(57)【要約】【課題】  電磁波共振構造を採用した点火プラグにおいて、燃焼室内の燃料を効率的に点火させる。電磁波を伝送する中心電極と、中心電極の先端部に取り付けられる放電電極と、中心電極及び放電電極の周辺部を包囲し、かつその先端部分が放電電極と対になる接地電極として機能するケース部材を備え、前記ケース部材の先端部に気体の通過を許容する通気部を設けるように構成する。この際、通気部はスリット状や孔状に形成することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関で用いられる点火プラグであって、
電磁波を伝送する中心電極と、
中心電極の先端部に取り付けられる放電電極と、
中心電極及び放電電極の周辺部を包囲し、かつその先端部分が放電電極と対になる接地電極として機能するケース部材を備え、
前記ケース部材の先端部に気体の通過を許容する通気部を設けた点火プラグ。
【請求項２】
前記通気部が、スリット状に形成された、請求項１に記載の点火プラグ。
【請求項３】
前記通気部が、孔状に形成された、請求項１に記載の点火プラグ。
【請求項４】
ケース部材の先端が、放電電極よりも内燃機関の燃焼室側に露出している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の点火プラグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、点火装置に関し、レシプロエンジン、ロータリーエンジン等の内燃機関で用いられる点火プラグであって、特に電磁波共振構造による点火プラグに関する。
【背景技術】
【０００２】
出願人は、内燃機関での燃焼にマイクロ波技術を応用することにより、空燃比の改善を図る技術の開発を進めてきた（例えば特許文献１）。特許文献１では、スパークプラグを用いて燃料に点火したのち、マイクロ波を照射することで点火した火炎を拡大する技術が開示されている。【０００３】
更に出願人は、入力されたマイクロ波を昇圧させて放電を生じさせる、マイクロ波共振構造を利用した点火プラグを開発した（特許文献２、３）。この点火プラグでは、マイクロ波を電源として用いるので、高速かつ継続的な放電を生じさせることができ、任意のタイミングで非平衡プラズマを生じさせることができる。これは、従来のスパークプラグでは実現できなかったことであり、この新しい点火プラグを用いることで、空燃比を改善することができている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８７６２１７号公報
【特許文献２】特願２０１３−１７１７８１
【特許文献３】特願２０１４−１６８５４０
【特許文献４】特願２０１４−２４７５００
【特許文献５】米国特許７９６３２６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、放電電極と接地電極が燃焼室内に露出する態様で設置される通常のスパークプラグとは異なり、上記のマイクロ波共振構造による点火プラグでは、放電電極と、これを包囲する筒状のケース部材の間で放電を生じさせる構成としているため、燃焼室ではなく、プラグの筒状部分に放電プラズマが集中し、燃焼室内の燃料を効率的に点火させることが難しい場合がある。【０００６】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、内燃機関で用いられる点火プラグであって、電磁波を伝送する中心電極と、中心電極の先端部に取り付けられる放電電極と、中心電極及び放電電極の周辺部を包囲し、かつその先端部分が放電電極と対になる接地電極として機能するケース部材を備え、前記ケース部材の先端部に気体の通過を許容する通気部を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電磁波共振構造を採用した点火プラグにおいて、燃焼室内の燃料を効率的に点火することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】点火プラグ１の構成を示す一部断面の正面図である。
【図２】点火プラグ１の先端部の拡大図であり、（ａ）は点火プラグ１を先端側から見た図、（ｂ）は点火プラグ１の一部断面の正面図である。
【図３】他の例に係る点火プラグ１の拡大図であり、（ａ）は点火プラグ１を先端側から見た図、（ｂ）は点火プラグ１の一部断面の正面図である。
