JP6482684B2 - 点火プラグ及びこれを備えた点火システム - Google Patents

Description

本発明は、本発明は、誘電体バリア放電を利用した点火プラグ及びこれを備えた点火システムに関する。

ガソリンエンジンにおいては、ＣＯ_２削減やガソリンの高騰等を背景として低燃費化要求が極めて高く、希薄燃焼や排気再循環等の技術によって燃費改善を図っているが、いずれも点火不良が課題である。現在のガソリンエンジンに用いられているスパークプラグは、電極間に高電圧パルスを印加してアーク放電による熱プラズマを生じさせ、この熱プラズマによって燃料に点火するものである。

これに対し、点火の安定性改善のための技術として、低温プラズマを用いた体積的で高効率な点火方式の実用化が提案されている。低温プラズマは、電子温度は高いがイオンや中性粒子の温度は低い非平衡状態のプラズマであり、広い体積を占める多点同時点火、すなわち体積的な点火が行えるという特徴を有する。低温プラズマを用いることにより、点火プラグの消耗を抑制することができ、また、ラジカル（放電によって生成され、燃焼の起点となる活性粒子）の生成量が多いため、着火後の燃焼性を促進することができる。

低温プラズマは、バリア放電、コロナ放電、またはストリーマ放電等により生成される。中でも、電極間に誘電体を介した交流放電であるバリア放電は、広い電極面積で安定して非平衡放電を維持することができることから、低温プラズマを安定して生成することができる手法である。

バリア放電では、細い柱のような微小なストリーマ放電が間欠的に、且つ電極面に一様に発生するため、低温プラズマを広い範囲で均一に発生させることができる。一方、プラズマによるエネルギーの投入が放電空間全域に広がるため、単位体積当たりの投入エネルギーは低い。すなわちバリア放電は、ラジカルを効率的に生成することができるが、ラジカルの分布が均一で希薄となりやすい手法であると言える。

バリア放電をエンジン点火に応用した先行技術として、特許文献１では、棒状の中心電極を誘電体層で覆った円柱型の誘電体電極の外側に、円環状電極を同心円状に配置した点火装置が提示されている。この例では、外側の円環状電極を接地し、中心電極に高電圧の交流波形を印加して、誘電体電極と円環状電極の間の同心円状の電界でバリア放電を生じさせている。

特開２００９−３６１２５号公報

特許文献１に提示された点火装置では、中心電極と円環状電極の間、すなわち円筒の内部で均一にバリア放電が発生し、その放電によって生じたラジカルが燃焼に寄与する。しかしながら、この特許文献１の構成は、バリア放電で生じたラジカルによって燃料に直接点火するには不向きであり、安定した点火は行えないと考えられる。以下にその理由について説明する。

まず、特許文献１の構成は、放電空間である円筒がエンジンの隔壁の内部にあるという点で、直接点火に適していない。バリア放電によって燃料に直接点火するためには、燃料ガスが放電空間に流れ込み、そこでラジカルと反応する必要がある。これに対し、特許文献１の構成では、放電空間で生じたラジカルが徐々に燃焼室内に拡散し、燃料と反応すると考えられる。このような構成では、ラジカルによって燃焼は促進されるが、燃料に直接点火することは難しいと考えられる。

また、バリア放電によって直接点火するためには、強い燃焼反応が局所的に発生する必要があり、そのためには局所的に十分強いラジカルが生成される必要がある。しかし、特許文献１の点火装置では、バリア放電は電極面全域に均一に広がると考えられ、ラジカルが局所的に集中して生成される構成になっていない。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、バリア放電を利用して燃料への直接点火を安定して行うことができ、優れた着火性及び燃焼性を実現することが可能な点火プラグ及びこれを備えた点火システムを得ることを目的とする。

本発明に係る点火プラグは、筒状の主体金具と、主体金具の一方の端面に接続された複数本の棒状の接地電極と、一方の端部が主体金具の端面の側から露出している棒状の高電圧電極と、高電圧電極の周面の一部を覆い、かつ、主体金具に保持される第一誘電体とを備え、高電圧電極の端部は、第一誘電体よりも厚さ寸法が小さい第二誘電体で覆われており、高電圧電極の端部の周面と接地電極とは、第二誘電体に面する放電領域を介して対向配置され、放電領域に対面する第二誘電体の厚さ寸法は均一であり、前記放電領域に対面する前記接地電極の面積は、前記放電領域に対面する前記第二誘電体の表面積よりも小さいものである。
また、本発明に係る点火プラグは、筒状の主体金具と、主体金具の一方の端面に接続された複数本の棒状の接地電極と、一方の端部が主体金具の端面の側から露出している棒状の高電圧電極と、高電圧電極の周面の一部を覆い、かつ、主体金具に保持される第一誘電体とを備え、高電圧電極の端部は、第一誘電体よりも厚さ寸法が小さい第二誘電体で覆われており、高電圧電極の端部の周面と接地電極とは、第二誘電体に面する放電領域を介して対向配置され、放電領域に対面する第二誘電体の厚さ寸法は均一であり、放電領域に対面する接地電極の面積は、放電領域に対面する第二誘電体の表面積よりも小さく、主体金具の端面の面積をＳ１とし、端面に接地電極を投影したときに接地電極が端面に占める面積をＳ２とするとき、０．１５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３５である。

本発明に係る点火プラグは、筒状の主体金具と、主体金具の一方の端面に接続された複数本の棒状の接地電極と、一方の端部が主体金具の端面の側から露出している棒状の高電圧電極と、高電圧電極の周面の一部を覆い、かつ、主体金具に保持される第一誘電体とを備え、高電圧電極の端部と接地電極のいずれか一方は、第一誘電体よりも厚さ寸法が小さい第二誘電体で覆われており、高電圧電極の端部の周面と接地電極とは、第二誘電体に面する放電領域を介して対向配置され、放電領域に対面する第二誘電体の厚さ寸法は均一であり、高電圧電極の周面を覆う第一誘電体と主体金具との隙間の距離をＧ２とするとき、Ｇ２≦０．３ｍｍである。

