(57)【要約】【課題】ブレイク電圧を低下させることにより、安定した点火と耐久性に優れたプラズマ点火装置を提供する。【解決手段】内燃機関６に装着され、絶縁体１２を介して配設した中心電極１１と接地電極１３０とを具備し、絶縁体１２内部に中心電極放電部１１０と接地電極１３０とを対向せしめた放電空間１４０を区画し、放電空間１４０を燃焼室６００に開口せしめた点火プラグ１０と、高エネルギ電源とを具備し、高エネルギ電源から高電圧の印加と大電流の供給とによって放電空間１４０内の気体を高温・高圧のプラズマ状態にして燃焼室６００内に噴射して内燃機関６の点火を行うプラズマ点火装置１であって、点火プラグ１０は、放電空間１４０を区画した絶縁体１２の放電空間形成部１２０の外周を覆いつつ接地電極１３０に連なるように形成せしめた略筒状の側面電極１３２と側面電極１３２の一部を切り欠いて形成せしめた側面電極空隙部１５０とを具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に装着され、絶縁体を介して配設した中心電極と接地電極とを含み、上記絶縁体内部に上記中心電極と上記接地電極とを対向せしめた放電空間を区画し、該放電空間を上記内燃機関の燃焼室に開口せしめた点火プラグと、
高エネルギ電源とを具備し、
上記点火プラグに上記高エネルギ電源から高電圧の印加と大電流の供給とを行って上記放電空間内の気体を高温・高圧のプラズマ状態にして上記燃焼室内に噴射して上記内燃機関の点火を行うプラズマ点火装置であって、
上記点火プラグは、
上記放電空間を区画した上記絶縁体の放電空間形成部の外周を覆いつつ、上記接地電極に連なるように形成せしめた略筒状の側面電極と、
該側面電極の一部を切り欠いて形成せしめた側面電極空隙部とを具備することを特徴とするプラズマ点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、難着火性の内燃機関においても優れた着火性を示すプラズマ点火装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
希薄燃焼機関等の難着火性内燃機関の点火に用いられる着火性に優れた点火装置として、点火プラグの内側に区画した放電空間内に高電圧電源から高電圧の印加と大電流の供給とを行って該放電空間内の気体を高温、高圧のプラズマ状態にして機関燃焼室内に噴射して混合気の点火を行うプラズマ点火装置について種々提案されている（例えば特許文献１、特許文献２等参照）。
【特許文献１】特開平６−６８９５２号公報
【特許文献２】特開２００６−２９４２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、近年、燃費向上のため過給器による混合気の高過給化が図られており、高過給化に伴い圧縮混合気の絶縁耐圧が上昇し、プラズマ点火装置のプレイク電圧が高くなる傾向にある。このため、電源容量の増大、配線容量の増大、絶縁性確保のために点火プラグの大型化する等、プラズマ点火装置全体の体格増加を招くが虞がある。
さらに、従来のプラズマ点火装置では、中心電極と接地電極との間に高電圧を印加したときに、必ずしも中心電極と接地電極との最短距離の放電経路が形成されるとは限らず、放電空間を形成する絶縁体の内周壁を這うように放電経路が形成される沿面放電の場合には、ブレイク電圧が低くなり、放電空間の中程に放電径路が形成される気中放電の場合には、ブレイク電圧が高くなる。沿面放電が起こるか気中放電が起こるかは確率的な現象であり、絶縁破壊を起こすブレイク電圧にバラツキが生じ、点火が不安定になることが判明した。このため、従来のプラズマ点火装置では、確実な点火を実施すべく、印加電圧を高めに設定する必要があり、エネルギが無駄となる虞がある。加えて、残留電流により点火プラグの電極消耗が促進され、耐久性の低下を招く虞もある。
【０００４】
そこで、本願発明は、かかる実情に鑑み、内燃機関の点火を行う点火装置において、ブレイク電圧を低下させることにより、安定した点火を実現すると共に、耐久性に優れたプラズマ点火装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明では、内燃機関に装着され、絶縁体を介して配設した中心電極と接地電極と含み、上記絶縁体内部に上記中心電極と上記接地電極とを対向せしめた放電空間を区画し、該放電空間を上記内燃機関の燃焼室に開口せしめた点火プラグと高エネルギ電源とを具備し、上記点火プラグに上記高エネルギ電源から高電圧の印加と大電流の供給とを行って上記放電空間内の気体を高温・高圧のプラズマ状態にして上記燃焼室内に噴射して上記内燃機関の点火を行うプラズマ点火装置であって、上記点火プラグは、上記放電空間を区画した上記絶縁体の放電空間形成部の外周を覆いつつ、上記接地電極に連なるように形成せしめた略筒状の側面電極と、該側面電極の一部を切り欠いて形成せしめた側面電極空隙部とを具備する。
