(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料により形成され、誘電体により覆われる被覆部及び前記誘電体により覆われない露出部を有する高電圧電極と、
前記高電圧電極の前記被覆部に対して前記誘電体を挟んで対向配置された誘電体バリア放電用電極と、
前記高電圧電極の前記露出部に対向配置されたアーク放電用電極とを備え、
前記誘電体バリア放電用電極と前記アーク放電用電極とが前記高電圧電極を挟んで対向するように設けられることを特徴とする点火プラグ。
【請求項２】
導電性材料により形成され、誘電体により覆われる被覆部及び前記誘電体により覆われない露出部を有する高電圧電極と、
前記高電圧電極の前記被覆部に対して前記誘電体を挟んで対向配置された誘電体バリア放電用電極と、
前記高電圧電極の前記露出部に対向配置されたアーク放電用電極とを備え、
前記高電圧電極は、アーク電流を制限するための素子によって互いに分断された、前記露出部を含む露出側部分及び前記露出部を含まない電源側部分を有し、
前記誘電体バリア放電用電極が前記電源側部分に対向配置され、
前記アーク放電用電極が前記露出側部分に対向配置されたことを特徴とする点火プラグ。
【請求項３】
前記高電圧電極は、前記露出部を先端側に有し、前記被覆部を基端側に有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の点火プラグ。
【請求項４】
前記誘電体バリア放電用電極から前記誘電体までの距離をＡとし、
前記誘電体における前記誘電体バリア放電用電極に対向する領域から前記高電圧電極の前記露出部までの外表面に沿った最短沿面距離をＢとし、
前記アーク放電用電極から前記高電圧電極の前記露出部までの距離をＣと定義した時、
Ａ＜Ｃ＜Ｂの関係であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の点火プラグ。
【請求項５】
前記誘電体バリア放電用電極を複数備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の点火プラグ。
【請求項６】
請求項２に記載の点火プラグと、
前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置が前記高電圧電極にパルス電圧を印加することを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の点火プラグと、
前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記高電圧電極に短時間パルスを印加して誘電体バリア放電を行った後、前記高電圧電極に長時間パルスを印加してアーク放電を行うことを特徴とする内燃機関の点火装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の点火プラグと、
前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記高電圧電極に比較的低い電圧を印加して誘電体バリア放電を行った後、前記高電圧電極に比較的高い電圧を印加してアーク放電を行うことを特徴と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、誘電体バリア放電とアーク放電とを行う点火プラグ及びこれを備えた内燃機関の点火装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の熱効率を高めるためには、燃焼速度を高めて等容度を高めることが効果的である。燃焼速度を高めるために、点火プラグにコロナ放電やグロー放電によって低温プラズマ（非平衡プラズマ）を発生させ、燃焼反応に寄与する高エネルギー電子による活性種（ラジカル反応場）を燃焼室内に生成することで、燃焼室全体への火炎伝播を促進できることが知られている。
【０００３】
誘電体バリア放電により低温プラズマを発生させ得る内燃機関の点火プラグとして、燃焼室に露出する露出表面及び被覆材により覆われた被覆表面を有する高電圧電極（アノード）と、燃焼室に露出する露出表面及び被覆材により覆われた被覆表面を有する誘導電極（カソード）とを備えたものが公知である（特許文献１参照）。この点火プラグは、両電極間にパルス電圧が印加されることによって両電極の被覆表面間に前駆放電（誘電体バリア放電）を発生させ、これに続けて両電極の露出表面間に主放電（アーク放電）を発生させる。このように活性種を生成する低温プラズマが発生した空間をアーク放電の経路とすることにより、アーク放電を安定して発生させる。
【０００４】
