(57)【要約】【課題】誘電体を介して配設された中心電極と接地電極との間に高周波の電界を作用させ、ストリーマ放電を発生させて、燃焼室内に導入した混合気の着火を行う点火装置において、安定した着火と、耐久性の向上の両立を図る。【解決手段】点火プラグ６が  誘電体２の先端にその一部が接地電極３０から燃焼室９０の内側に突出する誘電体放電部２０と、接地電極３０と誘電体放電部２０との間に環溝状に区画した放電空間４と、を具備し、交流電源７からの交流電圧の印加により、放電空間４内に誘電体放電部２０の表面を這うように形成される沿面ストリーマ放電を発生させる。【選択図】図１
2015181088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関（９）に設けられ、柱状の中心電極（１）と、該中心電極の側面を覆う筒状の誘電体（２）と、該誘電体を収容保持する筒状のハウジング（３）と、該ハウジングの先端に延設され前記内燃機関の燃焼室に臨む環状の接地電極（３０）とを有する点火プラグ（６、６ａ〜６ｅ）と、
前記中心電極と前記接地電極との間に所定の周波数と所定の尖頭値を有する交流電圧を印加する交流電源（７、７ｆ、７ｇ）と、を具備し、
前記交流電源からの交流電圧の印加により、前記誘電体で覆われた前記中心電極と前記接地電極との間に高周波電界を作用させて、ストリーマ放電を発生させて上記内燃機関に設けた燃焼室（９０）内に導入した混合気の点火を行う点火装置であって、
前記点火プラグが
前記誘電体の先端にその一部が前記接地電極から前記燃焼室の内側に突出する誘電体放電部（２０）と、
前記接地電極と前記誘電体放電部との間に環溝状に区画した放電空間（４）とを具備し、
前記交流電源からの交流電圧の印加により、前記前記放電空間内に前記誘電体放電部の表面を這うように形成される沿面ストリーマ放電を発生させることを特徴とする点火装置（８、８ａ〜８ｅ）
【請求項２】
前記交流電源からの交流電圧の印加により、前記沿面ストリーマ放電を前駆として前記中心電極の先端に設けられ前記誘電体放電部の先端から露出せしめた中心電極放電部（１０）の先端と前記接地電極との間で前記誘電体放電部の表面を這うように形成される沿面アーク放電を発生させる請求項１に記載の点火装置（８、８ａ〜８ｇ）
【請求項３】
前記誘電体放電部が前記接地電極から突出する誘電体放電部突出長さ（Ｌ２０）を、前記誘電体放電部の肉厚（Ｔ２０）より長く設定した請求項１又は２に記載の点火装置（８、８ａ〜８ｇ）
【請求項４】
前記中心電極放電部の先端から、前記内燃機関を構成するピストン（９２）が上死点に達したときの頂面までの距離（Ｈ２０）を、少なくとも、前記中心電極放電部の先端から前記接地電極までの直線距離よりも長く設定した請求項１ないし３のいずれかに記載の点火装置（８、８ａ〜８ｇ）
【請求項５】
前記内燃機関の燃焼条件が希薄燃焼領域のときには、沿面ストリーマ放電から沿面アーク放電への移行を実施し、前記内燃機関の燃焼条件がストイキ燃焼領域のときには、沿面ストリーマ放電を維持する請求項１ないし４のいずれかに記載の点火装置（８、８ａ〜８ｇ）
【請求項６】
前記沿面ストリーマ放電から沿面アーク放電への移行を実施する場合には、前記交流電源からの周波数を１ＭＨｚより低くし、沿面ストリーマ放電を維持する場合には、前記交流電源からの周波数を１ＭＨｚ以上とする請求項１ないし５のいずれかに記載の点火装置（８、８ａ〜８ｇ）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電圧の印加により発生させたストリーマ放電を利用して内燃機関の点火を行う点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の点火には、軸状に伸びる中心電極と、その外周を覆う筒状の絶縁碍子と、これらを収容保持する筒状のハウジングと、その先端に延設した接地電極とからなる点火プラグと、点火プラグに高電圧を印加する直流高電圧電源とを具備して、直流高電圧の印加により中心電極の先端と所定の放電ギャップを隔てて対向する接地電極との間にアーク放電を発生させて、内燃機関の燃焼室に導入した混合気の着火をする点火装置が広く用いられている。
【０００３】
近年、従来の点火装置では着火が困難な、過給気エンジンや超希薄燃焼エンジン等の難着火性の内燃機関において、着火性の向上を図るべく、点火プラグに高周波の電気エネルギを印加して発生させたコロナ放電によって、混合気中に荷電粒子を発生させ着火性の向上を図ろうとする技術について種々提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、一対の電極間にパルスを印加して放電を発生させる放電装置において、１以上の高エネルギのパルスを印加して放電破壊を促進させる第１制御部と、放電破壊が実現した後に先のパルスよりも低エネルギの２パルスを２以上印加して、放電破壊を維持させるように制御する第２制御部とを有することを特徴とする放電装置が開示されている。
【０００５】
一方、燃焼室内に強い筒内気流を発生させて混合気の攪拌を促進し、火炎の成長速度の向上を図っている。このような場合、強い筒内気流によって点火プラグに発生したアーク放電が引き延ばされて、放電距離が長くなると放電電圧の上昇を招き、放電維持が困難となる虞がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１３８００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、特許文献１にあるような従来の放電装置では、絶縁破壊のために初期には大きなエネルギを投入し、放電が開始された後は、供給エネルギを下げて放電の維持を図っているため、アーク放電の引き延ばしによって放電電圧が上昇しても、放電電圧の上昇に耐えるだけのエネルギを供給することができなくなり、アーク放電が途切れる「吹き消え現象」を招き、失火に至る虞がある。
