(57)【要約】【課題】耐久性の高いプラズマ式点火装置を提供する。【解決手段】中心電極１１０と絶縁体１２０と接地電極１３０とによって放電空間１４０を区画した点火プラグ１０に高電圧と大電流との印加によって放電空間１４０内の気体をプラズマ状態にして機関４０内に噴射し、点火を行うプラズマ式点火装置１において、中心電極１１０は軸状に形成し、絶縁体１２０は、中心電極１１０の外側を覆いつつ、中心電極１１０下端面から軸方向に延び、その下端が開口する略筒状に形成し、接地電極１３０は、絶縁体１２０の外側に設けられ、絶縁体１２０下端の開口に連通する開口部１３１を有する略環状に形成しつつ、中心電極１１０を陽極側とし、接地電極１３０を陰極側として、正電位の高電圧の印加と大電流の供給とを行うとともに、放電空間内径φＤＣＨＭ、接地電極開口部内径φＤＯＲＦ、絶縁体肉厚ＴＩＮＳ、沿面放電距離ＧＰＳを特定の範囲に設定する。【選択図】図１
2009146636.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼機関に装着され、中心電極と絶縁体と接地電極とによって放電空間を区画した点火プラグと、上記中心電極と上記接地電極との間に高電圧を印加する放電用電源と上記放電空間内に大電流を放出するプラズマ発生用電源とを具備し、
上記放電用電源からの高電圧の印加によって上記放電空間の絶縁を破壊し、上記プラズマ発生用電源からの大電流の放出によって上記放電空間内の気体を高温、高圧のプラズマ状態として、上記燃焼機関の燃焼室内に噴射し、該機関の点火を行うプラズマ式点火装置において、
上記中心電極は軸状に形成し、
上記絶縁体は、上記中心電極の外側を覆いつつ、上記中心電極下端面から軸方向に延び、その下端が開口する略筒状に形成し、
上記接地電極は、上記絶縁体の外側に設けられ、上記絶縁体下端の開口に連通する開口部を有する略環状に形成しつつ、
上記中心電極を陽極側とし、上記接地電極を陰極側として、正電位の上記高電圧の印加と上記大電流の供給とを行うことを特徴とするプラズマ式点火装置。
【請求項２】
上記接地電極を反接地電極開口部方向に向かって延設したハウジング部を形成し、上記絶縁体を介して上記ハウジング部の上記中心電極と対向する部位を、上記中心電極に対する背後電極となしたことを特徴とする請求項１に記載のプラズマ式点火装置。
【請求項３】
上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）と、上記接地電極開口部の内径φＤＯＲＦ（ｍｍ）との関係において、下記式１の関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマ式点火装置。
０．１≦ＤＯＲＦ−ＤＣＨＭ・・・  式１
【請求項４】
上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）と、上記接地電極開口部の内径φＤＯＲＦ（ｍｍ）との関係において、下記式２の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
ＤＯＲＦ−ＤＣＨＭ≦１．２・・・  式２
【請求項５】
上記絶縁体の肉厚ＴＩＮＳ（ｍｍ）において、下記式３の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
１．７５≦ＴＩＮＳ・・・  式３
【請求項６】
上記絶縁体の肉厚ＴＩＮＳ（ｍｍ）において、下記式４の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
ＴＩＮＳ≦３．５・・・  式４
【請求項７】
上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）において、下記式５の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
０．７≦ＤＣＨＭ・・・  式５
【請求項８】
上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）において、下記式６の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
ＤＣＨＭ≦２．０・・・  式６
【請求項９】
上記中心電極下端部から上記絶縁体によって形成された上記放電空間開口の出口端までの沿面放電距離ＧＰＳ（ｍｍ）と上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）とにおいて、下記式７の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
１．８≦ＧＰＳ／ＤＣＨＭ・・・  式７
【請求項１０】
上記中心電極下端部から上記絶縁体によって形成された上記放電空間開口の出口端までの沿面放電距離ＧＰＳ（ｍｍ）と上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）とにおいて、下記式８の関係を満たすことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
ＧＰＳ／ＤＣＨＭ≦２．７・・・  式８
【請求項１１】
上記絶縁体は、その誘電率εが下記式９の関係を満たす誘電体からなる請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
ε≧７．０・・・  式９
【請求項１２】
