(57)【要約】【課題】パルスストリーマ放電等の放電を低電圧の印加によっても広い領域で発生させることができるとともに、二段階以上のパルス電圧印加による強力着火が可能であり、かつ、空燃比（Ａ／Ｆ）向上及び排出ＣＯ2量の低減が可能なプラズマイグナイターを提供する。【解決手段】燃焼室を有するイグナイター部と、その放電先端１２が燃焼室内に露出するように配設された放電部１０とを備えたプラズマイグナイターである。放電先端１２は、柱状の陽極１と、陽極先端部１ａから所定間隔を離隔した状態で配置される環状の陰極２と、陽極先端部１ａと陰極２の間に配置される環状の浮遊電極４とを備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を有するイグナイター部と、その放電先端が前記燃焼室内に露出するように配設された放電部と、を備え、
前記放電部の前記放電先端は、柱状の陽極と、前記陽極の軸方向の一方の先端部において前記陽極の前記先端部から所定間隔を離隔した状態で配置される環状又は筒状の陰極と、前記陽極の前記先端部と前記陰極の間に配置される環状又は筒状の浮遊電極と、を備えているプラズマイグナイター。
【請求項２】
前記陰極及び前記浮遊電極は、前記陽極の前記先端部を中心として同心円状にそれぞれ配置されている請求項１に記載のプラズマイグナイター。
【請求項３】
前記陽極の前記先端部と前記陰極の間に複数の前記浮遊電極が配置されている請求項１又は２に記載のプラズマイグナイター。
【請求項４】
前記放電部の前記放電先端は、前記陽極、前記陰極、及び前記浮遊電極を相互に固定するセラミックス製の基材を更に備えている請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマイグナイター。
【請求項５】
前記放電部の前記放電先端の形状が凹状である請求項１〜４のいずれか一項に記載のプラズマイグナイター。
【請求項６】
内燃機関の点火装置であって、
陽極、陰極及び浮遊電極を備える電極構造体と、
前記陽極と前記陰極との間にパルス電圧を印加するパルス電源と、
を備え、
前記陰極の放電寄与部分は、前記陽極の放電端から前記電極構造体の表面に沿って第１の距離だけ離れた位置にあり、
前記浮遊電極の放電寄与部分は、前記陽極の放電端から前記電極構造体の表面に沿って前記第１の距離より短い第２の距離だけ離れた位置にあり、前記陽極の放電端と前記陰極の放電寄与部分との間に介在し、
前記パルス電源は、前記陽極の放電端と前記浮遊電極の放電寄与部分との間の第１の放電領域にパルス放電を発生させる比較的に弱いパルス電圧の後に、前記陽極の放電端と前記陰極の放電寄与部分との間の第２の放電領域にパルス放電を発生させる比較的に強いパルス電圧を前記陽極と前記陰極との間に印加する、
内燃機関の点火装置。
【請求項７】
請求項６の内燃機関の点火装置において、
前記電極構造体は、
ゲルキャスト法により成形された膜状の成形体を焼成することにより作製されたセラミックスからなり前記陽極の放電端を覆う被覆、
をさらに備える内燃機関の点火装置。
【請求項８】
請求項６又は請求項７の内燃機関の点火装置において、
前記陽極が棒形状部分を備え、前記陽極の棒形状部分の棒端が前記陽極の放電端であり、
前記陰極の放電寄与部分及び前記浮遊電極の放電寄与部分が前記棒形状部分の棒端を中心として同心円状に配置される、
内燃機関の点火装置。
【請求項９】
請求項６又は請求項７の内燃機関の点火装置において、
前記陽極が板形状部分を備え、前記陽極の板形状部分の板端が前記陽極の放電端であり、
前記陰極の放電寄与部分及び前記浮遊電極の放電寄与部分が前記板形状部分の板端と一定の距離を保って延在する、
内燃機関の点火装置。
【請求項１０】
請求項６から請求項９までのいずれかの内燃機関の点火装置において、
前記陽極の放電端と前記陰極の放電寄与部分との間に複数の前記浮遊電極が介在する、
内燃機関の点火装置。
【請求項１１】
請求項６から請求項１０までのいずれかの内燃機関の点火装置において、
前記電極構造体は、セラミックスからなり前記陽極、前記陰極及び前記浮遊電極を相互に固定する基材、
をさらに備える内燃機関の点火装置。
【請求項１２】
請求項６から請求項１１までのいずれかの内燃機関の点火装置において、
前記電極構造体の表面に凹部が形成されている、
内燃機関の点火装置。
【請求項１３】
内燃機関の点火装置であって、
陽極、陰極、浮遊電極及び誘電体隔壁を備える電極構造体と、
前記陽極と前記陰極との間にパルス電圧を印加するパルス電源と、
を備え、
前記陰極の放電寄与部分は、前記陽極の放電端から前記電極構造体の表面に沿って第１の距離だけ離れた位置にあり、
前記浮遊電極の放電寄与部分は、前記陽極の放電端から前記電極構造体の表面に沿って前記第１の距離より短い第２の距離だけ離れた位置にあり、前記陽極の放電端と前記陰極の放電寄与部分との間に介在し、
前記誘電体隔壁は、前記陽極と前記浮遊電極との間に配置され、前記陰極の放電寄与部分及び前記浮遊電極の放電寄与部分を前記陽極の放電端から遮蔽し、前記陰極の放電寄与部分及び前記浮遊電極の放電寄与部分の前記陽極の放電端からの遮蔽を阻害しない位置に開口を有し、
前記パルス電源は、前記陽極の放電端と前記浮遊電極の放電寄与部分との間の第１の放電領域にパルス放電を発生させる比較的に弱いパルス電圧の後に、前記浮遊電極の放電寄与部分と前記陰極の放電寄与部分との間の第２の放電領域にパルス放電を発生させる比較的に強いパルス電圧を前記陽極と前記陰極との間に印加する、