【０００８】
さらに、ストリーマ放電では、いわゆる低温プラズマが発生するため、電極の消耗を伴わないが、アーク放電では、いわゆる高温プラズマが発生し、電極の消耗を伴うおそれがある。
【０００９】
一方、内燃機関が低負荷、低回転の場合には希薄燃焼を行い、高負荷、高回転の場合には、ストイキ燃焼とすることで、さらなる燃費の低減を図ると期待できる。
希薄燃焼領域では、難着火性であるので、アーク放電によって確実な点火を図ると共に、ストイキ燃焼領域では、易着火性であるので、ストリーマ放電によって点火を図ると共に、電極の消耗を抑制できると考えられ、燃焼条件によって、ストリーマ放電とアーク放電との切換ができれば、点火プラグの耐久性向上も期待できる。
【００１０】
そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、交流電圧の印加により発生したストリーマ放電を利用して内燃機関の点火を行う点火装置において、燃焼室内に強い筒内気流が発生している場合でも、安定した着火が実現可能で、しかも、耐久性にも優れた点火装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の点火装置（８、８ａ〜８ｇ）は、内燃機関（９）に設けられ、柱状の中心電極（１）と、該中心電極の側面を覆う筒状の誘電体（２）と、該誘電体を収容保持する筒状のハウジング（３）と、該ハウジングの先端に延設され前記内燃機関の燃焼室に臨む環状の接地電極（３０）とを有する点火プラグ（６、６ｃ〜６ｇ）と、前記中心電極と前記接地電極との間に所定の周波数と所定の尖頭値を有する交流電圧を印加する交流電源（７、７ａ、7ｂ）と、を具備し、前記交流電源からの交流電圧の印加により、前記誘電体で覆われた前記中心電極と前記接地電極との間に高周波電界を作用させて、ストリーマ放電を発生させて上記内燃機関に設けた燃焼室（９０）内に導入した混合気の点火を行う点火装置であって、前記点火プラグが  前記誘電体の先端にその一部が前記接地電極から前記燃焼室の内側に突出する誘電体放電部（２０）と、前記接地電極と前記誘電体放電部との間に環溝状に区画した放電空間（４）とを具備し、前記交流電源からの交流電圧の印加により、前記放電空間内に前記誘電体放電部の表面を這うように形成される沿面ストリーマ放電を発生させることを特徴とする。
【００１２】
第２の発明では、前記交流電源からの交流電圧の印加により、前記沿面ストリーマ放電を前駆として前記中心電極の先端に設けられ前記誘電体放電部の先端から露出せしめた中心電極放電部（１０）の先端と前記接地電極との間で前記誘電体放電部の表面を這うように交流アーク放電を発生させる。
【００１３】
第３の発明では、前記誘電体放電部が前記接地電極から突出する誘電体放電部突出長さ（Ｌ２０）を、前記誘電体放電部の肉厚（Ｔ２０）より長く設定する。
【００１４】
第４の発明では、前記中心電極放電部の先端から、前記内燃機関を構成するピストン（９２）が上死点に達したときの頂面までの距離（Ｈ２０）を、少なくとも、前記中心電極放電部の先端から前記接地電極までの直線距離よりも長く設定する。
【００１５】
第５の発明では、前記内燃機関の燃焼条件が希薄燃焼領域のときには、沿面ストリーマ放電を前駆として交流アーク放電への移行を実施し、前記内燃機関の燃焼条件がストイキ燃焼領域又はリッチ燃焼領域のときには、沿面ストリーマ放電を維持する。
【００１６】
第６の発明では、前記沿面ストリーマ放電を前駆として交流アーク放電への移行を実施する場合には、前記交流電源の交番周波数を４００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下に設定し、沿面ストリーマ放電を維持する場合には、前記交流電源の交番周波数を１ＭＨｚより高く設定し、若しくは、４００ｋＨｚより低く設定する。
【００１７】
第７の発明では、前記沿面ストリーマ放電を前駆として交流アーク放電への移行を実施する場合には、前記交流電源のピークピーク電圧ＶＰＰを２５ｋＶ以上に設定し、沿面ストリーマ放電を維持する場合には、前記交流電源のピークピーク電圧ＶＰＰを２５ｋＶよりも低く設定する。
【００１８】
第８の発明では、前記内燃機関の燃焼室内に導入する混合気の空燃比を検出する空燃比センサを具備し、該空燃比センサの検出結果と所定の空燃比閾値との比較により前記沿面ストリーマ放電を前駆とする前記交流アーク放電の要否を判定して、前記沿面ストリーマ放電と前記交流アーク放電との切換を実施する。
【００１９】
第９の発明では、前記内燃機関の運転状況に応じた目標空燃比を予め設定したマップデータを具備し、該マップデータから取得した目標空燃比に応じて前記沿面ストリーマ放電を前駆とする前記交流アーク放電の要否を判定して、前記沿面ストリーマ放電と前記交流アーク放電との切換を実施する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、比較的低い電圧によって沿面ストリーマ放電を発生させ、前記放電空間内に荷電粒子を発生させ、燃焼室内の混合気の着火性を向上させることができる。
【００２１】
さらに、前記交流電源から所定のピークピーク電圧以上、若しくは、所定の周波数範囲の交流電圧の印加を継続することによって沿面ストリーマ放電を前駆として交流アーク放電に移行させることができ、前記接地電極と前記中心電極との間で軸方向に長く伸びる沿面アーク放電によって安定した混合気の着火を実現できる。      
【００２２】