また、低温プラズマを発生させる放電形態と熱プラズマを発生させる放電形態とを切り替え可能な点火プラグとして、絶縁碍子により保持された中心電極と、中心電極の外周側に位置する外側電極とを有するものが公知である（特許文献２参照）。特許文献２の図１３には、中心電極が外側電極に対して燃焼室側に突出し、且つ外側電極が燃焼室の頂部壁面に沿った位置で燃焼室に露出するように配置された点火プラグが開示されている。この点火プラグは、両電極間に相対的に低い電圧を印加されることによって中心電極の周囲にストリーマ（低温プラズマ）を発生させ、印加する電圧を相対的に高くされることで中心電極と外側電極とが短絡するアーク放電により熱プラズマを発生させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−４８８８９号公報
【特許文献２】特開２０１３−２３８１２９号公報
【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、特許文献１、２に記載の点火プラグでは、誘電体バリア放電とアーク放電の発生場所が共通しており、アーク放電が被覆材の表面を伝わる沿面放電を含むため、被覆材の表面にアーク放電（熱プラズマ）による溶損や削れが発生する。そのため、被覆材が劣化するだけでなく、最終的には被覆材の貫通、割れに至り、点火プラグが破壊される虞がある。また、誘電体バリア放電の発生中に放電形態が沿面アーク放電に移行するため、誘電体バリア放電で生成された活性種がアーク放電により即座に消費される。つまり、燃焼に有効な活性種を燃焼室内に溜めておくことができず、誘電体バリア放電による燃焼改善効果が小さい。
【０００７】
本発明は、このような背景に鑑み、耐久性が高く、燃焼安定性の高い点火プラグ及びそれを備えた内燃機関の点火装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するために、本発明に係る点火プラグ（１１、３１）は、導電性材料により形成され、誘電体（２５）により覆われる被覆部（２１ａ）及び前記誘電体により覆われない露出部（２１ｂ）を有する高電圧電極（２１）と、前記高電圧電極の前記被覆部に対して前記誘電体を挟んで対向配置された誘電体バリア放電用電極（２２）と、前記高電圧電極の前記露出部に対向配置されたアーク放電用電極（２３）とを備える構成とする。
【０００９】
この構成によれば、一本の点火プラグで誘電体バリア放電（非平衡プラズマ放電）及びアーク放電が可能であり、低コスト且つ低容積で燃焼安定性の高い点火が可能となる。また、アーク放電用電極が誘電体バリア放電用電極とは別に設けられることで、アーク放電が沿面放電を含む従来のプラズマ点火プラグに比べて誘電体の損傷が抑制され、耐久性が向上する。
【００１０】
また、上記の発明において、前記高電圧電極（２１）は、前記露出部（２１ｂ）を先端側に有し、前記被覆部（２１ａ）を基端側に有する構成とするとよい。
【００１１】
この構成によれば、誘電体よりも先端側、即ち混合ガスが存在する燃焼室側でアーク放電による点火が行われるため、誘電体に対する熱害が抑制される。
【００１２】
また、上記の発明において、前記誘電体バリア放電用電極（２２）から前記誘電体（２５）までの距離をＡとし、前記誘電体における前記誘電体バリア放電用電極に対向する領域（Ｐ）から前記高電圧電極（２１）の前記露出部（２１ｂ）までの外表面（２１ｂ）に沿った最短沿面距離をＢとし、前記アーク放電用電極（２３）と前記高電圧電極の前記露出部までの距離をＣと定義した時、Ａ＜Ｃ＜Ｂの関係である構成とするとよい。
【００１３】
この構成によれば、沿面放電を防止しつつアーク放電に先がけて誘電体バリア放電を実施することができる。
【００１４】
また、上記の発明において、前記誘電体バリア放電用電極（２２）と前記アーク放電用電極（２３）とが前記高電圧電極（２１）を挟んで対向するように設けられる構成とするとよい。
【００１５】
この構成によれば、点火プラグの大型化を防止できる。
【００１６】
また、上記の発明において、前記誘電体バリア放電用電極（２２）を複数備える構成とするとよい。
【００１７】
この構成によれば、ラジカル反応場を広範囲に形成し、燃焼室全体への火炎伝播を促進することができる。
【００１８】
また、上記の発明において、前記高電圧電極（２１）は、アーク電流を制限するための素子（３２）によって互いに分断された、前記露出部（２１ｂ）を含む露出側部分（２１Ｂ）及び前記露出部を含まない電源側部分（２１Ａ）を有し、前記誘電体バリア放電用電極（２２）が前記電源側部分に対向配置され、前記アーク放電用電極（２３）が前記露出側部分に対向配置された構成とすることができる。
【００１９】
アーク放電時には他の機器に障害になり得る電磁波が発生する。この構成によれば、誘電体バリア放電時には上記素子によるエネルギーロスを生じさせず、アーク放電時には電流が上記素子を通ることでアーク放電による電磁波障害を抑制することができる。