本発明に係る点火システムは、上記の点火プラグと、点火プラグの高電圧電極と接地電極との間に交流電圧を印加して放電領域に誘電体バリア放電を生じさせる交流電圧印加手段とを備えた点火システムであって、主体金具は、エンジンの燃焼室に臨む隔壁の内部に固定され、高電圧電極の端部と接地電極は燃焼室の内部で対向配置されたものである。

本発明に係る点火プラグによれば、接地電極を棒状とすることにより、誘電体バリア放電によって局所的に十分強いラジカルを生成することができ、燃料に着火することが可能であると共に、接地電極による消炎効果が少なく火炎の成長を妨げにくい。また、複数本の接地電極を有することにより、複数箇所で同時に放電を生じさせ、複数箇所で燃焼を開始させることができるため、点火及び燃焼の安定性がさらに向上する。また、高電圧電極の端部の周面と接地電極とを、第二誘電体に面する放電領域を介して対向配置し、放電領域に対面する第二誘電体の厚さ寸法を均一にすることにより、バリア放電は第二誘電体の表面に広がり、ラジカルの生成が維持されるため、着火後の燃焼性が促進される。さらに、放電領域に対面する接地電極の面積を、放電領域に対面する第二誘電体の表面積よりも小さくすることにより、燃料が放電領域へ流れ込み易く、電極による消炎作用が抑制される。よって、本発明によれば、誘電体バリア放電を利用して燃料への直接点火を安定して行うことができ、優れた着火性及び燃焼性を実現することが可能な点火プラグが得られる。

本発明に係る点火プラグによれば、接地電極を棒状とすることにより、誘電体バリア放電によって局所的に十分強いラジカルを生成することができ、燃料に着火することが可能であると共に、接地電極による消炎効果が少なく火炎の成長を妨げにくい。また、複数本の接地電極を有することにより、複数箇所で同時に放電を生じさせ、複数箇所で燃焼を開始させることができるため、点火及び燃焼の安定性がさらに向上する。また、高電圧電極の端部の周面と接地電極とを、第二誘電体に面する放電領域を介して対向配置し、放電領域に対面する第二誘電体の厚さ寸法を均一にすることにより、バリア放電は第二誘電体の表面に広がり、ラジカルの生成が維持されるため、着火後の燃焼性が促進される。さらに、高電圧電極の周面を覆う第一誘電体と主体金具との隙間の距離Ｇ２を０．３ｍｍ以下とすることにより、第一誘電体と主体金具との隙間に発生する放電を抑制することができ、該隙間に発生する放電による電力ロスが抑制される。よって、本発明によれば、誘電体バリア放電を利用して燃料への直接点火を安定して行うことができ、優れた着火性及び燃焼性を実現することが可能な点火プラグが得られる。

また、本発明に係る点火システムによれば、点火プラグの高電圧電極の端部の周面と複数本の棒状の接地電極が燃焼室の内部で対向配置されているので、燃焼室に導入された燃料ガスが放電領域に流れ込み易く、複数箇所において誘電体バリア放電の発生と同時にラジカルが燃料と反応し、燃料に着火することが可能である。よって、本発明によれば、バリア放電を利用して燃料への直接点火を安定して行うことができ、優れた着火性及び燃焼性を実現することが可能な点火システムを得ることができる。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

本発明の実施の形態１に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態１に係る点火システムの駆動回路を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る点火システムにおける点火信号と交流高電圧の波形を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る点火システムの別の駆動回路を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態２に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態２に係る点火プラグにおいて放電領域に対面する接地電極と誘電体電極の面積を説明する図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグにおける接地電極の突起による電界集中を説明する図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す断面図及び部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す断面図及び部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態３に係る点火プラグを示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグのサンプルを示す部分拡大断面図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグの燃焼評価試験の結果を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグの耐電圧試験の結果を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグの燃焼評価試験の結果を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグにおける面積Ｓ１、Ｓ２を説明する図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグの燃焼評価試験の結果を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグの接地電極を説明する図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグの燃焼評価試験の結果を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグの燃焼評価試験の結果を示す図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグの接地電極の突起の角度を説明する図である。 本発明の実施の形態４に係る点火プラグの燃焼評価試験の結果を示す図である。 本発明の実施の形態５に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。 本発明の実施の形態５に係る点火プラグを示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る点火プラグを示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。

実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る点火プラグ及びこれを備えた点火システムについて、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る点火プラグを示す断面図及び下面図である。本実施の形態１に係る点火プラグ１は、図１に示すように、棒状の高電圧電極１１と、高電圧電極１１の周面１１ａを覆う第一誘電体１２ａと、筒状の主体金具１３と、棒状の接地電極１４とを備えている。

点火プラグ１の筐体である主体金具１３は、その周面にネジ部１３ａを有しており、エンジンの燃焼室２２に臨む隔壁２１の内部に固定される。主体金具１３の一方の端面１３ｂには、棒状の接地電極１４が接続されている。主体金具１３及び接地電極１４は、エンジンと同じ接地電位である。また、棒状の高電圧電極１１は、第一誘電体１２ａで覆われた周面１１ａを主体金具１３に保持され、一方の端部１１ｃは、主体金具１３の端面１３ｂの側から露出している。高電圧電極１１の周面１１ａを覆う第一誘電体１２ａと主体金具１３との隙間の距離Ｇ２（図１９参照）は、０．３ｍｍ以下に設定される。これにより、第一誘電体１２ａと主体金具１３との隙間に発生する放電を抑制することができ、該隙間に発生する放電による電力ロスが抑制される。

