JP2010116909A - プラズマ点火装置を備える内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ点火装置を具備する内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部に形成される噴孔を良好に冷却して溶損を抑制する。
【解決手段】絶縁体２の側壁により形成されたチャンバ１と、チャンバの一端側に配置された接地電極３と、チャンバの他端側に配置された中心電極４とを具備して、チャンバと気筒内とを連通する噴孔６が先端部１００ａに形成されたプラズマ点火装置１００を備える内燃機関であって、プラズマ点火装置はシリンダヘッド１０８に取り付けられ、シリンダヘッドとピストン頂面とによりスキッシュ発生部１０７ａ，１０８ａを形成し、スキッシュ発生部により発生させたスキッシュ流Ｓによってプラズマ点火装置の先端部を冷却させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマ点火装置を備える内燃機関に関する。

内燃機関において、点火装置により気筒内全体の均質混合気又は気筒内の一部に存在する混合気を確実に着火させなければならない。しかしながら、点火ギャップに火花を発生させる一般的な点火装置は、混合気の一点を着火させるものであり、それほど高い着火性を有してはいない。

着火性に優れた点火装置として、プラズマジェットを噴射するプラズマ点火装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。プラズマ点火装置は、絶縁体の側壁により形成されたチャンバと、チャンバの一端側に配置された接地電極と、チャンバの他端側に配置された中心電極とを具備し、中心電極と接地電極との間に電圧を印加して発生する放電によってチャンバ内に高温高圧のプラズマを発生させるものである。こうして発生させたプラズマは、プラズマ点火装置の先端部に形成されて気筒内とチャンバとを連通する噴孔からプラズマジェットとして噴射され、プラズマジェットの断面積に相当する混合気の所定面積を同時に着火させることができるために、高い着火性が実現される。

特開２００６−２９４２５７ 特開平１１−３２４６８１ 特開２００６−１８３５１２ 特開２００８−１５１０００ 特開２００２−４８６３

このようなプラズマ点火装置において、先端部に形成される噴孔はプラズマの通過により非常に高温となり、十分に冷却されないと溶損することがある。

従って、本発明の目的は、プラズマ点火装置を具備する内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部に形成される噴孔を良好に冷却して溶損を抑制することである。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、絶縁体の側壁により形成されたチャンバと、前記チャンバの一端側に配置された接地電極と、前記チャンバの他端側に配置された中心電極とを具備して、前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔が先端部に形成されたプラズマ点火装置を備える内燃機関であって、前記プラズマ点火装置はシリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッドとピストン頂面とによりスキッシュ発生部を形成し、前記スキッシュ発生部により発生させたスキッシュ流によって前記プラズマ点火装置の前記先端部を冷却させることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、前記プラズマ点火装置の前記先端部の端面に前記噴孔が形成され、前記スキッシュ流が前記端面に衝突するように、前記端面は前記スキッシュ流の進行方向と平行とならないようにされていることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関は、請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、前記プラズマ点火装置の前記先端部の側面には、前記チャンバへ通じる流入孔が形成され、前記スキッシュ流が前記流入孔を介して前記チャンバ内へ流入するようになっていることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、プラズマ点火装置はシリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッドとピストン頂面とによりスキッシュ発生部を形成し、スキッシュ発生部により発生させたスキッシュ流によってプラズマ点火装置の先端部を冷却させるようになっており、それにより、プラズマ点火装置の先端部に形成された噴孔はスキッシュ流によって良好に冷却され、噴孔の溶損が抑制される。

本発明による請求項２に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部の端面に噴孔が形成され、スキッシュ流が先端部の端面に衝突するように、先端部の端面はスキッシュ流の進行方向と平行とならないようにされている。それにより、スキッシュ流により噴孔が確実に冷却されるだけでなく、スキッシュ流は噴孔からチャンバ内へ流入して、スキッシュ流によりチャンバ内も冷却される。