【００２０】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関（１）の点火装置（１０）は、上記点火プラグ（３１）と、前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置（１２）とを備え、前記制御装置が前記高電圧電極（２１）にパルス電圧を印加する構成とする。
【００２１】
誘電体バリア放電用の電圧を高くすると、圧力や温度等の環境条件によってはアーク放電が発生する虞がある。この構成によれば、点火プラグが持つ容量成分によりアーク放電用電極側に上記素子の抵抗成分によりＲＣ回路が形成されるため、誘電体バリア放電用の電圧を高くすることができ、誘電体バリア放電により高いエネルギーを有するラジカル反応場を生成することができる。
【００２２】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関（１）の点火装置（１０）は、上記点火プラグ（１１、３１）と、前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置（１２）とを備え、前記制御装置が、前記高電圧電極（２１）に短時間パルスを印加して誘電体バリア放電を行った後、前記高電圧電極に長時間パルスを印加してアーク放電を行う構成とする。
【００２３】
この構成によれば、制御装置が高電圧電極への印加電圧をパルス制御することにより、誘電体バリア放電及びアーク放電の両方を実施できる。
【００２４】
また、上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関（１）の点火装置（１０）は、上記点火プラグ（１１、３１）と、前記点火プラグに印加する電圧を制御する制御装置（１２）とを備え、前記制御装置が、前記高電圧電極に比較的低い電圧を印加して誘電体バリア放電を行った後、前記高電圧電極に比較的高い電圧を印加してアーク放電を行う構成とする。
【００２５】
この構成によれば、制御装置が高電圧電極に対する印加電圧を制御することにより、誘電体バリア放電及びアーク放電の両方を実施できる。
【発明の効果】
【００２６】
このように本発明によれば、耐久性が高く、燃焼安定性の高い点火プラグ及びそれを備えた内燃機関の点火装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１実施形態に係る点火装置を備えた内燃機関の模式的断面図
【図２】図１に示す点火プラグの腰部拡大断面図
【図３】様々な距離における放電発生電圧と圧力との相関を示すグラフ
【図４】放電発生電圧と圧力との相関を示すグラフ
【図５】印加電圧を示すタイムチャート
【図６】印加電圧の他の例を示すタイムチャート
【図７】各種電圧印加形態における放電発生電圧と圧力との相関を示すグラフ
【図８】変形例に係る点火プラグの下面図
【図９】第２実施形態に係る点火プラグの腰部拡大断面図
【図１０】図９に示す点火プラグの作用説明図
【図１１】図９に示す点火プラグの作用説明図
【図１２】変形例に係る点火プラグの腰部拡大断面図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、図示された方向に従って車両に搭載される内燃機関１やその点火装置１０について説明するが、内燃機関１の搭載姿勢は図示のものに限られない。
【００２９】
≪第１実施形態≫
まず、図１〜図８を参照して第１実施形態に係る内燃機関１の点火装置１０について説明する。図１に示されるように、内燃機関１は、４ストロークガソリンエンジンであり、円筒状のシリンダ２ａを画成するシリンダブロック２や、シリンダブロック２の上面に接合されたシリンダヘッド３、シリンダ２ａ内に摺動可能に設けられたピストン４等を備えている。内燃機関１の気筒数や気筒列は任意であってよい。
【００３０】
シリンダヘッド３の下面におけるシリンダ２ａに対応する位置には、曲面状の窪みである燃焼室凹部３ａが形成されている。燃焼室凹部３ａ、シリンダ２ａ及びピストン４の頂面により囲まれる空間により燃焼室５が形成される。つまり、燃焼室凹部３ａが燃焼室５の頂部を画定している。
【００３１】
シリンダヘッド３の略中央には、シリンダヘッド３の上面から燃焼室５に至る点火プラグ挿入孔３ｂが形成されている。本実施形態では、１つのシリンダ２ａに対して１つの点火プラグ挿入孔３ｂが形成されている。点火プラグ挿入孔３ｂは、燃焼室凹部３ａの中央に開口するようにシリンダ軸線上に形成されている。シリンダヘッド３の点火プラグ挿入孔３ｂには筒状のプラグガイド６が圧入されており、プラグガイド６によって点火プラグ挿入孔３ｂが上方に延長されている。
【００３２】