内燃機関の点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガソリンエンジン等の内燃機関として好適なプラズマイグナイター及び内燃機関の点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジン点火に際しては、点火プラグ（スパークインジェクション（ＳＩ）プラグ）を使用して混合気に着火する方法が採用されている（例えば、特許文献１参照）。ＳＩプラグは、エンジンの燃焼室内の混合気に点火するために用いられる電気部品であり、通常、中心電極と、この中心電極の外周に備えられた絶縁碍子と、絶縁碍子の外周に備えられ、エンジンにネジ取り付けするための取り付けネジ部と、取り付けネジ部の端部に接合された接地電極と、を備えた周知のものである。
【０００３】
ＳＩプラグの中心電極と接地電極の間に高電圧が印加されると、電極間の絶縁が破壊されて放電現象が発生し、電気火花が発生する。この電気火花のエネルギーによって混合気に着火することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６４−３６９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、一般的なＳＩプラグを使用し、電極間にパルス電圧を所定の間隔で複数回繰り返し印加して、活性種ラジカルを含有する非平衡プラズマを発生させて着火する場合を想定すると、中心電極と接地電極の間（プラグギャップ）に放電領域が限定されるため、発生する活性種ラジカルの量が少なく、効率的な着火及び燃焼が困難であるといった不都合がある。
【０００６】
上記のような不都合に対しては、ＳＩプラグのプラグギャップを広げることで対処する方策が考えられる。プラグギャップの広いＳＩプラグを使用すれば放電領域が広がるため、確実な着火が期待できる。しかしながら、プラグギャップを広げ過ぎた場合には、確実に着火するためにより大きな電圧を印加する必要があった。即ち、従来のＳＩプラグを使用して内燃機関（イグナイター）を稼動させる場合には、ＳＩプラグのプラグギャップの拡大（又は縮小）によってのみ放電領域の拡大（又は縮小）が可能であることから、適用の自由度が低く、パルス電圧を印加し、非平衡プラズマを発生させて着火する等の着火及び燃焼方法に対しては上手く適用できない場合があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、パルスストリーマ放電等の放電を低電圧の印加によっても広い領域で発生させることができるとともに、二段階以上のパルス電圧印加による強力着火が可能であり、かつ、空燃比（Ａ／Ｆ）向上及び排出ＣＯ2量の低減が可能なプラズマイグナイター及び内燃機関の点火装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は上記課題を達成すべく鋭意検討した結果、以下の構成とすることによって上記課題を達成することが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち、本発明によれば、以下に示すプラズマイグナイター及び内燃機関の点火装置が提供される。
【００１０】
［１］燃焼室を有するイグナイター部と、その放電先端が前記燃焼室内に露出するように配設された放電部と、を備え、前記放電部の前記放電先端は、柱状の陽極と、前記陽極の軸方向の一方の先端部において前記陽極の前記先端部から所定間隔を離隔した状態で配置される環状又は筒状の陰極と、前記陽極の前記先端部と前記陰極の間に配置される環状又は筒状の浮遊電極と、を備えているプラズマイグナイター。
【００１１】
［２］前記陰極及び前記浮遊電極は、前記陽極の前記先端部を中心として同心円状にそれぞれ配置されている前記［１］に記載のプラズマイグナイター。
【００１２】
［３］前記陽極の前記先端部と前記陰極の間に複数の前記浮遊電極が配置されている前記［１］又は［２］に記載のプラズマイグナイター。
【００１３】
［４］前記放電部の前記放電先端は、前記陽極、前記陰極、及び前記浮遊電極を相互に固定するセラミックス製の基材を更に備えている前記［１］〜［３］のいずれかに記載のプラズマイグナイター。
【００１４】
［５］前記放電部の前記放電先端の形状が凹状である前記［１］〜［４］のいずれかに記載のプラズマイグナイター。
【００１５】
［６］  陽極、陰極及び浮遊電極を備える電極構造体と、前記陽極と前記陰極との間にパルス電圧を印加するパルス電源と、を備え、前記陰極の放電寄与部分は、前記陽極の放電端から前記電極構造体の表面に沿って第１の距離だけ離れた位置にあり、前記浮遊電極の放電寄与部分は、前記陽極の放電端から前記電極構造体の表面に沿って前記第１の距離より短い第２の距離だけ離れた位置にあり、前記陽極の放電端と前記陰極の放電寄与部分との間に介在し、前記パルス電源は、前記陽極の放電端と前記浮遊電極の放電寄与部分との間の第１の放電領域にパルス放電を発生させる比較的に弱いパルス電圧の後に、前記陽極の放電端と前記陰極の放電寄与部分との間の第２の放電領域にパルス放電を発生させる比較的に強いパルス電圧を前記陽極と前記陰極との間に印加する、内燃機関の点火装置。
【００１６】
［７］  前記［６］の内燃機関の点火装置において、前記電極構造体は、ゲルキャスト法により成形された膜状の成形体を焼成することにより作製されたセラミックスからなり前記陽極の放電端を覆う被覆、をさらに備える。
【００１７】
［８］  前記［６］又は前記［７］の内燃機関の点火装置において、前記陽極が棒形状部分を備え、前記陽極の棒形状部分の棒端が前記陽極の放電端であり、前記陰極の放電寄与部分及び前記浮遊電極の放電寄与部分が前記棒形状部分の棒端を中心として同心円状に配置される。
【００１８】
［９］  前記［６］又は前記［７］の内燃機関の点火装置において、前記陽極が板形状部分を備え、前記陽極の板形状部分の板端が前記陽極の放電端であり、前記陰極の放電寄与部分及び前記浮遊電極の放電寄与部分が前記板形状部分の板端と一定の距離を保って延在する。
【００１９】
［１０］  前記［６］から前記［９］までのいずれかの内燃機関の点火装置において、前記陽極の放電端と前記陰極の放電寄与部分との間に複数の前記浮遊電極が介在する。
【００２０】
［１１］  前記［６］から前記［１０］までのいずれかの内燃機関の点火装置において、前記電極構造体は、セラミックスからなり前記陽極、前記陰極及び前記浮遊電極を相互に固定する基材、をさらに備える。
【００２１】
［１２］  前記［６］から前記［１１］までのいずれかの内燃機関の点火装置において、前記電極構造体の表面に凹部が形成されている。
【００２２】
［１３］  陽極、陰極、浮遊電極及び誘電体隔壁を備える電極構造体と、前記陽極と前記陰極との間にパルス電圧を印加するパルス電源と、を備え、前記陰極の放電寄与部分は、前記陽極の放電端から前記電極構造体の表面に沿って第１の距離だけ離れた位置にあり、前記浮遊電極の放電寄与部分は、前記陽極の放電端から前記電極構造体の表面に沿って前記第１の距離より短い第２の距離だけ離れた位置にあり、前記陽極の放電端と前記陰極の放電寄与部分との間に介在し、前記誘電体隔壁は、前記陽極と前記浮遊電極との間に配置され、前記陰極の放電寄与部分及び前記浮遊電極の放電寄与部分を前記陽極の放電端から遮蔽し、前記陰極の放電寄与部分及び前記浮遊電極の放電寄与部分の前記陽極の放電端からの遮蔽を阻害しない位置に開口を有し、前記パルス電源は、前記陽極の放電端と前記浮遊電極の放電寄与部分との間の第１の放電領域にパルス放電を発生させる比較的に弱いパルス電圧の後に、前記浮遊電極の放電寄与部分と前記陰極の放電寄与部分との間の第２の放電領域にパルス放電を発生させる比較的に強いパルス電圧を前記陽極と前記陰極との間に印加する、内燃機関の点火装置。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のプラズマイグナイター及び内燃機関の点火装置は、パルスストリーマ放電等の放電を低電圧の印加によっても広い領域で発生させることができるとともに、二段階以上のパルス電圧印加による強力着火が可能であり、かつ、空燃比（Ａ／Ｆ）向上及び排出ＣＯ2量の低減が可能であるといった効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のプラズマイグナイターの一実施形態を示す模式図である。
【図２】本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第一の実施形態を模式的に示す一部断面図である。
【図３】第一の放電領域において放電した状態の一例を示す模式図である。
【図４】第二の放電領域において放電した状態の一例を示す模式図である。
【図５】本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第二の実施形態を模式的に示す一部断面図である。
【図６】本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第三の実施形態を模式的に示す一部断面図である。
【図７】本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第四の実施形態を模式的に示す一部断面図である。
【図８】本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第五の実施形態を模式的に示す一部断面図である。
【図９】本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第六の実施形態を模式的に示す一部断面図である。
【図１０】第七の実施形態の放電部の放電先端の断面図である。
【図１１】第七の実施形態の放電部の斜視図である。
【図１２】第八の実施形態の放電部の放電先端の断面図である。
【図１３】第八の実施形態の放電部の斜視図である。
【図１４】第一の実施形態の放電部にパルス電圧を印加した状態の一例を示す模式図である。
【図１５】図１４に示す放電部にパルス電圧を印加した場合における、電圧（Ｖ）、電流（Ｉ）、及び電力（Ｐ）の経時変化を示すグラフである。
【図１６】従来の放電部（点火プラグ）にパルス電圧を印加した状態の一例を示す模式図である。
【図１７】図１６に示す放電部（点火プラグ）にパルス電圧を印加した場合における、電圧（Ｖ）、電流（Ｉ）、及び電力（Ｐ）の経時変化を示すグラフである。
【図１８】実施例１のプラズマイグナイターの放電部にパルス電圧を印加した場合の経時変化を示す模式図である。
【図１９】比較例１のプラズマイグナイターの放電部にパルス電圧を印加した場合の経時変化を示す模式図である。
【図２０】空燃比（Ａ／Ｆ）に対してＩＭＥＰ変動率（％）をプロットしたグラフである。
【図２１】放電の状態を示す模式図である。
【図２２】ピーク電界強度とピーク電流密度の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。
【００２６】
＜プラズマイグナイターの構造＞
