JPS63167075A - プラズマジエツト点火装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 良業上匁訓」所見 本体は点火装置に関し、特にプラズマのジェットを発生
放出して内燃機関等の動力源の燃焼室内の燃料に点火す
るプラズマジェット点火装置に関する。

従来支肢歪 内燃機関等の動力源はエネルギの主供給源として燃料の
燃焼に依存する。この燃焼は通常はｌ（固以上の燃焼室
内で生じ、燃料は各種の点火装置によって点火する。デ
ィーゼル機関では通常圧縮点火する。この種の動力源に
使用する燃料はガソリン、ディーゼル油等の炭化水素基
本燃料が多い。

過去においてはこの燃料を使用する動力源の効率は現在
はど重要でなかった。この燃料の大部分を製造する原油
が世界的に高価になり供給が減少した。現在の点火装置
に必要とする各オクタン価。

セチン価への原油の精製も高価になる。更に、環境上の
考慮から動力源の効率を良くし環境上有害な排気副産物
の放散を減少することを要求する。

現在では高効率機関と安価な燃料を要求する。

効率を増加し放出物を減少するには特殊な材料を使用し
構造変更して排気ガスから動エネルギと熱エネルギを回
収する。多くの試みと設計がこの問題の解決に向けられ
た。効率を増加し放出物を減少する他の手段は薄い空気
燃料混合物の燃焼のための有効な点火装置の使用によっ
て行う。現在の混合気燃焼機関の点火装置は通常の点火
栓を使用し高電圧低エネルギのスパークをほぼ０．０１
ジユールで燃焼可能混合気内に放電する。このスパーク
は少量の混合気に点火し、炎前線の速度で燃焼室内に拡
散して混合物の他部分に点火する。この混合物は通常は
高オクタン価ガソリン燃料を濃い空気燃料混合物内に含
む。薄い空気燃料混合物は炎前線の速度が減少するため
燃焼が良くない。実際の燃焼速度と点火遅れとは燃料の
物理化学によるため１点火遅れと燃焼速度とを僅かに改
善するために著しく精巧な燃焼室を必要とする。更に。

高価な高オクタン価、高セチン価の燃料を必要とする。

尚９通常の点火栓点火装置は通切な燃焼のためには比較
的濃い空気燃料混合物を必要とするため、効率の良い作
動のためには空気燃料混合比を正確に保持する必要があ
る。かくして１通常の点火装置は低及び高圧縮比内燃機
関等の実用作動範囲に制限がある。

燃料点火遅れを減少し燃焼速度を増加する点火装置は、
燃料経済性を良くし放出物を減少し、空気燃料混合比に
関して使用可能燃料の形式に関して機関の実用作動範囲
を拡大する。過剰空気は排気ガス中に放出される炭化水
素と一酸化炭素とをほぼ完全に燃焼させる。装入物を薄
い混合気に薄めることは燃焼室内で得られる最大温度を
低下する。これは熱損失を減少し酸化窒素汚染物の形成
を減少する。燃料空気混合物の比熱の比は薄い混合物を
使用すれば増加する。即ち、所定圧縮比で高い熱効率が
得られる。薄い混合物内の空気燃料比の変化によって出
力を制御できる。これは絞り弁を省略でき、絞り弁は圧
力低下を生じ効率を低下する。かくして、薄い混合物の
使用は汚染物の生成を減少し効率を増す。

上述した通り１通常の点火栓は薄い混合物を効率良く燃
焼せず、不点火を生じ又は燃焼しない。

通常の点火栓の標準のスパークは著しく局部的であり、
スパークの面の付近の極めて小さい燃料容積に点火する
。スパークから生じた小さな初期炎前線は空気燃料比と
燃料の化学的性質の関数とした速度で伝播する。薄い空
気燃料比では燃焼の化学内勤特性は著しく遅い。この混
合物の効率の良い燃焼のために炎速度を増大する必要が
ある。