また、シリンダヘッド３には、左側面に開口すると共に燃焼室凹部３ａに開口する吸気ポート３ｃと、燃焼室凹部３ａに開口すると共に右側面に開口する排気ポート３ｄとが形成されている。本実施形態では、１つのシリンダ２ａに対して２つの吸気ポート３ｃと２つの排気ポート３ｄとが形成されている。シリンダヘッド３には、各吸気ポート３ｃを開閉する吸気弁７及び各排気ポート３ｄを開閉する排気弁８が摺動可能に設けられている。
【００３３】
シリンダヘッド３の右側面には排気装置９が接合されている。排気装置９は、排気ポート３ｄに接続されて排気通路を形成する排気管９ａの他、排気通路の上流側から順に触媒コンバータ９ｂ、消音器（図示せず）を備えている。触媒コンバータ９ｂは例えば三元触媒であってよい。触媒コンバータ９ｂには、触媒温度を検出する温度センサ９ｃが設けられている。
【００３４】
内燃機関１には、吸気ポート３ｃから燃焼室５に吸入される混合ガスに点火を行う点火装置１０が設けられている。点火装置１０は、点火プラグ挿入孔３ｂに挿入され、先端を燃焼室５に露出或いは突出させるようにシリンダヘッド３に取り付けられた点火プラグ１１と、電源１３（１３ａ、１３ｂ）から点火プラグ１１に印加される電圧を制御する制御装置１２とを備えている。本実施形態では、電源１３として短パルス高周波電源１３ａと長パルス電源１３ｂとが備えられており、制御装置１２は両電源１３ａ、１３ｂから点火プラグ１１に印加される電圧を制御する。
【００３５】
点火プラグ１１は、プラグキャップ１５により基端部を保持されており、点火プラグ挿入孔３ｂの下部に形成された雌ねじに螺着される。点火プラグ１１の基端（上端）にはターミナル部１６が形成されている。プラグキャップ１５の内部に収容されたコイルスプリングからなる高電圧導電部材１７がターミナル部１６に弾接することにより、ターミナル部１６が電源１３と電気的に接続される。
【００３６】
図２に併せて示されるように、点火プラグ１１は、先端（下端）に３つの電極２１〜２３（以下、第１電極２１、第２電極２２、第３電極２３と称する）を有している。点火プラグ１１の中心軸線上に配置された第１電極２１は、ターミナル部１６を介して電源１３と電気的に接続され、高電圧を印加される中心電極である。
【００３７】
点火プラグ１１の先端部分は、外周に雄ねじ（図示せず）が形成され、シリンダヘッド３に電気的に接続する円筒状の本体部２４と、本体部２４の内部に挿入される筒状の絶縁碍子２５とを有している。本体部２４の内面には、絶縁碍子２５に比べて誘電率が低い材料からなる絶縁膜２６が形成されている。絶縁碍子２５は筒状とされており、内部に高電圧電極をなす第１電極２１を収容しており、後述するように絶縁体として振る舞う。絶縁碍子２５は本体部２４の先端面２４ａよりも下方に延出しており、この延出部分は燃焼室５に露出している。本体部２４の先端面２４ａには、第２電極２２及び第３電極２３が下方に向けて延出するように一体に設けられている。第２電極２２と第３電極２３とは、第１電極２１を挟んで対向する位置に配置されている。
【００３８】
第１電極２１は、絶縁碍子２５の先端部２５ａよりも更に下方に延出した後、屈曲して径方向外側に延びている。即ち、第１電極２１は、絶縁碍子２５により覆われた基端側の被覆部２１ａと、被覆部２１ａよりも先端側に配置され、絶縁碍子２５により覆われずに燃焼室５に露出する露出部２１ｂとを有している。露出部２１ｂは、屈曲した部分の先端に径方向外側端部２１ｃを有している。
【００３９】
第２電極２２は、本体部２４の外周部から下方に第３電極２３よりも短く直線状に延びた後、屈曲して径方向内側に延びている。第２電極２２における屈曲した部分の内向き先端部２２ａ（径方向内側の端面）が第３電極２３に比べて絶縁碍子２５の外表面２５ｂ近くに配置されている。第２電極２２は、本体部２４を介してシリンダヘッド３と電気的に接続された接地電極（正極）であり、第１電極２１との間、より正確には第１電極２１を覆う絶縁碍子２５の外表面２５ｂとの間に誘電体バリア放電を発生させる誘電体バリア放電用電極である。
【００４０】
第３電極２３は、棒形状とされ、本体部２４の外周部から下方に直線状に延びている。第３電極２３は第２電極２２よりも長く形成されており、その先端部２３ａが第１電極２１の径方向外側端部２１ｃの近傍に配置されている。第３電極２３は、本体部２４を介してシリンダヘッド３と電気的に接続された接地電極（正極）であり、第１電極２１との間にアーク放電を発生させるアーク放電用電極である。
【００４１】
ここで、各電極２１〜２３の配置についてより詳細に説明する。第２電極２２から絶縁碍子２５までの距離を第１距離Ａとし、絶縁碍子２５の外表面２５ｂにおける第２電極２２に対向する領域の中で最も先端側（第１電極２１の露出部２１ｂ側）の点Ｐから第１電極２１の露出部２１ｂまでの外表面２５ｂに沿った最短沿面距離を第２距離Ｂとし、第３電極２３から高電圧電極の露出部２１ｂまでの距離を第３距離Ｃと定義する。この時、第１〜第３電極２１〜２３は、Ａ＜Ｃ＜Ｂの関係となる配置となっている。