高電圧電極１１の端部１１ｃと接地電極１４のいずれか一方は、第一誘電体１２ａよりも厚さ寸法が小さい第二誘電体１２ｂで覆われており、高電圧電極１１の端部１１ｃと接地電極１４は、第二誘電体１２ｂに面する放電領域１５を介して対向配置されている。図１に示す例では、高電圧電極１１は、その周面１１ａから端部１１ｃに亘って、第一誘電体１２ａ及び第二誘電体１２ｂを含む誘電体１２で覆われた誘電体電極である。また、放電領域１５に対面する第二誘電体１２ｂの厚さ寸法は均一である。なお、以下の説明では、第二誘電体１２ｂで覆われた方の電極を誘電体電極と呼ぶ。

接地電極１４は、その端部が高電圧電極１１の方向に曲げられた屈曲部１４ａを有しており、この屈曲部１４ａと高電圧電極１１の先端部１１ｂが対向配置され、放電領域１５を形成している。また、接地電極１４を細い棒状の金属で構成しているため、誘電体バリア放電（以下、単にバリア放電と記す）によって局所的に十分強いラジカルが生成される。

さらに、バリア放電による直接点火を可能にするためには、放電領域１５に燃料ガスが流れ込む必要があるが、点火プラグ１の先端に形成された放電領域１５は、燃焼室２２の内部に突出しており、燃料ガスの流れの中に晒されている。また、第二誘電体１２ｂが高電圧電極１１の端部１１ｃを覆っている場合、放電領域１５に対面する接地電極１４の面積は、放電領域１５に対面する第二誘電体１２ｂの表面積よりも小さい。このため、燃焼室２２の内部に導入された燃料は放電領域１５に流れ込み易く、バリア放電によって生じた十分強いラジカルによって直接点火される。

なお、高電圧電極１１、接地電極１４、及び第二誘電体１２ｂの形状や配置については、これに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば接地電極１４は、必ずしも屈曲部１４ａを有していなくても良い。実施の形態２及び実施の形態３において、様々な変形例について説明する。

本実施の形態１に係る点火システムは、点火プラグ１と、点火プラグ１の高電圧電極１１と接地電極１４との間に交流高電圧を印加して放電領域１５にバリア放電を生じさせる交流電圧印加手段とを備えている。図２は、交流電圧印加手段である駆動回路の一例を示し、図３は、図２に示す駆動回路を用いた場合の点火信号と交流高電圧の波形を示している。

図２において、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）２から出力されたエンジンの点火信号を取得した制御回路３は、点火に必要な駆動信号を生成する。この駆動信号に従って、ドライバ回路４が図３（ｂ）に示すようなスイッチング波形を出力し、スイッチング素子５をオンオフさせる。スイッチング素子５のオンオフによってＤＣ電源６からの電流が交流に変換され、トランス７で昇圧される。トランス７の２次側には共振コイル８が設けられており、この共振コイル８と点火プラグ１の静電容量が共振することで、点火プラグ１の高圧端子部に交流高電圧が印加される。

駆動回路の共振周波数に近い周波数でスイッチングを繰り返すと、２次側の点火プラグ１両端の電圧が共振によって上昇する。図３（ａ）に示すように、電圧波形は交流で変動しながら徐々に高くなっていき、あるところで定常値に達する。共振による昇圧比（Ｑ値）が大きいと定常値に達するまでの周期が多く必要になる。連続パルスの印加期間（スイッチングの回数）は、短すぎると点火を確実に生じさせることができず、長すぎると電力の損失となる。

なお、図２に示す駆動回路は、１つのスイッチング素子５を含む極めて単純な回路であるが、例えば図４に示すようなハーフブリッジ構成の駆動回路を用いても良い。図４に示す例では、２つのスイッチング素子５Ａ、５Ｂを含むハーフブリッジインバータによってＤＣ電源６からの電流が交流に変換され、トランスの偏磁を防止するための偏磁防止用コンデンサ９を介してトランス７の一次側に印加され、トランス７で昇圧されて２次側に出力される。その後は図２の例と同様に、共振コイル８によってさらに昇圧されて点火プラグ１の高圧端子部に交流高電圧が印加される。なお、スイッチング回路の方式としては、フルブリッジインバータやプッシュプル等の方式を用いることもできる。

以上のように、本実施の形態１に係る点火プラグ１及び点火システムによれば、接地電極１４を細い棒状とすることにより、バリア放電によって局所的に十分強いラジカルを生成することができる。また、高電圧電極１１の端部１１ｃと接地電極１４が燃焼室２２の内部で対向配置されているので、燃焼室２２に導入された燃料ガスが放電領域１５に流れ込み易く、放電で生じたラジカルによって着火され易い。すなわち、バリア放電の発生と同時にラジカルが燃料と反応し、燃料に着火することが可能である。

また、バリア放電は誘電体電極の表面に広がり、ラジカルの生成が維持されるため、着火後の燃焼性が促進される。さらに、接地電極１４は細い棒状であるため、電極による消炎効果が少なく、火炎の成長を妨げにくい。これらのことから、本実施の形態１によれば、バリア放電を利用して燃料への直接点火を安定して行うことができ、優れた着火性及び燃焼性を実現することが可能な点火プラグ１及びこれを備えた点火システムを得ることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２では、上記実施の形態１に係る点火プラグ１（図１）の基本的な変形例について、図５〜図７を用いて説明する。なお、各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。

バリア放電を生じるためには、高電圧電極１１と接地電極１４の間に第二誘電体１２ｂを介している必要があり、第二誘電体１２ｂが設けられるのはどちらの電極であっても良い。上記実施の形態１では、高電圧電極１１を第二誘電体１２ｂで覆う構成としたが、図５に示すように、接地電極１４を第二誘電体１２ｂで覆い、誘電体電極としても良い。その場合、高電圧電極１１の端部１１ｃは、誘電体１２から露出している。

また、上記実施の形態１では、棒状の接地電極１４が１本配置されている例を示したが、接地電極１４は複数本であっても良い。図６に示す例では、４本の細い棒状の接地電極１４を備え、それぞれの端部は高電圧電極１１の方向に曲げられた屈曲部１４ａを有している。また、接地電極１４の先端部１４ｂは、高電圧電極１１の先端部１１ｂよりも上方の端部１１ｃと対向して放電領域１５を形成している。

