表面25b近くに配置されている。第2電極22は、本体部24を介してシリンダヘッド3と電気的に接続された接地電極(正極)であり、第1電極21との間、より正確には第1電極21を覆う絶縁碍子25の外表面25bとの間に誘電体バリア放電を発生させる誘電体バリア放電用電極である。
The
第3電極23は、棒形状とされ、本体部24の外周部から下方に直線状に延びている。第3電極23は第2電極22よりも長く形成されており、その先端部23aが第1電極21の径方向外側端部21cの近傍に配置されている。第3電極23は、本体部24を介してシリンダヘッド3と電気的に接続された接地電極(正極)であり、第1電極21との間にアーク放電を発生させるアーク放電用電極である。
The
ここで、各電極21〜23の配置についてより詳細に説明する。第2電極22から絶縁碍子25までの距離を第1距離Aとし、絶縁碍子25の外表面25bにおける第2電極22に対向する領域の中で最も先端側(第1電極21の露出部21b側)の点Pから第1電極21の露出部21bまでの外表面25bに沿った最短沿面距離を第2距離Bとし、第3電極23から高電圧電極の露出部21bまでの距離を第3距離Cと定義する。この時、第1〜第3電極21〜23は、A<C<Bの関係となる配置となっている。
Here, the arrangement of the
これらの第1〜第3距離A〜Cの関係は、以下のような思想に基づいて定められている。 The relationship between these first to third distances A to C is determined based on the following idea.
即ち、第1距離Aは、第1電極21(絶縁碍子25)と第2電極22との間に発生させる誘電体バリア放電の放電ギャップである。誘電体バリア放電の発生位置である絶縁碍子25における第2電極22に対向する点Pから第1電極21の露出部21bまでの距離である第2距離Bは、絶縁碍子25の外表面25bでの沿面アーク放電を発生させないためのキャップである。第3距離Cは、第1電極21の露出部21bと第3電極23との間に発生させるアーク放電の放電ギャップである。
That is, the first distance A is a discharge gap of the dielectric barrier discharge generated between the first electrode 21 (insulator 25) and the
絶縁碍子25の耐電圧は、同一圧力条件下では、絶縁碍子25の厚みとの間に、厚みが厚くなるほど高くなるという相関を有する。そこで、耐電圧が45kV以上且つ50kV以下となるように絶縁碍子25の厚みや材料を選定する。一方、第1距離Aにおける誘電体バリア放電の発生電圧は、同一圧力条件下では、絶縁碍子25の厚みとの間に、厚みが厚くなるほど大きくなるという相関を有する。絶縁碍子25の厚みが上記のように設定された場合、誘電体バリア放電と空間アーク放電とを個別に発生させるためには、第1距離Aにおける誘電体バリア放電の発生電圧を第3距離Cにおけるアーク放電の発生電圧以下とする必要があり(第1条件)、第3距離Cにおける空間アーク放電の発生電圧を第2距離Bにおける沿面アーク放電の発生電圧未満とする必要がある(第2条件)。
The withstand voltage of the
図3は、第3距離Cを2.0mm、1.5mm、1.1mm、0.8mm及び0.6mmに変化させた場合のアーク放電発生電圧、第2距離Bを10mmにした時の沿面アーク放電発生電圧、及び第1距離Aを0.3mmにした時の誘電体バリア放電発生電圧のそれぞれと圧力との相関を示している。図3に示されるように、各放電発生電圧は、圧力が高いほど高くなる傾向にある。また、第1距離A=0.3mmの放電ギャップにおける誘電体バリア放電発生電圧や、第2距離Bが10mmでの沿面アーク放電発生電圧に比べ、第2距離Bにおける空間アーク放電発生電圧は圧力が高くなると高くなる傾向にある。 FIG. 3 shows the arc discharge generation voltage when the third distance C is changed to 2.0 mm, 1.5 mm, 1.1 mm, 0.8 mm and 0.6 mm, and the creeping surface when the second distance B is 10 mm. The correlation between each of the arc discharge generation voltage and the dielectric barrier discharge generation voltage when the first distance A is 0.3 mm and the pressure is shown. As shown in FIG. 3, each discharge generation voltage tends to increase as the pressure increases. Further, compared to the dielectric barrier discharge generation voltage at the discharge gap of the first distance A = 0.3 mm and the creeping arc discharge generation voltage at the second distance B of 10 mm, the spatial arc discharge generation voltage at the second distance B is a pressure. It tends to increase as the value increases.