図１は、本発明のプラズマイグナイターの一実施形態を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態のプラズマイグナイター（ガソリンエンジン）は、燃焼室１３０を有するイグナイター部１００と、その放電先端１２が燃焼室１３０内に露出するように配設された放電部１０とを備えている。
【００２７】
先ず、吸気管１１０及び吸気バルブ１６０を介して燃焼室１３０内に燃料（混合気）が導入されるとともに、点火電源（パルス電源）２００において作成されたパルス電圧が、放電部１０（点火プラグ）のターミナル１６を介して陽極（図示せず）と陰極との間に印加される。なお、燃焼室１３０とは、筒内の空間、即ちイグナイター部１００のシリンダ１５０の内壁面、吸気バルブ１６０、排気バルブ１７０、及びピストン１４０の上面により閉塞された空間をいう。
【００２８】
パルス電圧が放電部１０の陽極と陰極との間に印加されると、放電部１０の放電先端１２とピストン１４０の上面との間で非平衡プラズマが発生した後、燃焼室１３０内全体で混合気が燃焼する。混合気が燃焼すると、発生した排気ガスが排気バルブ１７０及び排気管１２０を介して外部へと排出されるとともに、混合気が燃焼室１３０内に再び導入されることになる。
【００２９】
放電部１０（点火プラグ）は、例えば、ターミナル１６と、ターミナル１６に接続する陽極と、この陽極の外周に配設される絶縁碍子１４とを備えている。絶縁碍子１４は、陽極とイグナイター部１００を絶縁するものである。主体金具１８は、絶縁碍子１４の外周に配設されており、放電先端１２が燃焼室１３０内に露出するように放電部１０をイグナイター部１００に固定可能なネジ部２３ａを有している。
【００３０】
＜放電部の第一の実施形態＞
（放電部の構造）
図２は、本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第一の実施形態を模式的に示す一部断面図である。図２に示すように、放電部１０の放電先端１２には、柱状（棒状）の陽極１が配置されている。また、陽極１の軸方向の一方の先端部（陽極先端部１ａ）においては、この陽極先端部１ａから所定間隔を離隔した状態で環状（又は筒状）の陰極２が配置されている。そして、陽極先端部１ａと陰極２の間には、環状（又は筒状）の浮遊電極４が配置されている。なお、陰極２と浮遊電極４は、陽極先端部１ａを中心として同心円状にそれぞれ配置されている。浮遊電極４は、陽極１及び陰極２のいずれにも電気的に接続されておらず、陽極１及び陰極２とは異なる電位を持ちうる。
【００３１】
陽極１のうちパルス放電に寄与する陽極先端部１ａと陰極２のうちパルス放電に寄与する陰極先端部２ａとは、放電部１０の表面（本実施形態では円柱状の基材６の底面６ａ）に沿って距離Ｌだけ離される。なお、陰極２が筒状（より一般的には、板状又はその変形）である場合は、パルス放電に寄与する部分（以下では「放電寄与部分」という）は、陰極２の一部を占める陰極先端部２ａのみとなるが、陰極２が環状（より一般的には、棒状又はその変形）である場合は、放電寄与部分は、陰極２のほぼ全部となる。
【００３２】
また、陽極先端部１ａと浮遊電極４とは、放電部１０の表面（本実施形態では円柱状の基材６の底面６ａ）に沿って距離Ｍだけ離される。距離Ｍは、距離Ｌより短く（Ｍ＜Ｌ）、浮遊電極４は、陽極先端部１ａと陰極先端部２ａとの間に介在する。なお、浮遊電極４が環状（より一般的には、棒状又はその変形）である場合は、放電寄与部分は、浮遊電極４のほぼ全部となるが、浮遊電極４が筒状（より一般的には、棒状又はその変形）である場合は、放電寄与部分は、浮遊電極４の一部を占める浮遊電極先端部のみとなる。後者の場合は、陽極先端部１ａと浮遊電極先端部とは、放電部１０の表面（本実施形態では円柱状の基材６の底面６ａ）に沿って距離Ｌより短い距離だけ離され、浮遊電極先端部が、陽極先端部１ａと陰極先端部２ａとの間に介在する。
【００３３】
後述する２段階のパルス放電を発生させるために重要なことは、陽極、陰極及び浮遊電極の放電寄与部分の位置関係である。すなわち、陽極の放電寄与部分と陰極の放電寄与部分との間に浮遊電極の放電寄与部分が介在する位置関係が重要である。したがって、この位置関係が満たされていれば、陽極、陰極及び浮遊電極の立体形状は変形しうる。特に、放電寄与部分以外の立体形状は、放電寄与部分へのパルス電圧の給電の都合、放電部１０の組み立ての都合等により変形される。
【００３４】
放電部１０の放電先端１２は、陽極１、陰極２、及び浮遊電極４を、相互の間隔を保持した状態で固定するセラミックス製の基材６を備えている。この基材６を構成するセラミックスの種類は特に限定されないが、絶縁性を確保する等の観点から、アルミナ、ジルコニア、イットリア、セリア、チタニア等が好ましい。
【００３５】
プラズマイグナイターが、一般的な車載用のガソリンエンジンであることを想定した場合、陽極先端部１ａ、陰極２の端部、及び浮遊電極４の端部を被覆する基材６の厚みＴは、０．１〜１．５ｍｍであることが好ましく、０．２〜０．５ｍｍであることが更に好ましい。また、陽極先端部１ａの幅Ｗ1は、０．２〜２．０ｍｍであることが好ましく、０．５〜１．０ｍｍであることが更に好ましい。浮遊電極４の幅Ｗ2は、０．２〜２．０ｍｍであることが好ましく、０．５〜１．０ｍｍであることが更に好ましい。また、陽極先端部１ａから陰極２までの距離（長さ）は、１．０〜１５．０ｍｍであることが好ましく、３．０〜６．０ｍｍであることが更に好ましい。
【００３６】
放電部１０は、少なくとも陽極１、陰極２及び浮遊電極４を備え、望ましくは基材６その他を備える電極構造体である。