【００４２】
これらの第１〜第３距離Ａ〜Ｃの関係は、以下のような思想に基づいて定められている。
【００４３】
即ち、第１距離Ａは、第１電極２１（絶縁碍子２５）と第２電極２２との間に発生させる誘電体バリア放電の放電ギャップである。誘電体バリア放電の発生位置である絶縁碍子２５における第２電極２２に対向する点Ｐから第１電極２１の露出部２１ｂまでの距離である第２距離Ｂは、絶縁碍子２５の外表面２５ｂでの沿面アーク放電を発生させないためのキャップである。第３距離Ｃは、第１電極２１の露出部２１ｂと第３電極２３との間に発生させるアーク放電の放電ギャップである。
【００４４】
絶縁碍子２５の耐電圧は、同一圧力条件下では、絶縁碍子２５の厚みとの間に、厚みが厚くなるほど高くなるという相関を有する。そこで、耐電圧が４５ｋＶ以上且つ５０ｋＶ以下となるように絶縁碍子２５の厚みや材料を選定する。一方、第１距離Ａにおける誘電体バリア放電の発生電圧は、同一圧力条件下では、絶縁碍子２５の厚みとの間に、厚みが厚くなるほど大きくなるという相関を有する。絶縁碍子２５の厚みが上記のように設定された場合、誘電体バリア放電と空間アーク放電とを個別に発生させるためには、第１距離Ａにおける誘電体バリア放電の発生電圧を第３距離Ｃにおけるアーク放電の発生電圧以下とする必要があり（第１条件）、第３距離Ｃにおける空間アーク放電の発生電圧を第２距離Ｂにおける沿面アーク放電の発生電圧未満とする必要がある（第２条件）。
【００４５】
図３は、第３距離Ｃを２．０ｍｍ、１．５ｍｍ、１．１ｍｍ、０．８ｍｍ及び０．６ｍｍに変化させた場合のアーク放電発生電圧、第２距離Ｂを１０ｍｍにした時の沿面アーク放電発生電圧、及び第１距離Ａを０．３ｍｍにした時の誘電体バリア放電発生電圧のそれぞれと圧力との相関を示している。図３に示されるように、各放電発生電圧は、圧力が高いほど高くなる傾向にある。また、第１距離Ａ＝０．３ｍｍの放電ギャップにおける誘電体バリア放電発生電圧や、第２距離Ｂが１０ｍｍでの沿面アーク放電発生電圧に比べ、第２距離Ｂにおける空間アーク放電発生電圧は圧力が高くなると高くなる傾向にある。
【００４６】
一方、第３距離Ｃがこれらの値に設定された場合には、第３距離Ｃが０．６ｍｍ〜２．０ｍｍの全てにおいて、燃焼室内圧力の一般値である０．８ＭＰａ〜１．６ＭＰａの範囲で上記第１及び第２条件が満たされる。また、第３距離Ｃが０．８ｍｍ〜１．５ｍｍでは、０．８ＭＰａ〜２．０ＭＰａの範囲で上記第１及び第２条件が満たされる。
【００４７】
このようなことから、本発明は、第１〜第３電極２１〜２３がＡ＜Ｃ＜Ｂの関係となる配置とすることにより、第１電極２１（絶縁碍子２５）と第２電極２２との間に発生させる誘電体バリア放電と、沿面アーク放電を発生させずに第１電極２１の露出部２１ｂと第３電極２３との間に発生させるアーク放電を個別に発生させることを可能にしている。
【００４８】
具体例を挙げて更に説明する。絶縁碍子２５の厚みを１．２ｍｍ（圧力が２ＭＰａでの耐電圧：５０ｋＶ）とした場合に、例えば、第１距離Ａ＝０．３ｍｍ（圧力が２ＭＰａでの誘電体バリア放電発生電圧：３０ｋＶ、図３参照、以下同様）、第２距離Ｂ＝１０ｍｍ（圧力がＭＰａでの沿面アーク放電発生電圧：４８ｋＶ）、第３距離Ｃ＝１．５ｍｍ（圧力が２ＭＰａでの空間アーク放電発生電圧：４５ｋＶ）とすることができる。
【００４９】
図４は、この場合の誘電体バリア放電発生電圧及びアーク放電発生電圧と圧力との相関を示している。この例においても、第１〜第３電極２１〜２３がＡ＜Ｃ＜Ｂの関係となる配置となり、第１電極２１と第２電極２２との間に誘電体バリア放電を発生させると共に、沿面アーク放電を発生させずに第１電極２１と第３電極２３との間にアーク放電を発生させることができる。
【００５０】
点火プラグ１１がこのように構成された点火装置１０では、制御装置１２が点火プラグ１１の印加電圧や印加電圧のパルス幅等を制御することにより、１対の電極間の放電形態を、非平衡プラズマ放電とアーク放電とを切り替え、アーク放電により混合気への点火を行う。
【００５１】
具体的には、図５に示されるように、制御装置１２は、最初に短パルス高周波電源１３ａから比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ１１に印加することにより、第２電極２２と第１電極２１との間、即ち第２電極２２の内向き先端部２２ａと絶縁碍子２５の外表面２５ｂとの間に非平衡プラズマ放電を発生させる。低電圧パルスの波長は、例えば２００ｎｓｅｃ程度にすることができる。その後、制御装置１２は、短パルス高周波電源１３ａから比較的高い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ１１に印加することにより、第３電極２３と第１電極２１との間、即ち第３電極２３の先端部２３ａと第１電極２１の径方向外側端部２１ｃとの間にアーク放電を発生させる。高電圧パルスの波長も、例えば２００ｎｓｅｃ程度にすることができる。