複数本の接地電極１４を有する場合、それぞれ並列にバリア放電を生じさせることが可能である。すなわち、複数箇所で同時に放電を生じさせ、複数箇所で燃焼を開始させることができることから、点火及び燃焼の安定性がさらに向上する。図６に示す例では、接地電極１４は細い棒状の金属であり、その先端部１４ｂでバリア放電が生じるようにしているため、局所的に十分強いラジカルが生成される。

また、放電領域１５を形成する点火プラグ１の先端は、燃焼室２２の内部に突き出しており、燃料ガスの流れの中に晒されている。このため、燃料ガスは、４本の細い棒状の接地電極１４の隙間を通って放電領域１５に流れ込み、バリア放電によって局所的に生じた十分強いラジカルによって直接点火される。

なお、燃焼室２２に導入された燃料が放電領域１５に流れ込むためには、放電領域１５に対面する接地電極１４の面積が、放電領域１５に対面する誘電体電極の面積よりも小さい必要がある。放電領域１５に対面する接地電極１４と誘電体電極の面積の定義について、図７を用いて説明する。

図７において、網掛け部Ａは、放電領域１５に対面する誘電体電極の面積、網掛け部Ｂは、放電領域１５に対面する接地電極１４の面積を示している。これらの電極の面積とは、バリア放電による電流が流れ込む領域を指している。金属電極である接地電極１４において、誘電体電極と対向していない裏側については電極の面積に含まれない。接地電極１４が金属電極の場合は、放電領域１５の最短距離の部分（これを放電ギャップと称す）において誘電体電極に対向している部分の面積を、放電領域１５に対面する接地電極１４の面積と定義される。

一方、誘電体電極の場合、バリア放電の特徴として、広い電極面積の全面に放電が広がる傾向にある。ただし、放電が広がるのは第二誘電体１２ｂの厚さ寸法が均一な部分であり、厚さ寸法が大きい部分には放電は広がらない。従って、網掛け部Ａの部分が、放電領域１５に対面する誘電体電極の表面積と定義される。

なお、バリア放電は、最初は電極間の最短距離、すなわち放電ギャップの箇所で放電が発生するが、以後は第二誘電体１２ｂ表面の一度放電が生じた箇所を避けて放電する特徴がある。このため、第二誘電体１２ｂの表面に沿って放電が生じる。より正確には、最初に放電が生じるのは電極間の最短距離の箇所とは限らず、電界強度が最も高い箇所から放電が発生する。

従来のスパークプラグでは、スパーク放電（アーク放電）を発生させるため、ガス温度が極めて高くなり、放電の発生によって電極が消耗する。従って、点火プラグの寿命を長くするためには、電極の先端部分をある程度太く形成する必要があった。一方、バリア放電はスパーク放電（アーク放電）ではないため電極が消耗しないという特徴があり、接地電極１４を細く形成しても十分な寿命が得られる。

さらに、接地電極１４を細くすることにより、燃料が放電領域１５へ流れ込み易く、電極による消炎作用が抑制されることからも、接地電極１４は、機械的強度が保たれ、且つ燃焼による電極の過熱を防ぐことが可能な範囲で、できる限り細くすることが望ましい。

本実施の形態２に係る点火プラグ１においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られると共に、細い棒状の接地電極１４を複数本とすることにより、複数箇所で同時にバリア放電を生じさせることができ、その放電によって十分強いラジカルが生成されることから、点火及び燃焼の安定性がさらに向上する。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３では、上記実施の形態１に係る点火プラグ１（図１）の変形例として、放電領域１５に対面する高電圧電極１１、第二誘電体１２ｂ、または接地電極１４の表面に、尖端部を有する突起や金属小片を設けた例について、図８〜図１８を用いて説明する。なお、各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。

図８に示す例では、接地電極１４は１本の金属電極であり、その屈曲部１４ａの放電領域１５に対面する箇所に、放電領域１５に突出した尖端部を有する第一の突起１６を備えている。また、図９に示す例では、接地電極１４は、４本の細い棒状の金属電極であり、屈曲部１４ａの先端部１４ｂに、第一の突起１６を備えている。

本実施の形態３に係る点火プラグ１において、第一の突起１６を有する接地電極１４を誘電体電極と対向させた時の電界の集中について、図１０を用いて説明する。図１０において、Ｐは等ポテンシャル面、Ｅは電界の集中、Ｄはバリア放電をそれぞれ示している。金属電極である接地電極１４に尖端部を有する第一の突起１６を設け、誘電体電極と対向させた場合、図１０（ａ）に示すように、接地電極１４の第一の突起１６の尖端部に電界が集中する。このような電極間にバリア放電を生じさせた場合、図１０（ｂ）に示すように、接地電極１４の第一の突起１６の尖端部から第二誘電体１２ｂ表面に広がるように放電が発生する。

バリア放電の特徴として、細いストリーマ状の放電が極めて短時間、且つ断続的に発生して誘電体電極の表面に広がっていく。一定間隔で対向している電極の間に生じる通常のバリア放電の場合、広い面積で均一の放電が発生するため、ラジカルが効率的に発生する一方、生じたラジカルが広い面積に分布し、ガス温度は低い状態が保たれる。安定な点火を行うためには、ある程度高いラジカル密度とガス温度が必要であることから、通常のバリア放電は直接的な点火には不向きである。

これに対し、図８及び図９に示す構成では、接地電極１４の第一の突起１６の尖端部に放電が集中し、局所的にラジカル密度とガス温度が高い部分が生じることから、安定な点火を実現することができる。また、図９に示すように、第一の突起１６を有する接地電極１４の数を複数にすることにより、点火のきっかけとなる部分が増え、より安定な点火が可能となる。さらに、第一の突起１６を接地電極１４の先端部１４ｂに設け、この部分に放電を集中させて点火させることにより、より燃焼室２２の中央近くで燃焼を開始させることが可能となり、点火プラグ１の根元部分による消炎効果を抑えることができる。