本発明による請求項３に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関によれば、請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関において、プラズマ点火装置の先端部の側面には、チャンバへ通じる流入孔が形成され、スキッシュ流が流入孔を介してチャンバ内へ流入するようになっている。それにより、スキッシュ流により噴孔が冷却されるだけでなく、チャンバ内へ流入したスキッシュ流によりチャンバ内も冷却される。

図１は本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の実施形態を示す断面図である。同図において、１００はプラズマ点火装置であり、シリンダヘッド１０８の気筒上部略中心に配置されている。１０１は一対の吸気弁１０２を介して気筒内へ通じる一対の吸気ポートであり、１０３は一対の排気弁１０４を介して気筒内へ通じる一対の排気ポートである。

１０５は、一方の吸気ポート１０１に配置された第一燃料噴射弁である。また、１０６は、気筒上部周囲に配置されて、好ましくは、比較的温度の低い気筒上部周囲の一対の吸気ポート１０１の間に配置されて、気筒内へ直接的に燃料を噴射するための第二燃料噴射弁である。

本内燃機関は、例えば、均質燃焼を実施するものであり、機関運転状態（機関負荷及び機関回転数）に基づいて必要燃料量を決定し、必要燃料量を主に第二燃料噴射弁１０６により吸気行程において気筒内へ噴射する。必要燃料量が多量となる時には、点火時期までに噴射燃料の気化が不十分となることがあるために、必要燃料量の一部を第一燃料噴射弁により吸気ポート１０１へ噴射する。

しかしながら、本内燃機関は、このような燃料方式に限定されることなく、第二燃料噴射弁１０６を省略して第一燃料噴射弁１０５だけにより燃料を噴射するようにしても、第一燃料噴射弁１０５を省略して第二燃料噴射弁１０６だけにより燃料を噴射するようにしても良い。また、機関低負荷側においては、第二燃料噴射弁１０６によって圧縮行程において気筒内へ燃料を噴射して成層混合気を形成し、これを着火燃焼させる成層燃焼を実施するようにしても良い。

図１は、点火時期直後の圧縮上死点を示しており、この時において、ピストン１０７の頂面の吸気弁側部分１０７ａとシリンダヘッド１０８の気筒上部面の吸気弁側部分１０８ａとは略平行に接近してスキッシュ発生部となり、ピストン１０７の頂面の排気弁側部分１０７ｂとシリンダヘッド１０８の気筒上部面の排気弁側部分１０８ｂとの間の比較的広い空間内へ流入するスキッシュ流を発生する。シリンダヘッド１０８の気筒上部面の吸気弁側部分１０８ａにおいて、特に、二つの吸気ポート１０１の間の部分がピストン１０７の頂面の吸気弁側部分１０７ａと接近して生成されるスキッシュ流Ｓは、シリンダヘッド１０８の気筒上部略中心に配置されたプラズマ点火装置１００の先端部に衝突して、先端部に形成された噴孔を良好に冷却する。もちろん、スキッシュ発生部は、吸気弁側に限定されることなく、排気弁側に形成しても良い。

図２は図１のプラズマ点火装置１００の先端部近傍の拡大断面図である。プラズマ点火装置１００において、プラズマを発生させるチャンバ１は、絶縁体２の筒状先端部２ａにより形成される。チャンバ１の一端側には接地電極３が配置され、チャンバ１の他端側には中心電極４が配置されている。５は絶縁体２を覆うと共に溶接等によって接地電極３を一体的に固定するハウジングである。プラズマ点火装置１００の先端部１００ａには、チャンバ１と気筒内とを連通する噴孔６が形成されている。

本実施形態のプラズマ点火装置１００においては、接地電極３がチャンバ１及び気筒内に対向する構造であり、噴孔６は接地電極３を貫通して形成される。また、接地電極の構造によっては、チャンバ１及び気筒内に対向するハウジング部分が存在するようにすることもでき、この場合には、このハウジング部分を貫通するように噴孔を形成することもできる。また、接地電極がチャンバに対向しているがハウジングにより覆われて気筒内に対向していない場合には、接地電極とハウジングとを貫通するように噴孔を形成することができる。