また、内燃機関の運転条件に応じて、低温プラズマを発生する沿面ストリーマ放電による混合気の着火と高温プラズマを発生する交流アーク放電による混合気の着火とを使い分けることが可能となり、電極の消耗を抑制した耐久性の高い点火装置を実現することができる。
【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８の概要を示す半断面図
【図２Ａ】図１の点火装置８の二次電圧波形を示す特性図
【図２Ｂ】図１の点火装置８の効果を示し、沿面ストリーマ放電の様子を示す断面模式図
【図２Ｃ】図２Ｂに続く沿面アーク放電の様子を示す断面模式図
【図３Ａ】燃焼室内に気流が発生している場合の効果を示す特性図
【図３Ｂ】燃焼室内に気流が発生している場合の様子を示す断面模式図
【図４】比較例と共に本発明の効果を示す特性図
【図５Ａ】本発明の点火装置の制御方法の一例を示す特性図
【図５Ｂ】本発明の点火装置の電源周波数及び交流電圧尖頭値と放電状態との関係を示す特性図
【図６Ａ】本発明の第２の実施形態における点火装置８ａの概要を示す構成図
【図６Ｂ】図６Ａの点火装置８ａに用いられる放電切換手段の概要を示すフローチャート
【図７Ａ】本発明の第３の実施形態における点火装置８ｂの概要を示す構成図
【図７Ｂ】図７Ａの点火装置８ｂに用いられる放電切換手段の概要を示すフローチャート
【図８Ａ】沿面ストリーマ放電から交流アーク放電への切換を実施した場合の二次電圧波形を示す特性図
【図８Ｂ】放電電圧尖頭値によって交流アーク放電への移行を制限した場合の二次電圧波形を示す特性図
【図８Ｃ】交流電源の交番周波数によって交流アーク放電への移行を制限した場合の二次電圧波形を示す特性図
【図９Ａ】本発明の第４の実施形態における点火装置８ｃの概要とその効果を示し、沿面ストリーマ放電の様子を示す断面模式図
【図９Ｂ】図９Ａに続く沿面アーク放電の様子を示す断面模式図
【図１０Ａ】本発明の第５の実施形態における点火装置８ｄの要部断面図
【図１０Ｂ】図７Ａ中Ｂ方向からみた平面図
【図１１】本発明の第６の実施形態における点火装置８ｅの要部断面図
【図１２】本発明の第７の実施形態における点火装置８ｆの要部断面図
【図１３】本発明の第８の実施形態における点火装置８ｇの要部断面図
【図１４】比較例として示す従来の点火装置８ｚの概要を示す要部断面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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８の概要について説明する。
本発明の点火装置８は、内燃機関９のエンジンヘッド９１に先端が燃焼室９０内に露出するように設けた点火プラグ６と、点火プラグ６に所定の周波数の交流電圧を印加する交流電源７によって構成されている。
内燃機関９は、いわゆるレシプロエンジンであり、エンジンヘッド９１と図略のシリンダとのシリンダ内を昇降可能に収容したピストン９２とによって燃焼室９０を区画し、燃焼室９０内に導入した混合気の燃焼膨張力によりピストン９２を押し下げ動力を発生する。
【００２５】
点火装置８は、内燃機関９の運転状況に応じて、交流電源７から印加する交流電圧の周波数ｆ、印加時間ＴＩＧ、尖頭値ＶＰＰのいずれか又はこれらを組み合わせて切り換えることにより、沿面ストリーマ放電と沿面アーク放電との切換が可能となっている。
本発明の要部である点火プラグ６は、柱状に伸びる中心電極１と、中心電極１の外周を覆う筒状の誘電体２と、誘電体２を収容保持する筒状のハウジング３と、ハウジング３に延設した環状の接地電極３０と、接地電極３０と誘電体２との間に区画した環溝状の放電空間４と、誘電体２とハウジング３との気密を保持する封止部材５とによって構成されている。
【００２６】
中心電極１は、鉄、ニッケルや、これらの合金等の、耐熱性、導電性に優れた金属材料からなり柱状に形成されている。
中心電極１は、中心電極放電部１０、中心電極連結部１１、中心電極中軸部１２、中心電極端子部１３によって構成されている。
中心電極放電部１０には、銅等の高導電性材料を組み合わせて用いても良い。
なお、本実施例においては、製造が容易となるように、中心電極放電部１０、中心電極連結部１１、中心電極中軸部１２、中心電極端子部１３を別体で構成しているが、これに限定するものではない。
また、中心電極連結部１１に雑音防止抵抗を持たせるなどしても良い。
【００２７】
中心電極連結部１１は、銅等の導電性材料を、ガラス中に分散させた導電性接着剤を用いて中心電極放電部１０と中心電極中軸部１２との電気的な接続を図ると共に、誘電体２と中心電極１との気密性を確保している。
中心電極放電部１０の先端は、誘電体２の先端側から露出している。
中心電極端子部１３は、誘電体２の基端側から露出して設けられている。
なお、中心電極放電部１０が誘電体２の先端から露出する部分にイリジウムや白金等の貴金属耐熱部材を用いても良い。
【００２８】
誘電体２は、アルミナ、ジルコニア等の高耐熱性の絶縁セラミック材料を用いて、筒状に形成されている。
誘電体２は、中心電極１の外周を覆い、中心電極１とハウジング３及び接地電極３０との電気絶縁性を確保している。  
誘電体２の基端側からは、中心電極端子部２３が露出し、交流電源７に接続されている。
誘電体２の内周表面が中心電極１の外周表面と接する位置には、中心電極１の表面との間でストリーマ放電が起こらないよう、図略の金属膜を形成し、誘電体２の外周表面と中心電極１の内周表面とが弾性的に当接して密着状態となっている。
【００２９】
誘電体２は、誘電体放電部（細径部）２０と、誘電体径変部２１と、誘電体胴部（中径部）２２と、誘電体係止部（大径部）２３と、誘電体頭部（コルゲート部）２４とによって構成されている。