【００５２】
制御装置１２によりこのような放電制御が行われることにより、点火プラグ１１による混合ガスへの点火及び着火した混合ガスの燃焼は、次のように進行する。即ち、点火プラグ１１が最初に第２電極２２と第１電極２１との間に、ラジカルを発生させる非平衡プラズマの発生を伴う非平衡プラズマ放電（コロナ放電又はグロー放電）を行うことにより、点火プラグ１１の先端周辺に活性場が生成される。活性場は、混合気の主流によって流されて燃焼室５に広がりつつ、放電の継続によって生成され続けることによって大きくなる。その後、点火プラグ１１が第３電極２３と第１電極２１との間にアーク放電を行うことによって混合気に点火する。点火プラグ１１の先端（１対の電極２１、２３間）で着火した火炎は、活性場を高速に且つ燃焼室５の中心から広がるように伝播し、混合気の燃焼が早期に完了する。
【００５３】
このように、点火プラグ１１が、導電性材料により形成され、誘電体である絶縁碍子２５により覆われる被覆部２１ａ及び絶縁碍子２５により覆われない露出部２１ｂを有する高電圧電極である第１電極２１と、第１電極２１の被覆部２１ａに対して絶縁碍子２５を挟んで対向配置された誘電体バリア放電用電極である第２電極２２と、第１電極２１の露出部２１ｂに対向配置されたアーク放電用電極である第３電極２３とを備えることにより、一本の点火プラグ１１で誘電体バリア放電（非平衡プラズマ放電）及びアーク放電が可能であり、低コスト且つ低容積で燃焼安定性の高い点火が可能となる。また、アーク放電用の第３電極２３が誘電体バリア放電用の第２電極２２とは別に設けられることで、アーク放電が沿面放電を含む従来のプラズマ点火プラグに比べ、絶縁碍子２５の損傷が抑制され、耐久性が向上する。
【００５４】
また、第１電極２１が、露出部２１ｂを先端側に有し、被覆部２１ａを基端側に有することにより、絶縁碍子２５よりも先端側、即ち混合ガスが存在する燃焼室５側でアーク放電による点火が行われるため、絶縁碍子２５に対する熱害が抑制される。
【００５５】
更に、上記のように第１〜第３電極２１〜２３が、Ａ＜Ｃ＜Ｂの関係となる配置となっていることにより、絶縁碍子２５の外表面２５ｂに沿う沿面放電を防止しつつアーク放電に先がけて誘電体バリア放電を実施することが可能である。
【００５６】
また、誘電体バリア放電用の第２電極２２とアーク放電用の第３電極２３とが高電圧電極である第１電極２１を挟んで対向するように設けられていることにより、点火プラグ１１の大型化が防止される。
【００５７】
そして、制御装置１２が、高電圧電極である第１電極２１に短時間パルスを印加して誘電体バリア放電を行った後、第１電極２１に長時間パルスを印加してアーク放電を行うことにより、高電圧電極への印加電圧をパルス制御するだけで誘電体バリア放電及びアーク放電の両方を実施できる。
【００５８】
制御装置１２は、或いは、図６に示されるように印加電圧の制御を行ってもよい。即ち、制御装置１２は、最初に短パルス高周波電源１３ａから比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ１１に印加する。これにより非平衡プラズマ放電を発生させることは図５と同様である。一方、制御装置１２は、その後、長パルス電源１３ｂから比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ１１に印加することにより、第３電極２３と第１電極２１との間にアーク放電を発生させる。低電圧パルスの波長が２００ｎｓｅｃ程度であるのに対し、高電圧パルスの波長は、例えば１００μｓｅｃ程度にすることができる。
【００５９】
図７に示されるように、長時間パルスを印加する場合のアーク放電発生電圧は、図５に示されるような高周波短時間パルスを印加する場合のアーク放電発生電圧よりも低い。そのため、制御装置１２がこのような印加電圧の制御を行うと、図５に示される高周波短時間パルスの印加電圧によってアーク放電を発生させる場合に比べ、低い印加電圧でアーク放電を発生させることができる。また、これにより、絶縁碍子２５に確保すべき耐電圧を低減することができる。即ち、絶縁碍子２５の厚みを薄くすることにより、図５に示されるように、絶縁碍子２５を薄くした分だけ誘電体バリア放電発生電圧を低減することができる。
【００６０】
このように、制御装置１２が、第１電極２１に比較的低い電圧を印加して誘電体バリア放電を行った後、第１電極２１に比較的高い電圧を印加してアーク放電を行うことにより、高電圧電極である第１電極２１に対する印加電圧を制御するだけで、誘電体バリア放電及びアーク放電の両方を実施できる。
【００６１】