また、図１１に示す例では、高電圧電極１１の端部１１ｃの放電領域１５に対面する箇所に、放電領域１５に突出した尖端部を有する第二の突起１７を備えている。この例では、金属電極である高電圧電極１１の端部１１ｃが誘電体１２から露出しており、４本の接地電極１４が第二誘電体１２ｂに覆われた誘電体電極となっている。高電圧電極１１の端部１１ｃは、４本の接地電極１４と対向する位置に、４つの第二の突起１７を有している。図１１に示す例は、構造は複雑であるが、接地電極１４を第二誘電体１２ｂで覆う必要がある場合に有効である。

なお、第一の突起１６及び第二の突起１７は、金属電極上に直に設けられているが、高電圧電極１１の端部１１ｃと接地電極１４のいずれか一方を覆う第二誘電体１２ｂの放電領域１５に対面する箇所に、放電領域１５に突出した尖端部を有する第三の突起１８を設けることもできる。図１２に示す例では、高電圧電極１１を覆う第二誘電体１２ｂ上に、４本の接地電極１４に対向する４つの第三の突起１８が設けられている。

また、図１３に示す例では、４本の接地電極１４が第二誘電体１２ｂで覆われており、それぞれの第二誘電体１２ｂ上に第三の突起１８を設けている。これらの例では、第三の突起１８は放電領域１５に突出した尖端部を有しており、各々の第三の突起１８の尖端部と対向する電極との距離が、放電領域１５における両電極間の最短距離、すなわち放電ギャップとなっている。

なお、金属電極に直に第一の突起１６または第二の突起１７を設ける場合と、誘電体電極の表面に第三の突起１８を設ける場合とでは、放電の生じ方が異なる。第二誘電体１２ｂの表面に第三の突起１８を設けた場合においても、図１０に示すような電界の集中は生じるので、この部分を起点に放電が発生する。

しかし、金属電極上の第一の突起１６または第二の突起１７の場合は、その尖端部で放電が繰り返し発生するのに対して、第二誘電体１２ｂ上の第三の突起１８の場合は、その部分で放電が連続して生じることはできないため、放電がある程度広がる。このため、第二誘電体１２ｂ上に第三の突起１８を設けた場合は、放電の開始電圧を低くする効果は得られるものの、放電の集中が弱くなる。従って、要求される放電の集中の度合いによって適切な構成を選択すれば良い。

なお、図８〜図１３では、金属電極上に設けられた第一の突起１６または第二の突起１７、あるいは第二誘電体１２ｂ上に設けられた第三の突起１８のいずれか１つを備えた例について説明したが、これらの両方を備えていても良い。図１４に示す例では、４本の接地電極１４の各々の先端部１４ｂに第一の突起１６を備え、誘電体電極に４つの第三の突起１８を備えている。この場合、第一の突起１６と第三の突起１８の各々の尖端部で集中的に放電させるため、各々の尖端部を結んだ距離が放電領域１５の最短距離、すなわち放電ギャップとなるように対向させる。

また、図１５に示す例は、図９と同様の構成であるが、放電ギャップがほぼ零になっており、コロナ放電に近い構成である。この場合、金属電極である接地電極１４に設けられた第一の突起１６の尖端部から放電が開始して誘電体電極上を這うように放電が広がる。
このような構成とすることにより、放電電圧が低くなるという効果が得られる。

さらに、図１６（ａ）に示す例は、図９と同様の構成であるが、第二誘電体１２ｂで覆われた高電圧電極１１の長さが図９よりも短く、接地電極１４に設けられた第一の突起１６から離れた位置にある。このような場合、図１６（ｂ）に示すように、バリア放電Ｄは、長い距離を飛ぶことになる。このため、図１５に示す例とは対照的に放電電圧は高くなる一方、ラジカルの発生が効率的になり、電極による消炎効果も抑えられる。

また、図１７及び図１８に示す例では、高電圧電極１１の端部１１ｃを覆う第二誘電体１２ｂの放電領域１５に対面する箇所に、金属小片１９、１９ａを設けている。図１７に示す例では、第一の突起１６と対向する第二誘電体１２ｂの表面に、金属箔などの金属小片１９を貼り付けている。このような場合、図１７（ｂ）に示すように、バリア放電Ｄは、接地電極１４に設けられた第一の突起１６の尖端部と、第二誘電体１２ｂの表面に設けられた金属小片１９との間で生じる。バリア放電Ｄは、通常、微小な放電が断続的に発生するものであるが、金属小片１９を設けることにより一回の放電の電荷量が大きくなり、金属小片１９を設けていない場合よりも強い放電が発生する。

なお、バリア放電によって移動する電荷量は、第二誘電体１２ｂ上の金属小片１９が誘電体層で構成するコンデンサの容量に比例する。すなわち、金属小片１９を大きくすると、一回のバリア放電で移動する電荷量が大きくなる。このことを利用して、放電を強くしたり、放電の強さを所望の値に制御したりすることが可能であり、さらに安定な点火を行うことができる。また、図１８に示すように、尖端部を有する金属小片１９ａを設けることにより、バリア放電の電圧をさらに下げることができる。なお、金属小片１９、１９ａは、接地電極１４を覆う第二誘電体１２ｂの表面に設けても良い。

本実施の形態３によれば、上記実施の形態１及び実施の形態２と同様の効果に加え、着火性能の向上や放電電圧の低下等の効果が得られ、さらに、バリア放電の強さを制御することが可能となり、より安定な点火が可能となる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４では、点火プラグのサンプルを製作し、燃焼評価試験等の結果から各部の寸法等を詳細に検討した。図１９は、点火プラグのサンプルの先端部を示す部分拡大断面図である。図１９に示すように、点火プラグのサンプルの高電圧電極１１は、その周面１１ａから端部１１ｃに亘って誘電体１２で覆われており、放電領域に対面する第二誘電体１２ｂの厚さ寸法は均一である。