【図４】実施形態２に係る点火プラグ１の拡大図であり、（ａ）は点火プラグ１を先端側から見た図、（ｂ）は（ａ）の一部切り欠きのＸ−Ｘ断面図、（ｃ）は鍔部の異なる（ａ）の一部切り欠きのＸ−Ｘ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００１１】
＜実施形態１＞
図１は、点火プラグ１の構成を示す図である。この点火プラグ１は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン等の内燃機関のシリンダヘッドの取付口に挿入され、燃料を点火する、一種の点火装置として機能する。点火プラグ１は、通常のスパークプラグと同様、シリンダヘッドの中心部に配置される。又、火炎伝播距離、初期燃焼期間、主燃焼期間等の短縮を目的とした多点点火のための補助点火装置として用いる場合（例えば、本出願人による特許文献４参照）、点火プラグ１は、シリンダヘッドの周辺部（例えば、排気／吸気ポート間、排気／排気ポート間、吸気／吸気ポート間）に複数設けるようにしてもよい。図１を参照して、点火プラグ１は、大きくは、入力部１ａ、結合部１ｂ、共振部１ｃに分かれる。入力部１ａには、発振器等の外部回路からマイクロ波が入力される。結合部１ｂでは、外部回路と共振部１ｃのインピーダンス整合を行う。特にマイクロ波の周波数帯域でのインピーダンス整合を行うことを目的とした容量結合を行う。共振部１ｃは、マイクロ波共振構造からなり、マイクロ波の昇圧を行う共振部１ｃに分かれる。共振部１ｃの先端部には放電電極１６が配備される。また、点火プラグ１の結合部１ｂ、共振部１ｃはケース１１に収容され、入力部１ａはケース１９に収容される。ケース１１は、接地電極も兼ねており、点火プラグ１は、共振部１ｃで昇圧されたマイクロ波が、放電電極１６とケース１１の間の空隙２７で放電を行う構成となっている。
【００１２】
入力部１ａには、外部の発振回路で生成されたマイクロ波を伝送する同軸ケーブルが接合される入力端子１２、入力端子１２から入力されたマイクロ波を先端部へ伝送する第１中心電極１３が設けられる。第１中心電極１３とケース１１の間には誘電体２１が設けられる。
【００１３】
結合部１ｂには、第１中心電極１３、第２中心電極１４が設けられる。第２中心電極１４は、共振部１ｃ側が底部となる筒状部１８を有し、第１中心電極１３はこの筒状部１８に挿入される。つまり、棒状の第１中心電極１３と筒状の第２中心電極１４の筒部内壁は対向しており、この対向部分において第１中心電極１３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極１４へ伝送される。第２中心電極１４とケース１１の間にも誘電体２２が設けられる。なお、仮に、外部回路（同軸ケーブルのインピーダンスを５０Ω、共振部１ｃのインピーダンスを１０Ωとした場合、虚数成分を無視して単純に考えた場合、結合部１ｂのインピーダンスはおおよそ２０Ω程度に設計すればよい。また、インピーダンスの整合、共振周波数の調整等の観点から空間１８には所定誘電率の誘電体（例えば、セラミック（アルミナ）、ステアタイト、窒化ケイ素、ホトベール、フッ素系樹脂等）を、空間１８に挿通可能な筒状体として配設することができる。
【００１４】
ここで、結合部１ｂのインピーダンスは、（１）第２中心電極１４の筒状部分の内壁と、その筒状部分に挿入される第１中心電極１３との位置関係（両電極間の距離や対向面積）、（２）第２中心電極１４とケース１１の位置関係（両社間の距離や対向面積）、（３）第２中心電極１４とケース１１の間に充填される誘電体２３の材料などで決まる。
【００１５】
共振部１ｃには、第３中心電極１５が設けられる。また、第３中心電極１５の先端側周囲には円筒状の誘電体２３が配備される。一方、第３中心電極１５の後端側とケース１１の間には誘電体２３等は設けられておらず、環状空間である。第３中心電極１５は第２中心電極１４と接続しており、第２中心電極１４のマイクロ波を放電電極１６に伝送する。第３中心電極１５は、マイクロ波のおおよそ４分の１波長の長さとなるように設計される。ここで、マイクロ波の４分の１波長とは、単に光速を周波数で除した値の４分の１の長さを指す訳ではなく、第３中心電極１５の屈折率や、第３中心電極１５の隣接部材である誘電体２３の屈折率などを加味し、第３中心電極１５を伝播するマイクロ波が実質的に４分の１波長となるような長さを指す。換言すれば、第３中心電極１５の後端側にマイクロ波の節が来るようにした場合に、第３中心電極１５の先端側にマイクロ波の腹が位置するような場合、第３中心電極１５の長さはマイクロ波の４分の１波長に相当すると言える。繰り返しになるが、第３中心電極１５の後端側にマイクロ波の節が位置し、先端側にマイクロ波の腹が来るように設計すれば、第３中心電極１５の先端側に配置される放電電極１６の電位を大きくすることができ、放電電極１６とケース１１の間に高電圧を生じさせて空隙２７において放電を起こさせることができる。
