(57)【要約】【課題】非平衡プラズマを利用して体積点火を行う点火装置において、プレイグニションの発生を抑制しつつ、効果的にエネルギを利用して安定した着火を実現可能とする点火装置を提供する。【解決手段】印加する交流電圧の周波数を８０ｋＨｚ以上６２０ｋＨｚ以下の範囲に設定すると共に、放電空間１３０の容積Ｖ１３０を３００ｍｍ３以下に設定し、又は、放電空間長Ｌ１３０を１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下に設定し、放電空間長Ｌ１３０よりも中心誘電体１１に覆われた中心電極先端部１００の長さＬ１００が長くなり、かつ、中心誘電体底部１１０の先端から内燃機関のピストン５２の頂面までの距離ＤＧＰ２が放電ギャップＤＧＰ１より長くなるように設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（５）に設けられ、
略棒状の中心電極（１０）と、
該中心電極（１０）の少なくとも先端部（１００）を覆いつつ、基端側から上記中心電極（１０）の基端側端末に設けた端子部（１０３）を露出せしめる略有低筒状の中心誘電体（１１）と、
該中心誘電体（１１）の外周の一部を覆う略筒状のハウジング（１２）と、
該ハウジング（１２）に延設して先端側に向かって略筒状に伸び、上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）に開口せしめた接地電極（１２０、１２１）と、
上記中心誘電体（１１）の外周表面の一部と上記接地電極（１２０、１２１）の内周表面とによって区画した放電空間（１３０）とを具備し、
上記誘電体（１１）で覆われた上記中心電極（１０）と上記接地電極（１２０、１２１）との間に交流電圧を印加して、
上記放電空間（１３０）の内部に、電子温度が高く、分子温度が低い非平衡プラズマ（低温プラズマ）を発生させ、
上記放電空間（１３０）の内部において上記燃焼室（５１）の内部に導入した混合気と直接反応させて、初期火炎を生成して上記内燃機関（５）の点火を行う点火装置において、
上記交流電圧の周波数（ｆ）を８０ｋＨｚ以上、６２０ｋＨｚ以下に設定すると共に、
上記放電空間（１３０）の容積（Ｖ１３０）を３００ｍｍ３以下に設定し、
又は、
上記放電空間（１３０）を区画する上記中心誘電体（１１）の外径をφＤ１１０（ｍｍ）とし、
上記接地電極（１２０、１２１）の内径をφＤ１２０（ｍｍ）とし、
上記接地電極内径φＤ１２０と上記中心誘電体外径φＤ１１０との差の２分の１を放電ギャップＤＧＰ１（ｍｍ）とし、
上記放電空間（１３０）の長さを放電空間長Ｌ１３０（ｍｍ）としたとき、
上記放電ギャップＤＧＰ１を０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下に設定し、
上記放電空間長Ｌ１３０を１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下に設定したことを特徴とする点火装置。
【請求項２】
上記放電空間（１３０）の基端側底部（１１２）を基準として、上記中心誘電体（１１）に埋設された上記中心電極先端部（１００）の末端までの長さを中心電極先端部長Ｌ１００としたとき、該中心電極先端部長Ｌ１００を上記放電空間長Ｌ１３０よりも長く設定する請求項１に記載の点火装置。
【請求項３】
上記中心誘電体（１１）の長さを上記中心誘電体（１１）の底部（１１０）の表面から上記内燃機関（５）のピストン（５２）の頂面に至る長さを誘電体ピストン間ギャップＤＧＰ２としたとき、該誘電体ピストン間ギャップＤＧＰ２が上記放電ギャップＤＧＰ１より長くなるように設定した請求項１又は２に記載の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、難着火性の燃焼機関に装着され該燃焼機関の点火を行う点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃費向上、ＣＯ２低減を目的として、小型、高出力及び低ＮＯＸを達成する高効率エンジンの開発が進められている。高効率エンジンは高過給、高圧縮に加え混合気の燃料濃度が希薄な場合もあり、火花点火では着火しにくい環境である。
このような難着火性の内燃機関を高効率で燃焼させるには、燃焼速度が早く着火性に優れた点火装置が望まれている。
【０００３】
特許文献１には、シリンダヘッドに取り付けられる導電体の第１電極と、前記第１電極と対向する導電体の第２電極と、前記第１電極又は前記第２電極の一方の電極に形成される誘電体と、を含み、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧が印加されると、前記誘電体と他方の電極との間のバリア放電によって混合気の自着火前の筒内にラジカルを生成可能なバリア放電部を有する、ことを特徴とする内燃機関が開示されている。
特許文献１にあるような誘電体で覆われた前記第１電極と前記第２電極との間でバリア放電を行う点火装置では、前記第１電極に、高電圧高周波発生器から交流電圧が印加されると、前記第２電極と前記誘電体との間で、ストリーマが上下方向に複数発生し、そのストリーマは、前記誘電体を中心として放射状に形成され、放電室に多量のラジカルを生成することができ、放電室内において多点同時に点火を起こして体積着火を実施することができると期待されている。