一方、第3距離Cがこれらの値に設定された場合には、第3距離Cが0.6mm〜2.0mmの全てにおいて、燃焼室内圧力の一般値である0.8MPa〜1.6MPaの範囲で上記第1及び第2条件が満たされる。また、第3距離Cが0.8mm〜1.5mmでは、0.8MPa〜2.0MPaの範囲で上記第1及び第2条件が満たされる。 On the other hand, when the third distance C is set to these values, the general value of the combustion chamber pressure is 0.8 MPa to 1.6 MPa in all cases where the third distance C is 0.6 mm to 2.0 mm. The first and second conditions are satisfied in the range. Further, when the third distance C is 0.8 mm to 1.5 mm, the first and second conditions are satisfied in the range of 0.8 MPa to 2.0 MPa.
このようなことから、本発明は、第1〜第3電極21〜23がA<C<Bの関係となる配置とすることにより、第1電極21(絶縁碍子25)と第2電極22との間に発生させる誘電体バリア放電と、沿面アーク放電を発生させずに第1電極21の露出部21bと第3電極23との間に発生させるアーク放電を個別に発生させることを可能にしている。
For this reason, in the present invention, the first electrode 21 (insulator 25), the
具体例を挙げて更に説明する。絶縁碍子25の厚みを1.2mm(圧力が2MPaでの耐電圧:50kV)とした場合に、例えば、第1距離A=0.3mm(圧力が2MPaでの誘電体バリア放電発生電圧:30kV、図3参照、以下同様)、第2距離B=10mm(圧力がMPaでの沿面アーク放電発生電圧:48kV)、第3距離C=1.5mm(圧力が2MPaでの空間アーク放電発生電圧:45kV)とすることができる。
This will be further described with a specific example. When the thickness of the
図4は、この場合の誘電体バリア放電発生電圧及びアーク放電発生電圧と圧力との相関を示している。この例においても、第1〜第3電極21〜23がA<C<Bの関係となる配置となり、第1電極21と第2電極22との間に誘電体バリア放電を発生させると共に、沿面アーク放電を発生させずに第1電極21と第3電極23との間にアーク放電を発生させることができる。
FIG. 4 shows the correlation between dielectric barrier discharge generation voltage and arc discharge generation voltage and pressure in this case. Also in this example, the first to
点火プラグ11がこのように構成された点火装置10では、制御装置12が点火プラグ11の印加電圧や印加電圧のパルス幅等を制御することにより、1対の電極間の放電形態を、非平衡プラズマ放電とアーク放電とを切り替え、アーク放電により混合気への点火を行う。
In the
具体的には、図5に示されるように、制御装置12は、最初に短パルス高周波電源13aから比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ11に印加することにより、第2電極22と第1電極21との間、即ち第2電極22の内向き先端部22aと絶縁碍子25の外表面25bとの間に非平衡プラズマ放電を発生させる。低電圧パルスの波長は、例えば200nsec程度にすることができる。その後、制御装置12は、短パルス高周波電源13aから比較的高い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ11に印加することにより、第3電極23と第1電極21との間、即ち第3電極23の先端部23aと第1電極21の径方向外側端部21cとの間にアーク放電を発生させる。高電圧パルスの波長も、例えば200nsec程度にすることができる。
Specifically, as shown in FIG. 5, the
制御装置12によりこのような放電制御が行われることにより、点火プラグ11による混合ガスへの点火及び着火した混合ガスの燃焼は、次のように進行する。即ち、点火プラグ11が最初に第2電極22と第1電極21との間に、ラジカルを発生させる非平衡プラズマの発生を伴う非平衡プラズマ放電(コロナ放電又はグロー放電)を行うことにより、点火プラグ11の先端周辺に活性場が生成される。活性場は、混合気の主流によって流されて燃焼室5に広がりつつ、放電の継続によって生成され続けることによって大きくなる。その後、点火プラグ11が第3電極23と第1電極21との間にアーク放電を行うことによって混合気に点火する。点火プラグ11の先端(1対の電極21、23間)で着火した火炎は、活性場を高速に且つ燃焼室5の中心から広がるように伝播し、混合気の燃焼が早期に完了する。
When such a discharge control is performed by the
このように、点火プラグ11が、導電性材料により形成され、誘電体である絶縁碍子25により覆われる被覆部21a及び絶縁碍子25により覆われない露出部21bを有する高電圧電極である第1電極21と、第1電極21の被覆部21aに対して絶縁碍子25を挟んで対向配置された誘電体バリア放電用電極である第2電極22と、第1電極21の露出部21bに対向配置されたアーク放電用電極である第3電極23とを備えることにより、一本の点火プラグ11で誘電体バリア放電(非平衡プラズマ放電)及びアーク放電が可能であり、低コスト且つ低容積で燃焼安定性の高い点火が可能となる。また、アーク放電用の第3電極23が誘電体バリア放電用の第2電極22とは別に設けられることで、アーク放電が沿面放電を含む従来のプラズマ点火プラグに比べ、絶縁碍子25の損傷が抑制され、耐久性が向上する。