接地電極３及び中心電極４は、耐熱性と高い導電性とを有する金属、例えば、ステンレス等の鉄系金属、ニッケル系金属、又は、イリジウム系金属又はイリジウム合金とすることができる。中心電極４に対して接地電極３を絶縁するための絶縁体２の材質は、セラミックス（例えばアルミナセラミックス）とすることが好ましい。７は中心電極４へ電圧を印加するための導体（例えばニッケル）であり、８は導体７と中心電極４とを電気的に接続するための導電性接着剤である。Ｇ１は絶縁体２とハウジング５との間の隙間を密閉するための金属製ガスケットであり、Ｇ２はハウジング５とシリンダヘッド１０８の取付穴との間の隙間を密閉するための金属ガスケットである。

図３はプラズマ点火装置の電源制御回路である。図３において、１０は電子制御装置ＥＣＵにより制御されるトランジスタであり、１１は第一バッテリであり、１２は点火コイルである。また、１３はコンデンサであり、１４は第二バッテリ１５の制御回路である。

このように構成された電源制御回路において、ＥＣＵは、先ず、トランジスタ１０のスイッチングによって第一バッテリ１１の電圧を点火コイル１２により増幅して中心電極４と接地電極３との間に印加する。こうして、中心電極４と接地電極３との間に作用する高電圧によって、絶縁体２の筒状先端部２ａの内面上の沿面放電が発生し、チャンバ１内の沿面放電近傍のガス（混合気）をプラズマ化させる。こうして、チャンバ１内のガスの一部がプラズマ化されてイオン及び電子が生成されると同時にコンデンサに蓄えられた電圧が放出され、チャンバ１内に気中放電が発生する。制御回路は気中放電が持続するようにだけ比較的低い第二バッテリ１５の電圧を中心電極４と接地電極３との間に印加するが、比較的大きな電流を流すことができる。

こうして、気中放電によってチャンバ１内のガスの大部分がプラズマ化されると、チャンバ１内のガスは高温高圧となってプラズマジェットとして噴孔６から噴射され、気筒内の混合気を良好に着火させる。

チャンバ１内のガスをプラズマ化させる際に、気中放電に比較して沿面放電の方が低い電圧で発生させることができる。しかしながら、沿面放電だけでチャンバ１内のガスの大部分をプラズマ化させることは、絶縁体２の側壁内面上で長い時間沿面放電を持続させなければならないために効率的ではなく、チャンバ１内に気中放電を発生させることが必要とされる。前述のように、沿面放電により一部のガスをプラズマ化させることにより気中放電を発生させるのに必要な電圧を低くすることができる。こうして、最初に沿面放電を発生させ、次いで気中放電を発生させることにより、それほど高電圧を必要とすることなくチャンバ１内のガスの大部分をプラズマ化させることができる。

ところで、プラズマを噴出する際に噴孔６は高温となるために、十分に冷却しないと溶損することがある。本実施形態のように、噴孔６が、ハウジング５ではなく、高い耐熱性を有する接地電極３に形成される場合においても、接地電極３はプラズマを発生させる際の沿面放電及び気中放電によっても温度上昇するために、やはり十分な冷却が必要である。

本実施形態においては、前述したように、点火時期においてプラズマ点火装置１００がプラズマを噴射し、その直後の圧縮上死点近傍において、スキッシュ発生部により発生させたスキッシュ流Ｓによってプラズマ点火装置１００の先端部１００ａを冷却させるようになっており、それにより、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａに形成された噴孔６はスキッシュ流Ｓによって良好に冷却され、噴孔６の溶損が抑制される。