【０００４】
一方、このような点火装置の高エネルギ電源として用いられる交流電圧の一周期当たりのエネルギは、図１２（ａ）に示すように、一周期当たりのエネルギ量を一定とした場合、単位時間当たりの投入エネルギ量は、電源の周波数に比例する。
さらに、図１２（ｂ）に示すように、入力エネルギＷを増加すると放電空間内に放電されるエネルギ量も増加し、一定のエネルギ密度を超えるとそれ以上入力エネルギＷを増加しても放電エネルギ量は増えるが着火性は良くならないことが判明した。
加えて、着火性が飽和する必要放電エネルギ量は、放電空間の容積が大きいほど多くなることが判明した。
これは、放電空間の容積が大きいと、放電空間内が一定のエネルギ密度に飽和するまで、それだけ長く放電が必要となるためと推察される。
【０００５】
このことから、特許文献１にあるような従来のバリア放電を利用した内燃機関では、比較的放電空間の容積が大きく形成され、放電空間の容積に比例して放電空間内に放電されるエネルギも多くなるため、それだけ多く体積着火を発生するため着火性向上に有利に働くと考えられていた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、本発明者等の鋭意試験により、放電空間の容積が大きいと内部に燃焼気体が滞留して誘電体が加熱され、所望の点火時期以外の時期に点火が発生する、いわゆるプレイングニションを招く虞があることが判明した。
また、放電空間の容積が大きいと放電空間の奥では混合気の入れ替わりが困難となり、放電空間の奥で発生した非平衡プラズマは、体積着火に寄与することなく消失し、あるいは中心誘電体の加熱に消費されることになり、エネルギ損失が大きいことが判明した。
一方、放電空間の基端側奥で発生した非平衡プラズマを利用するために、燃焼室内の強い気流を作用させて、放電空間内の気体を燃焼室内に引き込むようにすると、放電空間の奥に発生した非平衡プラズマも燃焼室内に拡散させることができ、ディーゼルエンジン等において自着火性の向上に対しては効果が期待される。
しかし、放電空間内で発生した初期火炎が強い筒内気流によって吹き消されてしまい、非平衡プラズマによる直接的な混合気への体積着火を実現することは困難となり、従来の点火装置では、用途が限定的である上に、全期間において安定した着火を実現することが困難であることが判明した。
さらに、従来の点火装置では、マイクロ波等の極めて高い周波数のエネルギ電源が用いられていたが、本発明者等の鋭意試験により、電源周波数を一定以上高くしても、放電空間内エネルギ密度が飽和状態となるとそれ以上の放電は無駄となり、着火性向上に寄与しないことが判明した。
【０００７】
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、内燃機関に設けられ、誘電体で覆われた中心電極と接地電極との間に交流電圧を印加して、発生させた非平衡プラズマと燃焼室内の混合気との反応により、初期火炎を生成して内燃機関の点火を行う点火装置において、印加する交流電圧の周波数を所定の範囲に限定すると共に、放電空間の容積を所定の範囲に限定しつつ、接地電極の高さと誘電体に覆われた中心電極の長さとの関係を所定の範囲に限定することで、プレイグニションの発生を防止しつつ、エネルギ損失を抑制して、安定した着火を実現可能とする点火装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明では、内燃機関（５）に設けられ、略棒状の中心電極（１０）と、該中心電極（１０）の少なくとも先端部（１００）を覆いつつ、基端側から上記中心電極（１０）の基端側端末に設けた端子部（１０３）を露出せしめる略有低筒状の中心誘電体（１１）と、該中心誘電体（１１）の外周の一部を覆う略筒状のハウジング（１２）と、該ハウジング（１２）に延設して先端側に向かって略筒状に伸び、上記内燃機関（５）の燃焼室（５１）に開口せしめた接地電極（１２０、１２１）と、上記中心誘電体（１１）の外周表面の一部と上記接地電極（１２０、１２１）の内周表面とによって区画した放電空間（１３０）とを具備し、上記誘電体（１１）で覆われた上記中心電極（１０）と上記接地電極（１２０、１２１）との間に交流電圧を印加して、上記放電空間（１３０）の内部に、電子温度が高く、分子温度が低い非平衡プラズマ（低温プラズマ）を発生させ、上記放電空間（１３０）の内部において上記燃焼室（５１）の内部に導入した混合気と直接反応させて、初期火炎を生成して上記内燃機関（５）の点火を行う点火装置において、上記交流電圧の周波数（ｆ）を８０ｋＨｚ以上、６２０ｋＨｚ以下に設定すると共に、上記放電空間（１３０）の容積（Ｖ１３０）を３００ｍｍ３以下、又は、上記放電空間（１３０）を区画する上記中心誘電体（１１）の外径をφＤ１１０（ｍｍ）とし、上記接地電極（１２０、１２１）の内径をφＤ１２０（ｍｍ）とし、上記接地電極内径φＤ１２０と上記中心誘電体外径φＤ１１０との差の２分の1を放電ギャップＤＧＰ１（ｍｍ）とし、上記放電空間（１３０）の長さを放電空間長Ｌ１３０としたとき、上記放電ギャップＤＧＰ１を０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下に、上記放電空間長Ｌ１３０を１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下に設定したことを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明では、上記放電空間（１３０）の基端側底部（１１２）を基準として、上記中心誘電体（１１）に埋設された上記中心電極先端部（１００）の末端までの長さを中心電極先端部長Ｌ１００としたとき、該中心電極先端部長Ｌ１００を上記放電空間長Ｌ１３０よりも長く設定する。
【００１０】
請求項３の発明では、上記中心誘電体（１１）の長さを上記中心誘電体（１１）の底部（１１０）の表面から上記内燃機関（５）のピストン（５２）の頂面に至る長さを誘電体ピストン間ギャップＤＧＰ２としたとき、該誘電体ピストン間ギャップＤＧＰ２が上記放電ギャップＤＧＰ１より長くなるように設定する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、上記放電空間（１３０）の容積（Ｖ１３０）が一定の範囲に限定されているので、該放電空間（１３０）の内部に発生した燃焼ガスが放電空間（１３０）の内部に滞留せず、速やかに燃焼室（５１）の内部に排出されるので上記中心誘電体（１１）が過熱することがなくプレイグニションの発生が起こり難くなる。
加えて、放電空間（１３０）の内部に放電されたエネルギを効率良く体積点火に利用することが可能となることが本発明者らの鋭意試験により判明した。
さらに、上記中心電極先端部長Ｌ１００を上記放電空間長Ｌ１３０よりも長く設定することにより、交流電圧の周波数ｆを８０ｋＨｚ以上としたときに、上記放電空間（１３０）の内部だけでなく、放電空間（１３０）から上記燃焼室（５１）側に突出した上記誘電体先端側底部（１１０）と接地電極（１２０）との間でも放電が起こり、より一層広い範囲で体積点火が実現され、着火性の向上を図ることができることが判明した。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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す断面図。
【図２】本発明の第２の実施形態における点火装置の概要を示す断面図。
【図３】本発明の第３の実施形態における点火装置の概要を示す断面図。
【図４】比較例１として示す従来の点火装置の概要を示す断面図。
【図５】比較例２として示す従来の他の点火装置の概要を示す断面図、
【図６】本発明の点火装置の高エネルギ電源に用いられる（ａ）高周波交流の例を示す特性図、（ｂ）低周波交流の例を示す特性図。
【図７】（ａ）、（ｂ）は、本発明第１の実施形態の効果を示す要部断面模式図、（ｃ）、（ｄ）は、本発明第２の実施形態の効果を示す要部断面模式図。
【図８】（ａ）、（ｂ）は、比較例１の効果を示す要部断面模式図、（ｃ）、（ｄ）は、比較例２の効果を示す要部断面模式図。
【図９】比較例と共に本発明の火炎成長速度に対する効果を示す特性図。
【図１０】比較例と共に本発明のプレイグニションに対する効果を示す特性図。
【図１１】本発明の点火装置における放電空間容積のプレイグニションに対する効果を示す特性図。
【図１２】（ａ）は、一周期当たりのエネルギを一定としたときの電源周波数と一定時間当たりに供給されるエネルギ量との相関を示す特性図、（ｂ）は、放電空間容積に対する入力エネルギと着火指数との相関を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、高過給、高圧縮、高ＥＧＲ、リーン燃焼による高効率、低ＮＯＸを達成するエンジン等の難着火性の内燃機関に用いられ優れた着火性と耐久性を示す内燃機関点火装置である。
図１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の概要について説明する。
点火装置１は、内燃機関５に設けられ、略棒状の中心電極１０と、中心電極１０の少なくとも先端部１００を覆いつつ、基端側から中心電極１０の基端側端末に設けた端子部１０３を露出せしめる略有低筒状の中心誘電体１１と、中心誘電体１１の外周の一部を覆う略筒状のハウジング１２と、ハウジング１２に延設して先端側に向かって略筒状に伸び、内燃機関５の燃焼室５１に開口せしめた接地電極１２０、１２１と、中心誘電体１１の外周表面の一部と接地電極１２０、１２１の内周表面とによって区画した放電空間１３０とを具備する。
【００１４】
点火装置１は、中心誘電体１１で覆われた中心電極１０と接地電極１２０、１２１との間に交流電圧を印加して、記放電空間１３０の内部に、電子温度が高く、分子温度が低い非平衡プラズマ（低温プラズマ）を発生させ、放電空間１３０の内部において燃焼室５１の内部に導入した混合気と直接反応させて、初期火炎を生成して内燃機関５の点火を行うものである。