誘電体放電部２０は、誘電体胴部２２よりも細径の筒状に形成され、燃焼室９０に露出している。
【００３０】
また、誘電体放電部２０の一部が接地電極３０から燃焼室９０内に突出している。
誘電体胴部２２の基端側には、径大となり、鍔状に張り出した誘電体拡径部２３が形成され、公知の封止部材５を介してハウジング３によって加締め固定されている。
誘電体係止部２３の基端側には、ハウジング３から露出する誘電体頭部２４が形成されている。
誘電体頭部２４の一部にコルゲート部を設けて沿面距離を長くして、中心電極端子部１３とハウジング３との間での沿面放電の発生を防止するようにしても良い。
接地電極３０の内周面と誘電体放電部２０の内周面と誘電体径変部２１の内周面とで環状の放電空間４が区画されている。放電空間４は燃焼室９０に連通している。
なお、放電空間４の容積は１０ｍｍ３以下とするのが望ましい。  放電空間４の容積が大きくなると、沿面ストリーマ放電で発生した荷電粒子が燃焼室９０内に放出されず、放電空間４内にとどまり、着火性向上に寄与しないおそれがある。
【００３１】
放電空間４の底面は、金属製のハウジング３の一部を誘電体放電部２０に向かって張り出させるのではなく、誘電体径変部２１の内周面によって構成されるのが望ましい。
なお、本発明においては、誘電体放電部２０が接地電極３０から燃焼室９０内に突出する誘電体放電部突出長さＬ２０は、誘電体放電部２０の肉厚Ｔ２０よりは長く（具体的には、１ｍｍ以上）、１０ｍｍ以下とするのが望ましい。
また、中心電極放電部１０の先端から、上死点におけるピストン９２の頂面までの距離Ｈ２０は、少なくとも、中心電極放電部１０の先端から接地電極３０までの直線距離よりも十分長くするのが望ましい（具体的には、１０ｍｍ以上）。
【００３２】
ハウジング３は、鉄、ニッケル、これらの合金、ステンレス等の公知の耐熱性金属材料が用いられ、筒状に形成されている。
本実施形態におけるハウジング３は、接地電極３０と、側面電極部３１と、ネジ部３２と、ハウジング径変部３３と、ハウジング胴部３４と、加締め部３５と、六角部３６とによって構成されている。
ハウジング３は、誘電体２に保持された中心電極１の先端を燃焼室９０の所定位置に保持するとともに、ハウジング３の先端に延設した環状の接地電極３０をエンジンヘッド９１に接地状態としている。
【００３３】
接地電極３０は、ハウジング３の先端において内燃機関９の燃焼室９０に臨むように設けられ、環状に形成されている。
接地電極３０は、一定の間隙を隔てて誘電体放電部２０の外周表面を取り囲んでいる。
接地電極３０の基端側に延設して筒状の側面電極３１が形成されている。
【００３４】
側面電極３１の内側には、誘電体胴部２２が収容されている。
側面電極３１の外周には、点火プラグ６を内燃機関９のエンジンヘッド９１に螺旋締め固定するためのネジ部３２が形成されている。
側面電極３１の基端側に延設して、筒状のハウジング胴部３４が形成され、内側に誘電体２の拡径部２３を収容している。
側面電極３１とハウジング胴部３４との間には、先端側に向かって縮径するハウジング径変部３３が設けられ、誘電体拡径部２３の先端側面が係止されている。
【００３５】
誘電体拡径部２３が、封止部材５を介して、ハウジング径変部３３と加締め部３５とによって挟持されている。
さらに、タルク等の粉末充填部材５１や金属製パッキン等のシール部材５０、５２等からなる公知の封止部材５を介して、加締め部３５によって、誘電体拡径部２３に軸力を作用させ、誘電体２を気密に保持している。
ハウジング胴部３４の外周には、ネジ部３２をエンジンヘッド９１に螺結するための六角部３６が形成されている。
【００３６】
交流電源７は、公知の正弦波発振器と昇圧トランスとを組み合わせたものを用いることができる。
交流電源７は、所定の周波数と所定の尖頭値電圧を有する交流電圧を発生し、誘電体２によって絶縁された中心電極１と接地電極３０との間に高周波電界を作用させて、接地電極３０及び側面電極３１の表面から中心電極放電部１０の先端に向かって誘電体２の表面を這うように伸びる沿面ストリーマ放電を発生させ、一定の条件下では、交流アーク放電に移行させることができる。
第１の実施形態における交流電源７は、発生する交流電圧及び交番周波数を一定の条件とし、放電空間のインピーダンス変化によって、沿面ストリーマ放電から交流アーク放電への移行が決定される構成となっている。
【００３７】
図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃを参照して、図１の点火装置８の作動について説明する。
交流電源７から、１ＭＨｚ以下の周波数で、尖頭値（ピークピーク電圧とも称する。）ＶＰＰが２５ｋＶの交流電圧Ｖ２を発生させ、沿面放電プラグ６に印加したときの波形を図２Ａに示す。
図２Ａに示すように、点火信号ＩＧｔの立ち上がりに同期して交流電源７からの交流電圧の印加が開始され、尖頭値ＶＰＰが１０ｋＶを超えた当たりから、図２Ｂに示すように、放電空間４内において、側面電極３１及び接地電極３０の表面から、誘電体放電部２０の表面に向かって伸びるように沿面ストリーマ放電が発生し、沿面ストリーマ放電の周辺には、荷電粒子が生成される。
このとき、側面電極３１及び接地電極３０と誘電体放電部２０を介して対向する中心電極放電部１０の側面との間に形成された電界によって、誘電体放電部２０の表面に電荷が集まるため発生したストリーマ放電は、誘電体放電部２０の表面を這うように進展する。
【００３８】
誘電体放電部２０の表面を這うように進展した沿面ストリーマ放電の一部が中心電極放電部１０の先端に到達すると図２Ｃに示すように、接地電極３０の内周縁と中心電極放電部１０の先端側面との間に沿面アーク放電（交流アーク放電とも称する。）が形成される。