上記接地電極の下端面と上記燃焼機関燃焼室の内壁面とを略同一となすべく、上記背後電極の上端部から上記接地電極の下端部に渡る外周面に、ネジ部を形成したことを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のプラズマ式点火装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の点火に用いられるプラズマ式点火装置の耐久性向上に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車等の内燃機関においては、燃焼排気中の環境汚染物質の低減や更なる燃費向上等を図るべく、空燃比の更なる希薄化や過給混合による燃焼が試みられている。このような、希薄燃焼機関や過給混合燃焼機関は着火性が低く、着火性の高い優れた点火性能を有する点火装置の開発が強く望まれている。
【０００３】
図１４に示すようなプラズマ式点火装置１ｚは、機関に装着した点火プラグ１０ｚの中心電極１１０ｚと接地電極１３０ｚとの間に放電用電源２０ｚから高電圧を印加するとともに、中心電極１１０ｚと接地電極１３０ｚとの間に形成された放電空間１４０ｚ内で放電が発生した直後に、プラズマ発生用電源３０ｚから大電流を供給して、放電空間１４０ｚ内の気体を高温高圧のプラズマ状態にして、放電空間１４０ｚから噴射し、機関の点火を行うことができる。
このようなプラズマ式点火装置は、指向性に富み、かつ容積的に大きな範囲で数千から数万Ｋの極めて高い温度域を発生させることができるので、均質リーンバーンや成層リーンバーンや過給混合燃焼等の難着火性の燃焼機関に用いる点火装置としての応用が期待されている。
【０００４】
特許文献１には、中心電極の汚染を防止すべく、中心電極と中心に該中心電極を保持し縦に伸びる挿入孔を設けた絶縁体と該絶縁体を覆い下端に挿入孔と連通する開口を設けた接地電極とによって構成し、上記挿入孔内に放電ギャップを形成した表面ギャップ型点火プラグが開示されている。
【０００５】
また、特許文献２には、プラグの熱価を上げて自己清浄化性を向上すべく、中心電極と側方電極との間のスパーク空隙の周囲の大半を電気絶縁体で包囲して小さな容積の放電空間を形成し、スパーク放電時にこの放電空間内に発生するプラズマ状ガスを前記放電空間に開口した噴出孔より燃料混合気内に噴出させるようにした内燃機関の点火プラグにおいて、前記側方電極を前記噴出孔とは離間して設置したことを特徴とする内燃機関の点火プラグが開示されている。
【０００６】
特許文献３には、放電空間内の絶縁体内壁の汚染を防ぐべく、スパークギャップの周囲を磁器絶縁体で包囲して小さな容積の放電空間を形成し、スパーク放電時にこの放電空間内に生成するプラズマガスを前記放電空間に形成した噴出孔より燃焼室内の燃料―空気混合気中に噴出させるようにしたプラズマジェット点火プラグにおいて、上記放電空間を形成する上記磁器絶縁体の発火部を燃焼室壁面より適当な長さ突出させ、かつこの発火部を接地電極が包囲するように形成したことを特徴とするプラズマジェット点火プラグが開示されている。
また、特許文献３の技術では、燃焼室内に突出した上記磁器絶縁体の発火部の肉厚を可及的に薄く０．２ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲に形成することによって、中心電極と接地電極との間に該磁器絶縁体を隔てて強い電界を生成する背後電極効果が付加され、スパークギャップをイオン化することによって放電々圧を低下することができるとされている。
【特許文献１】国特許第３５８１１４１号明細書
【特許文献２】実開昭５５−１６６０９２号公報
【特許文献３】特開昭５７−１５３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、従来のプラズマ式点火装置においては、図１４に示すように、中心電極を陰極側とし、接地電極を陽極側として負の高電圧を印加している。このような構成においては、図１３に示すように、放電空間内に発生した高温・高圧のプラズマ状気体の内、質量の大きな陽イオンが中心電極の表面に衝突し、その表面が徐々に侵食される陰極スパッタリングが発生する。陰極スパッタリングの進行により、中心電極と接地電極との距離すなわち放電距離が次第に長くなり、放電距離に比例して放電電圧が次第に上昇し、やがて機関の失火に至る虞がある。また、燃焼室内の特定部位の燃料濃度を上げて着火させようとする成層リーンバーンにおいては、特許文献３にあるように、磁器絶縁体の発火部を燃焼室内に突出させた場合には、燃焼室内の気流に乱れが生じ、狙った特定部位に高温領域を噴射することができなくなり失火に至る虞もある。
【０００８】
更に、特許文献２又は、３にあるような、冷間始動時や、くすぶり等によるデポジットの形成が問題となる程度の温度範囲のエネルギ噴射を行うプラズマ式点火装置では、通常のスパークプラグの火花放電による点火でも着火できる程度の希薄燃焼領域においては点火可能であっても、通常のスパークプラグでは点火できない程度まで極めて希薄化した機関では点火できない虞がある。
【０００９】
加えて、特許文献３にあるように、接地電極に設けられた噴出孔が放電空間内径よりも小さい場合には、中心電極と接地電極との最短距離は、両極が直接対向する部位となるため、背後電極効果が十分に発揮されず、気中放電が支配的となり、放電電圧が高くなる虞もある。一般に、気体圧力の上昇に伴い絶縁耐圧は上昇するので、従来の構成では、高圧縮時において放電できなくなる虞がある。加えて、特許文献３にあるように、磁器絶縁体の肉厚を０．８ｍｍから２．０ｍｍの範囲に設定した場合には、磁器絶縁体の耐電圧が極めて低い値となる。したがって、背後電極効果を考慮しても、プラズマの発生に先んじて行われる放電空間の絶縁破壊を起こす放電電圧は極めて限定的となり、適用可能な放電距離は極めて短く、狭い電空間から低いエネルギを噴射するに留まり、難着火性の燃焼機関に十分なエネルギを噴射することができず失火に至る虞もある。