【００３７】
（パルス放電の発生）
次に、図３及び図４を参照しつつ、放電部における放電状態を説明する。図３は、第一の放電領域において放電した状態の一例を示す模式図である。また、図４は、第二の放電領域において放電した状態の一例を示す模式図である。図３に示すように、陽極１と陰極２との間に点火電源２００から比較的弱いパルス電圧が印加されると、陽極先端部１ａと浮遊電極４の間（第一の放電領域５１）においてパルス放電が発生する。初期段階（第一段階）においては、例えばファインパルスストリーマ放電を繰り返し複数回発生させ、第一の放電領域５１においてストリーマ２５を成長させることが好ましい。
【００３８】
また、図４に示すように、陽極１と陰極２との間に点火電源２００から比較的強いパルス電圧が印加されると、陽極先端部１ａと陰極２の間（第二の放電領域５２）においてパルス放電が発生する。上述の初期段階に続く第二段階においては、例えば、パルスストリーマ放電、又はアーク放電を発生させ、第二の放電領域５２においてストリーマ３５を成長させ、初期段階で発生した活性種ラジカルを多量に含有する非熱平衡プラズマを利用して一気に着火及び燃焼させることが好ましい。なお、ファインパルスストリーマ放電、パルスストリーマ放電、及びアーク放電の詳細については後述する。
【００３９】
（従来のＳＩプラグと本発明のプラズマイグナイターとの対比）
従来、ＳＩプラグを使用して混合気に着火する場合において、活性種ラジカルの発生量を増加させるためには、ＳＩプラグのプラグギャップを広げ、放電領域を拡大することで対処していた。これに対して、本発明のプラズマイグナイターの放電部は、図３に示すように、その放電先端１２において陽極先端部１ａと陰極２の間に浮遊電極４を配置し、面状の放電領域を形成している。また、浮遊電極４が配置されたことで、印加するパルス電圧の強弱を調整して段階的にパルス放電を発生させることが可能であるとともに、ＳＩプラグのプラグギャップを広げた場合のように大きな電圧を印加せずとも、確実に着火及び燃焼させることができる。
【００４０】
図１６に示す構成を有する従来の放電部６０に１５ｋＶのパルス電圧を印加した場合、図１７に示すように、発生する単位パルス当りの電力は３ｍＪ／ｐに過ぎず、電流値は３Ａに過ぎない。これに対して、図１４に示す本実施形態の放電部１０に２０ｋＶのパルス電圧を印加すると、図１５に示すように、発生する単位パルス当りの電力は１０ｍＪ／ｐであり、電流値は１０Ａにも達する。即ち、図１４に示すような構成を有する放電部を備えた本発明のプラズマイグナイターを使用すれば、印加したパルス電圧に応じて効率的に活性種ラジカルを多量に含有する非熱平衡プラズマを発生させることができる。
【００４１】
（放電の状態）
図２１は、電極対への電気パルスの印加によって引き起こされる放電の状態を示す模式図である。図２１に示すように、電気パルスのパルス幅が所定の値に達すると、正イオンが陰極８２に衝突する際に放出された２次電子によって新たな正イオンを発生させるグロー放電が引き起こされる。
【００４２】
一方、電気パルスの立ち上がり時の電圧Ｖの上昇率（電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ））が概ね３０〜５００ｋＶ／μｓである場合、陽極８１から陰極８２へ向かうストリーマ８３の成長が始まる。そして、ストリーマ８３の成長は、陽極８１と陰極８２との間に短いストリーマ８３が散点する初期段階で終了する。一方、パルス幅が更に広くなると、ストリーマ８３が本格的に成長し、陽極８１と陰極８２との間に枝分かれした長いストリーマ８３が存在する状態となる。なお、パルス幅が更に拡大すると、局部的な電流集中がおき、最終的にアーク放電が引き起こされる。
【００４３】
上述の説明で、電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）の範囲について「概ね」としているのは、これらは、陽極８１と陰極８２の間隔、陽極８１及び陰極８２の構造等の放電部（点火プラグ）の具体的構成に依存して変化するためである。従って、ファインパルスストリーマ放電となっているか否かは、立ち上がり時の電圧上昇率（ｄＶ／ｄｔ）だけでなく、実際の放電を観察して判断すべきである。
【００４４】
図２２は、ピーク電界強度とピーク電流密度の関係を示すグラフである。放電状態は、通常、パルス幅の長短、温度の高低、電圧の高低、電流の高低、及び気圧の高低の影響を受けて変化する。なお、図２２に示すグラフは、金属電極放電ギャップ：１．５ｍｍ、プラグ陽極面積：φ２ｍｍ、プラグ陰極面積：２×３ｍｍ、圧力：１０気圧、温度：６０℃の条件下で放電を行って作成したものである。図２２に示すように、電極間に電圧を印加していくと、あるピーク電界強度からグロー放電による電流が徐々に流れ始める。更に電圧を高めると、ピーク電流密度が急激に上昇する変曲点（第１変曲点）を経てファインパルスストリーマ放電に移行して、ピーク電流密度の上昇率が大きくなる。更に電圧を高めると、ピーク電界強度が徐々に減少し始める変曲点（第２変曲点）を経てパルスストリーマ放電に移行して、ピーク電流密度は増大する。更に電圧を高めると、ピーク電界強度はほとんど変化せずにピーク電流密度のみが高くなる変曲点（第３変曲点）を経てアーク放電に移行することとなる。
【００４５】
本明細書においては、放電開始から第１変曲点までの間に発生する放電を「グロー放電」、第１変曲点から第２変曲点までの間に発生する放電を「ファインパルスストリーマ放電」、第２変曲点から第３変曲点までの間に発生する放電を「パルスストリーマ放電」、第３変曲点以降に発生する放電を「アーク放電」という。