本発明では、高エネルギ電源２から印加する交流電圧の周波数（ｆ）を８０ｋＨｚ以上、６２０ｋＨｚ以下に設定すると共に、放電空間１３０の容積Ｖ１３０を３００ｍｍ３以下に設定し、又は、放電空間１３０を区画する中心誘電体１１の外径をφＤ１１０（ｍｍ）とし、接地電極１２０、１２１の内径をφＤ１２０（ｍｍ）とし、接地電極内径φＤ１２０と中心誘電体外径φＤ１１０との差の２分の１を放電ギャップＤＧＰ１（ｍｍ）とし、放電空間１３０の長さを放電空間長Ｌ１３０（ｍｍ）としたとき、放電ギャップＤＧＰ１を０．５ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下に設定し、放電空間長Ｌ１３０を１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下に設定したことを特徴とする。
さらに、本実施形態においては、放電空間１３０の基端側底部１１２を基準として、中心誘電体１１に埋設された中心電極先端部１００の末端までの長さを中心電極先端部長Ｌ１００としたとき、中心電極先端部長Ｌ１００を放電空間長Ｌ１３０よりも長く設定されている。
【００１５】
中心誘電体１１の長さは、その先端側に設けた中心誘電体底部１１０の表面から内燃機関５のピストン５２の頂面に至るまでの長さを誘電体ピストン間ギャップＤＧＰ２としたとき、誘電体ピストン間ギャップＤＧＰ２が放電ギャップＤＧＰ１より長くなるように設定されている。
ハウジング１２は、接地電極筒状部１２１の外周に設けたネジ部１２２を介して内燃機関５のシリンダヘッド５０に螺結され接地状態となっている。
【００１６】
点火装置１は、内燃機関５の運転状況に応じて、電子制御装置（ＥＣＵ）３から発信された点火信号にしたがって、高エネルギ電源２から所定の周波数（８０ｋＨｚ〜６２０ｋＨｚ）の交流電圧を、中心電極１０と接地電極筒状部１２１との間に所定時間だけ印加することにより、放電空間１３０内の複数箇所に非平衡プラズマを発生させ、燃焼室５１から放電空間１３０内に取り込まれた混合気との直接的で、同時多発的な反応により初期火炎核を発生させ体積着火を実現するものである。
本発明においては放電空間１３０を一定の容積に限定することで、放電空間１３０内に放電された非平衡プラズマのエネルギを効率的に利用すると共に、放電空間１３０内に発生した火炎核の滞留を防ぎ、中心誘電体１１０の過熱によるプレイグニションの発生を防止するものである。
【００１７】
中心電極１０は、長軸状に形成された良導電性材料からなり、中心電極先端部１００と、中心電極結合部１０１と、中心電極ステム部１０２と、中心電極端子部１０３とによって構成されている。
中心電極先端部１００には、導電性が高く、耐熱性に優れたニッケル合金や、これに銅等の高電導性材料を合わせたもの等を用いることができる。
なお、成形容易にすべく中心電極先端部１００と中心電極ステム部１０２とは別体で設けられ、中心電極結合部１０１を介して電気的導通が図られている。
中心電極端子部１０３は、外部に設けた高エネルギ電源２に接続されている。
【００１８】
中心誘電体１１は、アルミナ、ジルコニア等の高耐熱性の誘電材料を用いて略有底筒状に形成されており、中心誘電体１１は、先端側底部１１０、先端側筒状部１１１、放電空間基底部１１２、電極保持部１１３、拡径部１１４、頭部１１５、中心電極挿通孔１１６、１１８、電極係止面１１７によって構成されている。
【００１９】
拡径部１１４は、外径方向に径大となるように拡径されており、略環状に形成した封止部材を介して、上下方向からハウジング１２を加締めて固定されている。
封止部材１６０、１６１は、略環状に形成した金属シール、タルク等を略筒状に形成した粉末成形体等の公知の封止部材を用いて、気密性を確保している。
ハウジング１２の基端側に露出する頭部１１５は、中心電極端子部１０３とハウジング１２との間で放電が起こらないよう絶縁性を確保している。
【００２０】
頭部１１５の基端側には、必要に応じて、凹凸面が交互に並んだコルゲート状に形成して絶縁距離を長くし、電極端子部１０３とハウジング１２との間でより一層沿面放電が起こり難くするようにしても良い。
中心電極挿通孔１１６、１１８内に長軸状の中心電極１０が挿入され電極係止面１１７で中心電極１０の結合部１０１が係止固定されている。
中心誘電体１１０の先端側筒状部１１１の外周面と放電空間基底部１１２と接地電極筒状部１２１の内周面とによって、中心誘電体１１０の外周を取り囲むように略筒状の放電空間１３０が区画されている。
【００２１】
ハウジング１２は、鉄、ニッケル、ステンレス等の公知の金属材料を用いて、略筒状に形成されており、シリンダヘッド５０の内壁から燃焼室５１内に所定の高さＨ１２０だけ露出する略環状の接地電極先端露出部１２０、中心誘電体１１との間に放電空間１３０を区画する接地電極筒状部１２１、シリンダヘッド５０に固定するためのネジ部１２２、中心誘電体１１の拡径部１１４を保持する係止部１２３、封止部材１６０、１６１を介して拡径部１１４を加締め固定する加締め部１２４、ネジ部１２２を螺締めするための六角部１２５等によって構成されている。
