(57)【要約】【課題】中心電極と接地電極との間の放電によりチャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ点火装置において、放電時のジュール熱による中心電極及び接地電極の消耗を十分に抑制可能とする。【解決手段】チャンバ１と、チャンバの一端側に配置された中心電極３と、チャンバの他端側に配置された接地電極４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、チャンバと気筒内とを連通する噴孔５からプラズマ化させたガスをプラズマジェットとして噴射するプラズマ点火装置において、チャンバの内壁２の少なくも一部分は二次電子放出係数が１より大きな絶縁材料から形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバと、前記チャンバの一端側に配置された中心電極と、前記チャンバの他端側に配置された接地電極とを具備し、前記中心電極と前記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前記チャンバ内のガスをプラズマ化させ、前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔からプラズマ化させたガスをプラズマジェットとして噴射するプラズマ点火装置において、前記チャンバの内壁の少なくも一部分は二次電子放出係数が１より大きな絶縁材料から形成されていることを特徴とするプラズマ点火装置。
【請求項２】
前記絶縁材料は酸化マグネシウムであり、酸化マグネシウムにより形成された前記チャンバの内壁の前記一部分の外側には前記チャンバ内の輻射熱を前記チャンバ内へ反射する反射部材が設けられてい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】
このようなプラズマ点火装置において、中心電極及び接地電極は、チャンバ内にプラズマを発生させるための放電時のジュール熱によって容易に消耗する。それにより、電極間の放電距離が長くなり放電に必要な電圧が高くなってしまう。このような電極の消耗を抑制するために接地電極の表面を高融点材料とす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２００６−２９２５２４
【特許文献２】特開２００８−２１８２４９
【特許文献３】特開平９−６９３８７
【特許文献４】特開２００７−８７９３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、単に電極表面を高融点材料としただけでは、放電時のジュール熱による電極消耗を十分に抑制することはできない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、中心電極と接地電極との間の放電によりチャンバ内にプラズマを発生させるプラズマ点火装置において、放電時のジュール熱による中心電極及び接地電極の消耗を十分に抑制可能とすることである。
【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、チャンバと、前記チャンバの一端側に配置された中心電極と、前記チャンバの他端側に配置された接地電極とを具備し、前記中心電極と前記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前記チャンバ内のガスをプラズマ化させ、前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔からプラズマ化させたガスをプラズマジェットとして噴射するプラズマ点火装置において、前記チャンバの内壁の少なくも一部分は二次電子放出係数が１より大きな絶縁材料から形成されてい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、前記絶縁材料は酸化マグネシウムであり、酸化マグネシウムにより形成された前記チャンバの内壁の前記一部分の外側には前記チャンバ内の輻射熱を前記チャンバ内へ反射する反射部材が設けられてい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、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、チャンバと気筒内とを連通する噴孔からプラズマ化させたガスをプラズマジェットとして噴射するプラズマ点火装置において、チャンバの内壁の少なくも一部分は二次電子放出係数が１より大きな絶縁材料から形成されているために、放電によりプラズマ化されたガス中の電子が、チャンバの内壁のこの一部分に衝突すると、衝突数より多い電子が放出され、電子密度を高めることができるために、所望の着火性を実現するプラズマジェットを生成するためにチャンバ内へ投入されるプラズマエネルギを小さくして電極消耗の要因であるジュール熱を小さくすることができ、放電時のジュール熱による中心電極及び接地電極の消耗を十分に抑制することができる。