層状給気機関は薄い空気燃料混合物を燃焼する利点を得
るために使用された。この設計の基本は初期燃焼室を設
けて極めて濃い空気燃料混合物を第１に点火して炎とす
る。化学的燃焼による圧力のため、炎は主燃焼室に入り
主室内の薄い混合物に点火する。この過程は初期室内の
化学的燃焼を必要とし、各種内燃機関の基本設計の構造
変更によって初期室を設ける必要がある。この機関は別
の部品、弁１他の設計変更を現存機関に加えて濃い混合
物の初期燃焼を可能にする。

薄い混合物を燃焼する他の方式はプラズマジェットの使
用を基本とする。基本的にはこの各種方式はプラズマの
ジェットを形成して主燃焼室内に導入する。このジェッ
トは燃焼室内の燃料を燃焼させる。基本構造は少量のガ
ス等を導入する初期キャビティー即ち空所を設ける。ガ
スは高エネルギの放電を受ける。これによってガスは部
分的にイオン化したガス即ちプラズマになる。圧力が急
速に太き（形成されるためプラズマは空所のオリフィス
から主燃焼室内にプラズマのジェット又はブルームとし
て噴出する。層流機関の炎と異ｆｌりこのジェットは能
動化学種、　０１１．）Ｉ、Ｎ基、の著しく高い濃度を
含み、超音速で燃焼室に入る。基の存在と、誘起された
小規模の乱流が薄い空気燃料混合物内に炎前線の生起と
伝播とを促進する。

プラズマジェット点火装置は内燃機関に使用して多くの
利点があると認識されている。プラズマジェット点火装
置は内燃機関に比較的容易に取付けられる。薄い混合気
を燃焼して通常の機関の作動範囲を拡大するための優れ
た手段となる。燃料節約と汚染もの減少に関する薄い混
合気の燃焼の利点の凡てを得られる。

周知の通り、プラズマ媒体は、プラズマを発生するエネ
ルギの大きさと持続時間、プラズマ空所の寸法形状、オ
リフィスの寸法形状が凡てプラズマジェット点火の有効
性に影響する。主燃焼室に入る時のプラズマジェットの
初期速度がジェットの侵徹を規制し、小規模の乱流を生
ずる能力が燃焼を促進する。この速度はこれまでプラズ
マ形成空所と排出オリフィスの寸法によって制御されて
きた。通常の点火栓より高いエネルギを点火栓電極から
放電して充分な圧力を生じ、燃焼促進のための侵徹と乱
流の利点を得る必要がある。この高エネルギは電極を早
期に腐食し点火栓内のオリフィスと空所を腐食する。

本発明はプラズマジェット点火装置を提供し。

内燃機関に容易に使用可能とする。本発明は燃焼を改善
し汚染物を減少するためにプラズマのジェットによって
薄い空気燃料混合物を点火する。本発明による外部磁界
装置はプラズマジェットを加速しジェットは所要の初期
速度を得て燃焼室内に所要の侵徹を行い、燃料混合物の
最も効率の良い燃焼となる。外部装置を使用してシェフ
　トを加速するため１放電に使用する初期エネルギを大
きくする必要はない。かくして１点火装置の耐久性は増
し全体の装置が実際の動力設備の一部となる。

他の利点は後述する。

発ユ互瓜翌 本発明によるプラズマジェット点火装置はプラズマ媒体
からプラズマを発生してプラズマをジェットとして放出
する。この装置にエネルギを放電してプラズマ媒体から
プラズマをプラズマ発生位置で発生させる電極放電装置
と、磁界発生装置とプラズマ空所とを設ける。プラズマ
媒体が液又はガスの場合は、プラズマ空所にプラズマ発
生位置に接した入口開口と出口オリフィスとを設ける。

入口開口はプラズマ媒体位置と空所との間を流体連通す
る。プラズマ媒体が固体材料であれば空所に特定材料の
所要のスリーブを設ける。磁界発生装置は磁界を発生し
て空所から出口オリフィスを出るプラズマを加速し、プ
ラズマのジェットが出口オリフィスを出る。