【００４６】
＜放電部の第二の実施形態＞
図５は、本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第二の実施形態を模式的に示す一部断面図である。図５に示す放電部２０の放電先端１２には、陽極先端部１ａと陰極２の間に複数の浮遊電極２４ａ，２４ｂが配置されている。このように、本発明のプラズマイグナイターにおいては、放電部の放電先端に配置される浮遊電極の数は「１」に限定されず、複数であることも好ましい。即ち、浮遊電極の数を順次増加させることによって、より内容積の広い燃焼室を有する大型のガソリンエンジン等であっても好適に対応することができる。
【００４７】
＜放電部の第三及び第四の実施形態＞
図６は、本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第三の実施形態を模式的に示す一部断面図である。また、図７は、本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第四の実施形態を模式的に示す一部断面図である。図６に示す放電部３０の放電先端１２においては、陽極先端部１ａは基材６により覆われているが、陰極３２の先端及び側面は基材によって覆われておらず、燃焼室内に露出している。また、図７に示す放電部４０の放電先端１２においては、陽極先端部１ａと陰極３２の先端及び側面のいずれも基材によって覆われておらず、燃焼室内に露出している。このように、本発明のプラズマイグナイターにおいては、陽極先端部及び／又は陰極の先端・側面が基材によって被覆されず、燃焼室内に露出していてもよい。これにより、より低電力で金属製の陰極３２から高密度電子を放出させることが可能になるために好ましい。
【００４８】
＜放電部の第五の実施形態＞
図８は、本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第五の実施形態を模式的に示す一部断面図である。図８に示す放電部５０の放電先端１２には、基材４６の端部が凹状に加工されることによって凹部８が形成されている。このように、放電部の放電先端の形状を凹状にすることによって、同径の放電先端を有する放電部を用いた場合に比して放電沿面距離を広く確保することができる。従って、より多くのラジカル放出が可能となり、希薄燃焼効果を向上させることができるために好ましい。
【００４９】
＜放電部の第六の実施形態＞
図９は、本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第六の実施形態を模式的に示す一部断面図である。図９に示す放電部６０の放電先端１２において、陽極先端部２１ａは、陽極２１の軸方向に直交する板状に形成されている。また、放電部６０の後端側（放電先端１２と逆の方向）には、複数の浮遊電極３４ａ，３４ｂ、及び陰極４２が、それぞれ所定の間隔を隔てた状態で配置されている。このように、陽極先端部、浮遊電極、及び陰極を、陽極の軸方向に沿って順次並べる構成とすることも可能であり、より内容積が広い、或いは形状がより複雑な燃焼室を有する大型のガソリンエンジン等であっても好適に対応することができる。他の実施形態では、陽極の棒状部分の棒端を放電端とし、当該棒端を中心として陰極及び浮遊電極の放電寄与部分を同心円状に配置したが、本実施形態では、陽極の板状部分の板端を放電端とし、陰極及び浮遊電極の放電寄与部分を当該板端と一定の距離を保って円周状の延在経路に沿って延在させている。
【００５０】
＜放電部の第七の実施形態＞
図１０及び図１１は、本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第七の実施形態の模式図である。図１１は、放電部７００の放電先端７０２の断面図、図１０は、放電部７００の斜視図である。
【００５１】
図１０及び図１１に示すように、放電先端７０２には、陽極７０４と、アーク放電を抑制する被覆７０６と、陰極７０８と、浮遊電極７１０と、が設けられる。陽極７０４と被覆７０６との複合体（以下では「陽極複合体」という）７１２、陰極７０８及び浮遊電極７１０は、基材７１４により相互に固定される。
【００５２】
放電部７００の放電先端７０２は、軸Ａについての回転対称性を有する。
【００５３】
（陽極７０４）
陽極７０４は、棒状の白金ロジウム合金、タングステン等からなる導電体である。陽極７０４は、軸Ａの位置にあり、軸方向に延在する。
【００５４】
陽極７０４は、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなる被覆７０６で覆われる。被覆７０６は、ポアが少なく不純物の含有量が少ないセラミックスからなることが望ましい。これにより、アーク放電の発生が抑制され、陽極７０４が保護される。被覆７０６は、誘電率が大きく導電率が小さいセラミックスからなることが望ましい。
【００５５】
被覆７０６は、どのように作製してもよいが、陽極７０４の表面に膜状のセラミックス成形体をゲルキャスト法により形成し、膜状のセラミックス成形体を陽極７０４と一体的に焼成することにより作製することが望ましい。
【００５６】
陽極７０４のうち陽極先端部７１６以外の部分はパルス放電の始点にはならない。このため、少なくとも陽極７０４のパルス放電に寄与する放電端となる陽極先端部７１６が被覆７０６に覆われている必要はあるが、陽極７０４の全体が被覆７０６に覆われている必要は必ずしもない。例えば、陽極７０４のうち、基材７１４の表面７１８から突出している部分のみを被覆で覆うことも許される。
