JP6572868B2 - 内燃機関の点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の点火装置に関する。

従来、レールガンの原理を利用してローレンツ力でプラズマ（又は火花放電）を移動させて燃焼室に飛び出させ、燃焼室内の点火改善を図ったレールプラグが知られている。図１４及び図１５は、このようなレールプラグ１００を示す図である。図１４に示すように、レールプラグ１００は、互いに隙間３をあけて平行に配置された２本の電極１，２を備える。ここでは、電極１が陽極であり、電極２が陰極の例を示す。

２本の電極１，２間に電圧を印加して電極１，２間の隙間３にプラズマＰを発生させる。このプラズマＰによって電極１から電極２へと電流が流れる放電路４が形成される。この放電路４には、そこを流れる電流によってローレンツ力Ｆが作用する。図１５は、導体に電流が流れたときにローレンツ力Ｆが作用する原理を示す。図１５に示すように、Ｎ極性の磁石Ｍ１とこれに対向して配置されたＳ極性の磁石Ｍ２との間に磁界Ｂが形成され、この磁界Ｂでは磁界ベクトルの向きは磁石Ｍ１から磁石Ｍ２に向かっている。ここで電流の流れ方向、磁界の方向およびローレンツ力の向きは互いに直交する関係になっている。

このような磁界Ｂ中に置かれている導体Ｄに電流Ｉが図１５の紙面奥側から手前側に流れると、フレミング左手の法則にしたがって、導体Ｄには図１５中の右側へ向かうローレンツ力Ｆが作用する。このときのローレンツ力ＦはＦ＝（Ｉ×Ｂ）Ｌで表される。ここで、Ｌは磁界Ｂ中における導体Ｄの長さである。

図１４を再び参照すると、このようなローレンツ力Ｆを電極１，２間に発生したプラズマＰに作用させることによって、プラズマＰを弾体Ｐ１として電極１，２間の隙間３から燃焼室内に飛び出させることで、燃焼室内の点火改善を図ることができる。

なお、特許文献１には、燃焼室に噴出されるプラズマの向きをローレンツ力によって変更することで、気中放電に中心電極及び接地電極のそれぞれの特定位置が集中して使用されないようにして各電極の激しい消耗を防止する技術が記載されている。

特開２０１０−２０３２９５号公報

図１６（ａ）は、図１４を参照して説明したレールプラグ１００における放電開始からの時間（ｍｓ）と放電電流（Ａ）の関係を示すグラフであり、図１６（ｂ）はレールプラグ１００における放電開始からの時間（ｍｓ）とプラズマ長（ｍｍ）との関係を示すグラフである。図１６に示されるように、導体のインダクタンスＬ１が大きくなるほど、放電電流は小さくなり、プラズマ長が延びる傾向にあることが判る。

しかしながら、レールプラグ１００では電極１，２自身を流れる電流によってプラズマＰに作用するローレンツ力Ｆを生じさせる磁界Ｂを形成するため、図１６（ａ）に示すように、５０Ａ〜２００Ａの電流が必要になる。したがって、このような大電流によってプラズマＰを繰返し生じさせると、電極１，２が溶解等の不具合が生じる。また、比較的低電流（例えば、１００ｍＡ）でプラズマを生じさせる例えば車両用内燃機関の点火プラグに用いることができない。

本発明の目的は、消費電力を低減しながら点火改善を図れる内燃機関の点火装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の点火装置は、内燃機関のシリンダ内に形成される燃焼室の軸方向端部に先端部が露出して配置され、前記先端部において互いに対向して設けられる中心電極および接地電極を有する点火プラグと、前記燃焼室の軸方向端部に噴出した気流によって前記中心電極と前記接地電極との間に互いの対向方向と直交する方向へ略Ｕ字状に延びて形成された火花放電路を含む略二次元平面に対して、磁界ベクトルが略垂直に貫く方向に磁界を形成する磁界形成手段と、を備え、前記略二次元平面は前記燃焼室の軸方向と略直交する平面であり、前記磁界ベクトルは前記軸方向に沿うことを特徴とする。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記磁界形成手段は、前記点火プラグの先端部に隣接して配置され、一方又は他方の極性に磁化される第１磁性体と、前記シリンダ内に設けられたピストンの端面、又は、前記第１磁性体の外周側に間隔をあけて配置され、前記第１磁性体とは反対の極性に磁化される第２磁性体とによって構成されてもよい。

この場合、前記第１及び第２磁性体はそれぞれ永久磁石であってもよい。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記磁界形成手段は、前記磁界ベクトルの向きを前記略二次元平面に略垂直な一方向又は反対方向に変更可能に構成されてもよい。

この場合、前記磁界形成手段は、前記磁界形成手段は、前記点火プラグの先端部に隣接して配置され、一方又は他方の極性に磁化される第１磁性体と、前記シリンダ内に設けられたピストンの端面、又は、前記第１磁性体の外周側に間隔をあけて配置され、前記第１磁性体とは反対の極性に磁化される第２磁性体とによって構成され、前記第１磁性体にはコイルが巻回されており、該コイルに電流を通電することによって前記第１磁性体の燃焼室側端部が一方又は他方の極性に磁化されてもよい。