なお、本発明の点火装置１では、放電時に熱プラズマを発生しないので、本質的に電極の消耗が起こり難いので、接地電極先端露出部１２０や、中心電極先端部１００等に、必ずしも、イリジウム等の耐熱性に優れた特別な材料を用いる必要はなく、一般的な点火プラグに用いられている材料を適宜選択できる。
【００２２】
本実施形態においては、放電空間基底部１１２を基準とし、接地電極露出部１２０の先端に至るまでの放電空間１３０の長さを放電空間長Ｌ１３０とし、中心誘電体１１内に埋設された中心電極先端部１００の末端に至るまでの長さを中心電極先端部長Ｌ１００としたとき、Ｌ１３０＜Ｌ１００の関係を満たすように、より具体的には、中心電極先端部１００及び先端側底部１１０が接地電極先端部１２０の末端よりも燃焼室５１内に突出した構成となっている。
さらに、本実施形態においては、中心誘電体１１の先端側底部１１０の末端からピストン５２の頂面までの距離ＤＧＰ１が、中心誘電体１１の先端側筒状部１１１の外径φＤ１１０と接地電極筒状部１２１の内径φＤ１２１との間隙ＤＧＰ２よりも短くならないよう、中心誘電体１１の突き出長Ｌ１１０を制限することによって、中心誘電体１１と接地電極１２０との間での放電が優先され、中心誘電体先端側底部１１０とピストン５２の頂面との間で放電が起こらないようにしてある。
【００２３】
シリンダヘッド５０の燃焼室５１に望む内壁を基準として、接地電極突出高Ｈ１２０が設定されており、少なくとも、接地電極突出高Ｈ１２０が、例えば、３ｍｍ以上、２５ｍｍ以下の範囲に設けて、放電空間１３０内に発生した初期火炎が、燃焼室５１内の気流によって吹き消されないようにしてある。
加えて、本発明においては、放電空間長Ｌ１３０を一定の範囲に制限することで、放電空間１３０の容積Ｖ１３０（＝π（φＤ１２０２−φＤ１１０２）・Ｌ１３０／４）を小さくして放電空間１３０内に初期火炎が滞留するのを防ぎ、中心誘電体１１からの受熱によるプレイグニションの発生を抑制している。
また、本発明者等の鋭意試験により、放電空間１２０の容積Ｖ１３０を３００ｍｍ３以下とするのが望ましいことが判明した。詳細については、図１１を参照して後述する。
【００２４】
図２を参照して本発明の第２の実施形態における点火装置１ａについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、相違する部分には枝番としてアルファベットの符号を付したので説明を省略し、相違点を中心に説明する。以下の、実施例及び比較例においても同様である。
上記実施形態においては、中心電極先端部１００及び中心誘電体１１の先端側底部１１０が接地電極露出部１２０より燃焼室側に突出した構成を示したが、本実施形態においては、中心電極先端部１００ａが接地電極露出部１２０と同じかそれよりも基端側に引き込んだ位置となるように形成されている点が相違する。
【００２５】
本発明の最も効果的な構成は、第１の実施形態に示したように、中心電極先端部１００を、接地電極露出部１２０よりも先端側に突出すように、中心電極先端部長Ｌ１００を放電空間長Ｌ１３０よりも長く設定するのが望ましいが、本実施形態のように、中心電極先端部長Ｌ１００ａを放電空間長Ｌ１３０以下となるように設定しても良い。
この場合、上記実施形態に比べれば、着火性は劣るが、放電空間１３０の容積を第１の実施形態と同様に、一定の範囲に制限することで、放電空間１３０内に発生した非平衡プラズマによる体積着火を効率良く行うことを可能とすると共に、放電空間１３０内部に燃焼ガスが滞留するのを防ぎプレイグニションを抑制できる。
【００２６】
図３を参照して、本発明の第３の実施形態における点火装置１ｂについて説明する。
本実施形態は、第１の実施形態と基本的には同様の構成であるが、第１の実施形態においては、中心誘電体１１の一部を放電空間基底部１１２として利用する構造について説明したが、本実施形態においては、接地電極筒状部１２１ｂの基端側を縮径して、放電空間基底部１２６としている点が相違する。
誘電体よりも熱伝導率の高い金属によって放電空間基底部１２６が形成されているので、上述の効果と同様の効果に加え、中心誘電１１の一部を拡径して放電空間基底部１１２を形成した場合に比べ、消炎効果が大きくなり、プレイグニションの抑制効果が高くできる。  
【００２７】
第１の実施形態における点火装置１は、リーンバーンエンジンなどの着火しにくいエンジンに適する。リーンバーンはプレイグニションも発生し難いため、着火性の優れる点火装置１を使うのが望ましい。
また、第２の実施形態における点火装置１ａは、一般のＡ／Ｆストイキで運転するエンジンに適する。
さらに、第３の実施形態における点火装置１ｂは、過給エンジンなどプレイグニションが発生し易いエンジンに適する。点火装置１ｂは、着火性は点火装置１に劣る反面、プレイグニションは発生し難い。
したがって、適用する内燃機関の燃焼特性に応じて、第１の実施形態における点火装置１、第２の実施形態における点火装置１ａ、第３の実施形態における点火装置１ｂとを使い分けることで、より安定した着火性能を発揮することができる。
【００２８】
図４を参照して、比較例１として示す、従来の点火装置１ｚについて説明する。