【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、チャンバの内壁の少なくとも一部分を形成する絶縁材料は酸化マグネシウムであり、酸化マグネシウムにより形成されたチャンバの内壁の一部分の外側にはチャンバ内の輻射熱をチャンバ内へ反射する反射部材が設けられている。それにより、酸化マグネシウムは透明であるために、そのままでは、チャンバの内壁の一部分を通してチャンバ内のプラズマの熱の一部が輻射により失われてしまうが、反射部材によりこの輻射熱はチャンバ内へ反射され、チャンバ内のプラズマのエネルギ損失を低減することができ、チャンバ内へ投入されるプラズマエネルギが増加しないようにすることができる。
【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】本発明によるプラズマ点火装置のもう一つの実施形態を示す概略縦断面図である。
【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内壁２により形成されてプラズマを生成する円柱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６に電気的及び機械的に接続された接地電極である。５はチャンバ１と気筒内とを連通するように接地電極４に形成された噴孔である。
【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。７は中心電極３の端面に導電性接着剤等により接続された導体である。８はハウジング６に対して導体７を電気的に絶縁して支持するための絶縁体であり、その材質は、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の内壁２は、絶縁材料から形成された円筒形状とされ、中心電極３と接地電極４との間の絶縁性を保証する。内壁２を形成する絶縁材料は、例えば、酸化マグネシウムＭｇＯである。内壁２は、光沢のある金属膜により形成された反射部材９が外側に配置されて絶縁体２により支持される。１０は絶縁体８とハウジング６との間の隙間をシールするための金属シール部材である。
【００１６】
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、内壁２の内面上に沿面放電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。
【００１７】
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。
【００１８】
ところで、プラズマの発生量は、放電電流Ｉと放電電圧Ｅと放電時間ｔとの積により表されるプラズマエネルギに比例する。一方、放電に際しては、放電電流Ｉの二乗と放電時の電気抵抗Ｒとの積により表されるジュール熱が発生し、中心電極３及び接地電極４を消耗させる。こうして中心電極３及び接地電極４が消耗して、中心電極３と接地電極４との間の放電距離が長くなれば、放電に必要な電圧が高くなって、放電の発生が不可能となることがある。
【００１９】
本実施形態のプラズマ点火装置においては、チャンバ１の内壁２が絶縁材料として絶縁破壊電圧の高い（約４５０ｋＶ／ｍｍ）酸化マグネシウムＭｇＯから形成されている。酸化マグネシウムＭｇＯは、誘電率も高い（１０〜１３．５）ために、内壁２の厚さを０．５ｍｍ〜１ｍｍとすることにより背後電極効果を期待することができ、沿面放電を発生させるための電圧を低減することができる。
【００２０】
また、酸化マグネシウムＭｇＯは、二次電子放出係数が１より大きな６から７であるために、プラズマ中の電子が衝突すると、衝突数の６から７倍の数の電子を放出する。それにより、沿面放電及び気中放電を併用してチャンバ１内にプラズマを発生させる場合には、沿面放電において放電電流を小さくして発生させる電子数を少なくしても、内壁２との衝突によって電子数が増大し、気中放電を容易にするための電子密度を実現することができ、また、気中放電において放電電流を小さくしても、発生させた電子は内壁２との衝突によって数が増大して電子密度を高めることができるために、所望の着火性を実現するような電子密度を有するプラズマジェットを生成することができる。こうして、沿面放電及び気中放電のいずれにおいても放電電流を小さくすることができれば、発生するジュール熱を小さくすることができ、ジュール熱による中心電極３及び接地電極４の消耗を十分に抑制することができる。
【００２１】
また、沿面放電又は気中放電だけによりチャンバ内にプラズマを発生させる場合においても、放電により発生させた電子は内壁２との衝突によって数が増大して電子密度を高めることができるために、放電電流を小さくして発生させる電子数を少なくしても、所望の着火性を実現するプラズマジェットを生成することができる。こうして、放電電流を小さくすることができれば、発生するジュール熱を小さくすることができ、ジュール熱による中心電極３及び接地電極４の消耗を十分に抑制することができる。