また、上記実施形態では、第２電極２２が第１電極２１を挟んで第３電極２３と対向する位置に１つだけ設けられているが、図８に示されるように、第２電極２２が複数（図示例では２つ）設けられてもよい。この場合、複数の第２電極２２は、本体部２４の先端面２４ａにおいて周方向に異なる位置に配置されるとよい。
【００６２】
このように、点火プラグ１１が誘電体バリア放電用の第２電極２２を複数備えることにより、誘電体バリア放電によるラジカル反応場を広範囲に形成し、燃焼室５全体への火炎伝播を促進することができる。
【００６３】
≪第２実施形態≫
次に、図９〜図１２を参照して第２実施形態に係る点火装置１０について説明する。なお、第１実施形態と形態又は機能が同一又は同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６４】
本実施形態の点火装置１０では、点火プラグ３１の構成が上記実施形態と異なる。図９は、点火プラグ３１の先端（下端）側の腰部を示す図２に対応する断面図である。図示されるように、本実施形態の点火プラグ３１では、第１電極２１に抵抗３２が設けられており、この抵抗３２によって第１電極２１（第１電極２１を構成する導電性材料）が、露出部２１ｂを含む露出側部分２１Ｂと露出部２１ｂを含まない電源側部分２１Ａとに分断されている。抵抗３２は、第１電極２１における第２電極２２の内向き先端部２２ａと対向する位置よりも先端側に配置されている。従って、第２電極２２は、第１電極２１のうちの電源側部分２１Ａに内向き先端部２２ａを対向させるように配置されている。抵抗３２は例えば５ｋΩに設定される。
【００６５】
制御装置１２は、第１実施形態において図６を参照しながら説明したように、最初に短パルス高周波電源１３ａから比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ３１に印加することにより、第２電極２２と第１電極２１との間に非平衡プラズマ放電を発生させる。その後、制御装置１２は、長パルス電源１３ｂから比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ３１に印加することにより、第３電極２３と第１電極２１との間にアーク放電を発生させる。
【００６６】
このように構成された点火装置１０では、制御装置１２が比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ３１に印加し、第１電極２１の電源側部分２１Ａと第２電極２２との間で誘電バリア放電が行われる際には、電流が抵抗３２を通過しない。一方、制御装置１２が比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ３１に印加し、第１電極２１の先端（露出側部分２１Ｂ）と第３電極２３との間でアーク放電が行われる際には、電流が抵抗３２を通過する。つまり、アーク電流が抵抗３２により制限される。従って、図１０に示されるように、点火プラグ３１がコンデンサ（キャパシタ）として作用し、点火プラグ３１によりＲＣ回路（抵抗器−コンデンサ回路）が形成される。
【００６７】
これにより、図１１（Ａ）に併せて示されるように、制御装置１２が高周波短時間パルスを点火プラグ３１に印加する際には、ターミナル部１６に入力される入力電圧Ｖｉｎを持つ高周波短時間パルスは、第１電極２１における第２電極２２と対向する電源側部分２１Ａに形成される第１出力部４１では、入力電圧Ｖｉｎと同じ大きさの第１出力電圧Ｖｏｕｔ１を持つ高周波短時間パルスとして出力される。
【００６８】
一方、第１電極２１における第３電極２３に近接配置された露出側部分２１Ｂに形成される第２出力部４２では、入力電圧Ｖｉｎの高周波短時間パルスは、点火プラグ３１の静電容量（例えば、５ｐＦ）に応じた時定数τ（τ＝０．７×５ｋΩ×５ｐＦ＝１．８×１０−８ｓｅｃ）を持って伝わる。この際、高周波短時間パルスの第２出力電圧Ｖｏｕｔ２は、図１１（Ａ）に破線で示されるように２０％程度低下する。そのため、制御装置１２が高周波短時間パルスを点火プラグ３１に印加する際に、第１電極２１と第３電極２３との間でアーク放電が発生し難くなり、誘電体バリア放電用の電圧を高く設定して高エネルギーな誘電体バリア放電を発生させることができる。
【００６９】
他方、制御装置１２が長時間パルスを点火プラグ３１に印加する際には、図１１（Ｂ）に示されるように、入力電圧Ｖｉｎの長時間パルスは、第１出力部４１ではやはり、入力電圧Ｖｉｎと同じ大きさの第１出力電圧Ｖｏｕｔ１を持つ長時間パルスとして出力される。一方、第２出力部４２では、入力電圧Ｖｉｎの長時間パルスは、図１１（Ｂ）に破線で示されるように、時定数τを持って伝わるが、長時間パルスの波長が長いために入力電圧Ｖｉｎと略同じ大きさの第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を持つ長時間パルスとして出力される。そのため、第１電極２１と第３電極２３との間でアーク放電が発生し難くなることはない。