この場合、前記第１磁性体のコイルへの通電は、前記点火プラグによる点火期間だけ行われるのが好ましい。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記第１及び第２磁性体は、前記シリンダの外部で磁気的に接続されて閉磁路を構成してもよい。

また、本発明に係る内燃機関の点火装置において、前記コイルに流れる電流の向きを変更することによって前記第１磁性体の燃焼室側端部に面した端部の極性が一方又は他方の極性に切り替え可能に構成されてもよい。

本発明に係る内燃機関の点火装置によれば、点火プラグによって生じた火花放電路に作用させる磁界を形成する磁界形成手段を別途設けたことで、上述したレールプラグに比べて消費電力を大幅に低減することができる。また、磁界形成手段によって形成された磁界によって、略Ｕ字状に形成されている火花放電路にローレンツ力が作用することで、火花放電路を伸長させることができる。これにより、燃焼室内における点火改善を図れる。

図１（ａ）は本発明の第１実施形態である内燃機関の点火装置を示す図であり、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は（ｂ）中のＣ−Ｃ断面図である。 火花放電路にローレンツ力が作用する原理を説明するための図である。 ローレンツ力の試算に用いたモデルを示す図である。 （ａ）は磁界と火花放電路に作用するローレンツ力との関係を示すグラフであり、（ｂ）は時間と火花放電路の移動距離との関係を示すグラフである。 第１実施形態である内燃機関の点火装置の作用を説明するための図１（ｂ）と同様の図である。 第２実施形態である内燃機関の点火装置を示す図１（ａ）と同様の図である。 第３実施形態である内燃機関の点火装置を示す図１（ａ）と同様の図である。 第４実施形態である内燃機関の点火装置を示す図１（ａ）と同様の図である。 第５実施形態である内燃機関の点火装置を示す図１（ａ）と同様の図である。 第５実施形態である内燃機関の点火装置において、火花放電路に作用するローレンツ力を示す図１（ｂ）と同様の図である。 （ａ）は火花放電路の伸長距離と放電路抵抗の関係を示すグラフであり、（ｂ）火花放電路の最大伸長距離を示す図である。 第６実施形態である内燃機関の点火装置を示す図１（ａ）と同様の図である。 図１２に示した内燃機関の点火装置の要部を拡大して示す斜視図である。 従来のレールプラグの一例を示す図である。 磁界中に置かれた導体に電流が流れたときに導体にローレンツ力が作用する原理を説明するための図である。 （ａ）は、図１４に示したレールプラグにおける放電開始からの時間（ｍｓ）と放電電流（Ａ）の関係を示すグラフであり、（ｂ）はレールプラグにおける放電開始からの時間（ｍｓ）とプラズマ長（ｍｍ）との関係を示すグラフである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの構成を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。

図１（ａ）は本発明の第１実施形態である内燃機関の点火装置（以下、単に「点火装置」とだけいう）１０を示す図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）中のＡ−Ａ断面図であり、図１（ｃ）は図１（ｂ）中のＣ−Ｃ断面図である。

点火装置１０は、例えばガソリン等の燃料を燃焼させて動力を得る内燃機関に適用される。内燃機関は、略円柱状の空間からなる燃焼室２０を含む。燃焼室２０は、シリンダ２２内に形成されている。シリンダ２２は、エンジンブロックＥＢの内部に中空状に設けられている。シリンダ２２内には、ピストン２４が配置されている。ピストン２４は、シリンダ２２の円筒状の内壁面に摺接しつつシリンダ軸方向に沿って往復移動可能に設けられている。図１（ａ）では、ピストン２４が上死点にある状態が示されており、シリンダ２２およびピストン２４の中心軸Ｘが一点鎖線で示されている。

本実施形態では、シリンダ２２の端面２３は、略円錐状のテーパー面に形成されている。シリンダ２３の略円錐状の端面２３は、エンジンヘッドＥＨに形成される。シリンダ２２の端面２３と上死点位置にあるピストン２４の頂面（端面）２４ａとの間には、略三角錐状の空間からなる燃焼室端部（燃焼室の軸方向端部）２０ａが形成されている。シリンダ２２の端面２３の中央位置には、点火プラグ２６が配置されている。点火プラグ２６は、シリンダ２２内の燃焼室２０に対して気密状態で取り付けられている。また、本実施形態では、点火プラグ２６は、シリンダ２２の中心軸Ｘと同心状に配置されている。

点火プラグ２６の先端部２７は、燃焼室端部２０ａに露出した状態で配置されている。点火プラグ２６は、図１（ｃ）に示すように、燃焼室端部２０ａに露出した先端部２７に、中心軸Ｘに対応する位置で軸方向に突出する中心電極２８を有する。また、点火プラグ２６は、接地電極３０を先端部２７に有する。本実施形態では、接地電極３０の突出長さが中心電極２８よりも大きく形成されている。中心電極２８と接地電極３０とは、軸方向（Ｘ）と直交する方向に所定の隙間を隔てて互いに平行に対向している。

なお、本実施形態では、中心電極２８が陰極で、接地電極３０が陽極である場合について例示するが、これに限定されるものではなく、これとは逆に中心電極２８が陽極で接地電極３０が陰極であってもよい。