図２Ａに示すように、ストリーマ放電の期間は高電圧が必要とされるが、数サイクル後に放電経路が形成され沿面アーク放電に移行した後は、低い印加電圧でも放電が維持できる。
本実施例のように正弦波発振器とトランスを組み合わせた交流電源を用いた場合、交流電源に外部から条件変更の制御を加えなくとも、インピーダンスの変化により印加電圧は自動的に減少する。
【００３９】
図２Ｂに示した沿面ストリーマ放電によって発生した荷電粒子は、燃焼室９０内の混合気の反応性を高め、図２Ｃに示すように、接地電極３０と中心電極放電部１０との間に極めて長い沿面アーク放電が形成されるために、混合気に容易に着火することができる。
また、本発明の点火装置８では、交流電源７から交流電圧を印加している間は沿面アーク放電を発生し続けることができるため、従来に比べて遙かに長い期間、混合気に着火エネルギを与えることができ、超希薄な混合気への着火や、燃焼室９０内に強い筒内気流が発生していても確実に点火を実現することができる。
【００４０】
図３Ａ、図３Ｂを参照して、燃焼室９０内に強い筒内気流が生じている場合における本発明の効果について説明する。
沿面アーク放電が筒内気流によって引き延ばされると、図３Ｂに示すように放電距離が長くなる。
このとき、図３Ａに示すように、筒内気流ＴＭＢによって放電距離が引き伸ばされて沿面アーク放電発生時の放電電圧が徐々に上昇し、一定の電圧（例えば、尖頭値ＶＰＰで２５ｋＶ）を超えると沿面アーク放電の維持が困難となるおそれがある。
しかし、一旦沿面アーク放電が途切れても、交流電源７から交流電圧が印加されている限り直ちに沿面ストリーマ放電が開始され、再度、沿面アーク放電に移行する、
放電距離の引き伸ばしによって放電電圧が上昇しても一定の電圧範囲（例えば、尖頭値ＶＰＰで２５ｋＶ以下）であれば、沿面アーク放電は途切れることなく維持される。
本実施形態における交流電源７を用いた場合には、二次電圧Ｖ２の変化を検出せずとも、放電空間のインピーダンスの変化によって自動的に一定の放電電圧が維持される。
【００４１】
図４を参照して、本発明の効果を説明する。また、図１５に示す従来の点火装置８ｚを用いた場合を比較例として示す。
従来の火花点火プラグ６ｚに、―３０ｋＶの直流電圧を印加して、中心電極１ｚと接地電極３０ｚとの間に気中アーク放電を発生させて、混合気の点火を行った場合には、図４中に比較例として示すように、希薄限界空燃比は２３であった。
一方、図１の点火装置８を用いて、交流電源７から、周波数４００ＭＨｚを下回る周波数で尖頭値ＶＰＰ２５ｋＶ（ピーク値ＶＰ１２．５ｋＶ）の交流電圧を印加して、沿面ストリーマ放電を維持した場合には、図４中に実施例１として示すように、希薄限界空燃比は２４であった。
実施例２として示すように、図１の点火装置８を用いて、交流電源７から、周波数４００ＭＨｚ以上、１ＭＨｚ以下、尖頭値ＶＰＰ２５ｋＶ（ピーク値ＶＰ１２．５ｋＶ）の交流電圧を印加し、交流アーク放電を発生させて点火を行った場合には、図４中に実施例２として示すように希薄限界空燃比は２８であった。
本発明の点火装置８を用いることにより、従来の点火装置よりも希薄な混合気の着火が可能であることが確認された。
【００４２】
図５Ａ、図５Ｂを参照して、本発明の点火装置の制御方法について説明する。
内燃機関９の回転速度と負荷とによって、希薄燃焼領域と、ストイキ燃焼領域とに分けた燃焼制御を実施する場合に、図５Ａに示すように、希薄燃焼領域においては、難着火性となるため、沿面ストリーマ放電を前駆として、沿面アーク放電への移行を実施し、ストイキ燃焼領域では、易着火性となるため、沿面ストリーマ放電のみを発生させる。
希薄燃焼領域においては、燃焼室９０内に導入した混合気が希薄であっても、中心電極放電部１０の先端と接地電極３０の内周縁との間に発生させた極めて長い沿面アーク放電を、長期間（例えば、１ｍｓ）に亘って作用させることが可能であるので安定した着火が実現できる。
ストイキ燃焼領域では、放電空間４内において発生させた荷電粒子を燃焼室９０内に導入した混合気と反応させて体積着火を実施する。
沿面ストリーマ放電から沿面アーク放電への移行を確実にするためには、交流電源７から印加される交流電圧の周波数ｆは４００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下とするのが望ましく、尖頭値ＶＰＰは、２５ｋＶ以上、５０ｋＶ以下とするのが望ましい。
【００４３】
また、図５Ｂに示すように、交流電圧の周波数ｆを１ＭＨｚを超える周波数とするか、４００ｋＨｚを下回る周波数とすることで、沿面ストリーマ放電を維持することもでき、周波数ｆを４００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下とすることで、意図的に沿面ストリーマ放電を沿面アーク放電に移行させることもできる。
本実施形態においては、内燃機関の運転状態に応じて、沿面アーク放電を実施するか、沿面ストリーマ放電を実施するかの条件を設定してしまえば、放電開始後は、インピーダンスの変化によって、自然に一定の尖頭値ＶＰＰに維持されるので、放電中に放電電圧や放電周期を切り換えるための制御手段を設けなくても良い。
また、スイッチングによって沿面ストリーマ放電を沿面アーク放電に移行させないようにすることも可能である。
本発明者等の鋭意試験により、
（１）交流電圧の尖頭値ＶＰＰを５ｋＶ以上とすることで、吹き消えを防止できること、（２）尖頭値ＶＰＰを２５ｋＶ以上とし、周波数ｆを４００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下とすることで、交流アーク放電への移行を意図的に安定して行うことができること、