【０００６】
請求項１の発明によれば、上記高エネルギ電源から高電圧が印加されたときに上記中心電極の放電部と上記側面電極との間に形成される電界に、電束密度の高い部位と電束密度の低い部位とを生じさせ、電束密度の高い部位で集中的に放電を行うことにより、放電経路を側面電極側に引き寄せることができる。これにより、絶縁体内周壁を這うように放電経路を形成する沿面放電を確実に行うことが可能となる。したがって、放電空間の絶縁を破壊するのに必要なブレイク電圧を抑制すると共にそのバラツキを少なくし、安定した点火を行うことができる。また、ブレイク電圧の低減により、電極の消耗を抑制し、耐久性の高いプラズマ点火装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１の実施形態におけるプラズマ点火装置１並びに本発明の要部である点火プラグ１０について、図１を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態におけるプラズマ点火装置１は、図略の内燃機関６０に装着された点火プラグ１０と点火プラグ１０に高電圧の印加と大電流の供給とを行う高エネルギ電源とによって構成されている。
なお、図１（ａ）において中心線の左側は側面図を表し、右側は断面図を表す。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡ−Ａに沿った矢視断面図である。
【０００８】
点火プラグ１０は、略長軸状に形成した中心電極１１と中心電極１１を覆う略筒状に形成した絶縁体１２と絶縁体１２を覆う略筒状に形成したハウジング１３とハウジング１３に延設して略環状に形成された接地電極１３０と、ハウジング１３と接地電極１３０との間を繋ぐ略筒状の側面電極１３２と、側面電極１３２の一部を切り欠いた側面電極空隙部１５０とによって構成されている。
【０００９】
中心電極１１は、先端側に中心電極放電部１１０が形成され、基端側に外部の高エネルギ電源に接続される中心電極端子部１１２が形成され、中心電極放電部１１０と中心電極端子部１１２とは中心電極中軸１１を介して、一体に接続されている。
中心電極放電部１１０は、例えばイリジウム、イリジウム合金等の貴金属を含む耐熱性の高い導電性材料によって形成されている。
中心電極中軸１１１は、耐食性に優れたニッケル合金等によって形成され、内部に銅等の良電導性で高熱伝導性の金属材料が封入されている。
中心電極端子部１１２は、鉄、アルミニウム等の良電導性の金属材料によって形成されている。
【００１０】
絶縁体１２は、機械的強度、耐熱性、熱伝導性、高温時の絶縁耐力に優れた高純度のアルミナ等の絶縁性セラミックスを用いて中心電極１１を覆うように略筒状に形成されている。絶縁体１２の先端側には、中心電極放電部１１０の下端面よりも下方に延びる略筒状の放電空間形成部１２０が形成されている。放電空間形成部１２０の内側には、中心電極放電部１１０の下端面と接地電極開口部１３１とによって、放電空間１４０が区画され、中心電極放電部１１０と接地電極１３０との間で放電可能となっている。
絶縁体１２の中腹には、径大となる絶縁体係止部１２１が形成され、絶縁体係止部１２１を覆うように略筒状のハウジング１３によって固定されている。  ハウジング１３から露出する基端側には、コルゲート状の絶縁体頭部１２２が形成され、絶縁体頭部１２２から露出する中心電極端子部１１２とハウジング１３との間で絶縁リークを生じないようになっている。
【００１１】
接地電極１３０は、放電空間形成部１２０の下端面を覆いつつ、放電空間形成部１２０の下端開口に連通する接地電極開口部１３１を有する略環状に形成されている。
接地電極１３０の基端側に連なって、放電空間形成部１２０の外周を覆うように略筒状の側面電極１３２が形成されている。
さらに、本発明の要部である側面電極１３２には、側面電極１３２の一部を切り欠いた側面電極空隙部１５０が複数箇所に形成されている。
なお、本実施形態においては、側面電極１３２が６カ所に配設されるように側面電極空隙部１５０が穿設されている例を示した。