図１９に示すサンプルにおいて、放電領域に対面する第二誘電体１２ｂの厚さ寸法をＤ１、周面１１ａを覆う第一誘電体１２ａの厚さ寸法をＤ２、高電圧電極１１の端部１１ｃを覆う第二誘電体１２ｂと接地電極１４との最短距離である放電ギャップをＧ１、主体金具１３の内部において高電圧電極１１の周面１１ａを覆う第一誘電体１２ａと主体金具１３との隙間をＧ２とする。

（１）Ｇ２の検討（図２０）
バリア放電は、放電ギャップであるＧ１の部分で生じることが望ましいが、点火プラグの構造上、第一誘電体１２ａと主体金具１３の間に隙間Ｇ２ができてしまう。このＧ２の部分での放電は望ましくない。放電が生じないＧ２の値を決定するために、Ｇ２を０．１ｍｍ〜１．５ｍｍの間で変化させたサンプルを製作し、燃焼評価試験を行った。

各サンプルは、接地電極１４の厚さ寸法を１．３ｍｍ、幅寸法を２．２ｍｍとし、放電ギャップにおける第二誘電体１２ｂの厚さ寸法Ｄ１を０．８ｍｍ、放電ギャップＧ１を１．１ｍｍとした。なお、これらの寸法は、誘電体１２の材質に依存する。今回の試験では、一般的な誘電体１２としてアルミナ（比誘電率８〜１０）を用いた。

これらのサンプルに対し、空燃比Ａ／Ｆが２０のプロパンガスと空気の混合気０．２５ＭＰａで満たされた定容容器を用いて、周波数４０ｋＨｚ、電圧尖頭値２０ｋＶの正弦波交流電圧を２ｍｓ印加して燃焼評価試験を実施した。評価方法は、サンプル毎に５回実施して着火性能を評価し、５回とも着火に至った場合を「○」、一度でも失火した場合は「×」とした。燃焼評価試験の結果を図２０に示す。

図２０に示すように、Ｇ２が０．３ｍｍ以下では良好な着火が確認されたことから、Ｇ２≦０．３ｍｍであることが望ましい。第一誘電体１２ａと主体金具１３の隙間Ｇ２が０．３ｍｍより大きい場合、空間に発生するコロナ放電による電力ロスが大きく、放電ギャップに伝わるエネルギーが消費されてしまうと考えられる。このため、Ｇ２は、ある程度小さい値でなくてはならない。なお、Ｇ２＝０．３ｍｍの条件で、Ｄ２＝２ｍｍであった。

（２）Ｇ１、Ｄ１の検討（図２１、図２２）
次に、放電領域が形成される箇所の第二誘電体１２ｂの厚さ寸法Ｄ１と放電ギャップＧ１について検討した。主体金具１３の内部における第一誘電体１２ａと主体金具１３との隙間Ｇ２を０．３ｍｍ、第一誘電体１２ａの厚さ寸法Ｄ２を２ｍｍとして、点火プラグ先端の放電領域における第二誘電体１２ｂの厚さ寸法Ｄ１と、放電ギャップＧ１の値が各々異なるサンプルを製作し、耐電圧試験及び燃焼評価試験を実施した。

耐電圧試験の方法は、電圧印加を１分間行い、第二誘電体１２ｂの貫通の有無を確認した。燃焼評価試験の方法は上述の通りである。耐電圧試験の結果を図２１に、燃焼評価試験の結果を図２２に示す。なお、図２１では、貫通なしの場合を「○」、貫通ありの場合を「×」とした。

図２１及び図２２に示す結果から、放電領域における第二誘電体１２ｂの厚さ寸法Ｄ１は０．６ｍｍ≦Ｄ１≦１．２ｍｍ、放電ギャップＧ１は０．８ｍｍ≦Ｇ１≦１．５ｍｍが適切であることが確認された。放電ギャップが形成される箇所の第二誘電体１２ｂの厚さ寸法Ｄ１と放電ギャップＧ１は、電圧印加による第二誘電体１２ｂの機械的破壊及び放電空間の放電強さに影響を及ぼす因子であり、上記条件を満たしていれば各々の性能が高い次元で両立可能である。

（３）点火プラグ尖端部の形状の検討（図２４）
次に、点火プラグ先端部の接地電極１４の形状について検討した。接地電極１４が接続される主体金具１３の端面１３ｂの面積をＳ１とし、この端面１３ｂに接地電極１４を投影したときに接地電極１４が端面１３ｂに占める面積をＳ２とする。図２３（ａ）の斜線部分がＳ１、図２３（ｂ）の斜線部分がＳ２である。

Ｓ１は一定で３９．４ｍｍ^２とし、Ｓ２の値が各々異なるサンプルを製作して、燃焼評価試験を実施した。なお、各サンプルのその他の寸法として、放電ギャップにおける第二誘電体１２ｂの厚さ寸法Ｄ１を０．８ｍｍ、放電ギャップＧ１を１．１ｍｍ、主体金具１３の内部における第一誘電体１２ａと主体金具１３との隙間Ｇ２を０．３ｍｍ、第一誘電体１２ａの厚さ寸法Ｄ２を２ｍｍとした（以後、Ｄ１＝０．８ｍｍ、Ｄ２＝２ｍｍ、Ｇ１＝１．１ｍｍ、Ｇ２＝０．３ｍｍを基本のサンプル寸法とする）。

これらのサンプルに対し、空燃比Ａ／Ｆが２０、２２、２４のプロパンガスと空気の混合気０．２５ＭＰａで満たされた定容容器を用いて、上述と同様の条件及び評価方法で燃焼評価試験を実施した。燃焼評価試験の結果を図２４に示す。

図２４に示す結果から、０．１５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３５が適切であることが確認された。接地電極１４の占める面積Ｓ２が大きくなるに従って、消炎作用が発生し着火性能が劣る傾向にある。一方、Ｓ２が小さくなりすぎると、電界集中する部分が小さいため放電が広がらず、着火性能が悪化する。このため、接地電極１４の面積Ｓ２には最適値があり、０．１５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３５であれば空燃比Ａ／Ｆが２２の条件でも着火可能である。