【００１０】
そこで、本願発明はかかる実情に鑑み、例えば、希薄燃焼機関や過給混合燃焼機関等の難着火性の燃焼機関に用いられるプラズマ式点火装置において、高い着火性能を維持しつつ、陰極スパッタリングによる電極の消耗を抑制して、更なる耐久性の向上を実現したプラズマ式点火装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の発明では、燃焼機関に装着され、中心電極と絶縁体と接地電極とによって放電空間を区画した点火プラグと、上記中心電極と上記接地電極との間に高電圧を印加する放電用電源と上記放電空間内に大電流を放出するプラズマ発生用電源とを具備し、
上記放電用電源からの高電圧の印加によって上記放電空間の絶縁を破壊し、上記プラズマ発生用電源からの大電流の放出によって上記放電空間内の気体を高温、高圧のプラズマ状態として、上記燃焼機関内に噴射し、該機関の点火を行うプラズマ式点火装置において、上記中心電極は軸状に形成し、上記絶縁体は、上記中心電極の外側を覆いつつ、上記中心電極下端面から軸方向に延び、その下端が開口する略筒状に形成し、上記接地電極は、上記絶縁体の外側に設けられ、上記絶縁体下端の開口に連通する開口部を有する略環状に形成しつつ、上記中心電極を陽極側とし、上記接地電極を陰極側として、正電位の上記高電圧の印加と上記大電流の供給とを行う。
【００１２】
請求項１の発明によれば、正コロナが中心電極下端表面に発生する。正コロナは従来の中心電極を陰極とした場合に中心電極表面に発生する負性コロナに比べ、発生電圧はやや高くなるが極めて進展性に優れている。したがって、放電空間の絶縁を破壊し、中心電極と接地電極との間に放電が開始可能となる要求電圧は、従来の中心電極を陰極とした場合よりも低くなる。要求電圧の低下によって、上記放電用高電圧電源の電気容量を小さくできる。上記放電用高電圧電源の容量が小さくなると、放電用高電圧印加時の微弱電流が少なくなり、該微弱電流による上記接地電極の陰極スパッタリングが起こり難くなる。
一方、上記中心電極は、陽極であるため、プラズマ状態となった気体の内、質量の大きな陽イオンは、電気的に反発するため陽イオンの衝突によるスパッタリングを起こし難くなる。したがって、難着火性の燃焼機関において優れた着火性を有しつつ耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。
【００１３】
請求項２の発明では、上記接地電極を反接地電極開口部方向に向かって延設したハウジング部を形成し、上記絶縁体を介して上記ハウジング部の上記中心電極と対向する部位を、上記中心電極に対する背後電極となした。    
【００１４】
請求項２の発明によれば、上記中心電極と上記背後電極との間に強い電界が発生し、更に上記中心電極と上記背後電極の下端に配設された上記接地電極との間に発生した電束が上記放電空間と上記絶縁体とを出入りし、上記中心電極下端面に電束が集中して局部的に電位傾度の高い部位が形成される。このような電界集中によって、上記中心電極表面に更に正コロナが発生しやすくなり、上記放電空間の絶縁破壊が容易となり、更に要求電圧が低くなる。この時の放電は、従来の放電空間内を貫通する気中放電に比べて低い要求電圧において放電可能で、上記絶縁体表面を這うように放電経路を形成する沿面放電となる。したがって、更に耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。
【００１５】
請求項３の発明では、上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）と、上記接地電極開口部の内径φＤＯＲＦ（ｍｍ）との関係において、下記式１の関係を満たす。
０．１≦ＤＯＲＦ−ＤＣＨＭ・・・  式１
【００１６】
請求項３の発明によれば、上記中心電極と上記接地電極とが直接対向することがなく、上記中心電極と上記接地電極との間に発生する電界は、必ず上記放電空間と上記絶縁体とを出入りすることになり、上記中心電極の表面で電界集中が起こり、沿面放電を更に起こしやすくなり、要求電圧の低減ができる。よって、更に耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。
一方、上記絶縁体内径φＤＣＨＭと、上記接地電極開口部内径φＤＯＲＦ（ｍｍ）との関係において本発明の範囲を外れる場合には、上記中心電極と上記接地電極とが略直接的に対向することとなり、沿面放電よりも気中放電が支配的となり、要求電圧の上昇を招く虞がある。加えて、接地電極の表面に質量の大きい陽イオンが衝突しやすくなり、陰極スパッタリングによる消耗が激しくなる虞がある。
【００１７】
請求項４の発明では、上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）と、上記接地電極開口部の内径φＤＯＲＦ（ｍｍ）との関係において、下記式２の関係を満たす。
ＤＯＲＦ−ＤＣＨＭ≦１．２  ・・・  式２
【００１８】
接地電極開口部の内径φＤＯＲＦが放電空間の内径φＤＣＨＭよりも遙かに大きい場合、すなわちφＤＯＲＦ―φＤＣＨＭ＞１．２である場合には、正電圧印加及び背後電極効果による要求電圧ＶＢＤＷの低下効果よりも、沿面放電距離ＧＰＳの増加による要求電圧ＶＢＤＷの上昇効果が勝り、本発明の効果が発揮されず、放電できなくなる虞がある。
【００１９】
請求項５の発明では、上記絶縁体の肉厚ＴＩＮＳ（ｍｍ）において、下記式３の関係を満たす。