図１（ａ）を再び参照すると、シリンダ２２の端面２３には、吸気ポートおよび排気ポート（いずれも図示せず）が設けられる。吸気ポートからは例えば燃料と空気の混合ガスが燃焼室端部２０ａ内に噴出されて気流Ｇが形成される。気流Ｇは、燃焼室端部２０ａ内において旋回流を形成してもよい。また、排気ポートは、燃焼室２０内での燃焼によって生じた排ガスを排気する機能を有する。

シリンダ２２の端面２３には、点火プラグ２６に隣接して第１磁性体３２が配置されている。また、ピストン２４の頂面２４ａであって上記第１磁性体３２に対向する位置には、第２磁性体３４が配置されている。第１実施形態では、第１磁性体３２がＳ極（一方側極性）の永久磁石で構成され、第２磁性体３４がＮ極（他方側極性）の永久磁石で構成されている。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、第１磁性体３２は、点火プラグ２６の先端部２７の周囲を取り囲む円筒状をなしている。これに対し、第２磁性体３４は、第１磁性体３２と略同一の直径を有する円柱状をなしている。第１磁性体３２は、テーパー面をなすシリンダ２２の端面２３と面一となるように配置され、第２磁性体３４はピストン２４の頂面２４ａと面一となるように配置されるのが好適である。このように各磁性体３２，３４が面一に配置すれば、燃焼室端部２０ａに噴出される気流の流れを阻害しない利点がある。ただし、各磁性体３２，３４は燃焼室端部２０ａ側に僅かに突出して設けられてもよいし、あるいは、シリンダ２２の端面２３やピストン２４に埋設されてもよい。

このように配置された第１及び第２磁性体３２，３４によって、図１（ａ），（ｃ）に示すように、燃焼室端部２０ａにおいて第１磁性体３２と第２磁性体３４との間の空間には、第２磁性体３４から第１磁性体３２へ向かう磁界ベクトルＢ１を含む磁界Ｂが形成される。この磁界Ｂにおける磁界ベクトルＢ１は、中心軸Ｘに沿う軸方向に向いている。

図１（ａ），（ｂ）に示すように本実施形態の点火装置１０では、点火プラグ２６に電圧が印加されると、中心電極２８と接地電極３０との間に火花放電路Ｐが形成される。火花放電路Ｐは、燃焼室端部２０ａ内に噴出した気流Ｇによって流されることで、中心電極２８と接地電極３０との間に互いの対向方向と直交する方向へ略Ｕ字状に延びて形成される。このように形成された火花放電路Ｐは、軸方向と直交する略二次元平面内に含まれるように形成される。

より詳しくは、火花放電路Ｐは、図１（ｂ）に示すように、矢印で示される電流の流れ方向（反時計回り方向）に沿って順に、接地電極３０から横方向（すなわち軸方向と直交する方向）へ延びる第１放電部分Ｐ１と、第１放電部分Ｐ１に連なって略円弧状に延びる第２放電部分Ｐ２と、第２放電部分Ｐ２に連なって中心電極２８に戻るように横方向（すなわち軸方向と直交する方向）へ延びる第３放電部分Ｐ３からなる。そして、このような火花放電路Ｐを含む略二次元平面に対して、磁界Ｂを構成する磁界ベクトルＢ１が略垂直に貫く方向に形成されている。これにより、図１（ｂ），（ｃ）に示されように、火花放電路Ｐのうち第１放電部分Ｐ１および第３放電部分Ｐ３には、外側へ向かうローレンツ力Ｆがそれぞれ作用し、その結果、火花放電路Ｐが伸長されることになる。

図２は、火花放電路Ｐにローレンツ力が作用する原理を説明するための図である。

永久磁石でそれぞれ構成された第１及び第２磁性体３２，３４の間には、Ｎ極の第２磁性体３４からＳ極の第１磁性体３２へ向かる磁界Ｂが形成され、この磁界Ｂ中に火花放電路Ｐが存在する。ここでは火花放電路Ｐにおいて、電流が紙面表面側から奥側へ流れる場合を想定する。火花放電路Ｐは磁界Ｂを形成する磁界ベクトルＢ１に垂直である。

この場合、火花放電路Ｐを流れる電流Ｉはその作用によって火花放電路Ｐの周囲に磁界を形成するが、その磁界ベクトルＢ２の向きは火花放電路Ｐを中心とした時計回り方向の向きになる。そのため、火花放電路Ｐの左側では、第１および第２磁性体３２，３４で形成される磁界ベクトルＢ１の方向と、電流Ｉで形成される磁界ベクトルＢ２の方向が一致して、磁束密度が高くなる。

これに対し、火花放電路Ｐの右側では、第１および第２磁性体３２，３４で形成される磁界ベクトルＢ１の方向と、電流Ｉで形成される磁界ベクトルＢ２の方向が反対になって、磁束密度が低くなる。このことによって、火花放電路Ｐには、火花放電路Ｐを右側へ移動させるローレンツ力Ｆが作用することになる。ここで、火花放電路Ｐに作用する単位長さ当たりのローレンツ力は、火花放電路Ｐに流れる電流Ｉと第１及び第２磁性体３２，３４によって形成される磁界Ｂの積（Ｆ＝Ｉ×Ｂ）となる。