また、側面電極１３２の基端側に連なって絶縁体係止部１２１を覆うようにハウジング１３が形成され、さらにハウジング１３の先端側外周には、内燃機関６０に螺結するためのネジ部１３３が形成され、ハウジング１３の基端側外周には、ネジ部１３３をネジ締めするための六角部１３４が形成され、さらに、ハウジング１３に基端側端面には、絶縁体係止部１２１を加締め固定する加締め部１３５が形成されている。
接地電極１３０と側面電極１３２とハウジング１３とは、ニッケル、ニッケル合金、鉄等の金属材料によって形成されている。
【００１２】
本発明は、例えば自動車用エンジン等の内燃機関６の点火に用いられる。内燃機関６は、シリンダヘッド６０と略筒状のシリンダとシリンダ内を昇降可能なピストンの頂面とによって燃焼室６００が区画され、燃焼室６００内の圧縮空気と燃料との混合気を燃焼爆発させることによって、燃焼室６００内の圧力が上昇し、ピストンを押し下げることによって動力を得る。
シリンダヘッド６０には、圧縮空気を燃焼室６００内に導入する吸気筒と、吸気筒を開閉する吸気バルブと、混合気の燃焼爆発によって発生した燃焼破棄を排出する排気筒と、排気筒を開閉する排気バルブと、燃料を燃焼室６００内に噴射する燃料噴射弁等が設けられている。
シリンダヘッド６０に設けられたプラグホールには、点火プラグ１０が、接地電極開口部１３１を燃焼室６００内に開口して、ネジ部１３３によって螺結されている。接地電極１３０は、ネジ部１３３を介してシリンダヘッド６０と接地状態となっている。
なお、本実施形態において、放電空間形成部１２０、側面電極１３２、接地電極１３０は、燃焼室６００内に突出する位置に配設してある。
このような構成とすることにより、シリンダヘッド６０と中心電極放電部１１０との間に形成される電界の影響を少なくし、側面電極１３２の形成された範囲で確実に沿面放電を行うことができる。
【００１３】
図２を参照して本発明の第１の実施形態における点火装置１に適用される高エネルギ電源について説明する。
図２は、高エネルギ電源として、放電空間１４０内の絶縁を破壊すべく中心電極１１と接地電極１３０との間に高電圧の印加を行うブレイク放電用回路２０とプラズマを発生すべく大電流を供給するプラズマエネルギ供給回路３０とを用いた例を示す等価回路図である。なお、本発明において、高エネルギ電源は、本実施形態に限定するものではなく、高電圧の印加と大電流の供給とを行う電源である限りにおいて適宜変更し得るものである。
【００１４】
ブレイク放電用回路２０は、電源４０に接続され、イグニションスイッチ２２と昇圧回路２２と、整流素子２３と放電ノイズ低減用抵抗２４と、昇圧回路２２を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）５０とによって構成されている。
昇圧回路２２には、例えば点火コイル２２０と点火コイルを駆動する点火コイル駆動回路（イグナイタ）２２１とによって構成することができる。
点火コイル駆動回路２２１は、ＥＣＵ５０によって開閉制御されるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子を含み、電源４０からの電圧を点火コイル２２０によって昇圧した高電圧の点火プラグ１０への供給を制御している。
ブレイク放電用回路２０においては、イグニションスイッチ２２を閉じると、電源４０から低圧の一次電圧が点火コイル２２０の一次コイルに印加され、一次コイルに磁化エネルギが蓄えられる。内燃機関６０の運転状態に応じて、ＥＣＵ５０からの指令に従って、点火コイル駆動回路２２１が開閉制御される。
ＥＣＵ５０からの点火信号に従って、点火コイル駆動回路２２１のスイッチングにより一次コイルの一次電流が遮断されると、点火コイル２２０の磁界が変化し、一次コイルに−数百Ｖの一次電圧が生じ、さらに自己誘導によって、二次コイルに数〜数十ｋＶの二次電圧が生じ、点火プラグ１０に印加される。
【００１５】
一方、プラズマエネルギ供給回路３０は、電源４１に接続され、抵抗３１と、エネルギ蓄積手段３２と、整流素子３３とによって構成されている。エネルギ蓄積手段３２は、例えばコンデンサなどを用いることができる。エネルギ蓄積手段３２には、電源４１から供給された電気エネルギが蓄積されている。
なお、エネルギ蓄積手段３２として、コンデンサを点火プラグ１０に対して複数並列に設けても良いし、コンデンサとチョークコイルとを直列に接続したものを点火プラグ１０に対して複数並列に接続し、エネルギ蓄積手段３１に蓄えられた電気エネルギを複数回に分けて放出する構成としたものを用いても良い。
【００１６】