１．７５≦ＴＩＮＳ・・・  式３
【００２０】
請求項５の発明によれば、上記絶縁体が高い着火性を実現可能なプラズマ式点火装置の放電電圧に対して充分な絶縁耐圧を持つ。よって、更に耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。
一方、上記絶縁体の肉厚ＴＩＮＳ（ｍｍ）において本発明の範囲を外れる場合には、上記放電用電源からの印加電圧に対して充分な絶縁耐圧を有さず、上記絶縁体の絶縁破壊に至る虞があり、点火装置としての信頼性が著しく低下する。
【００２１】
請求項６の発明では、上記絶縁体の肉厚ＴＩＮＳ（ｍｍ）において、下記式４の関係を満たす。
ＴＩＮＳ≦３．５・・・  式４
【００２２】
請求項６の発明によれば、背後電極による要求電圧の低下効果が発揮できる。よって、耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。
一方、上記絶縁体の肉厚ＴＩＮＳにおいて、本発明の範囲を外れる場合には、背後電極効果が小さくなり、要求電圧の低下を図ることができない虞がある。
【００２３】
請求項７の発明では、上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）において、下記式５の関係を満たす。
０．７≦ＤＣＨＭ・・・  式５
【００２４】
請求項７の発明によれば、充分な耐久性能を確保できる。
一方、上記絶縁体の内径φＤＣＨＭにおいて、本発明の範囲を外れる場合には、
中心電極が細すぎるので、極めて高温のプラズマ状態となった気体によって容易に溶融され、著しく耐久性が低下する虞がある。
【００２５】
請求項８の発明では、上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）において、下記式６の関係を満たす。
ＤＣＨＭ≦２．０・・・  式６
【００２６】
請求項８の発明によれば、上記放電空間内の気体がプラズマ状態となったときに、上記燃焼機関の燃焼室内に高いエネルギを噴射でき、難着火性燃焼機関の点火が可能となる。
一方、上記絶縁体の内径φＤＣＨＭにおいて、本発明の範囲を外れる場合には、上記放電空間の容積が大きく、上記放電空間内の気体がプラズマ状態となっても、上記放電空間内の圧力が低く上記放電空間から噴射されず失火に至る虞がある。
【００２７】
請求項９の発明では、上記中心電極下端部から上記絶縁体によって形成された上記放電空間開口の出口端までの沿面放電距離ＧＰＳ（ｍｍ）と上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）とにおいて、下記式７の関係を満たす。
１．８≦ＧＰＳ／ＤＣＨＭ・・・  式７
【００２８】
上記放電用電源からの高電圧の印加によって、上記放電空間の絶縁が破壊され、これに続いて上記プラズマ発生用電源から大電流が供給されると、沿面放電経路に沿って電子が放出され、その近傍の気体が励起され高温、高圧のプラズマ状態となる。請求項９の発明によれば、難着火性の燃焼機関の点火に必要なエネルギの噴射が可能なプラズマ式点火装置が実現可能となる。
一方、上記中心電極下端部から上記絶縁体によって形成された上記放電空間開口の出口端までの沿面放電距離ＧＰＳと上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）とにおいて、本発明の範囲を外れると、放電距離が短過ぎるので、短い放電経路の間で励起される気体が少なくなり、点火に必要なエネルギを噴射できなくなる虞がある。
【００２９】
請求項１０の発明では、上記中心電極下端部から上記絶縁体によって形成された上記放電空間開口の出口端までの沿面放電距離ＧＰＳ（ｍｍ）と上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）とにおいて、下記式８の関係を満たす。
ＧＰＳ／ＤＣＨＭ≦２．７・・・  式８
【００３０】
請求項１０の発明によれば、適度な印加電圧によって、上記放電空間の絶縁を破壊し、沿面放電経路近傍の適度な量の気体をプラズマ状態にできるので、難着火性の燃焼機関の点火に必要なエネルギの噴射が可能なプラズマ式点火装置が実現可能となる。
一方、上記中心電極下端部から上記絶縁体によって形成された上記放電空間開口の出口端までの沿面放電距離ＧＰＳと上記絶縁体の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）とにおいて、本発明の範囲を外れると、放電距離が長すぎるので、要求電圧が印加電圧を越え、放電に至らない虞がある。
【００３１】
請求項１１の発明では、上記絶縁体は、その誘電率εが下記式９の関係を満たす誘電体からなる。
ε≧７．０  ・・・  式９
【００３２】
請求項１１の発明によれば、上記絶縁体の誘電率は、上記放電空間の誘電率よりも遥かに高いので、上記中心電極と上記接地電極との間に形成される電界の電束の大部分は上記絶縁体内を通過する。したがって、上記中心電極下端部における電位傾度が更に大きくなり、正コロナを発生しやすくなる。よって、要求電圧を更に低くすることが可能となり、難着火性の燃焼機関において優れた着火性を有しつつ耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。
【００３３】
請求項１２の発明では、上記接地電極の下端面と上記燃焼機関燃焼室の内壁面とを略同一となすべく、上記背後電極の上端部から上記接地電極の下端部に渡る外周面に、ネジ部を形成する。
【００３４】
