(57)【要約】      （修正有）【課題】従来に比較して、噴孔から噴射されるプラズマジェットの表面積を増大させて混合気の着火性を向上させることができるプラズマ点火装置を提供する。【解決手段】噴孔から噴射されるプラズマジェットＰに噴射方向中心軸線Ｃに対して放射状にローレンツ力を作用させるのに必要な磁場を発生させるコイル６を具備する。前記ローレンツ力の大きさは、点火時期が設定時期より遅角側である時には、点火時期が前記設定時期以前の進角側である時に比較して大きくされることを特徴とする。【選択図】図１
2010185317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴孔から噴射されるプラズマジェットに噴射方向中心軸線に対して放射状にローレンツ力を作用させるのに必要な磁場を発生させるコイルを具備することを特徴とするプラズマ点火装置。
【請求項２】
前記プラズマ点火装置はピストン頂面へ向けてプラズマジェットを噴射するものであり、前記ローレンツ力の大きさは、点火時期が設定時期より遅角側である時には、点火時期が前記設定時期以前の進角側である時に比較して大きくされることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、点火装置により気筒内全体の均質混合気又は気筒内の一部に存在する混合気を確実に着火させなければならない。しかしながら、点火ギャップに火花を発生させる一般的な点火装置は、混合気の一点を着火させるものであり、それほど高い着火性を有してはいない。
【０００３】
着火性に優れた点火装置として、プラズマジェットを噴射するプラズマ点火装置が提案されている。プラズマ点火装置は、絶縁体側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された中心電極と、チャンバの他端側に配置された接地電極とを具備し、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して発生させた放電によってチャンバ内のガスをプラズマ化させ、こうしてチャンバ内の高温高圧のプラズマをプラズマジェットとしてチャンバと気筒内とを連通する噴孔から噴射するものであり、噴射直後の比較的大きな表面積を有する略円筒状のプラズマジェットと接触する部分において混合気を同時に着火させることとなるために、高い着火性を実現することができる。
【０００４】
ところで、円筒形状のチャンバをプラズマ点火装置の軸線方向に延在させ、チャンバの基端側に中心電極を配置し、チャンバの先端側に接地電極を配置し、接地電極にチャンバの内径と同じ内径を有する噴孔を形成すると共に、チャンバ側壁に螺旋溝を形成し、噴孔から噴射されるプラズマジェットの周囲部がチャンバ側壁の螺旋溝によって軸線回りに、すなわち、噴射方向中心軸線回りに旋回するようにして、ジャイロ効果によりプラズマジェットの噴射方向を安定させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１８４９６４
【特許文献２】特開平０９−３１７６２１
【特許文献３】特開２００８−１７７１４２
【特許文献４】特開２００８−１８６７４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のプラズマ点火装置によれば、噴孔から噴射されるプラズマジェットは、周囲部の旋回によって略円錐形状に広がる。しかしながら、こうして略円錐形状に広がるプラズマジェットは、チャンバ側壁の螺旋溝がプラズマジェットの噴出に際して抵抗となってプラズマジェットの噴出エネルギを減少させるために、噴射直後のプラズマジェットの到達距離（すなわち、略円錐形状のプラズマジェットの母線長）が短くなり、噴射直後の略円錐形状のプラズマジェットの表面積は従来の略円筒形状のプラズマジェットからそれほど増大せず、ジャイロ効果により噴射方向を安定させることはできても従来のプラズマ点火装置に比較して混合気の着火性を向上させることはできない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、従来に比較して、噴孔から噴射されるプラズマジェットの表面積を増大させて混合気の着火性を向上させることができるプラズマ点火装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置は、噴孔から噴射されるプラズマジェットに噴射方向中心軸線に対して放射状にローレンツ力を作用させるのに必要な磁場を発生させるコイルを具備することを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置は、請求項１に記載のプラズマ点火装置において、前記プラズマ点火装置はピストン頂面へ向けてプラズマジェットを噴射するものであり、前記ローレンツ力の大きさは、点火時期が設定時期より遅角側である時には、点火時期が前記設定時期以前の進角側である時に比較して大きくされることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置によれば、噴孔から噴射されるプラズマジェットに噴射方向中心軸線に対して放射状にローレンツ力を作用させるのに必要な磁場を発生させるコイルを具備するために、プラズマジェットはローレンツ力によって円錐形状に広げられ、その際に噴出エネルギを減少させられることがないために、噴射直後のプラズマジェットの到達距離が短くならず、噴射直後のプラズマジェットの表面積を十分に増大させ、従来のプラズマ点火装置に比較して混合気の着火性を向上させることができる。