【００５７】
陽極７０４は、基材７１４の表面７１８から突出する。これにより、パルス放電の広がりが大きくなる。このことは、効率的な非平衡プラズマの発生に寄与する。
【００５８】
（陰極７０８）
陰極７０８は、筒状部分７２２と扁平環状部分７２４とを備える導電体である。筒状部分７２２は、軸方向に延在し、筒状部分７２２の外面には、イグナイタ部１００に形成されたメネジと螺合するオネジ７２６が形成される。扁平環状部分７２４は、軸Ａと垂直をなし、扁平環状部分７２４には、軸Ａを中心とする丸孔７２８がある。扁平環状部分７２４は、筒状部分７２２の先端側にあり、筒状部分７２２から径方向内側へ向かって延在する。
【００５９】
陰極７０８は、放電部７００のハウジングも兼ね、陰極７０８の内部には、陽極複合体７１２、浮遊電極７１０、基材７１４及びシール７３０が収容される。扁平環状部分７２４の丸孔７２８には、基材７１４に形成された凹部７３２、凹部７３２から突出する陽極複合体７１２及び凹部７３２に露出する浮遊電極７１０が露出する。
【００６０】
陰極７０８のうちパルス放電の終端となりパルス放電に寄与する放電寄与部分７３４は、扁平環状部分７２４の丸孔７２８の端部である。放電寄与部分７３４は、他の実施形態の場合と同様に、陽極先端部７１６から放電部７００の表面（本実施形態では凹部７３２の底）に沿って第１の距離だけ離れた位置にある。
【００６１】
（浮遊電極７１０）
浮遊電極７１０は、筒状部分７３４と扁平環状部分７３６とを備える導電体である。筒状部分７３４は、軸方向に延在する。扁平環状部分７３６は、軸Ａと垂直をなし、扁平環状部分７３６には、軸Ａを中心とする丸孔７３８がある。扁平環状部分７３６は、筒状部分７３４の後端側にあり、筒状部分７３４から径方向外側へ向かって延在する。筒状部分７３４の先端側は、凹部７３２の底に露出する。
【００６２】
浮遊電極７１０のうちパルス放電の終端となりパルス放電に寄与する部分（以下では「放電寄与部分」という）７４０は、筒状部分７３４の先端側である。放電寄与部分７４０は、他の実施形態の場合と同様に、陽極先端部７１６から放電部７００の表面（本実施形態では凹部７３２の底）に沿って第１の距離より短い第２の距離だけ離れた位置にあり、陽極７０４の陽極先端部７１６と陰極７０８の放電寄与部分７３４との間に介在する。
【００６３】
（基材７１４及びシール７３０）
基材７１４は、アルミナ等のセラミックスからなる絶縁体である。基材７１４は、先端側部材７４２と後端側部材７４４とを備える。先端側部材７４２と後端側部材７４４との間隙には、浮遊電極７３４が挟まれる。先端側部材７４２と後端側部材７４４との間隙の浮遊電極７３４がない部分には、シール７３０が充填され、先端側部材７４２、後端側部材７４４、浮遊電極７３４及びシール７３０は、一体化された状態で陰極７０８の内部に収容される。
【００６４】
基材７１４には、軸Ａの位置に軸方向に延在する陽極複合体７１２の収容孔が形成される。基材７１４の先端側には、軸Ａについて回転対称でなめらかな曲面を底面とする凹部７３２が形成される。
【００６５】
＜放電部の第八の実施形態＞
図１２及び図１３は、本発明のプラズマイグナイターに用いられる放電部の第八の実施形態の模式図である。図１２は、放電部８００の放電先端８０２の断面図、図１３は、放電部８００の斜視図である。
【００６６】
図１２及び図１３に示すように、第七の実施形態と同じく、放電先端８０２には、陽極８０４と、アーク放電を抑制する被覆８０６と、陰極８０８と、浮遊電極８１０と、が設けられる。陽極８０４、被覆８０６、陰極８０８及び浮遊電極８１０の形状、材質、配置、製造方法等は、第七の実施形態と同じであるが、被覆８０６が省略される場合もある。陽極８０４と被覆８０６との陽極複合体８１２、陰極８０８及び浮遊電極８１０は、基材８１４により相互に固定される。
【００６７】
放電部８００の放電先端８０２は、軸Ａについての回転対称性を有する。
【００６８】
基材８１４の一部は突出して、陽極８０４と浮遊電極８１０との間にアーク放電が発生することを抑制する誘電体隔壁（誘電体バリア）８５０となる。基材８１４と誘電体隔壁８５０とが別体であってもよい。基材８１４と誘電体隔壁８５０とが別体である場合は、誘電体隔壁８５０も基材８１４に固定される。
【００６９】
誘電体隔壁８５０は、筒形状を有し、軸方向に延在し、陽極８０４（陽極複合体８１２）と浮遊電極８１０との間に配置され、陽極８０４、陰極８０８の筒形状部分８２２及び浮遊電極８１０の筒形状部分８３４と同軸となるように配置される。誘電体隔壁８５０は、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなることが望ましい。
【００７０】
誘電体隔壁８５０は、陽極８０４と浮遊電極８１０との間に配置されればよいが、浮遊電極８１０に接して配置されることが望ましい。これにより、電界の集中度が低い位置に誘電体隔壁８５０が配置され、誘電体隔壁８５０の損傷が抑制される。
【００７１】
誘電体隔壁８５０の先端側は、陽極複合体８１２の先端側（被覆８０６が省略された場合は陽極８０４の先端側）と浮遊電極８１０の先端側とを結ぶ面Ｐ１より突出するとともに、陽極８０４の先端側と陰極８０８の先端側とを結ぶ面Ｐ２に達する。誘電体隔壁８５０の先端側が、面Ｐ２から突出していてもよい。これにより、陽極８０４の陽極先端部８１６から見て浮遊電極８１０の放電寄与部分８４０及び陰極８０８の放電寄与部分８３４が見通し範囲外となり、浮遊電極８１０の放電寄与部分８４０及び陰極８０８の放電寄与部分８３４が陽極８０４の陽極先端部８１６から遮蔽される。このことは、陽極８０４と浮遊電極８１０との間及び陽極８０４と陰極８０８との間にアーク放電が発生することを抑制する。