請求項１２の発明によれば、放電空間内に発生した極めて高温のプラズマ状態の気体によって加熱された上記接地電極が上記ネジ部を介して上記燃焼機関燃焼室内壁に速やかに放熱するので、陰極スパッタリングによる消耗が更に起こり難くなる。したがって、難着火性の燃焼機関において優れた着火性を有しつつ耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。
加えて、上記接地電極が上記燃焼機関の燃焼室内に突出していないので、燃焼室内の気流を乱すことがなく、成層燃焼や均質混合燃焼等の燃焼形式の違いに係わらず、難着火性の燃焼機関において優れた着火性を有しつつ耐久性の高いプラズマ式点火装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の第１の実施形態について、図１を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態におけるプラズマ式点火装置１は、点火プラグ１０と、高電圧電源として、放電用電源回路２０とプラズマ発生用電源回路３０とによって構成されている。
点火プラグ１０は、後述の中心電極１１０と絶縁体１２０と接地電極１３０とによって構成されている。
【００３６】
中心電極１１０は、長軸状に形成されている。中心電極１１０の先端側は、例えばイリジウム、イリジウム合金等の貴金属よりなる導電性材料によって長軸状に形成され、内部には耐食性に優れたＮｉ材料や内部に銅等の良電導性で高熱伝導性の金属材料を内包した中心電極中軸１１１が形成され、基端側は中心電極ターミナル部１１３が形成されている。
【００３７】
接地電極１３０は、略環状をしており、放電空間１４０を形成する絶縁体１２０の内周に連通する接地電極開口部１３０が形成されている。
接地電極１３０の基端側には、絶縁体１２０を収納保持するとともに、絶縁体１２０を介して中心電極１１０と対向する背後電極１３２が一体的に形成されている。
背後電極１３２の基端側から接地電極１３０の先端に渡る外周面には希薄燃焼機関４０に螺結するためのネジ部１３３が形成されている。
更に、背後電極１３２の基端側には絶縁体１２０の中腹を覆うようにハウジング部１３が形成され、更にハウジング部１３の外周には、ネジ部１３３をネジ締めするための六角部１３４が形成され、ハウジング部１３の基端側は、絶縁体１２０を加締め固定する加締め部１３５が形成されている。
接地電極１３０及びハウジング部１３は、ニッケル、鉄等の金属材料によって形成されている。
【００３８】
絶縁体１２０は、中心電極１１０を覆いつつ、中心電極１１０の下端面よりも下方に延びる略筒状に形成され、その内側は、中心電極１１０の下端面と接地電極開口部１３１とによって、放電空間１４０を形成し、中心電極１１０と接地電極１３０との間で放電可能となっている。
絶縁体１２０の中腹は、ハウジング部１３によって固定され、ハウジング部１３から露出する基端側は、コルゲート状の絶縁体頭部１２２が形成され、絶縁体頭部１２２から露出する中心電極ターミナル部１１３とハウジング部１３との間の絶縁リークを防止している。
【００３９】
本実施形態において、放電空間１４０の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）は、φ１．３ｍｍに形成され、接地電極開口部１３１の内径φＤＯＲＦ（ｍｍ）は、φ１．５ｍｍに形成されており、下記式１及び下記式２の関係を満たしている。
０．１≦ＤＯＲＦ−ＤＣＨＭ・・・  式１  
ＤＯＲＦ−ＤＣＨＭ≦１．２・・・  式２
更に、絶縁体１２０の肉厚ＴＩＮＳ（ｍｍ）は、２．１ｍｍに形成されており、下記式３及び下記式４の関係を満たしている。
１．７≦ＴＩＮＳ・・・  式３
ＴＩＮＳ≦３．５・・・  式４
より好ましくは、絶縁体１２０の肉厚ＴＩＮＳが２．１ｍｍ以上に設定するのがよい。絶縁体１２０の耐電圧が更に高くなり、信頼性が向上する。
加えて、絶縁体１２０の内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）は、φ１．３ｍｍに形成されており、下記式５及び下記式６の関係を満たしている。
０．７≦ＤＣＨＭ・・・  式５
ＤＣＨＭ≦２．０・・・  式６
中心電極１１０の下端部から絶縁体１２０によって形成された放電空間１４０開口の出口端までの沿面放電距離ＧＰＳ（ｍｍ）は、２．５ｍｍ、に形成されており、ＧＰＳ／ＤＣＨＭは１．９２となり、下記式７及び下記式８の関係を満たしている。
ＧＰＳ／ＤＣＨＭ≧１．８・・・  式７
ＧＰＳ／ＤＣＨＭ≦２．７・・・  式８
【００４０】
放電空間１４０内径φＤＣＨＭ、接地電極開口部１３１内径φＤＯＲＦ、絶縁体１２０肉厚ＴＩＮＳ、沿面放電距離ＧＰＳを、式１〜式８のいずれか若しくは全てを満たす特定範囲に設定することにより、要求電圧を効果的に下げつつ、発生したプラズマ状態の気体を効率よく点火に利用し、着火性に優れ、かつ、耐久性の高いプラズマ点火装置１が実現できる。
【００４１】
絶縁体１２０は、耐熱性、機械的強度、高温における絶縁耐力、熱伝導率などに優れた高純度のアルミナ、チタニア等からなり、基端側は、絶縁体材頭部１２１が形成され、中心電極ターミナル部１１１とハウジング１３５との電気絶縁性を確保している。また、絶縁体１２０の誘電率εAｌ２O3は、８．５であり、下記式９の関係を満たしている。
ε≧７．０・・・式９
【００４２】
本発明は、例えば自動車用の直噴式ガソリンエンジンに用いられる均質リーンバーン、成層リーンバーン、過給混合燃焼等の難着火性の燃焼機関４０に適用される。難着火性燃焼機関４０は、シリンダヘッド４１０と図略のシリンダブロックとシリンダピストン４２０とによって燃焼室４００が区画され、吸気筒４１１を開閉する吸気バルブ４１２、排気筒４１３を開閉する排気バルブ４１３、水冷ジャケット４１５等が設けられている。