【００１６】
なお、共振部１ｃは、リアクタンス成分Ｌとしては、主として第３中心電極１５のコイル成分で定義され、キャパシタンス成分Ｃとしては、主として第３中心電極１５、放電電極１６及びケース１１で形成される容量で定義されると考えられる。具体的には、（１）放電電極１６の形状、大きさ及びケース１１との距離、（２）第３中心電極１５とケース１１との距離、（３）第３中心電極１５とケース１１の間に設けた間隙（空気層）１７や誘電体２４の長さの比率、等で決まると考えられる。そして、このＬとＣで規定される仮想的な等価回路がマイクロ波の周波数帯域において共振するよう、共振部１ｃが設計される。
【００１７】
上述のように点火プラグ１は、共振器による昇圧方式により、電源電圧（点火プラグ１に入力されるマイクロ波の電圧Ｖ１）よりも高い電圧Ｖｃ３を生成する。これにより、放電電極１６と接地電極（ケース１１）間に放電が生じる。放電電圧が、その近辺のガス分子のブレークダウン電圧を超えると、ガス分子から電子が放出されて非平衡プラズマが生
成され、燃料が点火する。
【００１８】
なお、点火プラグ１では、ケース１１、各中心電極１２、１３、１４は、例えばタングステン、モリブデン、黄銅、ステンレス（ＳＵＳ）、黄タンタル、ベリリウム銅などの導電性の金属で構成することができる。なお、例えばこれら全ての部材に同じ材料（例えばタングステン）を用いてもよいし、用途に応じて適宜使い分けてもよい。但し、どの材料を用いる場合であっても、本願発明の範疇に属する。
【００１９】
また、誘電体２１、２２、２３はセラミック（アルミナ）、ステアタイト、窒化ケイ素などを用いることができる。
【００２０】
また、図２に示すようにケース１１の先端側には、スリット３１が形成される。このスリット３１は、気体の通過を許容する通気部として機能する。燃焼室の気流（スワール流）はスリット３１を通って空隙２７に入り、そして空隙２７の先端側から燃焼室側に抜ける。これにより、多くの酸素を放電部に送ることができるので、ケース１１と第３中心電極１５の間の放電が起きやすくなり、また燃焼特性も向上する。更に、点火プラグ１から燃焼室内部へ向かう気流が発生することにより、放電電極１６と筒状のケース１１間の空隙２７に放電プラズマが滞留することを防止し、放電プラズマを燃焼室側に送り出すことができる。これにより、燃焼室内での点火特性を向上させることもできる。
【００２１】
また、点火プラグ１はロータリーエンジンで用いることもできる。ローターの回転により回転方向に発生する気流が通気部から導入されると、上述のレシプロエンジンのスワール流の場合と同様、点火特性を向上させることができる。また、レシプロエンジンとは異なり、ロータリーエンジンでは点火プラグを燃焼室に突き出して配置することが難しい。そうすると、放電プラズマを燃焼室内に効率的に供給する点で不利となるが、上記のようにスリットを設け、点火プラグ１から燃焼室の中心方向（内側）へ向かう気流を作るようにしたことでこの問題を解決することができる。
【００２２】
また、スリットを設けることにより、点火プラグ１の電気特性（Ｑ値）を向上させることもできる。一般に共振器のＱ値は（Ｌ／Ｃ）の平方根で定義されるが、スリットを設けることは、接地電極側のコンデンサ電極面積を小さくすることと等価であるから、容量Ｃを小さくすることにつながるためである。
【００２３】
また、点火プラグ１は、２．４５ＧＨｚ帯の周波数を使用するため、コンデンサの容量が小さく済み、点火プラグ１は、小型化に有利である。また、昇圧方式を採用する結果、点火プラグ１のうち、放電電極１６の近傍のみが高電位となるので、アイソレーションの点でも優れる。これらの点において、本発明の点火装置は、従来の共振構造の点火装置（例えば、特許文献５）よりも優れている。
【００２４】
なお、点火プラグ１は、マイクロ波により駆動するので、放電もマイクロ波（ＧＨｚ）の周期で行われる。従って、発生したラジカルが死滅する前に、次の放電が行われるから、発生したＯＨラジカル等は死滅せず維持される。これに対し、従来のスパークプラグでは、高周波でのスパークのＯＮ／ＯＦＦを行うことができないため、一端発生したラジカルはすぐに死滅してしまう。従って、従来のスパークプラグを用いた場合、上記のような作用効果を奏することはできない。