（３）尖頭値ＶＰＰを５ｋＶ以上、２５ｋＶよりも低くすることで、周波数によらず、沿面ストリーマ放電を維持することができること、
（４）尖頭値ＶＰＰを２５ｋＶ以上で固定しても、交番周波数ｆを４００ｋＨｚより低く、又は、１ＭＨｚよりも高くすることで、沿面ストリーマ放電を維持できることが判明した。
このことから、図５Ａに示した運転条件に対して、任意に沿面ストリーマ放電と交流アーク放電とを切り換えることで、安定した着火と耐久性の向上との両立を図ることが可能となる。
以下、より具体的な交流電源７の制御方法に係る、本発明の第２、第３の実施形態における点火装置８ａ、８ｂについて説明する。
【００４４】
図６Ａ、図６Ｂを参照して、本発明の第２の実施形態における点火装置８ａについて説明する。なお、以下の実施形態において、前記実施形態と同じ構成については、同じ符号を付し、それぞれの実施形態の特徴的な部分については、アルファベットの枝番を付したので、前期実施形態と共通する部分の説明を省略し、それぞれの実施形態における特徴を中心に説明する。
【００４５】
本実施形態においては、交流電源７ａを、被制御部７０ａと制御部７１ａとによって構成し、制御部７１ａによって、交流電源７ａから供給する交流電圧の周波数ｆ（Ｈｚ）、及び／又は、尖頭値ＶＰＰ（ｋＶ）を運転状況に応じて切換可能としている。
本実施形態における制御部７１ａでは、エンジン回転数ＮＥ（ｒｐｍ）とエンジン負荷ＴＱ（Ｎｍ）とに対する目標空燃比を予め設定したマップを用意し、エンジン回転数ＮＥ、エンジン水温ＴＷ、クランク角ＣＡ、燃焼室圧力ＰＳＹＬ、アクセル開度ＴＨＬ等の一般的に内燃機関の運転状況を検出するための各種センサＳＥＮからの運転状況パラメータＩＮＦに基づいて、目標空燃比ＴＡＦを取得する。
制御部７１ａにおいて、図６Ｂに示すような制御フローにしたがって、被制御部７０ａから点火プラグ６に印加される交流電圧の交番周波数ｆ、電圧尖頭値ＶＰＰが決定される。
【００４６】
図６Ｂに示す、制御フローについて説明する。
ステップＳ１００の目標空燃比取得行程では、要求されるエンジンの回転数及び負荷から、予め用意されたマップに基づいて目標空燃比ＴＡＦが取得される。
次いで、ステップＳ１１０の放電方法決定行程では、目標空燃比ＴＡＦと所定の目標空燃比閾値Ｔｈとの比較が行われる。
ステップＳ１１０において、目標空燃比ＴＡＦが所定の閾値Ｔｈ以下の場合、即ち、ストイキ領域又はリッチ領域においては、判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ１２０に進み、所定の閾値Ｔｈを上回る場合、即ちリーン領域においては、判定Ｎｏとなり、ステップＳ１３０に進む。
ステップＳ１２０の沿面ストリーマ放電実施行程では、沿面ストリーマ放電を実施するための交流電圧尖頭値ＶＰＰ、交番周波数ｆが設定される。
具体的には、尖頭値ＶＰＰを５ｋＶ以上、２５ｋＶよりも低くするか、尖頭値ＶＰＰを２５ｋＶ以上の一定値に固定し、交番周波数ｆを４００ｋＨｚより低く、又は、１ＭＨｚよりも高くする。
ステップＳ１３０の交流アーク放電実施行程では、尖頭値ＶＰＰを２５ｋＶ以上とし、周波数ｆを４００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下とすることで、交流アーク放電への移行を行う。
なお、交流電源７ａから点火プラグ６への交流電圧の印加は、内燃機関の運転状況に応じて図略のエンジン制御装置（ＥＣＵ）から発信された点火信号ＩＧｔに従って、図２Ａ等に示したように、点火信号ＩＧｔがオンとなっている間継続される。
点火信号ＩＧｔがオフとなると放電を終了し、ステップＳ１００に戻り、次の点火時期にステップＳ１００〜Ｓ１３０のループを繰り返す。
【００４７】
図７Ａ、図７Ｂを参照して本発明の第３の実施形態における点火装置８ｂについて説明する。
本実施形態においては、内燃機関９の燃焼排気流路７３に公知の空燃比センサ７２ｂを設け、燃焼排気７４中に含まれるガス成分から実際の空燃比Ａ／Ｆを検出し、その結果を空燃比出力ＶＡＦとして、制御部７１ｂに入力し、実際に検出された空燃比を閾値判定して、被制御部７０ｂから点火プラグ６への交流電圧の印加条件(交番周波数ｆ及び／又は尖頭値ＶＰＰ)が決定される。
本実施形態では、予め設定した目標空燃比ＴＡＦではなく、実際に検出された空燃比Ａ/Ｆから、沿面ストリーマ放電と交流アーク放電との切換が行われる。
【００４８】
本実施形態における制御方法では、ステップＳ２００の空燃比出力取得行程では、Ａ／Ｆセンサ７２ｂによって検出された空燃比出力ＶＡＦが取得される。
次いで、ステップＳ２１０の放電方法決定行程では、空燃比出力ＶＡＦと所定の空燃比出力閾値ＶＴｈとの比較が行われる。
ステップＳ２１０において、実際の空燃比出力ＶＡＦが所定の閾値ＶＴｈ以下の場合、即ち、ストイキ領域又はリッチ領域においては、判定Ｙｅｓとなり、ステップＳ２２０に進み、所定の閾値ＶＴｈを上回る場合、即ちリーン領域においては、判定Ｎｏとなり、ステップＳ２３０に進む。
ステップＳ２２０の沿面ストリーマ放電実施行程では、沿面ストリーマ放電を実施するための交流電圧尖頭値ＶＰＰ、交番周波数ｆが設定される。
具体的には、尖頭値ＶＰＰを５ｋＶ以上、２５ｋＶよりも低くするか、尖頭値ＶＰＰを２５ｋＶ以上の一定値に固定し、交番周波数ｆを４００ｋＨｚより低く、又は、１ＭＨｚよりも高くする。
ステップＳ２３０の交流アーク放電実施行程では、尖頭値ＶＰＰを２５ｋＶ以上とし、周波数ｆを４００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以下とすることで、交流アーク放電への移行を行う。
点火信号ＩＧｔがオフとなると放電を終了し、ステップＳ２００に戻り、次の点火時期にステップＳ２００〜Ｓ２３０のループを繰り返す。
実際の空燃比を基準とすることで、より正確に点火条件を設定することが可能となる。
【００４９】
図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃを参照して、本発明の効果について説明する。
図８Ａに示すように、交流電源７ａ又は交流電源７ｂから、４００ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下の一定の周波数ｆで、所定の交流電圧尖頭値ＶＰＰ（例えば、２５ｋＶ以上）の交流電圧が点火プラグ６に印加されると、速やかに、沿面ストリーマ放電が開始され、二次電圧Ｖ２は徐々に上昇し、ＶＰＰが２５ｋＶを超えると、交流アーク放電に移行することが確認された。
交流アーク放電移行後は、放電空間４のインピーダンスが低くなり、尖頭値ＶＰＰが、ほぼ一定の範囲に維持される。
図８Ｂに示すように、交流電圧尖頭値ＶＰＰを５ｋＶ以上、２５ｋＶよりも低く抑制した場合には、交流アーク放電に移行せず、沿面ストリーマ放電を維持することができることが確認された。
一方、図８Ｃに示すように、交流電圧尖頭値ＶＰＰを２５ｋＶ以上で固定した場合であっても、交番周波数が４００ｋＨｚを下回るように設定した場合、交流アーク放電には移行せず、沿面ストリーマ放電が維持できることが確認された。
【００５０】
図９Ａ、図９Ｂを参照して本発明の第４の実施形態における点火装置８ｃについて説明する。なお、以下の実施形態は、前記第１〜第３のいずれと組み合わせて適用することが可能である。
本実施形態においては、接地電極３０ｃの一部を軸方向に向かって突出させた接地電極突出部３００ｃを設けた点が前記実施形態と相違する。
【００５１】
本実施形態においては、前記実施形態と同様、交流電源７から所定の周波数と、所定の先頭値ＶＰＰを有す交流電圧を印加すると、放電空間４ａ内の複数箇所に、沿面ストリーマ放電が発生し、放電空間４ｃ内に荷電粒子が発生する。
沿面ストリーマ放電が数サイクル発生した後は、沿面アーク放電に移行する。
このとき、本発明では、接地電極突出部３００に電荷集中が起こるので、接地電極３０ａの他の部分に優先して接地電極突出部３００ｃと中心電極放電部１０の先端との間に沿面アーク放電が発生する。
【００５２】
したがって、本実施形態における点火装置８ｃでは、前記実施形態と同様の効果に加え、沿面アーク放電の発生位置を意図的に設定することができるので、燃焼室９０内を流れる筒内気流の方向に合わせた位置に沿面アーク放電を発生させることも可能となる。
これによって、燃焼室９０内の特定の位置における混合気の燃料濃度を高くし、混合気全体として、希薄となるように燃料噴射が制御された場合に、燃料濃度を高くした特定の位置に沿面放電アークを発生させ、安定した着火を実現することもできる。
【００５３】
図１０Ａ、図１０Ｂを参照して本発明の第５の実施形態における点火装置８ｄについて説明する。
本実施形態においては、接地電極突出部３００ｄを誘電体２０の周囲を円筒状に囲むように設けている。
本実施形態においては、初期の沿面ストリーマ放電は接地電極３０及び側面電極３１と誘電体放電部２０との間に区画した放電空間４内で発生し、誘電体放電部２０の表面を這うように沿面ストリーマ放電が進展し、中心電極方向放電部２０の先端に到達する沿面アーク放電が発生する。
【００５４】
このとき、接地電極突出部３００ｄが誘電体放電部２０の周囲を全周に亘って取り囲んでいるので、接地電極突出部３００ｄの任意の位置から伸びる沿面ストリーマ放電の内、最初に中心電極放電部１０の先端に到達した沿面ストリーマ放電が沿面アーク放電に移行する。
本実施形態においても、接地電極突出部３００ｄの内周縁から中心電極放電部０の先端が誘電体放電部２０の先端から露出した部分の側面に至るまでの長い沿面アーク放電が発生し、安定した着火を実現できる。  
【００５５】
図１１を参照して、本発明の第６の実施形態における点火装置８ｅについて説明する。
本実施形態においては、接地電極突出部３００ｅを接地電極３０ｅの先端から内側に向かって突出するように形成してある。
本実施形態においても、第４の実施形態のように、接地電極３０ｅの一部のみを突出させても良いし、第５の実施形態のように、接地電極３０ｅを全周に亘って突出させても良い。
このような構成とすることにより、第４の実施形態と同様の効果に加え、放電空間４ｅと燃焼室９０との境界位置において接地電極突出部３００ｅが内周方向に向かって突出しているので、筒内気流に淀み部を形成し、沿面ストリーマ放電又は沿面アーク放電により体積着火が生じたときに、火炎核が吹き飛ばされるのを防止され、放電空間４ｅと燃焼室９０との境界位置に留めて、混合気への火炎伝播を促進することもできる。
【００５６】
図１２を参照して、本発明の第７の実施形態における点火装置８ｆについて説明する。
本実施形態においては、側面電極３１ｆの内周面を先端に向かって経大となるように拡径した傾斜面３０１に形成し、接地電極３０ｆが先細りとなっている。
このような構成とすることにより、接地電極３０ｆの先端に電界集中し易くなり、接地電極突出部３００ｃと同様の効果を発揮する。
加えて、放電空間４ｆが先端に向かって拡径するように形成されているので、放電空間４ｆ内に発生した荷電粒子が燃焼室９０内に放出され易くなっている。
このため、反応性の高くなった荷電粒子によって火炎成長が促され、より一相着火性が安定する。
【００５７】
図１３を参照して、本発明の第８の実施形態における点火装置８ｇについて説明する。