シリンダヘッド４１０に設けられたプラグホール４１６には、点火プラグ１０が、接地電極開口部１３１を燃焼室４００内に開口して、ネジ部１３３によって螺結されている。  本実施形態において、放電空間１４０は、シリンダヘッド４１０の内側に形成され、接地電極１３０の先端は、シリンダヘッド４１０の内壁と略面一の状態となっている。
点火プラグ１０は、機関４０のシリンダヘッド４１０に機械的に固定されるとともに、接地電極１３０とシリンダヘッド４１０とが電気的に接地状態となり、更に、熱的にも結合状態となり、接地電極１３０及び背後電極１３２からシリンダヘッド４１０へ放熱容易となっている。
【００４３】
放電用電源２０は、第１の電源２１と、イグニションスイッチ２２と点火コイル２３と点火コイル駆動回路２４と、電子制御装置（ＥＣＵ）２５と、第１の整流素子２６とによって構成されている。点火コイル駆動回路２４は、ＥＣＵ２５によって開閉制御されるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子を含み、第１の電源２１からの電圧を点火コイル２３によって昇圧した高電圧の点火プラグ１０への供給を制御している。放電用電源２０においては、イグニションスイッチ２２を閉じると、第１の電源２１から低圧の一次電圧が点火コイル２３の一次コイル２３１に印加され、一次コイル２３１に磁化エネルギが蓄えられる。希薄燃焼機関４０の運転状態に応じて、ＥＣＵ２５からの指令に従って、点火コイル駆動回路２４が開閉制御される。
【００４４】
プラズマ発生用電源３０は、第２の電源３１と、抵抗３２と、プラズマ発生用コンデンサ３３と、第２の整流素子３４とによって構成されている。プラズマ発生用電源３０においては、第２の電源３１によって、コンデンサ３３が充電されている。
【００４５】
図２、３を参照して、本発明のプラズマ式点火装置の効果について説明する。
図２（ａ）に示すように、点火信号に従って、点火コイル駆動回路２４のスイッチングにより一次コイル２３１の一次電流が遮断されると、点火コイル２３の磁界が変化し、一次コイル２３１に−数百Ｖの一次電圧が生じ、更に自己誘導によって、二次コイル２３２に数〜数十ｋＶの二次電圧が生じる。第１の整流素子２６によって、中心電極１１０には、正電圧が印加され、この電圧が放電空間１４０の絶縁耐圧を超えると、放電空間１４０の絶縁が破壊され、中心電極１１０と接地電極１３０との間で放電が起こる。
このとき、図２（ｂ）に示すように、中心電極１１０が陽極となっているので、正コロナが中心電極１１０の下端表面に発生する。正コロナは従来の中心電極を陰極とした場合に発生する負コロナに比べ、発生電圧はやや高くなるが極めて進展性に優れている。したがって、放電空間１４０の絶縁を破壊し、中心電極１１０と接地電極１３０との間に放電が開始可能となる要求電圧ＶＢＤＷは低くなる。
【００４６】
更に、絶縁体１２０の材質はアルミナであり、その誘電率εＡｌ２Ｏ３は、８．５であり、空気の誘電率εＡＩＲの１．０に比べて遥かに高い。
したがって、中心電極１１０の端面と接地電極１３０の開口部１３１との間に形成される電界の電束の大部分は、絶縁体１２０の内部を通過することになる。このため、中心電極１１０と接地電極１３０との間に形成される放電経路は、従来の中心電極１１０を陰極とした場合に起こる放電空間１４０内を貫通する気中放電よりも、絶縁体１２０の表面を這うように放電経路を形成する沿面放電が支配的となる。
【００４７】
また、接地電極１３０の基端側は、背後電極１３２として、中心電極１１０との間に絶縁体１２０を介して強い電界を形成し、絶縁体１２０の内外を電束が出入りすることにより、中心電極１１０の下端面に電束が集中して局部的に電位傾度の高い部位が形成される。このような電界集中によって、上記中心電極表面に更に正コロナが発生しやすくなり、上記放電空間の絶縁破壊が容易となり、放電空間１４０の絶縁を破壊するのに必要な要求電圧ＶＢＤＷが低くなっている。
【００４８】
放電用電源２０からの高電圧の印加によって、中心電極１１０と接地電極１３０との間で放電が起こると、コンデンサ３３に蓄えられたエネルギが、例えば１００Ａ程度の大電流となって第２の整流素子３４によって整流されながら流れ、放電空間１４０内に一気に放出され、１００ｍＪ程度の高いエネルギが放電空間１４０内の気体に与えられる。
【００４９】
このとき、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、放電空間１４０内の気体が電離され高温・高圧のプラズマ状態となり、接地電極開口部１３１から噴射長ＬＰＺの容積的に大きな高温領域が噴射される。
このとき、中心電極１１０は、陽極であるため、プラズマ状態となった気体の内、質量の大きな陽イオン５０は、電気的に反発するため、中心電極１１０の表面には、質量の小さい電子５１のみが衝突し、陽イオン５０の衝突によるスパッタリングを起こし難くなっている。
更に、接地電極１３０がネジ部１３２を介してシリンダヘッド４１０に螺結されているので、プラズマ状態となった気体によって加熱された接地電極１３０は、速やかにシリンダヘッド４１０に放熱するので、更に耐久性が向上している。
加えて、接地電極１３１の下端面がシリンダヘッド４１０の内壁と略面一となっているので、燃焼室４００内の気流に乱れを生じることなく所望の部位にプラズマ状態となった気体が噴射できる。この高温領域は極めて高温であるのに加え、容積的に大きな火炎核に成長し、難着火性の燃焼室４００内の混合気を点火することができる。
【００５０】