【００２２】
本実施形態において、チャンバ１の内壁２の全体を二次電子放出係数が１より大きな絶縁材料（例えばＭｇＯ）から形成するようにしており、それにより、放電により発生させた電子のほぼ全てがチャンバ１の内壁２に衝突して数倍の電子を放出させることができ、所望の着火性を実現するプラズマジェットを生成するのに、放電電流を十分に小さくすることができる。しかしながら、チャンバ１の内壁２の少なくとも一部分でも二次電子放出係数が１より大きな絶縁材料（例えばＭｇＯ）から形成されるようにすれば、放電により発生させた電子が衝突して電子数を増大させることができ、所望の着火性を実現するプラズマジェットを生成するのに、放電電流を確実に小さくすることができ、発生するジュール熱も確実に小さくすることができ、中心電極３及び接地電極４の消耗抑制に有利である。
【００２３】
また、チャンバ１の内壁２を形成する酸化マグネシウムＭｇＯは、透明であるために、そのままでは、チャンバ１の内壁２を通してチャンバ１内のプラズマの熱の一部が輻射により失われてしまうが、本実施形態のプラズマ点火装置によれば、チャンバ１の内壁２の外側にはチャンバ１内の輻射熱をチャンバ１内へ反射する反射部材９が設けられているために、反射部材９により輻射熱はチャンバ１内へ反射される。こうして、チャンバ１内のプラズマのエネルギ損失を低減することができ、チャンバ１内へ投入されるプラズマエネルギが増加しないようにすることができる。
【００２４】
プラズマ点火装置において、高温のプラズマジェットが通過する噴孔５の周囲部は非常に高温となり、本実施形態においては、噴孔５が形成された接地電極４が非常に高温となるために、接地電極４は中心電極３に比較して消耗し易くなっている。酸化マグネシウムＭｇＯは、熱伝達率が小さいために、噴孔５の内壁を酸化マグネシウム層で覆うことにより、噴孔内壁の酸化マグネシウム層への電子の衝突により電子数を増加させ、所望の着火性を実現するプラズマジェットを生成するのに、放電電流をさらに小さくすることができることに加えて、酸化マグネシウム層によりプラズマジェットからの伝熱が抑制され、接地電極４が非常に高温となることを防止することができる。本実施形態において、接地電極４は、中心電極３と対向するリング状の端面を有するために、噴孔５の内壁が絶縁性の酸化マグネシウムにより覆われても沿面放電及び気中放電が困難となることはない。
【００２５】
図２は本発明によるプラズマ点火装置のもう一つの実施形態を示している。図１の実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態においては、チャンバ１を形成する内壁は、導体７をハウジング６に対して電気的に絶縁して支持するための絶縁体８’と一体とされ、絶縁体８’の全体が透明な酸化マグネシウムＭｇＯから形成されている。
【００２６】
チャンバ１回りの絶縁体８’の先端部は円筒形状であり、接地電極４回りの絶縁体８’の先端面は、先細の切頭円錐面とされている。絶縁体８’の先端部の先端面及び外側側面は、光沢のある金属膜により形成された反射部材９’により覆われている。
【００２７】
このように構成された本実施形態のプラズマ点火装置は、図１のプラズマ点火装置と同様に、放電により発生させた電子がチャンバ１の内壁を形成する酸化マグネシウムＭｇＯに衝突して、衝突数の６から７倍の数の電子が放出されるために、所望の着火性を実現するような電子密度を有するプラズマジェットを生成するのに、放電電流を小さくすることができ、発生するジュール熱を小さくして中心電極３及び接地電極４の消耗を十分に抑制することができる。
【００２８】
また、チャンバ１回りの絶縁体８’の先端部は、酸化マグネシウムＭｇＯにより形成されて透明であるために、チャンバ１内のプラズマの熱の一部が輻射熱として絶縁体８’の先端部を放射状に通過するが、この輻射熱は先端部の外側側面を覆う反射部材９’によりチャンバ１内へ反射される。それにより、チャンバ１内のプラズマのエネルギ損失を低減することができ、チャンバ１内へ投入されるプラズマエネルギが増加しないようにすることができる。
【００２９】
また、このように絶縁体８’が透明であるために、点線で示すように、チャンバ１内でのプラズマ発生に際しての光を、絶縁体８’のテーパ状の先端面を覆う反射部材９’により反射させて絶縁体８’内を通して光センサ等により監視することができる。
【００３０】
また、絶縁体８’の先端面に気筒内まで延在する突出部８ａ’を形成して、反射部材９’を貫通させるようにすれば、点線で示すように、透明な突出部８ａ’及び絶縁体８’を通して、気筒内での燃焼に際しての光を光センサ等により監視することができる。
【符号の説明】
【００３１】
１    チャンバ
２    内壁
３    中心電極
４    接地電極
５    噴孔
８、８’    絶縁体
９、９’    反射部材
【図１】
2010186714.tif 000003
【図２】
2010186714.tif 000004