本実施形態にでは、図９Ａの点火装置８ｇの接地電極突出部３００ｇをイリジウムや白金等の耐熱性貴金属を用いて形成したのに加え、中心電極放電部１０が誘電体放電部２０の先端から露出する位置にイリジウムや白金等の耐熱性貴金属からなる環状又は柱状の放電チップ１００を形成してある。
このような構成とすることにより、前期実施形態と同様の効果に加え、沿面アーク放電による電極の消耗が抑制され、さらに耐久性が向上する。
また、中心電極放電部１０ｇをニッケル合金等高耐熱材料で構成し、その内側に、熱伝導性、電気伝導性向上を図るべく銅封入部１０１を設けても良い。
本発明においては、それぞれ効果の異なる点火装置８、８ａ〜８ｇについて、内燃機関９の燃焼特性の違いに応じて適宜使い分けることも可能である。
【００５８】
ここで、図１４を参照して、従来の点火装置８ｚと本発明の点火装置８との相違点並びに従来の点火装置８ｚの問題点について説明する。
点火装置８ｚは、公知の火花放電プラグ６ｚと直流電源の電源を昇圧して印加する公知の直流高電圧電源７ｚとによって構成されている。
【００５９】
中心電極１ｚの先端には、耐熱性貴金属からなる中心電極放電部１００ｚが設けられ、一定の放電ギャップ４ｚを隔てて接地電極放電部３００ｚに対向している。中心電極放電部１００ｚ及び接地電極放電部３００ｚには、イリジウム等の高耐熱貴金属が用いられている。
従来の点火装置８ｚでは、高い二次電圧が印加され、印加電圧Ｖ２が中心電極放電部１００ｚと接地電極放電部３００ｚとの間の絶縁耐圧（例えば、−３０ｋＶ）を超えると、電極間に気中アーク放電が生じ、燃焼室９０内に導入された混合気の着火が行われる。
このとき、強い筒内気流によって、気中アーク放電が引きのばされ、放電電圧が高くなる。
【００６０】
しかし、従来の点火装置８ｚでは、気中アーク放電を開始させるために、１２〜１４Ｖの電源電圧を点火コイルによって２０〜５０ｋＶの極めて高い二次電圧を昇圧している。
このため、一旦放電を開始し、放電電圧が低下した後に、気中アーク放電が引き延ばされて、要求電圧が高くなったときに、再度、高い放電電圧を印加するのが困難であり、吹き消えによる失火を防止するためには、吹き消えを検出する手段や補助電源等を設けて、吹き消えが検出された場合に補助電源から再度高エネルギを投入する必要がある。
また、従来の点火プラグ６ｚでは、接地電極３０ｚと接地電極放電部３００ｚとは、Ｌ字型に伸びる接地電極腕部３０１を介して連結されている。
【００６１】
このため、中心電極放電部１００ｚと接地電極放電部３００ｚとの間で生成された火炎核が成長する過程で接地電極腕部３０１に接触すると熱エネルギが奪われる消炎作用を生じるためエネルギの無駄を生じる。
さらに、従来の点火装置８ｚに生じる気中アーク放電は、本発明の点火装置８に生じる沿面アーク放電に比べて遙かに短く、筒内気流によって吹き消され易い。
なお、従来の点火プラグ６ｚにも、本発明の点火プラグ６に設けた放電空間４と類似するガスポケットが形成されているが、熱価の調整に用いられるもので、中心電極１ｚの先端に対向する位置に接地電極放電部３００ｚが設けられているため、ガスポケットは放電空間としては作用しない。
但し、点火終了後に燃焼室９０内の圧力が低下したときに、中心電極１ｚと側面電極３１ｚとの間に蓄えられた電荷が絶縁碍子２ｚの表面からコロナ放電として放出されることがあり、電磁波ノイズ発生等を起こす要因ともなっている。
【符号の説明】
【００６２】
１  中心電極
１０  中心電極放電部
１１  中心電極連結部
１２  中心電極中軸部
１３  中心電極端子部
２  誘電体
２０  誘電体放電部（細径部）
２１  誘電体径変部（放電空間底部）
２２  誘電体胴部（中径部）
２３  誘電体係止部（大径部）
２４  誘電体頭部（コルゲート部）
３  ハウジング
３０  接地電極
３００  接地電極突出部
３１  側面電極部
３２  ネジ部
３３  ハウジング径変部
３４  ハウジング胴部
３５  加締め部
３６  六角部
４  放電空間
５  封止部材
６  点火プラグ
７  交流電源
８  点火装置
９  内燃機関
９０  燃焼室
９１  エンジンヘッド
９２  ピストン
Ｌ２０  誘電体放電部突出長さ
Ｔ２０  誘電体放電部肉厚
Ｈ２０  中心電極ピストン頂面間距離
【図１】
2015181088.tif 000003
【図２Ａ】
2015181088.tif 000004
【図２Ｂ】
2015181088.tif 000005
【図２Ｃ】
2015181088.tif 000006
【図３Ａ】
2015181088.tif 000007
【図３Ｂ】
2015181088.tif 000008
【図４】
2015181088.tif 000009
【図５Ａ】
2015181088.tif 000010
【図５Ｂ】
2015181088.tif 000011
【図６Ａ】
2015181088.tif 000012
【図６Ｂ】
2015181088.tif 000013
【図７Ａ】
2015181088.tif 000014
【図７Ｂ】
2015181088.tif 000015
【図８Ａ】
2015181088.tif 000016
【図８Ｂ】
2015181088.tif 000017
【図８Ｃ】
2015181088.tif 000018
【図９Ａ】
2015181088.tif 000019
【図９Ｂ】
2015181088.tif 000020
【図１０Ａ】
2015181088.tif 000021
【図１０Ｂ】
2015181088.tif 000022
【図１１】
2015181088.tif 000023
【図１２】
2015181088.tif 000024
【図１３】
2015181088.tif 000025
【図１４】
2015181088.tif 000026