【００１１】
本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置によれば、請求項１に記載のプラズマ点火装置において、前記プラズマ点火装置はピストン頂面へ向けてプラズマジェットを噴射するものであり、プラズマジェットに作用するローレンツ力の大きさは、点火時期が設定時期より遅角側である時には、点火時期が前記設定時期以前の進角側である時に比較して大きくされるようになっている。それにより、点火時期が設定時期より遅角側である時には、プラズマジェットの円錐形状の頂角が大きくされ、プラズマジェットの先端部がピストンへ到達して冷却されることにより混合気の着火に寄与しなくなることを抑制することができる。このように、プラズマジェットに作用するローレンツ力の大きさを制御することにより、着火性を向上させるために表面積を増大させたプラズマジェットの円錐形状を所望形状に容易に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるプラズマ点火装置の実施形態を示す概略縦断面図である。
【図２】図１のプラズマ点火装置のＡ−Ａ断面図である。
【図３】本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の進角側点火時期を示す概略断面図である。
【図４】図３の内燃機関の遅角側点火時期を示す概略断面図である。
【図５】本発明によるプラズマ点火装置を備えるもう一つの内燃機関の進角側点火時期を示す概略断面図である。
【図６】図５の内燃機関の遅角側点火時期を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明によるプラズマ点火装置の実施形態を示す概略縦断面図である。同図において、１は点火装置の軸線方向に延在するように絶縁体２の側壁により形成されてプラズマを生成する円筒状のチャンバであり、３はチャンバ１の基端側に配置された中心電極であり、４はチャンバ１の先端側に位置してハウジングと一体の接地電極である。もちろん、接地電極４はハウジングと別部材としてハウジングに電気的及び機械的に一体化するようにしても良い。５はチャンバ１と気筒内とを連通する噴孔であり、本実施形態においては、チャンバ１と同一径を有して接地電極４に形成され、外側において面取りされている。
【００１４】
中心電極３及び接地電極４は、耐熱性と高い導電性とを有する金属、例えば、ステンレス等の鉄系金属、ニッケル系金属、又は、イリジウム系金属又はイリジウム合金とすることができる。中心電極３に対して接地電極４を絶縁するための絶縁体２の材質は、セラミックス（例えばアルミナセラミックス）とすることが好ましい。
【００１５】
チャンバ１内のガスをプラズマ化させるには、先ずは、中心電極３と接地電極４との間に高電圧を印加し、絶縁体２の側壁内面上に沿面放電Ｓ１を発生させる。こうして、チャンバ１内の沿面放電近傍のガス（混合気）がプラズマ化されてイオン及び電子が生成されると、プラズマ化されたガスを通って比較的低い電圧での気中放電が可能となり、次いで、この気中放電Ｓ２を発生させる。
【００１６】
こうして、気中放電Ｓ２によってチャンバ１内のガスの大部分がプラズマ化されると、チャンバ１内のガスは高温高圧となってプラズマジェットとして噴孔５から噴射され、気筒内の混合気を着火させる。もちろん、このように沿面放電及び気中放電を併用してチャンバ１内をプラズマ化させるのではなく、沿面放電又は気中放電だけによりチャンバ１内のガスをプラズマ化させるようにしても良い。
【００１７】
一般的には、プラズマジェットは、噴孔５の直径とほぼ等しい略円筒形状として噴孔５から噴射され、この略円筒形状のプラズマジェットに接触する部分において混合気を同時に着火させる。それにより、噴射直後のプラズマジェットの表面積を大きくすれば、混合気の着火性を向上させることができる。
【００１８】
本実施形態のプラズマ点火装置は、チャンバ１回りの絶縁体２の側壁内には、複数のコイル６が周方向に等間隔で放射状に配置されており、放電によってチャンバ１内にプラズマを発生させている間の各コイル６への同一方向の通電によって、図２に点線で示すように平面視において時計方向に各コイル６内を通る磁場Ｂが形成され、この磁場Ｂによって、チャンバ１内に発生させたプラズマには、図２に矢印で示すようなチャンバ１の中心軸線Ｃに対して放射状のローレンツ力が作用するようになっている。
【００１９】