比較例１では、中心誘電体１１ｚの先端側底部１１０ｚと中心電極筒状部１２１ｚの先端とが略面一となるように形成されており、また、放電空間１３０ｚの長さＬ１３０ｚは、１０ｍｍより長く形成されている。
また、接地電極筒状部１２１ｚの先端は、燃焼室５１を区画するシリンダヘッド５０の内壁と略面一となっており、燃焼室５１内に突き出していない。
このような構成とした場合、第１の実施形態に比べ、火炎成長速度が遅く、また、燃焼機関の運転条件によっては、放電空間１３０ｚ内に燃焼ガスが滞留してプレイグニションが発生したり、燃焼室５１内に強い筒内気流が存在する場合には、放電空間１３０ｚ内に発生した非プラズマ放電が燃焼室５１内に拡散し、体積点火が困難となる虞がある。
【００２９】
図５を参照して、比較例２として示す点火装置１ｙについて説明する。点火装置１ｙは、第１の実施形態における点火装置１と同様に、放電空間長Ｌ１３０ｙよりも、中心電極先端部長Ｌ１００ｙが長くなっているが、中心誘電体１１ｙの先端側底部１１０ｙの表面からピストン５２の頂面までの距離ＤＧＰ２が、中心誘電体１１０ｙの表面から接地電極筒状部１２１ｙの内周表面までの距離ＤＧＰ１よりも短く形成されている点と、放電空間長Ｌ１３０ｙが、１０ｍｍを超える長さに形成されている点が相違する。
【００３０】
図６を参照して、本発明に用いられる高エネルギ電源２から供給される交流電圧の周波数の違いによる放電開始電圧、及び、放電開始時間の違いについて説明する。
図６（ａ）に示すように、例えば、周波数を３５０ｋＨｚとした場合のように、比較的周波数の高い交流電源を用いた場合、電圧の立ち上がりが早く、放電開始電圧が高くなることが判明した。
一方、図６（ｂ）に示すように、例えば、周波数を１５ｋＨｚとした場合のように、比較的周波数の低い交流電源を用いた場合、電圧の立ち上がりが遅く、放電開始のタイミングは遅くなる反面、放電開始電圧は、低くなることが判明した。
高周波と低周波とは、エンジン回転数に応じて使い分けることで、過剰なエネルギ供給をさけ、プレイグニションを抑制しつつ、効率的に体積プラズマを発生させることができる。
【００３１】
図７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と、第２の実施形態における点火装置１ａを用いた場合の入力周波数の変化に対する放電の様子の違いについて説明する。
点火装置１に対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、１５ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは１５ｍＪとなり、本図（ａ）に示すように、放電空間１３０内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。
点火装置１に対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、３５０ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは３５０ｍＪとなり、本図（ｂ）に示すように、放電空間１３０内だけでなく、放電空間１３０から飛び出した中心誘電体底部１１０に近い位置と接地電極露出部１２０との間にも複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。
【００３２】
点火装置１ａに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、１５ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは１５ｍＪとなり、本図（ｃ）に示すように、点火プラグ１０を用いたときと同様、放電空間１３０内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。
点火装置１ａに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、３５０ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは３５０ｍＪとなり、本図（ｄ）に示すように、放電空間１２０内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。低周波の場合に比べ印加電圧の周波数が高いとそれだけ、放電回数が多くなる。
【００３３】
図８を参照して、比較例１として示した点火装置１ｚと、比較例２として示した点火装置１ｙを用いた場合の入力周波数の変化に対する放電の様子の違いについて説明する。
点火装置１ｚに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、１５ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは１５ｍＪとなり、本図（ａ）に示すように、放電空間１３０ｚ内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。このとき、放電空間１３０ｚの容積が点火装置１に比べて大きいので、より多くの場所にストリーマＳＴＲが発生する。