その結果、図１に示した形態の火花放電路Ｐでは、火花放電路Ｐを含む略二次元平面において、軸方向Ｘに垂直で、かつ、気流によって略Ｕ字状に伸長した火花放電路Ｐの第１放電部分Ｐ１と第３放電部分Ｐ３とを互いに広げる方向に引っ張るようにローレンツ力Ｆが作用する。このようなローレンツ力の作用によって、火花放電路Ｐの伸長長さがより長く引き延ばされ、火花放電路Ｐによって囲まれた領域の面積が広くなる。したがって、火花放電路Ｐが例えば混合ガスからなる気流Ｇと接触する長さが延長され、燃焼室端部２０ａ内における点火性の改善を図ることができる。

図３は、ローレンツ力の試算に用いたモデルを示す図である。このモデルでは、火花放電路Ｐの直径０．５ｍｍ、長さ１ｍｍ、温度２０００Ｋの円柱状体と想定し、その周囲にある気流Ｇを直径２ｍｍ、長さ１ｍｍ、温度７００Ｋの円筒状体と想定し、燃焼室端部２０ａ内の磁界Ｂを１Ｔ、火花放電電流（Ｉ）を０．１Ａとした。この場合、火花放電路３に作用するローレンツ力Ｆは、下記の式（１）のように算出できる。
・磁界Ｂ：１[Ｔ]＝１[Ｗｂ／ｍ²]＝１[Ｖ・ｓ／ｍ²]
・電流Ｉ：０．１[Ａ]
・ローレンツ力Ｆ（単位長さ当たり）＝Ｂ×Ｉ＝１[Ｔ]×０．１[Ａ]
＝１×０．１[Ｖ・Ａ・ｓ／ｍ²]＝０．１[Ｗ][ｓ／ｍ²]＝０．１×０．１[ｋｇｆ・ｍ／ｓ][ｓ／ｍ²]
＝１×１０^-2[ｋｇｆ／ｍ]＝１０[ｋｇｆ／ｍｍ]＝１００[Ｎ／ｍｍ] …（１）

火花放電路Ｐの体積Ｖｐ及び質量Ｍｐ、気流Ｇの体積Ｖｇ及び質量Ｍｇ、並びに、合計質量Ｍｐｇは、下記の式（２），（３），（４）のように算出できる。
・Ｖｐ＝０．２×１０^-9[ｍ³]、密度ρｐ＝１．８[ｋｇ／ｍ³]、Ｍｐ＝０．０４×１０ー9[ｋｇ・ｓ²／ｍ] …（２）
・Ｖｇ＝２．９×１０^-9[ｍ³]、密度ρｇ＝５．７[ｋｇ／ｍ³]、Ｍｐ＝１．１×１０ー9[ｋｇ・ｓ²／ｍ] …（３）
・Ｍｐｇ＝Ｍｐ＋Ｍｇ＝１．１４×１０ー9[ｋｇ・ｓ²／ｍ] …（４）

したがって、火花放電路Ｐに加わる加速度ａ、及び、火花放電路Ｐの移動速度ｖ及と移動距離ｄは、下記の式（５），（６），（７）のように算出できる。
・加速度ａ＝Ｆ／Ｍｐｇ＝１×１０⁴[ｍ／ｓ²] …（５）
・移動速度ｖ＝ａ×ｔ＝１０[ｍ／ｓ] …（６）
・移動距離ｄ＝（ｖ×ｔ）／２＝０．５×１０^-2[ｍｍ] …（７）

上記の式（２）〜（７）を用いて、磁界Ｂと電流Ｉが変化したときのローレンツ力Ｆを計算して、図４（ａ）のグラフを作成した。図４（ａ）のグラフでは、横軸が磁界Ｂ、縦軸がローレンツ力Ｆを表す。また、図４（ａ）に示したローレンツ力Ｆが時間ｔの期間だけ作用した場合の火花放電路Ｐの移動距離ｄを計算して、図４（ｂ）のグラフを作成した。図４（ｂ）のグラフでは、横軸が時間ｔ、縦軸が移動距離ｄを表す。

図４（ａ）のグラフ中に破線矢印で示されるように、磁界Ｂが１Ｔで放電電流Ｉが１００ｍＡのとき、ローレンツ力Ｆ１００Ｎ／ｍｍとなり、この状態が時間１ｍｓだけ継続したとすると、図４（ｂ）中に破線矢印で示されるように、火花放電路Ｐの速度ｖは０ｍ／ｓから１０ｍ／ｓに増加して、その移動距離ｄが５ｍｍとなる。

以上の試算結果から明らかなように、本実施形態の点火装置１０では、図１４ないし図１６を参照して上述した従来のレールプラグに比べて、より低い電流で同等水準の火花放電路（プラズマ）の移動が可能であることが判る。

図５は、第１実施形態の点火装置１０の作用を説明するための図１（ｂ）と同様の図である。図５において、ローレンツ力Ｆが作用しない場合の火花放電路Ｐ´を破線状態で示している。上述したように、本実施形態の点火装置１０によれば、気流Ｇによって略Ｕ字状に伸長した火花放電路Ｐが、ローレンツ力Ｆによって両側へ引っ張られることによって火花放電路Ｐの伸長長さがより長く引き延ばされ、火花放電路Ｐによって囲まれた領域の面積が広くなる。したがって、火花放電路Ｐが例えば混合ガスからなる気流Ｇと接触する長さが延長され、燃焼室端部２０ａ内における初期火炎が拡大して点火性（着火性）を改善できる。