【００２５】
以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の範囲はあくまでも特許請求の範囲に記載された発明に基づいて定められるものであり、上記実施形態に限定されるべきものではない。
【００２６】
例えば、本発明が対象とする点火装置は、上述の点火プラグ１に限られず、電磁波共振構造を採用した点火装置であれば、他の態様であってもよい。また、点火プラグ１はマイクロ波により動作するものとしているが、他の帯域を有する電磁波を使用するものでも良い。
【００２７】
また、通気部としては、図２のスリットに代えて、図３のような通気孔３２としてもよい。
【００２８】
また、ケース１１の先端側は、放電電極１６よりも更に燃焼室側に露出する構成としてもよい。これにより、より先端側に電界を集中させることができ、上述した通気部による気流の効果と相まって、より効果的にプラズマを燃焼室内部に送出することができる。
【００２９】
＜実施形態２＞
図４に本発明の実施形態２の点火装置を示す。この点火装置は、放電電極１６の形状とケース（接地電極）１１の先端に形成されるスリット３１の形状が異なる他は、実施形態１と同様であり、その説明を省略する。
【００３０】
この点火プラグ１の放電電極１６は、実施形態１で示した楕円形状とは異なり円形状とし、接地電極となるケース１１の円形先端部と軸心を一致させるようにしている。これによって、放電電極１６と接地電極となるケース１１との間隙は均一となる。そしてこの間隙の距離を適切な放電可能な距離とすることで放電は、接地電極となるケース１１の切り欠かれていない周上のいずれかの箇所でランダムに発生する。放電箇所がランダムとなることで放電電極１６及びケース１１先端部分の放電箇所が一箇所に集中しないので摩耗溶損を有効に防止する。
【００３１】
また、ケース１１先端部分に形成するスリット３１の幅Ｌの合計ΣＬ（図例４箇所であり４Ｌ）を、ケース１１先端部分の円周距離Ｍとしたとき、０．２Ｍ≦ΣＬ≦０．７Ｍの範囲となるように構成することが好ましく、０．３≦ΣＬ≦０．６Ｍの範囲となるように構成することがより好ましい。本発明者等の実験によると、ケース１１先端部の径が４．５ｍｍ（Ｍ＝１４ｍｍ）のとき、スリット３１の幅がＬ＝１．２ｍｍ〜２．０ｍｍ（ΣＬ＝４．８ｍｍ〜８ｍｍ）のとき、つまりΣＬが０．３４Ｍ〜０．５７Ｍの範囲で良好なプラズマ生成が確認された。
【００３２】
スリット３１に隣接するケース１１先端部分は、接地電極として機能する反面、放電により生成されたプラズマの熱を奪う冷却損失の原因となる。そのため、設置電極がプラズマに当たる面積は、接地電極として機能する大きさを確保できる範囲で小さくすることが好ましく、本発明者らの実験によれば、スリット３１の幅Ｌの合計ΣＬを上述した範囲となるように構成することが冷却損失を低減するのに好ましい範囲であることが判明した。
【００３３】
また、接地電極となるケース１１の円形先端部の内周面に、図４（ｂ）に示すように、内側に突出する鍔部を形成することができる。これによって、電界集中箇所（放電箇所）を内部の空間２７側ではなく確実に先端側に位置させることができる。さらに、図４（ｃ）に示すように、内側に突出する鍔部を、軸方向にみて内側から外側に向かって拡開するようなテーパ状とすることができる。これによってさらに先端側を電界集中箇所とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上説明したように、本発明の点火プラグによると、電磁波のみで絶縁破壊（放電）を生じさせることができ、特に、接地電極として機能するケース部材の先端部に気体の通過を許容する通気部を設けたことで、燃焼室内の燃料を効率的に点火することができる。その結果、本発明の点火プラグは、内燃機関として、自動車、飛行機、船舶等に広く使用することができる。
【符号の説明】
【００３５】
１    点火装置
１ａ  入力部
１ｂ  結合部
１ｃ  共振部
１１  ケース（接地電極）
１２  マイクロ波入力端子
１３  第１中心電極
１４  第２中心電極
１５  第３中心電極
１６  放電電極
１７  空間
１８  空間
１９  ケース
２１  誘電体
２２  誘電体
２３  誘電体
２７  空隙
３１  スリット
３２  通気孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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