点火プラグ１０に印加された高電圧が放電空間１４０の絶縁耐圧を超えると、放電空間１４０の絶縁が破壊され、中心電極放電部１１０と接地電極１３０との間でブレイク放電が起こる。このとき、エネルギ蓄積手段３２に蓄えられた電気エネルギが大電流となって放出され、放電空間１４０内の気体が電離され、高温・高圧のプラズマ状態となって燃焼室６００内に噴射され、燃焼室６００内の混合気が点火される。
【００１７】
本発明の作動原理について、図３を参照して説明する。なお、図３は、高エネルギ電源から高電圧を印加したときの電界Ｅの発生状況を模式的に示し、本図（ａ）は、点火プラグ１０の軸心に対して直交する横断面図であり、本図（ｂ）は、本図（ａ）中Ｂ−Ｂに沿った縦断面図である。
ブレイク放電用電源回路２０から点火プラグ１０に高電圧が印加されると、図３に示すように、中心電極放電部１１０と側面電極１３２並びに接地電極１３０との間で放電空間形成部１２０を貫通するように電界Ｅが形成される。
このとき、中心電極放電部１１０と側面電極１３２との間の電束密度が高くなり、側面電極１３２の一部が切り欠かれた側面電極空隙部１５０においては、中心電極１１０に対向する側面電極が存在しないので、電束密度の低い部分が形成される。
また、側面電極１３２の角部Ｃ１３２においては、電界集中が起こり、中心電極放電部１１０と側面電極１３２の角部Ｃ１３２との間の電束密度が特に高くなる。
このため、放電空間１４０内において放電空間形成部１２０の外側に側面電極１３２の存在する電束密度の高い部分でブレイク放電が起こる。
このとき、ブレイク放電の放電経路は、側面電極１３２側に引き寄せられて、放電空間形成部１２０の内周壁に沿うような沿面放電となる。沿面放電は、気中放電に比べて低いブレイク電圧において放電可能となる。
なお、図１においては、絶縁体１２の断面には、絶縁材料であることを示すハッチングを施したが、本図において、絶縁体１２の放電空間形成部１２０が絶縁材料であることを示すハッチングは省略してある。（後述する図５においても同様である。）
【００１８】
本発明の効果について図４を参照し比較例とともに説明する。
図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態における点火装置１において、ブレイク電圧ＶＢＲＫ（ｋＶ）を１００サイクル測定した試験結果を実施例として示すヒストグラムである。本図（ｂ）は、側面電極に空隙部が設けられていない従来のプラズマ点火装置において、ブレイク電圧ＶＢＲＫ（ｋＶ）を１００サイクル測定した試験結果を比較例として示すヒストグラムである。
なお、本試験は、内燃機関を模した筒に点火プラグを装着し、筒内に乾燥空気を充填し、１０気圧（室温）の圧力を保った状態で、点火プラグに高電圧を印加してブレイク放電が発生したときのブレイク電圧ＶＢＲＫ（ｋＶ）を測定した。
図４に示すように、本発明によれば、従来に比べ放電空間の絶縁破壊に必要な要求電圧の平均値で４ｋＶ程度低くなることが確認された。さらに、従来に比べバラツキも遙かに小さくなり、極めて安定した点火を実現できると期待される。
実施例においては、常に沿面放電が確実に行われるために、ブレイク電圧が低くなり、バラツキも小さくなったものと推察される。
一方、比較例においては、沿面放電と気中放電とが不規則に発生するため、ブレイク電圧が低い場合と高い場合とが混在し、相対的にブレイク電圧が上昇し、バラツキも大きくなったものと推察される。
【００１９】
図５を参照して本発明の第２の実施形態における点火プラグ１０ａについて説明する。なお、本実施形態において上記実施形態と共通する点については、同一の符号を付したので説明を省略し、本実施形態の特徴的な部分についてのみ説明する。
第１の実施形態においては、側面電極１３２において側面電極空隙部１５０の有無による放電空間形成部１２０内に形成される電界Ｅの密度差を大きくして、側面電極１３２側に放電経路を引き寄せて沿面放電として放電電圧を低減し安定化する本発明の効果を最大限に引き出すべく、電空間形成部１２０、側面電極１３２、接地電極１３０は、燃焼室６００内に突出する位置に配設したが、本実施形態においては、点火プラグ１０ａの側面電極１３２及び接地電極１３０ａが燃焼室６００内に突出しておらず燃焼室６００内に発生する気流に影響を与えない構成とした点が上記実施形態と相異している。