なお、上記においては、シリンダ２２の端面２３を構成するエンジンヘッドＥＨにＳ極の第1磁性体３２を設けるとともにピストン２４にＮ極の第２磁性体３４を設けてピストン２４からエンジンヘッドＥＨに向かう磁界ベクトルＢ１を形成したが、これに限定されるものではない。これとは反対に、エンジンヘッドＥＨにＮ極の磁性体（永久磁石）、ピストン２４にＳ極の磁性体（永久磁石）を設けて磁界ベクトルを逆向きに形成してもよい。この場合、火花放電路Ｐの電流流れ方向を上記とは逆方向、すなわち、陽極である中心電極２８から陰極である接地電極３０に流すようにすれば、ローレンツ力Ｆが火花放電路Ｐを広げるように作用することになる。

次に、図６を参照して第２実施形態の点火装置１２について説明する。図６は、点火装置１２を示す図１（ａ）と同様の図である。以下では、本実施形態の点火装置１２が上記点火装置１０と相違する構成について主として説明し、同一構成については同一の参照符号を用いて説明を省略する。

点火装置１２は、第１磁性体３２および第２磁性体３４からなる磁界形成手段を備える。第１磁性体３２は、シリンダ２２の端面２３を形成するエンジンヘッドＥＨに設けられている点は上記点火装置１０と同じである。すなわち、Ｓ極の永久磁石からなる円筒状の第１磁性体３２は、点火プラグ２６の先端部２７の周囲において燃焼室端部２０ａに露出した状態で配置されている。

本実施形態では、Ｎ極の永久磁石からなる第２磁性体３４が、ピストン２４にではなく、エンジンヘッドＥＨに設けられている。第２磁性体３４は、第１磁性体３２の外周側に間隔をあけた位置で燃焼室端部２０ａに円環状に露出した状態で配置されている。このように磁界形成手段が構成される場合でも、第２磁性体３４から第１磁性体３２に向かって曲線状に形成される磁界ベクトルＢ１が、火花放電路Ｐを含む略二次元平面を略垂直に貫く。その結果、上記点火装置１０の場合と同様に、本実施形態の点火装置１２においても、気流Ｇによって略Ｕ字状に伸長した火花放電路Ｐが、ローレンツ力Ｆによって両側へ引っ張られることによって火花放電路Ｐの伸長長さがより長く引き延ばされ、火花放電路Ｐによって囲まれた領域の面積が広くなる。したがって、火花放電路Ｐが例えば混合ガスからなる気流Ｇと接触する長さが延長され、燃焼室端部２０ａ内における初期火炎が拡大して点火性（着火性）を改善できる。

また、本実施形態の点火装置１２によれば、永久磁石からなる第２磁性体３４がエンジンヘッドＥＨに設けられているため、例えば水冷等のよってエンジンヘッドＥＨを冷却することによってキュリー温度以下の温度に保つことができ、第２磁性体３４の磁力低下を抑制できる。

図７は、第３実施形態の点火装置１３を示す図１（ａ）と同様の図である。以下では、本実施形点火装置１３が上記点火装置１０と相違する点について主として説明し、同一構成については同一の参照符号を用いて説明を省略する。

本実施形態の点火装置１３は、第１磁性体３２及び第２磁性体３４を含む磁界形成手段を備える。第１磁性体３２は、点火プラグ２６の先端部２７に隣接する位置で燃焼室端部２０ａに露出してエンジンヘッドＥＨに設けられている。第１磁性体３２の一方側端部は、燃焼室端部２０ａ内において略Ｕ字状に形成される火花放電路Ｐに対向して配置されている。また、例えば棒状をなす第１磁性体３２の他方側端部の周囲には、コイル３６が巻回されている。コイル３６には、電源３８とスイッチ４０とが直列に接続されている。本実施形態では、第１磁性体３２は、永久磁石ではなく、例えば鉄又は鉄系等の強磁性体で構成され、スイッチ４０がオンしてコイル３６に電流が流れたとき一方側端部がＳ極に磁化される電磁石となっている。

本実施形態では、第２磁性体３４もまた、永久磁石ではなく、例えば鉄又は鉄系等の強磁性体で構成されている。第２磁性体３４は、ピストン２４の頂面２４ａにおいて第１磁性体３２に対向する位置に配置されている。これにより、図７に示す位置にピストン２４が上昇したときに第１磁性体３２がＳ極に磁化されると、第２磁性体３４が分極によってＮ極に磁化されたような状態になる。これにより、第１磁性体３２と第２磁性体３４との間に、第２磁性体３４から第１磁性体３２へ向かう磁界ベクトルＢ１を含む磁界Ｂが形成される。この磁界Ｂにおける磁界ベクトルＢ１は、点火プラグ２６の先端部２７の中心電極２８及び接地電極３０に、気流Ｇによって略Ｕ字状に形成される火花放電路Ｐを含む略二次元平面に対して略垂直に貫く。その結果、上記点火装置１０と同様の作用効果を奏する。

また、本実施形態の点火装置１３では、コイル３６への通電は、消費電力低減のために、点火プラグ２６によって火花放電路Ｐが形成されている期間（点火期間）だけで良い。これは、スイッチ４０をオンさせる時間期間を、点火プラグ２６に電圧印加する時間期間と同期させることによって実現できる。