（４）接地電極の分割数の検討（図２６、図２７）
次に、棒状の接地電極１４の適切な本数について検討した。接地電極１４は、同じ面積Ｓ２の場合、複数に分割されている方が放電領域１５の範囲が広がるため、着火性能が良くなる。図２５の斜線部は、接地電極１４を４本に分割した場合の面積Ｓ２を示している。上述の基本のサンプル寸法において、Ｓ１を３９．４ｍｍ^２とし、Ｓ２／Ｓ１の値を０．１５と０．３５の２種類とし、接地電極１４の本数（分割数）が１本、２本、４本のサンプルを製作して燃焼評価試験を実施した。なお、燃焼評価試験のその他の条件及び評価方法については上述の通りである。

図２６は、Ｓ２／Ｓ１＝０．１５の場合、図２７はＳ２／Ｓ１＝０．３５の場合の燃焼評価試験の結果を示している。いずれの場合も、接地電極１４を２本以上に分割することにより、空燃比Ａ／Ｆが２４の条件でも着火可能であることから、接地電極１４を複数に分割することが望ましいことが確認された。

（５）接地電極の尖端部形状の検討（図２９）
次に、接地電極１４の尖端部の形状について検討した。接地電極１４の放電領域に対面する箇所に、尖端部を有する第一の突起１６を設けることにより、着火性能が向上することは上記実施の形態３で述べた。今回の実験では、厚さ寸法１．３ｍｍ、幅寸法２．２ｍｍの接地電極１４を４本有し、それぞれの尖端部の角度が４５度、９０度、１３５度であるサンプルを製作した。

図２８（ａ）は、尖端部の角度が４５度の接地電極、図２８（ｂ）は、尖端部の角度が９０度の接地電極、図２８（ｃ）は、尖端部の角度が１３５度の接地電極をそれぞれ示している。上述の基本のサンプル寸法において、Ｓ１は３９．４ｍｍ^２とし、燃焼評価試験の条件及び評価方法は、空燃比Ａ／Ｆを２４、２６とした以外は上述の通りである。燃焼評価試験の結果を図２９に示す。

図２９に示す結果から、接地電極１４の尖端部の角度を９０度以下にした場合、上記実施の形態３（図１０）で説明した電界集中の効果が強まり、着火性能が向上することが確認された。あるいは、接地電極１４の尖端部が細くなることによって電極による消炎効果が抑えられ、着火性能が改善したとも考えられる。従って、接地電極１４の尖端部の角度を９０度以下とすることが好ましい。

実施の形態５．
図３０は、本発明の実施の形態５に係る点火プラグを示す断面図及び下面図であり、図３１〜図３３は、本実施の形態５に係る点火プラグの変形例を示す図である。図３０に示すように、本実施の形態５に係る点火プラグ１Ａは、棒状の高電圧電極１１と、高電圧電極１１の周面１１ａを覆う第一誘電体１２ａと、筒状の主体金具１３と、高電圧電極１１の端部１１ｃを囲むように配置された網状の接地電極１４Ａを有している。

点火プラグ１の筐体である主体金具１３は、その周面にネジ部１３ａを有しており、エンジンの燃焼室２２に臨む隔壁２１の内部に固定される。主体金具１３の一方の端面１３ｂには、網状の接地電極１４Ａが接続されている。主体金具１３及び接地電極１４Ａは、エンジンと同じ接地電位である。

また、棒状の高電圧電極１１は、第一誘電体１２ａで覆われた周面１１ａを主体金具１３に保持され、一方の端部１１ｃは、主体金具１３の端面１３ｂの側から露出している。
高電圧電極１１の端部１１ｃは、第二誘電体１２ｂで覆われており、高電圧電極１１の端部１１ｃと接地電極１４Ａは、第二誘電体１２ｂに面する放電領域１５を介して対向配置されている。

バリア放電によって燃料に直接点火するためには、放電領域に燃料ガスを流入させる必要があり、さらに、ある程度の放電の集中が必要であり、多点点火のためには複数の箇所で同時に放電を発生させる必要がある。また、点火の際の消炎効果を抑えるためには、接地電極の熱容量を小さくする必要がある。網状の接地電極１４Ａは、これらの要件すべてを満たしている。

バリア放電の場合、放電による電極の消耗は殆ど生じないため、金属電極である接地電極１４Ａを、機械的強度が保たれる程度に細くすることができる。網状の接地電極１４Ａの場合、電極を十分に細くしても機械的強度を維持することができる。ただし、燃焼による電極の加熱を考慮して、所定の太さは確保する必要がある。また、網目から燃料ガスが流入及び流出するため、燃料の直接点火に適している。さらに、網状の接地電極１４Ａの複数の交点に電界の集中が発生するため、集中した放電を複数箇所に発生させることができる。

本実施の形態５では、網状の接地電極１４Ａの交点と、対向する誘電体電極との間の最短距離の付近でバリア放電が開始し、周囲に広がっていく。交点は多数分布しているので、各交点と第二誘電体１２ｂの間に多くの放電が発生し、網状の接地電極１４Ａと誘電体電極の間のほぼ全領域で体積的な放電が生じる。

図３０に示すように、誘電体電極の周囲にほぼ同心円状に網状の接地電極１４Ａを配置することにより、広い面積で放電を生じさせることができる。一方、図３１に示すように、接地電極１４Ａの先端を徐々に細くすることにより、点火プラグ１Ａの先端付近すなわち燃焼室２２の中央近くで燃焼を開始させることができる。

また、図３２に示す接地電極１４Ａは、図３１と同様に先端が徐々に細くなっており、誘電体電極の先端まで覆っている。このような構成とすることにより、点火プラグ１Ａの先端付近で燃焼を開始させることができると共に、網状電極の機械的強度が向上する。

さらに、図３３に示す例では、接地電極１４Ａは筒型であり、その一方の端部は主体金具１３に接続され、他方の端部は放電領域に突出した複数本の突起電極２０を有している。このような構成とすることにより、接地電極１４Ａの網状部分では放電せず、先端の突起電極２０で放電するため、点火プラグ１Ａの先端付近で集中して燃焼を開始させることができる。