また、放電用電源２０の点火コイル２３の二次コイル２３２には、高電圧の放電後も誘導電流が残存し、これがプラズマ噴射後に極僅かであるが微弱電流として放電空間１４０内に放出されることが判明した。この時、接地電極１３０は、高温に加熱されているので、この微弱電流によって電離した陽イオン５０の衝突により、陰極スパッタリングを起こす虞がある。点火コイル２３から放出される微弱電流は、点火コイルの自己インダクタンスによって、数百μｓｅｃから２ｍｓｅｃ程度継続するため、接地電極１３０の消耗に対する影響が大きいが、本発明によれば、放電空間１４０の絶縁を破壊するのに必要な要求電圧ＶＢＤＷを低下することが可能となり、点火コイル２３の自己インダクタンスを小さくできる。点火コイル２３の自己インダクタンスが小さくなると、放電後の微弱電流の放出時間が短くなり、該微弱電流による接地電極１３０の陰極スパッタリングが起こり難くなる。したがって、難着火性の希薄燃焼機関において優れた着火性を有しつつ耐久性の高いプラズマ式点火装置１が実現できる。
【００５１】
図４に本発明の第１の実施形態において、沿面放電距離ＧＰＳを３．０ｍｍに固定した実施例と、従来の中心電極側に負の高電圧を印加した比較例とにおいて、筒内圧力を変化させたときの放電電圧の変化を示す。本図に示すように、本発明によれば、筒内圧力が高くなっても、放電に必要な要求電圧ＶＢＤＷを従来よりも低く保つことができることが判明した。
【００５２】
図５には、沿面放電距離ＧＰＳを２．５ｍｍ、絶縁体１２０の肉厚ＴＩＮＳを２．１ｍｍ、放電空間１４０の内径φＤＣＨＭを１．３ｍｍに固定し、接地電極開口部１３１の内径φＤＯＲＦと内径φＤＣＨＭとの差を０から１．６ｍｍまで変化させたときの筒内圧力２ＭＰａにおける放電空間１４０の絶縁破壊に必要とされる要求電圧ＶＢＤＷの変化を測定した結果を示す。本図に示すように、φＤＯＲＦとφＤＣＨＭとの差を横軸とし、要求電圧ＶＢＤＷを縦軸とした特性は、０．５ｍｍ付近で要求電圧ＶＢＤＷが最も低くなる下に突の曲線を描く関係であることが判明した。φＤＯＲＦ−φＤＣＨＭを０．１ｍｍ以上１．２ｍｍ以下の範囲とすることにより要求電圧ＶＢＤＷを低くできるので、耐久性の向上を図ることが期待できる。
【００５３】
図６には、放電空間１４０の内径φＤＣＨＭを固定し、絶縁体１２０の肉厚ＴＩＮＳを１．５ｍｍ〜４ｍｍまで変化させたときの要求電圧ＶＢＤＷの変化を測定した結果を示す。本図に示すように、絶縁体１２０の肉厚ＴＩＮＳが厚くなると徐々に要求電圧ＶＢＤＷが上昇し、特に絶縁体１２０の肉厚ＴＩＮＳが３．５ｍｍより厚くなると急激に要求電圧ＶＢＤＷが高くなることが判明した。一方、絶縁体１２０の肉厚ＴＩＮＳが１．７５ｍｍよりも薄くなると絶縁体１２０の絶縁耐圧が低くなり、絶縁破壊を招くおそれが生じる。
【００５４】
図７には、放電空間１４０の内径φＤＣＨＭを０．５ｍｍ〜２．０ｍｍまで変化させ、耐久試験を行った後の電極の消耗に伴う沿面放電距離ＧＰＳのギャップ拡大率の変化を測定した結果を示す。なお、中心電極１１０は、絶縁体１２０に覆われる構造なので、中心電極１１０の直径の最大値は、放電空間１４０の内径φＤＣＨＭに略同一である。本図に示すように、φＤＣＨＭが０．７ｍｍより細くなると、急激に電極消耗による沿面放電距離ＧＰＳの拡大率大きくなることが判明した。なお、φＤＣＨＭが２．０ｍｍより大きくなると、プラズマ状態となった気体が放電空間１４０から噴射される圧力が低くなり、機関の点火ができなくなる虞を生じる。
【００５５】
図８には、沿面放電距離ＧＰＳと放電空間１４０内径φＤＣＨＭとの比率を１．３から３．５まで変化させ、２００ｍＪのエネルギを与えたときに、大気雰囲気下で放電空間１４０から噴射されるプラズマ状態気体の噴出長ＬＰＺを高速度カメラで撮影して測定した結果を示す。本図に示すように、ＧＰＳとφＤＣＨＭとの比を横軸とし、噴出長ＬＰＺを縦軸とした特性は、ＧＰＳ／φＤＣＨＭが１．８から２．７付近で最も噴出長ＬＰＺが長くなる上に突の曲線を描く関係であることが判明した。
【００５６】
図９を参照して、絶縁体内径φＤＣＨＭ（ｍｍ）と、接地電極開口部内径φＤＯＲＦ（ｍｍ）との関係において本発明の範囲を外れる従来のプラズマ式点火装置の問題点について説明する。本図（ａ）に示すように、接地電極開口部１３１ａの内径φＤＯＲＦが放電空間１４０ａの内径φＤＣＨＭと略同一又はそれよりも小さい場合、すなわちφＤＯＲＦ―φＤＣＨＭ＜０．１である場合には、中心電極１１０ａと接地電極１３０ａとが略直接的に対向することとなり、沿面放電よりも気中放電が支配的となり、要求電圧ＶＢＤＷの上昇を招く虞がある。加えて、接地電極１３０ａの表面に質量の大きい陽イオン５０が衝突しやすくなり、陰極スパッタリングによる消耗が激しくなる。また、本図（ｂ）に示すように、接地電極開口部１３１ｂの内径φＤＯＲＦが放電空間１４０ｂの内径φＤＣＨＭよりも遙かに大きい場合、すなわちφＤＯＲＦ―φＤＣＨＭ＞１．２である場合には、正電圧印加及び背後電極効果による要求電圧ＶＢＤＷの低下効果よりも、沿面放電距離ＧＰＳの増加による要求電圧ＶＢＤＷの上昇効果が勝り、本発明の効果が発揮されず、放電できなくなる虞がある。
【００５７】
図１０を参照して、絶縁体１２０の肉厚ＴＩＮＳが本発明の範囲を外れる従来のプラズマ式点火装置の問題点について説明する。本図（ａ）に示すように、絶縁体１２０ｃの肉厚ＴＩＮＳが薄すぎる場合、即ち、ＴＩＮＳ＜１．７５の場合には、難着火性の燃焼機関の点火に必要なプラズマ状態の気体を噴射するだけの放電空間１４０ｃを形成したときに必要となる要求電圧ＶＢＤＷに対して、絶縁体１２０ｃの耐電圧が不足して、絶縁体１２０ｃを貫通して絶縁破壊が起こる虞があり、プラズマ式点火装置の信頼性が著しく低下する。また、本図（ｂ）に示すように、絶縁体１２０ｄの肉厚ＴＩＮＳが厚すぎる場合、即ち、ＴＩＮＳ＞３．５の場合には、中心電極１１０と背後電極１３２との距離が大きくなるので背後電極効果が小さくなり、要求電圧ＶＢＤＷの低下を図ることができない虞がある。したがって、プラズマ式点火装置の信頼性が著しく低下する。