さらに、コイル３６に流れる電流の大きさを内燃機関の負荷や、シリンダ２２内の圧力、温度及び気流速度等に応じて変化させて、誘起される磁界Ｂの強度を変化させてもよい。これにより、内燃機関の作動状態に応じて、燃焼室端部２０ａにおける点火状態を最適化でき、内燃機関の燃費や出力を向上させることができる。

なお、本実施形態では、コイルへの通電によって磁化される第１磁性体３２を１つだけ設けた例について説明したが、複数の第１磁性体をシリンダ２２の端面２３に設けてもよい。また、ピストン２４に設ける第２磁性体３４は、第１磁性体３２が磁化される極性と反対の極性を有する永久磁石を用いてもよい。

次に、図８を参照して、第４実施形態の点火装置１４について説明する。図８は、第４実施形態である点火装置１４を示す、図１（ａ）と同様の図である。以下においては、本実施形態の点火装置１４が第１及び第３実施形態の点火装置１０，１３と相違する点について主として説明し、同一の構成については同一の参照符号を用いて説明を省略する。

図８に示すように、点火装置１４は、第３実施形態の点火装置１３と同様に、シリンダ２２の端面２３に設けられた第１磁性体３２と、ピストン２４に設けられた第２磁性体３４とによって磁界形成手段が構成される。第１磁性体３２には、コイル３６が巻回されている。図示を省略しているが、コイル３６は、電源３８及びスイッチ４０に直列に接続されている。スイッチ４０には、例えばトランジスタ等を用いるのが好適である。

本実施形態では、第１磁性体３２及び第２磁性体３４は、シリンダ２２の外部で磁性材からなる磁気回路構成部材４２によって磁気的に接続されて、閉磁路を構成する。より詳しくは、第１磁性体３２には、燃焼室端部２０ａとは反対側の端部に略Ｌ字状の第１磁気回路部材４２ａの一端が接続されている。第１磁気回路構成部材４２ａの他端部は、ブロック状の磁性体として形成され、シリンダ２２の内壁面に露出して配置されている。ピストン２４には、軸状の磁性体からなる第２磁気回路構成部材４２ｃが配置されている。第２磁気回路構成部材４２ｃの一端は第２磁性体３４に接続され、その他端がピストン２４の外周側面に露出している。この露出した位置で、第２磁気回路構成部材４２ｃの他端部は、微小隙間を介して、第１磁気回路構成部材４２ａの他端部４２ｂに対向している。このようにして、第１磁性体３２と第２磁性体３４とが磁気的に接続されて、閉磁路を構成している。このような閉磁路を構成することで磁界Ｂの形成効率が高まり、少ないコイル電流で燃焼室端部２０ａ内に強い磁界Ｂを形成することが容易になる。

次に、図９〜図１１を参照して、第５実施形態の点火装置１５について説明する。図９は、点火装置１５を示す図１（ａ）と同様の図である。図１０は、点火装置１５において、火花放電路Ｐに作用するローレンツ力Ｆを示す図１（ｂ）と同様の図である。以下においては、本実施形態の点火装置１５が第１及び第３実施形態の点火装置１０，１３と相違する点について主として説明し、同一の構成については同一の参照符号を用いて説明を省略する。

図９に示すように、点火装置１５は、第１磁性体３２及び第２磁性体３４を含む磁界形成手段を備える。第１磁性体３２は、上述した第３実施形態の点火装置１３と同様に、巻回されたコイル３６に第１電源３８ａ及び第１スイッチ４０ａが直列接続されている。これにより、点火装置１５でも、第１スイッチ４０ａがオンしてコイル３６に通電されることによって第１磁性体３２が磁化されるようになっている。この場合、燃焼室端部２０ａに面した第１磁性体３２の端部は、Ｓ極に磁化される。

本実施形態の点火装置１５は、さらに、第２電源３８ｂ及び第２スイッチ４０ｂがコイル３６に直列に接続されている。第２電源３８ｂおよび第２スイッチ４０ｂは、第１電源３８ａおよび第１スイット４０ａと並列の関係になっている。第２電源３８ｂは、第１電源３８ａとは正極及び負極の向きが逆になっている。これにより、第１スイッチ４０ａをオフして第２スイッチ４０ｂをオンすると、コイル３６に対して電流が図７とは逆方向に流れ、その結果、燃焼室端部２０ａに面した第１磁性体３２の端部がＮ極に磁化されるようになっている。この場合、ピストン２４に設けた第２磁性体３４は、第１磁性体３２によって生成される磁束の影響を受けて、燃焼室端部２０ａに面した端部がＳ極に磁化されることになる。

このように形成される磁界Ｂでは、磁界ベクトルＢ１が第１磁性体３２から第２磁性体３４に向かって形成される。この磁界ベクトルＢ１もまた、気流Ｇによって略Ｕ字状に形成された火花放電路Ｐを含む略二次元平面に対して略垂直に貫くように形成される。