【００７２】
陽極複合体８１２（被覆８０６が省略された場合は陽極８０４）は、誘電体隔壁８５０に覆われることなく、燃焼室１３０に露出する。したがって、誘電体隔壁８５０には、陽極複合体８１２を露出させる開口８５２がある。開口８５２は、浮遊電極８１０の放電寄与部分８４０及び陰極８０８の放電寄与部分８３４の陽極８０４の陽極先端部８１６からの遮蔽を阻害しない位置、すなわち、開口８５２によって浮遊電極８１０の放電寄与部分８４０及び陰極８０８の放電寄与部分８３４が陽極８０４の陽極先端部８１６から見て見通し範囲内とならないような位置にある。図１２及び図１３に示すように、誘電体隔壁８５０が筒形状を有する場合は、筒の開放された末端が開口８５２となる。
【００７３】
陰極８０８は浮遊電極８１０から誘電体隔壁８５０によって遮蔽されない。
【００７４】
放電部８００が採用された場合は、初期段階においては、陽極８０４と陰極８０８との間に点火電源２００から比較的弱いパルス電圧が印加され、陽極先端部８１６と浮遊電極８１０の間（第一の放電領域Ｄ１）においてパルス放電が発生する。このとき、浮遊電極８１０の放電寄与部分８４０は陽極８０４の陽極先端部８１６から遮蔽されているので、パルス放電はアーク放電になりにくい。このことは、アーク放電による陽極複合体８１２の損傷を抑制しつつ第一の放電領域Ｄ１にストリーマを十分に成長させることを可能にする。
【００７５】
第二段階においては、陽極８０４と陰極８０８との間に点火電源２００から比較的強いパルス電圧が印加され、浮遊電極８１０と陰極８０８との間（第二の放電領域Ｄ２）においてパルス放電が発生する。当該パルス放電は、パルスストリーマ放電又はアーク放電であることが好ましいが、浮遊電極８１０の放電寄与部分８４０は陽極８０４の陽極先端部８１６から遮蔽されているので、第二の放電領域Ｄ２にアーク放電が発生しても第一の放電領域Ｄ１にはアーク放電は発生しにくい。このことは、第一の放電領域Ｄ１にアーク放電を発生させることなく着火を行うことを可能にし、アーク放電により陽極複合体８１２が損傷することも抑制する。なお、第二の放電領域Ｄ２におけるパルス放電と同時に又は第二の放電領域Ｄ２におけるパルス放電から遅れて、第一の放電領域Ｄ１にアーク放電ではない形態の放電が発生していてもよい。
【実施例】
【００７６】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００７７】
（実施例１）
図１４に示す構成を有する放電部１０を、単気筒２５０ｃｃガソリンエンジンに装着した。１８ｋＶの電圧を９回、及び２０ｋＶの電圧を１回のパターンでパルス電圧を印加して混合気に着火し、燃焼させた。放電部にパルス電圧を印加した場合の経時変化を示す模式図を図１８に示す。
【００７８】
（比較例１）
図１６に示す構成を有する放電部６０を、単気筒２５０ｃｃガソリンエンジンに装着した。１３ｋＶの電圧を９回、及び１５ｋＶの電圧を１回のパターンでパルス電圧を印加して混合気に着火し、燃焼させた。放電部にパルス電圧を印加した場合の経時変化を示す模式図を図１９に示す。
【００７９】
（評価結果）
実施例１及び比較例１のいずれの場合であっても、図１８及び図１９に示すように所定箇所に放電領域１５，１７が形成され、混合気に着火及び燃焼させることが可能であった。
【００８０】
図２０は、空燃比（Ａ／Ｆ）に対してＩＭＥＰ変動率（％）をプロットしたグラフである。図２０に示すように、比較例１では、ＩＭＥＰ（平均有効圧）変動率が５％未満の安定領域で点火（運転）可能な最大空燃比（Ａ／Ｆ）は２０であるのに対し、実施例１では、最大空燃比（Ａ／Ｆ）２３まで安定に点火（運転）可能であることが明らかである。
【００８１】
即ち、本発明のプラズマイグナイターによれば、空燃比（Ａ／Ｆ）を大きく設定した混合気に点火して燃焼させる場合であっても、安定した状態でリーン燃焼させることができる。従って、本発明のプラズマイグナイターは、リーンバーンエンジン等の内燃機関として好適であり、燃費の向上、及び排出される二酸化炭素（ＣＯ2）量の低減にも寄与するものである。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明のプラズマイグナイターは、車載用のガソリンエンジン等をはじめとする内燃機関として好適である。
【符号の説明】
【００８３】
１，１１，２１ａ，８１，７０４：陽極、１ａ，１１ａ，７１６：陽極先端部、２，３２，４２，８２，７０８：陰極、４，２４ａ，２４ｂ，３４ａ，３４ｂ，７１０：浮遊電極、６，２６，３６，４６，５６，７１４：基材、８，７３２：凹部、１０，２０，３０，４０，５０，６０，７００：放電部、１２，７０２：放電先端、１４：絶縁碍子、１５，１７：放電領域、１６：ターミナル、１８：主体金具、２２：ネジ部、２５，３５，８３：ストリーマ、５１：第一の放電領域、５２：第二の放電領域、１００：イグナイター部、１１０：吸気管、１２０：排気管、１３０：燃焼室、１４０：ピストン、１５０：シリンダ、１６０：吸気バルブ、１７０：排気バルブ、２００：点火電源
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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