Thus, the
また、第1電極21が、露出部21bを先端側に有し、被覆部21aを基端側に有することにより、絶縁碍子25よりも先端側、即ち混合ガスが存在する燃焼室5側でアーク放電による点火が行われるため、絶縁碍子25に対する熱害が抑制される。
Further, since the
更に、上記のように第1〜第3電極21〜23が、A<C<Bの関係となる配置となっていることにより、絶縁碍子25の外表面25bに沿う沿面放電を防止しつつアーク放電に先がけて誘電体バリア放電を実施することが可能である。
Further, as described above, the first to
また、誘電体バリア放電用の第2電極22とアーク放電用の第3電極23とが高電圧電極である第1電極21を挟んで対向するように設けられていることにより、点火プラグ11の大型化が防止される。
Further, the
そして、制御装置12が、高電圧電極である第1電極21に短時間パルスを印加して誘電体バリア放電を行った後、第1電極21に長時間パルスを印加してアーク放電を行うことにより、高電圧電極への印加電圧をパルス制御するだけで誘電体バリア放電及びアーク放電の両方を実施できる。
The
制御装置12は、或いは、図6に示されるように印加電圧の制御を行ってもよい。即ち、制御装置12は、最初に短パルス高周波電源13aから比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ11に印加する。これにより非平衡プラズマ放電を発生させることは図5と同様である。一方、制御装置12は、その後、長パルス電源13bから比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ11に印加することにより、第3電極23と第1電極21との間にアーク放電を発生させる。低電圧パルスの波長が200nsec程度であるのに対し、高電圧パルスの波長は、例えば100μsec程度にすることができる。
Alternatively, the
図7に示されるように、長時間パルスを印加する場合のアーク放電発生電圧は、図5に示されるような高周波短時間パルスを印加する場合のアーク放電発生電圧よりも低い。そのため、制御装置12がこのような印加電圧の制御を行うと、図5に示される高周波短時間パルスの印加電圧によってアーク放電を発生させる場合に比べ、低い印加電圧でアーク放電を発生させることができる。また、これにより、絶縁碍子25に確保すべき耐電圧を低減することができる。即ち、絶縁碍子25の厚みを薄くすることにより、図5に示されるように、絶縁碍子25を薄くした分だけ誘電体バリア放電発生電圧を低減することができる。
As shown in FIG. 7, the arc discharge generation voltage when a long-time pulse is applied is lower than the arc discharge generation voltage when a high-frequency short-time pulse as shown in FIG. 5 is applied. Therefore, when the
このように、制御装置12が、第1電極21に比較的低い電圧を印加して誘電体バリア放電を行った後、第1電極21に比較的高い電圧を印加してアーク放電を行うことにより、高電圧電極である第1電極21に対する印加電圧を制御するだけで、誘電体バリア放電及びアーク放電の両方を実施できる。
As described above, the
また、上記実施形態では、第2電極22が第1電極21を挟んで第3電極23と対向する位置に1つだけ設けられているが、図8に示されるように、第2電極22が複数(図示例では2つ)設けられてもよい。この場合、複数の第2電極22は、本体部24の先端面24aにおいて周方向に異なる位置に配置されるとよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
このように、点火プラグ11が誘電体バリア放電用の第2電極22を複数備えることにより、誘電体バリア放電によるラジカル反応場を広範囲に形成し、燃焼室5全体への火炎伝播を促進することができる。
As described above, the
≪第2実施形態≫
次に、図9〜図12を参照して第2実施形態に係る点火装置10について説明する。なお、第1実施形態と形態又は機能が同一又は同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
<< Second Embodiment >>
Next, the
本実施形態の点火装置10では、点火プラグ31の構成が上記実施形態と異なる。図9は、点火プラグ31の先端(下端)側の腰部を示す図2に対応する断面図である。図示されるように、本実施形態の点火プラグ31では、第1電極21に抵抗32が設けられており、この抵抗32によって第1電極21(第1電極21を構成する導電性材料)が、露出部21bを含む露出側部分21Bと露出部21bを含まない電源側部分21Aとに分断されている。抵抗32は、第1電極21における第2電極22の内向き先端部22aと対向する位置よりも先端側に配置されている。従って、第2電極22は、第1電極21のうちの電源側部分21Aに内向き先端部22aを対向させるように配置されている。抵抗32は例えば5kΩに設定される。
In the