本プラズマ点火装置において、チャンバ１の中心軸線は、噴孔５から噴射されるプラズマジェットの噴射方向中心軸線Ｃに一致しており、それにより、プラズマジェットＰはローレンツ力によって円錐形状に広げられ、その際に噴出エネルギを減少させられることはないために、噴射直後のプラズマジェットＰの到達距離が短くなることはなく（すなわち、プラズマジェットにおいて、ローレンツ力によって広げられる前の円柱形状の母線長と、ローレンツ力によって広げられた後の円錐形状の母線長とはほぼ等しい）、噴射直後のプラズマジェットＰの表面積を十分に増大させて混合気の着火性を向上させることができる。
【００２０】
この効果を得るのに、本プラズマ点火装置は、気筒内に任意に配置されて良く、プラズマの噴射方向も任意に設定可能である。また、本実施形態のプラズマ点火装置において、噴孔５から噴射されるプラズマジェットＰに噴射方向中心軸線Ｃに対して放射状にローレンツ力を作用させるのに必要な磁場Ｂを発生させるコイル６は、複数に分割されているが、もちろん、一体的なトリイダルコイルとしても良い。
【００２１】
図３及び４は、本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関を示す概略断面図である。これらの図において、１０は図１及び２に示すプラズマ点火装置である。１１は一対の排気弁１２を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートであり、１３は一対の吸気弁１４を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートである。１５は気筒上部周囲において二つの吸気ポート１３の間に配置された燃料噴射弁である。１６はピストンである。
【００２２】
本内燃機関は、燃料噴射弁１５により吸気行程において燃料を噴射し、圧縮行程後半までに気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を着火燃焼させる均質燃焼を実施するものである。本内燃機関において、プラズマ点火装置１０は、気筒上部略中心に配置されて、ピストン１６の頂面略中央へ向けてプラズマを噴射するようになっている。それにより、プラズマジェットによって均質混合気の中央部を同時に着火させて放射状に燃焼させることができ、燃焼速度の速い良好な均質燃焼を実現することができる。
【００２３】
図３は、圧縮行程の点火時期が設定時期（設定クランク角度）以前の進角側である時にプラズマ点火装置１０からプラズマジェットＰ１が噴射されている状態を示している。この時において、沿面放電又は気中放電によりチャンバ１内にプラズマを発生させている間の各コイル６への通電電流を設定値以下とし、発生させる磁場Ｂを比較的弱くしてチャンバ１内のプラズマに噴射方向中心軸線に対して放射状に作用するローレンツ力を比較的小さくする。それにより、噴孔５から噴射される円錐形状のプラズマジェットＰ１の頂角は比較的小さくなるが、略円筒形状の従来に比較すれば表面積は大きくなって着火性を向上させることができる。
【００２４】
また、本内燃機関のようにピストン頂面に向けてプラズマジェットが噴射される場合において、プラズマジェットＰ１を円錐形状とすることにより、同じ母線長（同じ到達距離）を有する円筒形状のプラズマジェットに比較して、噴射直後において先端部がピストン頂面に到達し難くなり、それにより先端部がピストン頂面に衝突して冷却されることにより先端部が混合気の着火に寄与しなくなることを抑制することができ、また、噴孔径とほぼ等しい円筒形状のプラズマジェットに比較して、均質混合気の中央部を広範囲に同時着火させることができるために、その後の放射状の燃焼が早期に完了し、燃焼速度を速めることができる。
【００２５】
図４は、圧縮行程の点火時期が設定時期より遅角側である時にプラズマ点火装置１０からプラズマジェットＰ２が噴射されている状態を示している。この時において、沿面放電又は気中放電によりチャンバ１内にプラズマを発生させている間の各コイル６への通電電流を設定値より大きくし、発生させる磁場Ｂを比較的強くしてチャンバ１内のプラズマに噴射方向中心軸線に対して放射状に作用するローレンツ力を比較的大きくする。それにより、噴孔５から噴射される円錐形状のプラズマジェットＰ２の頂角は図３に示す場合に比較して大きくなる。
【００２６】
それにより、点火時期の遅角によって、点火時期のピストン位置は、図３に示す場合に比較してシリンダヘッドに近くなり、同じ母線長（同じ到達距離）を有する図３に示す円錐形状のプラズマジェットＰ１では、先端部がピストン頂面に到達して冷却されることにより先端部が混合気の着火に寄与しなくなるが、プラズマジェットＰ２の円錐形状の頂角を大きくすることにより、これを抑制することができ、さらに広範囲の中央部を同時に着火させて均質混合気を放射状に良好に燃焼させることができる。
【００２７】
このように、プラズマジェットに作用するローレンツ力の大きさを制御することにより、着火性を向上させるために表面積を増大させたプラズマジェットの円錐形状を所望形状に容易に変化させることができる。本内燃機関において、ローレンツ力の大きさは、点火時期が遅角されるほど大きくするようにしても良い。
【００２８】