また、本実施形態においては、プラズマ点火装置１００の先端部１００ａの端面１００ｂに噴孔６が形成され、スキッシュ流Ｓが先端部１００ａの端面１００ｂに衝突するように、先端部１００ａの端面１００ｂはスキッシュ流Ｓの進行方向と平行とならないようにされている。本実施形態においては、特に、プラズマ点火装置１００の中心軸線を排気弁側に傾斜させて、比較的大きな鋭角度（又は比較的小さな鈍角度）でスキッシュ流が端面１００ｂに衝突するようにしており、それにより、スキッシュ流Ｓは、噴孔６を確実に冷却するだけでなく、噴孔６からチャンバ１内へ流入し、プラズマの発生に際して高温となっているチャンバ１内、すなわち、絶縁体の筒状先端部２ａ及び中心電極４もスキッシュ流により冷却される。スキッシュ流Ｓがチャンバ１内へ流入し易くするために、本実施形態においては、噴孔６の外側縁には面取り６ａ（又は円弧状の角取りでも良い）が形成されている。

図４は、本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の第二実施形態を示すプラズマ点火装置１００’の先端部近傍の拡大断面図である。図１及び２に示す第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態のプラズマ点火装置１００’の中心軸線は、気筒中心軸線と平行であり傾斜させていない。しかしながら、シリンダヘッド１０８の気筒上部面は吸気弁側部分１０８ａと排気弁側部分１０８ｂとにより形成されるペントルーフ形状であるために、シリンダヘッド１０８の吸気弁側部分１０８ａに沿うスキッシュ流Ｓの進行方向と、プラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’の端面１００ｂ’とは平行とはならず、スキッシュ流Ｓは先端部１００ａ’の端面１００ｂ’に衝突して噴孔６を良好に冷却する。

また、本実施形態において、プラズマ点火装置１００’の先端部１００ａ’の側面１００ｃ’には、チャンバ１へ通じる流入孔５ａ’が形成され、スキッシュ流Ｓ’が流入孔５ａ’を介してチャンバ１内へ流入するようになっている。それにより、流入孔５ａ’からチャンバ１内へ流入したスキッシュ流Ｓ’により、プラズマの発生に際して高温となっているチャンバ１内、すなわち、絶縁体の筒状先端部２ａ及び中心電極４も冷却される。

本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の第一実施形態を示す断面図である。 図１のプラズマ点火装置の先端部近傍の拡大断面図である。 プラズマ点火装置の電源制御回路である。 本発明によるプラズマ点火装置を備える内燃機関の第二実施形態を示すプラズマ点火装置の先端部近傍の拡大断面図である。

符号の説明

１ チャンバ
２ 絶縁体
３ 接地電極
４ 中心電極
５ａ’ 流入孔
６ 噴孔
Ｓ、Ｓ’ スキッシュ流
１００、１００’ プラズマ点火装置
１００ａ、１００ａ’ 先端部

Claims (3)

1. 絶縁体の側壁により形成されたチャンバと、前記チャンバの一端側に配置された接地電極と、前記チャンバの他端側に配置された中心電極とを具備して、前記チャンバと気筒内とを連通する噴孔が先端部に形成されたプラズマ点火装置を備える内燃機関であって、前記プラズマ点火装置はシリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッドとピストン頂面とによりスキッシュ発生部を形成し、前記スキッシュ発生部により発生させたスキッシュ流によって前記プラズマ点火装置の前記先端部を冷却させることを特徴とするプラズマ点火装置を備える内燃機関。
2. 前記プラズマ点火装置の前記先端部の端面に前記噴孔が形成され、前記スキッシュ流が前記端面に衝突するように、前記端面は前記スキッシュ流の進行方向と平行とならないようにされていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関。
3. 前記プラズマ点火装置の前記先端部の側面には、前記チャンバへ通じる流入孔が形成され、前記スキッシュ流が前記流入孔を介して前記チャンバ内へ流入するようになっていることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ点火装置を備える内燃機関。

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