制御装置12は、第1実施形態において図6を参照しながら説明したように、最初に短パルス高周波電源13aから比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ31に印加することにより、第2電極22と第1電極21との間に非平衡プラズマ放電を発生させる。その後、制御装置12は、長パルス電源13bから比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ31に印加することにより、第3電極23と第1電極21との間にアーク放電を発生させる。
As described with reference to FIG. 6 in the first embodiment, the
このように構成された点火装置10では、制御装置12が比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ31に印加し、第1電極21の電源側部分21Aと第2電極22との間で誘電バリア放電が行われる際には、電流が抵抗32を通過しない。一方、制御装置12が比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ31に印加し、第1電極21の先端(露出側部分21B)と第3電極23との間でアーク放電が行われる際には、電流が抵抗32を通過する。つまり、アーク電流が抵抗32により制限される。従って、図10に示されるように、点火プラグ31がコンデンサ(キャパシタ)として作用し、点火プラグ31によりRC回路(抵抗器−コンデンサ回路)が形成される。
In the
これにより、図11(A)に併せて示されるように、制御装置12が高周波短時間パルスを点火プラグ31に印加する際には、ターミナル部16に入力される入力電圧Vinを持つ高周波短時間パルスは、第1電極21における第2電極22と対向する電源側部分21Aに形成される第1出力部41では、入力電圧Vinと同じ大きさの第1出力電圧Vout1を持つ高周波短時間パルスとして出力される。
Accordingly, as shown in FIG. 11A, when the
一方、第1電極21における第3電極23に近接配置された露出側部分21Bに形成される第2出力部42では、入力電圧Vinの高周波短時間パルスは、点火プラグ31の静電容量(例えば、5pF)に応じた時定数τ(τ=0.7×5kΩ×5pF=1.8×10−8sec)を持って伝わる。この際、高周波短時間パルスの第2出力電圧Vout2は、図11(A)に破線で示されるように20%程度低下する。そのため、制御装置12が高周波短時間パルスを点火プラグ31に印加する際に、第1電極21と第3電極23との間でアーク放電が発生し難くなり、誘電体バリア放電用の電圧を高く設定して高エネルギーな誘電体バリア放電を発生させることができる。
On the other hand, in the
他方、制御装置12が長時間パルスを点火プラグ31に印加する際には、図11(B)に示されるように、入力電圧Vinの長時間パルスは、第1出力部41ではやはり、入力電圧Vinと同じ大きさの第1出力電圧Vout1を持つ長時間パルスとして出力される。一方、第2出力部42では、入力電圧Vinの長時間パルスは、図11(B)に破線で示されるように、時定数τを持って伝わるが、長時間パルスの波長が長いために入力電圧Vinと略同じ大きさの第2出力電圧Vout2を持つ長時間パルスとして出力される。そのため、第1電極21と第3電極23との間でアーク放電が発生し難くなることはない。
On the other hand, when the
このように、高電圧電極である第1電極21が、抵抗32によって互いに分断された、露出部21bを含む露出側部分21B及び露出部21bを含まない電源側部分21Aを有し、誘電体バリア放電用の第2電極22が電源側部分21Aに対向配置され、アーク放電用の第3電極23が露出側部分21Bに対向配置されることにより、以下の作用・効果が得られる。即ち、アーク放電時には他の機器に障害になり得る電磁波が発生するが、上記構成により、誘電体バリア放電時には抵抗32によるエネルギーロスが生じず、アーク放電時には電流が抵抗32を通ることでアーク放電による電磁波障害が抑制される。なお、アーク電流を制限するための素子として、抵抗32の代わりにコイル等の他の素子を用いてもよい。
Thus, the
また、誘電体バリア放電用の電圧が高く設定されると、圧力や温度等の環境条件によってはアーク放電が発生する虞があるが、本実施形態では、制御装置12が点火プラグ31にパルス電圧を印加することにより、点火プラグ31が持つ容量成分によりアーク放電用の第3電極23側にアークRC回路が形成されるため、誘電体バリア放電用の電圧を高くすることができ、誘電体バリア放電により高いエネルギーを有するラジカル反応場を生成することができる。
In addition, when the dielectric barrier discharge voltage is set high, arc discharge may occur depending on environmental conditions such as pressure and temperature. In this embodiment, the
同様の作用・効果を得るために、点火プラグ31の構成を図12のようにしてもよい。即ち、図示されるように、この点火プラグ31では、第1電極21には、第1電極21(第1電極21を構成する導電性材料)を露出側部分21Bと電源側部分21Aとに分断する抵抗32が設けられているが、抵抗32の位置が本体部24の内部、即ち、第1電極21における第2電極22の内向き先端部22aと対向する点Pよりも基端側となっている。一方、第1電極21の電源側部分21Aは、抵抗32が設けられた位置から露出側部分21Bと平行に且つ露出側部分21Bと離間するように先端側に向けて延び、第2電極22の内向き先端部22aと対向する点Pに対応する位置に至る延出部33を有している。
In order to obtain the same operation and effect, the configuration of the