【００５８】
図１１に、放電空間１４０の内径φＤＣＨＭが、本発明の範囲を外れる従来のプラズマ式点火装置の問題点について説明する。本図（ａ）に示すように、中心電極１１０ｅが細く、放電空間１４０ｅの内径φＤＣＨＭが小さすぎる場合、即ち、φＤＣＨＭ＜０．７の場合には、中心電極１１０ｅが細すぎると、極めて高温のプラズマ状態となった気体によって極めて高温に加熱され、中心電極の極性を正極性にした事により、中心電極１１０の表面におけるスパッタリングの発生が抑制されたとしても、容易に中心電極１１０の表面が溶融され、著しく耐久性が低下する虞がある。また、本図（ｂ）に示すように、沿面放電経路の近傍に電子が放出され、放電空間１４０内において、沿面放電経路近傍、即ち、絶縁体１２０の内周壁表面近傍の気体がプラズマ状態となるため、中心電極１１０ｆが太く、放電空間１４０ｆの内径φＤＣＨＭが大きすぎる場合、即ち、φＤＣＨＭ＞２．０の場合には、放電空間１４０ｆが大きくなりすぎ、沿面放電経路から離れた位置のプラズマ状態とならない気体が多く存在し、放電空間１４０内の気体が燃焼室４００内に噴射されるのに十分な圧力に達せず、失火に至る虞がある。
【００５９】
図１２に、中心電極１１０下端部から上記絶縁体によって形成された上記放電空間開口の出口端までの沿面放電距離ＧＰＳにおいて、本発明の範囲を外れる従来のプラズマ式点火装置の問題点について説明する。本図（ａ）に示すように、放電空間１４０の内径φＤＣＨＭに比べて沿面放電距離ＧＰＳが短い場合、即ち、ＧＰＳ／ＤＣＨＭ＜１．８の場合には、放電距離が短過ぎるので、放電経路の間で励起される気体が少なくなり、燃焼機関の点火に必要なエネルギを噴射できなくなる虞がある。また、本図（ｂ）に示すように、放電空間１４０の内径φＤＣＨＭに比べて沿面放電距離ＧＰＳが長い場合、即ち、ＧＰＳ／ＤＣＨＭ＞２．７の場合には、放電距離が長すぎるので、要求電圧ＶＢＤＷが印加電圧を越え、放電に至らない虞がある。
【００６０】
本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記実施形態においては、放電用電源とプラズマ発生用電源とを異なる電源によって電力供給しているが、Ｄｃ−Ｄｃコンバータ等を介装して、ひとつの電源を用いる構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるプラズマ式点火装置の構成を示す全体図。
【図２】本発明の第１の実施形態における効果を示し、（ａ）は、電圧及び電流変化を示す特性図、（ｂ）は、放電時の状態を示す要部断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態における効果を示し、（ｂ）は、プラズマ発生時の状態を示すプラズマ式点火装置の状態を示す断面図、（ｃ）は、プラズマ発生時の状態を示す要部断面図。
【図４】比較例とともに本発明の効果を示す特性図。
【図５】は、接地電極開口部内径と放電空間内径との差に起因する要求電圧の変化を示す特性図。
【図６】は、絶縁体肉厚に起因する要求電圧の変化を示す特性図。
【図７】は、放電空間内径に起因するギャップ拡大率の変化を示す特性図。
【図８】は、沿面放電距離と放電空間内径との比に起因するプラズマ噴出長の変化を示す特性図。
【図９】（ａ）、（ｂ）は、従来のプラズマ点火装置の接地電極開口部内径に起因する問題点を示す要部断面図。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、従来のプラズマ点火装置の絶縁体肉厚に起因する問題点を示す要部断面図。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、従来のプラズマ点火装置の放電空間内径に起因する問題点を示す要部断面図。
【図１２】（ａ）、（ｂ）は、従来のプラズマ点火装置の沿面放電距離に起因する問題点を示す要部断面図。
【図１３】従来のプラズマ点火装置の問題点を示す要部断面図。
【図１４】従来のプラズマ点火装置の構成を示す全体図。
【符号の説明】
【００６２】
１０  プラズマ式点火プラグ
１１０  中心電極
１２０  絶縁体
１３０  接地電極
１３１  開口部
１４０  放電空間
２０  放電用電源
３０  プラズマ発生用電源
４０  燃焼機関
φＤＣＨＭ  放電空間内径
φＤＯＲＦ  接地電極開口部内径
ＴＩＮＳ  絶縁体肉厚
ＧＰＳ  沿面放電距離
【図１】
2009146636.tif 000003
【図２】
2009146636.tif 000004
【図３】
2009146636.tif 000005
【図４】
2009146636.tif 000006
【図５】
2009146636.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009146636.tif 000009
【図８】
2009146636.tif 000010
【図９】
2009146636.tif 000011
【図１０】
2009146636.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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