【００３４】
点火装置１ｚに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、３５０ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは３５０ｍＪとなり、本図（ｂ）に示すように、放電空間１３０ｚ内の複数箇所にストリーマＳＴＲが発生する。また、印加電圧の周波数が高いので、低周波を印加した場合に比べ放電回数は多くなっている。
点火装置１ｙに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、１５ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは１５ｍＪとなり、本図（ｃ）に示すように、放電空間１３０ｙ内だけでなく、中心誘電体１１０ｙの表面とピストン５２の表面との間にストリーマＳＴＲが発生し、放電空間１３０ｙ内に発生するストリーマＳＴＲは少なくなる。
【００３５】
点火装置１ｙに対して、一周期当たりのエネルギが２ｍＪ／Ｔで、３５０ｋＨｚの交流電流を０．５ｍｓ印加したとき、投入エネルギは３５０ｍＪとなり、本図（ｄ）に示すように、放電空間１３０ｙ内だけでなく、中心誘電体１１０ｙの表面とピストン５２の表面との間にストリーマＳＴＲが発生し、放電空間１３０ｙ内に発生するストリーマＳＴＲは少なくなる。また、印加電圧の周波数が高いので、低周波を印加した場合に比べ放電回数は多くなっている。
発生するストリーマＳＴＲは、放電空間の容積が大きい分だけ点火装置１、１ａよりも点火装置１ｚ、１ｙの方が多くなっている。
【００３６】
そこで、点火装置１、点火装置１ａ、点火装置１ｚ、点火装置１ｙを用いて、エンジンの燃焼室内を観察可能とした可視化エンジンにて着火性の違いを観察した。
観察したエンジン条件は、回転数２０００ｒｐｍ、ＩＭＥＰ０．３ＭＰａで、放電開始２．０ｍｓ後の火炎の大きさを測定し、周波数１５ｋＨｚにおける火炎面積を１として、相対値を着火性指標とし、印加周波数を増減して、着火性指数の変化を調査した。その結果を図９に示す。
【００３７】
図９に示すように、点火装置１と点火装置１ａとは、放電空間１３０の容積Ｖ１３０は、同じであるが、点火装置１の方が印加周波数を増加に伴う着火性指数の増加が早く、着火性が良いことが判る。
これは、図７（ｂ）に示したように、点火装置１では、印加周波数が高くなると、放電空間１３０の外でも放電が起こり、それだけ早く火炎成長が進むためと推察される。
【００３８】
一方、点火装置１ｚでは、放電空間容積Ｖ１３０ｚが点火装置１、１ａの放電空間容積Ｖ１３０より大きく、図８に示したように、より多くの場所にストリーマＳＴＲが発生しているにも拘わらず、着火性指数は、点火装置１、１ａよりも低い結果となった。
これは、従来の点火装置１ｚでは、放電空間１３０ｚの奥の方に発生したストリーマＳＴＲが体積点火に利用されず、無駄になっていたものと推察される。
【００３９】
さらに、点火装置１ｙでは、体積着火を実現することができなかった。これは、燃焼室５１内の広い空間で中心誘電体底部１１０ｙとピストン５２の表面との間でストリーマ放電が発生しても、燃焼室５１内に発生している筒内気流によって吹き飛ばされて燃焼室５１内に拡散してしまい、体積着火に至らなかったためと推察される。
【００４０】
そして、本図に示すように、いずれの点火装置１、１ａ、１ｚにおいても、一定以上、印加周波数を高くしても、それ以上着火性指数を向上させることはできないことが判明した。
具体的には、印加周波数を８０ｋＨｚ以上、６２０ｋＨｚ以下の範囲とすることで、着火性の向上を図ることができると期待される。
【００４１】
図１０を参照して、本発明の実施例１（点火装置１）、２（点火装置１ａ）、３（点火装置１ｂ）と、比較例１（点火装置１ｚ）のプレイグニションの発生状況の違いを調査した結果について説明する。
なお、比較例２として示した点火装置１ｙは、そもそも体積点火を起こし難くプレイグニションは発生しないため比較対象から除外した。
プレイグニションの発生し易い燃焼条件として、空燃比をストイキとし、エンジン回転数を４０００ｐｍとした過給エンジンにおいて、吸気圧を大気圧基準として６０ｋＰａ．Ｇから１１０ｋＰａ．Ｇまで上昇させたときのプレイグニションの発生有無を調査した。
なお、本試験に用いた点火装置１、１ａ、１ｂにおいては、放電空間容積Ｖ１３０を１７０ｍｍ３、接地電極内径Ｄ１２０を８．７ｍｍ、中心誘電体外径Ｄ１１０を５．７ｍｍ、第１の放電ギャップＤＧＰ１を１．５ｍｍ、放電空間長Ｌ１３０を５ｍｍとしたものを用いた。
【００４２】
比較例１として用いた点火装置１ｚにおいては、放電空間容積Ｖ１３０ｚを約８００ｍｍ３、接地電極内径Ｄ１２０を８．７ｍｍ、中心誘電体外径Ｄ１１０を５．７ｍｍ、第１の放電ギャップＤＧＰ１を１．５ｍｍ、放電空間長Ｌ１３０を２３．５ｍｍとしたものを用いた。  
吸気圧が高い、即ち、トルクが高い条件となるほど、燃焼温度が上昇しプレイグニションが発生し易くなる。
【００４３】