第２スイッチ４０ｂがオフ状態で第１スイッチ４０ａがオンされた場合、磁界Ｂによって火花放電路Ｐが広がるようにローレンツ力Ｆが作用することは図７を参照して上述した第３実施形態の点火装置１３の場合と同様である。これに対し、第１スイッチ４０ａがオフ状態で第２スイッチ４０ｂがオンされた場合、コイル３６への通電方向が逆になり、第１磁性体３２がＮ極に磁化され、第１磁性体３２から第２磁性体３４へ向かう磁界ベクトルＢ１を含む磁界Ｂが形成される。この磁界Ｂの作用によって、火花放電路Ｐに作用するローレンツ力Ｆの向きが第１実施形態の点火装置１０の場合とは逆になる。すなわち、図１０に示すように、この場合のローレンツ力Ｆは、火花放電路Ｐの伸長距離又は幅を抑える方向に作用し、換言すれば、火花放電路Ｐによって囲まれる領域の面積を小さくするように作用する。

このように本実施形態の点火装置１５では、コイル３６に流れる電流の向きを変更することによって第１磁性体３２の燃焼室端部２０ａに面した端部の極性をＳ極又はＮ極に切り替え可能に構成されている。点火装置１５では、第１スイッチ４０ａ及び第２スイッチ４０ｂ（すなわち第１電源３８ａ及び第２電源３８ｂ）のオンオフを次のようにして切り替えるのが好適である。第１及び第２スイッチ４０ａ，４０ｂのオンオフ制御は、内燃機関が搭載された例えば車両等のコントローラによって実行することができる。ここで、図１０に示す火花放電路Ｐにおいて、軸方向と直交する方向の長さを「伸長距離」といい、軸方向の長さを「幅」という。

燃焼室端部２０ａ内における気流Ｇの速度が速い（気流乱れが強い）サイクルでは、略Ｕ字状に形成された火花放電路Ｐがより伸長しやすい状態になるため、第１スイッチ４０ａをオフする一方で第２スイッチ４０ｂをオンする。これにより、ローレンツ力Ｆが火花放電路Ｐの伸長距離を抑えるように作用する。他方、燃焼室端部２０ａ内における気流Ｇの速度が遅い（気流乱れが弱い）サイクルでは、略Ｕ字状に形成された火花放電路Ｐが伸長しにくい状態になるため、第２スイッチ４０ｂをオフする一方で第１スイッチ４０ａをオンする。これにより、ローレンツ力Ｆが火花放電路Ｐの伸長距離を延ばすように作用する。このように第１及び第２スイッチ４０ａ，４０ｂをオンオフ制御することで、サイクル毎の火花放電路Ｐの伸長距離のばらつきが抑制され、初期火炎の成長が一定に近づく。そのため、燃焼（トルク）の変動が少ない内燃機関の運転が可能になる。

ここで、各サイクルにおける気流Ｇの速度は、気流Ｇにより伸長する火花放電路Ｐの電気抵抗値から判別できる。火花放電路Ｐの電気抵抗値は、点火プラグ２６に印加される電圧を、点火プラグ２６に流れる電流で除算することによって算出できる。

図１１（ａ）は火花放電路Ｐの伸長距離と放電路抵抗の関係を示すグラフであり、図１１（ｂ）火花放電路Ｐの最大伸長距離を示す図である。図１１（ａ）に示すように、火花放電路Ｐの電気抵抗値は、火花放電路Ｐの伸長距離が長くなるほど大きくなる傾向にある。したがって、実験やシミュレーション等によって内燃機関の運転が安定する火花放電路Ｐの最大伸長距離を予め求めて、コントローラに記憶させておき、この最大伸長距離（例えば５〜８ｍｍ）を越えないように火花放電路Ｐの伸長距離を抑制するように制御すればよい。ここで「最大伸長距離」とは、図１１（ｂ）に示すように、点火プラグ２６（すなわち中心電極２８）の中心軸Ｘから、これと直交する方向へ計った火花放電路Ｐの長さである。

他方、同様の考え方および方法で火花放電路Ｐの最小伸長距離（図示せず）を求めて記憶させておき、この最小伸長距離を下回らないように火花放電路Ｐの伸長距離を延ばすように制御すればよい。

このようにして火花放電路Ｐの伸長距離を所定範囲内に制御することによって、初期火炎の成長が安定し、トルク変動が小さい内燃機関の運転を実現できる。

なお、第５実施形態の点火装置１５では、コイル３６の電流の流れ方向を切り替えることで、磁界ベクトルＢ１の向きを変更するように構成したが、これに限定されるものでなく、第１及び第２磁性体３２，３４間の磁界Ｂの磁界ベクトルＢ１の向きは変更せずに、火花放電路Ｐを流れる電流の向きを切り替えるように構成してもよい。これによっても火花放電路Ｐの伸長距離について同様の制御を実行できる。

図１２は、第６実施形態である点火装置１６を示す、図１（ａ）と同様の図である。図１３は、図１２に示した点火装置１６の要部を拡大して示す斜視図である。以下では、本実施形態の点火装置１６が第１実施形態の点火装置１０と相違する点について主として説明し、同一の構成については同一の参照符号を用いて説明を省略する。