点火プラグ31がこのように構成されていても、制御装置12が比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ31に印加した際には、延出部33に形成される第1出力部41の第1出力電圧Vout1を低下させ、露出側部分21Bに形成される第2出力部42の第2出力電圧Vout2を低下させることができる。また、制御装置12が比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ31に印加した際には、第2出力部42の第2出力電圧Vout2を低下させずに、アーク放電を発生させることができる。これにより、誘電体バリア放電用の電圧を高く設定して高エネルギーな誘電体バリア放電を発生させることができる。
Even if the
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、高周波短時間パルスとして直流のパルス電圧を印加しているが、交流電圧を印加してもよい。また、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、素材、制御手順等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。また、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。 Although the description of the specific embodiment is finished as described above, the present invention is not limited to the above embodiment and can be widely modified. For example, in the above embodiment, a DC pulse voltage is applied as a high-frequency short-time pulse, but an AC voltage may be applied. In addition, the specific configuration, arrangement, quantity, material, control procedure, and the like of each member and part can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. In addition, all the constituent elements shown in the above embodiment are not necessarily essential, and can be appropriately selected.
1 内燃機関
10 点火装置
11 点火プラグ
12 制御装置
21 第1電極(高電圧電極)
21A 電源側部分
21B 露出側部分
21a 被覆部
21b 露出部
22 第2電極(誘電体バリア放電用電極)
23 第3電極(アーク放電用電極)
25 絶縁碍子(誘電体)
25b 外表面
31 点火プラグ
32 抵抗(アーク電流を制限するための素子)
A 第1距離(第2電極22から絶縁碍子25までの距離)
B 第2距離(点Pから第1電極21の露出部21bまでの外表面25bに沿った最短沿面距離)
C 第3距離(第3電極23から第1電極21の露出部21bまでの距離)
P 点(絶縁碍子25の外表面252bにおける第2電極22に対向する領域の中で最も先端側の点)
DESCRIPTION OF
21A Power
23 Third electrode (electrode for arc discharge)
25 Insulator (dielectric)
A 1st distance (distance from the
B second distance (the shortest creepage distance along the
C 3rd distance (distance from the
Point P (the most distal point in the region facing the
Claims (8)
前記高電圧電極の前記被覆部に対して前記誘電体を挟んで対向配置された誘電体バリア放電用電極と、
前記高電圧電極の前記露出部に対向配置されたアーク放電用電極とを備え、
前記誘電体バリア放電用電極と前記アーク放電用電極とが前記高電圧電極を挟んで対向するように設けられることを特徴とする点火プラグ。 A high voltage electrode formed of a conductive material and having a covering portion covered by a dielectric and an exposed portion not covered by the dielectric;
A dielectric barrier discharge electrode disposed opposite to the covering portion of the high-voltage electrode with the dielectric interposed therebetween;
An arc discharge electrode disposed opposite to the exposed portion of the high voltage electrode ;
The spark plug according to claim 1, wherein the dielectric barrier discharge electrode and the arc discharge electrode are provided so as to face each other with the high voltage electrode interposed therebetween .