図５及び６は、本発明によるプラズマ点火装置を備えるもう一つの内燃機関を示す概略断面図である。これらの図において、１０’は図１及び２に示すプラズマ点火装置である。１１は一対の排気弁１２を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートであり、１３は一対の吸気弁１４を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートである。１５’は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁である。１６’はピストンである。
【００２９】
本内燃機関は、機関高負荷時において、燃料噴射弁１５’により吸気行程において燃料を噴射し、圧縮行程後半までに気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を着火燃焼させる均質燃焼を実施する。一方、機関低負荷時においては、燃料噴射弁１５’により圧縮行程において燃料を噴射して、気筒内の一部に成層混合気を形成し、この成層混合気を着火燃焼させる成層燃焼を実施する。燃料噴射弁１５’は、中空円錐形状に燃料を噴射するものであり、このように噴射される燃料は、圧縮行程の高圧の吸気との摩擦によって良好に気化し、ピストン頂面に到達することなく気筒内の一部に成層混合気を形成することができる。
【００３０】
本実施形態において、プラズマ点火装置１０’は燃料噴射弁１５’近傍の吸気ポート側に配置されており、ピストン１６’の頂面中央へ向けてプラズマを噴射するようになっている。それにより、均質燃焼時には、図３及び４の内燃機関と同様なプラズマジェットの円錐形状の制御により図３及び４の内燃機関と同様な効果を得ることができる。
【００３１】
図５は、成層燃焼時の圧縮行程の点火時期が設定時期（設定クランク角度）以前の進角側である時にプラズマ点火装置１０’からプラズマジェットＰ１’が噴射されている状態を示している。この時において、沿面放電又は気中放電によりチャンバ１内にプラズマを発生させている間の各コイル６への通電電流を設定値以下とし、発生させる磁場Ｂを比較的弱くしてチャンバ１内のプラズマに噴射方向中心軸線に対して放射状に作用するローレンツ力を比較的小さくする。それにより、噴孔５から噴射される円錐形状のプラズマジェットＰ１’の頂角は比較的小さくなり、プラズマジェットＰ１’が噴射された点火時期において、円錐形状のプラズマジェットＰ１’の先端部は、進角側の点火時期におけるピストン頂面の直前とすることができる。
【００３２】
成層燃焼時において点火時期が設定時期以前の進角側である時には、この点火時期直前から比較的多量の燃料が噴射されて、点火時期にはピストン頂面近傍を先端とする成層混合気Ｆ１が形成されており、前述の円錐形状のプラズマジェットＰ１’は、この成層混合気Ｆ１に広範囲に接触して成層混合気Ｆ１を良好に着火燃焼させることができる。
【００３３】
図６は、成層燃焼時の圧縮行程の点火時期が設定時期より遅角側である時にプラズマ点火装置１０’からプラズマジェットＰ２’が噴射されている状態を示している。この時において、沿面放電又は気中放電によりチャンバ１内にプラズマを発生させている間の各コイル６への通電電流を設定値より大きくし、発生させる磁場Ｂを比較的強くしてチャンバ１内のプラズマに噴射方向中心軸線に対して放射状に作用するローレンツ力を比較的大きくする。それにより、噴孔５から噴射される円錐形状のプラズマジェットＰ２’の頂角は図５に示す場合に比較して大きくなる。それにより、プラズマジェットＰ２’が噴射された点火時期において、円錐形状のプラズマジェットＰ２’の先端部は、遅角側の点火時期におけるピストン頂面の直前とすることができる。
【００３４】
成層燃焼時において点火時期が設定時期より遅角側である時には、この点火時期直前から比較的少量の燃料が噴射されて、点火時期にはピストン頂面近傍を先端とする成層混合気Ｆ２が形成されており、前述の円錐形状のプラズマジェットＰ２’は、この成層混合気Ｆ２に広範囲に接触して成層混合気Ｆ２を良好に着火燃焼させることができる。
【００３５】
このように、プラズマジェットに作用するローレンツ力の大きさを制御することにより、着火性を向上させるために表面積を増大させたプラズマジェットの円錐形状を所望形状に容易に変化させることができる。本内燃機関において、成層燃焼時のローレンツ力の大きさは、点火時期が遅角されるほど、すなわち、燃料噴射量が少なくなって燃料噴射時期が遅角されるほど、大きくするようにしても良い。
【符号の説明】
【００３６】
１    チャンバ
２    絶縁体
３    中心電極
４    接地電極
５    噴孔
６    コイル
【図１】
2010185317.tif 000003
【図２】
2010185317.tif 000004
【図３】
2010185317.tif 000005
【図４】
2010185317.tif 000006
【図５】
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【図６】
2010185317.tif 000008