図５に示すように、このような構成とすることにより、中心電極放電部１１０ａと側面電極１３２ａ並びに接地電極１３０ａとの間に強い電界Ｅ１が生じるのに加え、中心電極放電部１１０ａとシリンダヘッド６０ａとの間にも弱い電界Ｅ２が発生する。中心電極放電部１１０ａとシリンダヘッド６０ａとの間の電界Ｅ２は、側面電極空隙部１５０の有無に関わらず、均一の電束密度で発生するため、本発明の効果を低減させる虞がある。
しかし、中心電極放電部１１０ａと側面電極１３２ａ並びに接地電極１３０ａとの電界Ｅ１は、側面電極空隙部１５０の有無によって、偏りが生じているので、上記実施形態と同様に、相対的には電束密度の高い、側面電極１３２ａ側に放電経路が引き寄せられることになる。したがって、本実施形態においても、安定したブレイク電圧で放電が実施されることとなる。
【００２０】
図６を参照して、本発明の第３の実施消えたいにおける点火プラグ１０ｂについて説明する。上記実施形態においては、接地電極開口部１３１を放電空間形成部１２０の開口に練通するように形成したが、本実施形態においては、接地電極開口部１３１ｂを放電空間形成部１２０の開口径よりも大きく形成した点が相異する。このような構成とすることにより、図６に示すように、放電経路が放電空間形成部１２０の下端面において、外周方向に引き寄せられるので、ブレイク放電をさらに確実に沿面放電によって発生させることができる。
【００２１】
図７を参照して、本発明の第１の実施形態における点火プラグの他の変形例１０ｃから１０ｆについて説明する。なお、（ａ）から（ｄ）は側面図と縦断面図を示し、（ｅ）から（ｈ）は横断面図を示す。
点火プラグ１０ｃでは、本図（ａ）、（ｅ）に示すように、側面電極１３２ｃが３カ所に配設されるように側面電極空隙部１５０ｃが穿設されている。
点火プラグ１０ｄでは、本図（ｂ）、（ｆ）に示すように、側面電極１３２ｄが４カ所に配設されるように側面電極空隙部１５０ｄが穿設されている。
点火プラグ１０ｅでは、本図（ｃ）、（ｇ）に示すように、側面電極１３２ｅが５所に配設されるように側面電極空隙部１５０ｅが穿設されている。
点火プラグ１０ｆでは、本図（ｄ）、（ｈ）に示すように、側面電極１３２ｆが８所に配設されるように側面電極空隙部１５０ｆが穿設されている。
上記いずれの実施形態においても、本発明の第１の実施形態と同様の効果が期待できる。また、これらの変形は、本発明の第２の実施形態、第３の実施形態にも適用し得るものである。
【００２２】
また、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、プラズマ点火装置において側面電極に空隙部を設けて沿面放電を確実に行う本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態においては、放電用電源回路とプラズマ発生用電源回路とに対して異なる電源から電力供給しているが、Ｄｃ−Ｄｃコンバータ等を介装して、ひとつの電源を用いる構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態における点火装置の概要を示し、本図（ａ）の中心線の左側は側面図、右側は縦断面図、本図（ｂ）は、本図（ａ）中Ａ−Ａに沿った横断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態における点火装置に適用し得る高エネルギ電源の具体例を示す等価回路図。
【図３】本発明の作動原理にかかり、放電時における要部の状態を模式的に示す説明図であり、本図（ａ）は、横断面図、本図（ｂ）は、本図（ａ）中Ｂ−Ｂに沿った縦断面図。
【図４】本発明の効果を比較例とともに示し、本図（ａ）は本発明の第１の実施形態における点火装置を用いた場合の実施例を示す特性図、本図（ｂ）は、従来のプラズマ点火装置を用いた場合の比較例を示す特性図。
【図５】本発明の第２の実施形態における点火プラグの要部を示す縦断面図。
【図６】本発明の第３の実施形態における点火プラグの要部を示す縦断面図。
【図７】本発明の第１の実施形態における点火プラグの他の変形例を示し、（ａ）から（ｄ）は、側面図と縦断面図、（ｅ）から（ｈ）は、横断面図。
【符号の説明】
【００２４】
１０  点火プラグ
１１  中心電極
１２  絶縁体
１３  ハウジング
１３０  接地電極
１３１  接地電極開口部
１３２  側面電極
１４０  放電空間
１５０  側面電極空隙部
６  内燃機関
６００  燃焼室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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