本図に示すように、比較例１が最もプレイグニションを発生し易いことが判明した。これは、比較例１として示した点火装置１ｚにおいては、本発明の点火装置１、１ａ、１ｂに比べ放電空間１３０ｚの容積が大きく、燃焼気体が放電空間１３０ｚの奥に滞留し、中心誘電体１１０ｚの温度が過剰に高くなり易いためと推察される。
また、実施例１（点火装置１）に比べて、実施例２（点火装置１ａ）の方がプレイグニションが発生し難く、さらに、実施例３（点火装置１ｂ）が最もプレイグニションが発生し難いことが明らかとなった。
【００４４】
これは、実施例１においては、中心誘電体１１０が長く、燃焼室５２内に突き出しているため、発生する燃焼熱によっても加熱され易いのに加え熱容量が大きくなっているためと推察される。
また、実施例３においては、実施例１と同様に中心誘電体１１０ｂが長く、燃焼室５２内に突き出しているが、金属製のハウジング１２の一部を利用して、放電空間基底部１２１ｂが形成されているおり、熱伝導性が高く、中心誘電体１１０ｂの熱を速やかに放熱するため、プレイグニションが起こり難くなっていると考えられる。
【００４５】
図１１を参照して、本発明者等が行った、本発明の点火装置において、プレイグニション抑制効果の高い放電空間容積Ｖ１３０の調査結果について説明する。
プラグ形状１(実施例１）のφＤ１１０が５．６ｍｍ、第１のプラグギャップＤＧＰ１を０．５〜２．０ｍｍの範囲で、放電空間長Ｌ１１０を１．０〜１０ｍｍの範囲で変更し、放電空間容積Ｖ１３０を変更させたプラグを用いて、プレイグの発生状況を調査した。
エンジン条件は、回転数４０００ｐｍ、吸気圧６０ｋＰａ．Ｇ、Ａ／Ｆストイキである。
その結果、図１１に示すように、容積Ｖ１３０が３００ｍｍ３を超えると、プレイグニションの発生確率が急激に高くなり、３００ｍｍ３以下では、プレイグニションがほとんど発生しないことが判明した。
放電空間容積Ｖ１３０の大きなプラグでは、第１の放電ギャップＤＧＰ１が広く、放電空間長Ｌ１３０が長いため、放電空間１３０内で着火した場合に火炎が燃焼室まで伝播し難く放電空間１３０内に滞留し、中心誘電体１２０が過剰に熱せられ、プレイグニションが発生し易くなるものと考えられる。
反対に第１の放電ギャップＤＧＰ１が狭い場合は、放電空間１３０内で着火した場合に、燃焼室まで直ちに火炎伝播され、中心誘電体１２０に蓄熱され難いためプレイグに至りにくいものと推察される。
【００４６】
以上の試験結果より、以下の知見を得た。
（１）誘電体で覆われた中心電極と接地電極との間に放電空間を区画し、高電圧を印加して非平行プラズマ発生させて、放電空間内で混合気の体積着火を行う点火装置において、放電空間を一定の容積に限定することで、投入エネルギを無駄なく体積着火に利用できる。
（２）一周期当たりのエネルギ量が一定の交流電圧を印加した場合、入力エネルギ量は、入力周波数に比例して増加するが、入力周波数を一定以上高くしても、着火性向上には結びつかず、入力周波数を一定の範囲に規定するのが望ましい。
（３）中心電極先端部長Ｌ１００を放電空間長Ｌ１３０よりも長くすることで、放電空間１３０の外にも放電を行うことができ、着火性の向上を図ることができる。
（４）中心誘電体底部とピストン頂面までの距離が短くなりすぎると、接地電極との間の放電よりもピストン頂面との間の放電が支配的になり、体積着火を実現できなくなる。
（５）内燃機関の燃焼特性に応じて、本発明の実施例１、２、３の点火装置１、１ａ、１ｂを適宜選択することで、着火性の向上を図りつつ、プレイグニションの発生を抑制できる。
【符号の説明】
【００４７】
１  点火装置
１０  中心電極
１００  中心電極先端部
１０１  中心電極結合部
１０２  中心電極ステム部
１０３  中心電極端子部
１１  中心誘電体
１１０  先端側底部
１１１  先端側外周面
１１２  放電空間基底部
１１３  電極保持部
１１４  拡径部
１１５  頭部
１１６、１１８  中心電極挿通孔
１１７  電極係止面  
１２  ハウジング
１２０  接地電極先端露出部
１２１  接地電極筒状部
１２２  接地電極ネジ部
１３０  放電空間
２  高エネルギ電源
３  電子制御装置（ＥＣＵ）
５  内燃機関
５０  シリンダヘッド
５０１  吸気筒
５０２  吸気バルブ
５０３  排気筒
５０４  排気バルブ
５１  燃焼室
５２  ピストン
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４８】
【特許文献１】特開２００９−３６１２５号公報
【図１】
2014041788.tif 000003
【図２】
2014041788.tif 000004
【図３】
2014041788.tif 000005
【図４】
2014041788.tif 000006
【図５】
2014041788.tif 000007
【図６】
2014041788.tif 000008
【図７】
2014041788.tif 000009
【図８】
2014041788.tif 000010
【図９】
2014041788.tif 000011
【図１０】
2014041788.tif 000012
【図１１】
2014041788.tif 000013
【図１２】
2014041788.tif 000014