本実施の形態５に係る点火プラグ１Ａにおいても、上記実施の形態１と同様に、バリア放電によって局所的に十分強いラジカルを生成することができ、放電の発生と同時にラジカルが燃料と反応し、燃料に着火することが可能である。さらに、接地電極１４が細い網状であるため、電極による消炎効果が少なく、火炎の成長を妨げにくい。また、燃焼室２２に導入された燃料ガスが放電領域に流れ込み易く、放電で生じたラジカルによって着火され易い。

これらのことから、本実施の形態５によれば、バリア放電を利用して燃料への直接点火を安定して行うことができ、優れた着火性及び燃焼性を実現することが可能な点火プラグ１Ａ及びこれを備えた点火システムを得ることができる。なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

Claims (13)

1. 筒状の主体金具と、
   前記主体金具の一方の端面に接続された複数本の棒状の接地電極と、
   一方の端部が前記主体金具の前記端面の側から露出している棒状の高電圧電極と、
   前記高電圧電極の周面の一部を覆い、かつ、前記主体金具に保持される第一誘電体とを備え、
   前記高電圧電極の前記端部は、前記第一誘電体よりも厚さ寸法が小さい第二誘電体で覆われており、
   前記高電圧電極の前記端部の周面と前記接地電極とは、前記第二誘電体に面する放電領域を介して対向配置され、前記放電領域に対面する前記第二誘電体の厚さ寸法は均一であり、前記放電領域に対面する前記接地電極の面積は、前記放電領域に対面する前記第二誘電体の表面積よりも小さいことを特徴とする点火プラグ。
2. 筒状の主体金具と、
   前記主体金具の一方の端面に接続された複数本の棒状の接地電極と、
   一方の端部が前記主体金具の前記端面の側から露出している棒状の高電圧電極と、
   前記高電圧電極の周面の一部を覆い、かつ、前記主体金具に保持される第一誘電体とを備え、
   前記高電圧電極の前記端部は、前記第一誘電体よりも厚さ寸法が小さい第二誘電体で覆われており、
   前記高電圧電極の前記端部の周面と前記接地電極とは、前記第二誘電体に面する放電領域を介して対向配置され、前記放電領域に対面する前記第二誘電体の厚さ寸法は均一であり、前記放電領域に対面する前記接地電極の面積は、前記放電領域に対面する前記第二誘電体の表面積よりも小さく、
   前記主体金具の前記端面の面積をＳ１とし、前記端面に前記接地電極を投影したときに前記接地電極が前記端面に占める面積をＳ２とするとき、０．１５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３５であることを特徴とする点火プラグ。
3. 筒状の主体金具と、
   前記主体金具の一方の端面に接続された複数本の棒状の接地電極と、
   一方の端部が前記主体金具の前記端面の側から露出している棒状の高電圧電極と、
   前記高電圧電極の周面の一部を覆い、かつ、前記主体金具に保持される第一誘電体とを備え、
   前記高電圧電極の前記端部と前記接地電極のいずれか一方は、前記第一誘電体よりも厚さ寸法が小さい第二誘電体で覆われており、
   前記高電圧電極の前記端部の周面と前記接地電極とは、前記第二誘電体に面する放電領域を介して対向配置され、前記放電領域に対面する前記第二誘電体の厚さ寸法は均一であり、前記高電圧電極の前記周面を覆う前記第一誘電体と前記主体金具との隙間の距離をＧ２とするとき、Ｇ２≦０．３ｍｍであることを特徴とする点火プラグ。
4. 前記接地電極は、その端部が前記高電圧電極の方向に曲げられた屈曲部を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の点火プラグ。
5. 前記接地電極は、前記放電領域に対面する箇所に、尖端部を有する第一の突起を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の点火プラグ。
6. 前記接地電極は金属電極であり、前記尖端部の角度は９０度以下であることを特徴とする請求項５記載の点火プラグ。
7. 前記接地電極は前記第二誘電体で覆われており、前記高電圧電極の前記端部は、前記放電領域に対面する箇所に、尖端部を有する第二の突起を備えたことを特徴とする請求項３記載の点火プラグ。
8. 前記第二誘電体の前記放電領域に対面する箇所に、金属小片を備えたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の点火プラグ。
9. 前記高電圧電極の前記端部を覆う前記第二誘電体の厚さ寸法をＤ１とするとき、０．６ｍｍ≦Ｄ１≦１．２ｍｍであり、前記高電圧電極の前記端部を覆う前記第二誘電体と前記接地電極との最短距離をＧ１とするとき、０．８ｍｍ≦Ｇ１≦１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の点火プラグ。
10. 前記主体金具の前記端面の面積をＳ１とし、前記端面に前記接地電極を投影したときに前記接地電極が前記端面に占める面積をＳ２とするとき、０．１５≦Ｓ２／Ｓ１≦０．３５であることを特徴とする請求項３記載の点火プラグ。
11. 前記第二誘電体の前記放電領域に対面する箇所に、尖端部を有する第三の突起を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の点火プラグ。
12. 前記高電圧電極の前記端部は前記第二誘電体で覆われており、前記接地電極は、前記放電領域に対面する箇所に尖端部を有する第一の突起を備え、
    前記第一の突起と前記第三の突起は、各々の前記尖端部を結んだ距離が前記放電領域の最短距離となるように配置されたことを特徴とする請求項１１記載の点火プラグ。
13. 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の点火プラグと、前記点火プラグの前記高電圧電極と前記接地電極との間に交流電圧を印加して前記放電領域に誘電体バリア放電を生じさせる交流電圧印加手段とを備えた点火システムであって、
    前記主体金具は、エンジンの燃焼室に臨む隔壁の内部に固定され、前記高電圧電極の前記端部と前記接地電極は前記燃焼室の内部で対向配置されたことを特徴とする点火システム。

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