図１２に示すように、本実施形態の点火装置１６では、磁界形成手段を構成する第１磁性体３２及び第２磁性体３４がシリンダ２２の端面２３から燃焼室端部２０ａ内に突出した状態で配置されている。この場合、図１３に示すように、第１磁性体３２は、Ｓ極を構成する永久磁石で構成され、第２磁性体３４はＮ極を構成する永久磁石で構成されている。第１磁性体３２と第２磁性体３４とは、それぞれリング状に形成されており、所定間隔をへだてて対向配置されている。これにより、第１磁性体３２と第２磁性体３４との間には、第２磁性体３４から第１磁性体３２へ向かって形成される磁界ベクトルＢ１を含む磁界Ｂが形成される。この磁界ベクトルＢ１は、点火プラグ２６の中心軸Ｘとこれに平行な直線Ｘ´とを含む二次元平面に対して、略垂直に貫くように形成される。

また、本実施形態の点火プラグ２６は、その先端部２７において、接地電極３０が略Ｌ字状をなして中心電極２８の下方位置まで延出しており、中心電極２８と接地電極３０とが軸方向Ｘに対向している。したがって、この場合、中心電極２８と接地電極３０との間に気流Ｇによって略Ｕ字状に伸長して形成される火花放電路Ｐは、気流Ｇの下流側に延びる略二次元平面内に含まれ、この略二次元平面に対して磁界ベクトルＢ１が略垂直に貫く（又は交差する）ように磁界Ｂが形成されている。

本実施形態の点火装置１６によっても、第１実施形態の点火装置１０と同様の作用効果を奏することができる。すなわち、気流Ｇによって略Ｕ字状に伸長した火花放電路Ｐが、ローレンツ力Ｆによって軸方向両側へ引っ張られることによって火花放電路Ｐの軸方向の伸長長さがより長く引き延ばされ、火花放電路Ｐによって囲まれた領域の面積が広くなる。したがって、火花放電路Ｐが例えば混合ガスからなる気流Ｇと接触する長さが延長され、燃焼室端部２０ａ内における初期火炎が拡大して点火性（着火性）を改善できる。

なお、本発明は、上述した実施形態及びその変形例に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項及びその均等な範囲において種々の変更や改良が可能であることはいうまでもない。

１０，１２，１３，１４，１５，１６ 内燃機関の点火装置、２０ 燃焼室、２０ａ 燃焼室端部、２２ シリンダ、２３ 端面、２４ ピストン、２４ａ 頂面（端面） 、２６ 点火プラグ、２７ 先端部、２８ 中心電極、３０ 接地電極、３２ 第１磁 性体、３４ 第２磁性体、３６ コイル、３８ 電源、３８ａ 第１電源、３８ｂ 第 ２電源、４０ スイッチ、４０ａ 第１スイッチ、４０ｂ 第２スイッチ、４２ 磁気 回路構成部材、Ｂ 磁界、Ｂ１ 磁界ベクトル、Ｆ ローレンツ力、Ｇ 気流、Ｐ 火 花放電路。

Claims (8)

1. 内燃機関のシリンダ内に形成される燃焼室の軸方向端部に先端部が露出して配置され、前記先端部において互いに対向して設けられる中心電極および接地電極を有する点火プラグと、
   前記燃焼室の軸方向端部に噴出した気流によって前記中心電極と前記接地電極との間に互いの対向方向と直交する方向へ略Ｕ字状に延びて形成された火花放電路を含む略二次元平面に対して、磁界ベクトルが略垂直に貫く方向に磁界を形成する磁界形成手段と、を備え、前記略二次元平面は前記燃焼室の軸方向と略直交する平面であり、前記磁界ベクトルは前記軸方向に沿うことを特徴とする、
   内燃機関の点火装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の点火装置において、
   前記磁界形成手段は、前記点火プラグの先端部に隣接して配置され、一方又は他方の極性に磁化される第１磁性体と、前記シリンダ内に設けられたピストンの端面、又は、前記第１磁性体の外周側に間隔をあけて配置され、前記第１磁性体とは反対の極性に磁化される第２磁性体とによって構成されることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の点火装置において、
   前記第１及び第２磁性体はそれぞれ永久磁石であることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
4. 請求項１に記載の内燃機関の点火装置において、
   前記磁界形成手段は、前記磁界ベクトルの向きを前記略二次元平面に略垂直な一方向又は反対方向に変更可能に構成されている、内燃機関の点火装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の点火装置において、
   前記磁界形成手段は、前記点火プラグの先端部に隣接して配置され、一方又は他方の極性に磁化される第１磁性体と、前記シリンダ内に設けられたピストンの端面、又は、前記第１磁性体の外周側に間隔をあけて配置され、前記第１磁性体とは反対の極性に磁化される第２磁性体とによって構成され、
   前記第１磁性体にはコイルが巻回されており、該コイルに電流を通電することによって前記第１磁性体の燃焼室側端部が一方又は他方の極性に磁化されることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
6. 請求項５に記載の内燃機関の点火装置において、
   前記第１磁性体のコイルへの通電は、前記点火プラグによる点火期間だけ行われることを特徴とする、内燃機関の点火装置。
7. 請求項６に記載の内燃機関の点火装置において、
   前記第１及び第２磁性体は、前記シリンダの外部で磁気的に接続されて閉磁路を構成することを特徴とする、内燃機関の点火装置。
8. 請求項６または７のいずれか一項に記載の内燃機関の点火装置において、
   前記コイルに流れる電流の向きを変更することによって前記第１磁性体の燃焼室側端部に面した端部の極性が一方又は他方の極性に切り替え可能に構成されることを特徴とする、内燃機関の点火装置。

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