【００７０】
このように、高電圧電極である第１電極２１が、抵抗３２によって互いに分断された、露出部２１ｂを含む露出側部分２１Ｂ及び露出部２１ｂを含まない電源側部分２１Ａを有し、誘電体バリア放電用の第２電極２２が電源側部分２１Ａに対向配置され、アーク放電用の第３電極２３が露出側部分２１Ｂに対向配置されることにより、以下の作用・効果が得られる。即ち、アーク放電時には他の機器に障害になり得る電磁波が発生するが、上記構成により、誘電体バリア放電時には抵抗３２によるエネルギーロスが生じず、アーク放電時には電流が抵抗３２を通ることでアーク放電による電磁波障害が抑制される。なお、アーク電流を制限するための素子として、抵抗３２の代わりにコイル等の他の素子を用いてもよい。
【００７１】
また、誘電体バリア放電用の電圧が高く設定されると、圧力や温度等の環境条件によってはアーク放電が発生する虞があるが、本実施形態では、制御装置１２が点火プラグ３１にパルス電圧を印加することにより、点火プラグ３１が持つ容量成分によりアーク放電用の第３電極２３側にアークＲＣ回路が形成されるため、誘電体バリア放電用の電圧を高くすることができ、誘電体バリア放電により高いエネルギーを有するラジカル反応場を生成することができる。
【００７２】
同様の作用・効果を得るために、点火プラグ３１の構成を図１２のようにしてもよい。即ち、図示されるように、この点火プラグ３１では、第１電極２１には、第１電極２１（第１電極２１を構成する導電性材料）を露出側部分２１Ｂと電源側部分２１Ａとに分断する抵抗３２が設けられているが、抵抗３２の位置が本体部２４の内部、即ち、第１電極２１における第２電極２２の内向き先端部２２ａと対向する点Ｐよりも基端側となっている。一方、第１電極２１の電源側部分２１Ａは、抵抗３２が設けられた位置から露出側部分２１Ｂと平行に且つ露出側部分２１Ｂと離間するように先端側に向けて延び、第２電極２２の内向き先端部２２ａと対向する点Ｐに対応する位置に至る延出部３３を有している。
【００７３】
点火プラグ３１がこのように構成されていても、制御装置１２が比較的低い電圧の高周波短時間パルスを点火プラグ３１に印加した際には、延出部３３に形成される第１出力部４１の第１出力電圧Ｖｏｕｔ１を低下させ、露出側部分２１Ｂに形成される第２出力部４２の第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を低下させることができる。また、制御装置１２が比較的高い電圧の長時間パルスを点火プラグ３１に印加した際には、第２出力部４２の第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を低下させずに、アーク放電を発生させることができる。これにより、誘電体バリア放電用の電圧を高く設定して高エネルギーな誘電体バリア放電を発生させることができる。
【００７４】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、高周波短時間パルスとして直流のパルス電圧を印加しているが、交流電圧を印加してもよい。また、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、素材、制御手順等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。また、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１      内燃機関
１０    点火装置
１１    点火プラグ
１２    制御装置
２１    第１電極（高電圧電極）
２１Ａ  電源側部分
２１Ｂ  露出側部分
２１ａ  被覆部
２１ｂ  露出部
２２    第２電極（誘電体バリア放電用電極）
２３    第３電極（アーク放電用電極）
２５    絶縁碍子（誘電体）
２５ｂ  外表面
３１    点火プラグ
３２    抵抗（アーク電流を制限するための素子）
Ａ      第１距離（第２電極２２から絶縁碍子２５までの距離）
Ｂ      第２距離（点Ｐから第１電極２１の露出部２１ｂまでの外表面２５ｂに沿った最短沿面距離）
Ｃ      第３距離（第３電極２３から第１電極２１の露出部２１ｂまでの距離）
Ｐ      点（絶縁碍子２５の外表面２５２ｂにおける第２電極２２に対向する領域の中で最も先端側の点）
【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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