前記高電圧電極の前記被覆部に対して前記誘電体を挟んで対向配置された誘電体バリア放電用電極と、
前記高電圧電極の前記露出部に対向配置されたアーク放電用電極とを備え、
前記高電圧電極は、アーク電流を制限するための素子によって互いに分断された、前記露出部を含む露出側部分及び前記露出部を含まない電源側部分を有し、
前記誘電体バリア放電用電極が前記電源側部分に対向配置され、
前記アーク放電用電極が前記露出側部分に対向配置されたことを特徴とする点火プラグ。 A high voltage electrode formed of a conductive material and having a covering portion covered by a dielectric and an exposed portion not covered by the dielectric;
A dielectric barrier discharge electrode disposed opposite to the covering portion of the high-voltage electrode with the dielectric interposed therebetween;
An arc discharge electrode disposed opposite to the exposed portion of the high voltage electrode ;
The high voltage electrode has an exposed side portion including the exposed portion and a power source side portion not including the exposed portion, which are separated from each other by an element for limiting an arc current.
The dielectric barrier discharge electrode is disposed opposite to the power supply side portion,
A spark plug characterized in that the arc discharge electrode is disposed opposite to the exposed side portion .
前記誘電体における前記誘電体バリア放電用電極に対向する領域から前記高電圧電極の前記露出部までの外表面に沿った最短沿面距離をBとし、
前記アーク放電用電極から前記高電圧電極の前記露出部までの距離をCと定義した時、
A<C<Bの関係であることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の点火プラグ。 A distance from the dielectric barrier discharge electrode to the dielectric is A,
The shortest creepage distance along the outer surface from the region facing the dielectric barrier discharge electrode in the dielectric to the exposed portion of the high voltage electrode is B,
When the distance from the arc discharge electrode to the exposed portion of the high voltage electrode is defined as C,
The spark plug according to any one of claims 1 to 3, wherein A <C <B.
前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置が前記高電圧電極にパルス電圧を印加することを特徴とする内燃機関の点火装置。 A spark plug according to claim 2 ;
A control device for controlling the voltage applied to the spark plug,
An ignition device for an internal combustion engine, wherein the control device applies a pulse voltage to the high voltage electrode.
前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記高電圧電極に短時間パルスを印加して誘電体バリア放電を行った後、前記高電圧電極に長時間パルスを印加してアーク放電を行うことを特徴とする内燃機関の点火装置。 The spark plug according to any one of claims 1 to 5 ,
A control device for controlling the voltage applied to the spark plug,
An internal combustion engine characterized in that the controller performs a dielectric barrier discharge by applying a short-time pulse to the high-voltage electrode, and then performs an arc discharge by applying a long-time pulse to the high-voltage electrode. Ignition device.
前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記高電圧電極に比較的低い電圧を印加して誘電体バリア放電を行った後、前記高電圧電極に比較的高い電圧を印加してアーク放電を行うことを特徴とする内燃機関の点火装置。 The spark plug according to any one of claims 1 to 5 ,
A control device for controlling the voltage applied to the spark plug,
The internal combustion engine characterized in that the controller performs a dielectric barrier discharge by applying a relatively low voltage to the high voltage electrode, and then performs an arc discharge by applying a relatively high voltage to the high voltage electrode. Engine ignition device.
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