本発明の目的は新しいプラズマジェット点火装置を提供
し、実用に好適な装置とするにある。

１止■ 本発明の理解を容易にするために図に示す実施例と特定
の表現によって説明する。本発明は各種の変形が可能で
あり１図示の本発明の原理の通用は当業者には容易であ
る。

第１図は本発明によるプラズマジェット点火装置１０を
示し、プラズマ媒体からプラズマを発生しプラズマをジ
ェットとして放射する。装置ｌＯは内燃機関に使用して
プラズマのジェットを内燃機関の燃焼室内に発生させて
燃焼室内の燃料に点火する。以後説明する本発明の構造
物を使用して通常の点火栓を第１図に示すプラズマジェ
ット点火プラグ１１に代えることができる。本発明の理
解のためにプラグ１１の底部のみを示し、上部構造は通
常の点火栓と同様である。プラグ１１の一般外径は通常
の点火栓と同様であり１通常の内燃機関の通常の点火栓
孔に係合する。

プラグ１１は金属製のハウジング１２を有し、プラグ１
１を内燃機関の燃焼室に接して取付ける装置を有する。

この装置は外ねじ１３とし通常の点火栓孔にねじこむ。

他の所要のねじ寸法とすることもできる。ハウジングの
中央孔１４内に電極放電装置１５を取付けてエネルギを
放射する。電極放電装置１５はセラミック材料の円筒と
したセラミック本体１６を有し、ハウジング１２の孔１
４内に収容する。セラミック本体１６に中央孔１７を有
し、孔内に電極１８を取付ける。

電極１８は電気エネルギを放射する放電端１９を有し放
電端１９と接地電極２１との間のスパーク間隙２０内に
スパークを生ずる。このスパーク間隙２０はプラズマ発
生位置２２に接し、電極の放電からのエネルギはプラズ
マ媒体からプラズマを発生する。電極放電装置に更に第
２図に示す電気装置２３を設は電極１８に回路２４によ
って電気的に係合して電気エネルギを電極に供給してプ
ラズマ発生位置でエネルギの放電を発生させる。第２図
に示す通り、電気エネルギ源は通常の１２Ｖ電源５０と
する。電源５０は回路５３によってトリガ電圧源５４に
電気的に接触する。回路５５はトリガ５４を高エネルギ
点火コイル５６に接続し、コイル５６はディストリビュ
ータ４５を経て電極に接続する。本発明の好適な実施例
による電気装置の機能を更に詳細に説明する。

電極放電装置は第１，２図に示すプラズマ媒体導入装置
２５を有する。プラズマ媒体装置２５はハウジング１２
内にプラズマ媒体通路２６を有する。この通路２６はプ
ラズマ媒体出口開口２７をプラズマ発生位置２２の付近
とする。通路２６の反対側端部２８はプラズマ媒体を収
容するプラズマ媒体供姶源２９に連通ずる。かくしてプ
ラズマ媒体源２９とプラズマ発生位置との間の流体連通
が生じ、プラズマ媒体をプラズマ発生位置に導入する。

第２図に示す通り。

プラズマ媒体通路２６に第１のソレノイド弁４７と射出
較正空所５２とを有し、空所５２は好適な例で較正量の
プラズマ媒体を保持して空所３０内に較正した射出を行
う。通路２６がプラグＩ２に入る前に第２のソレノイド
弁４８を有する。プラズマ媒体導入装置は更に後述する
。

好適な例で、使用プラズマ媒体は水素ガスとする。他の
形式のプラズマ媒体も使用できる。水素ガスは燃料点火
遅れを減少し、水素から発生したプラズマにより燃焼を
増大する。窒素酸化物の放散を減少するためには窒素を
プラズマ媒体として使用することができる。燃料と水の
混合物は炭化水素粒子の放散を減少する。

第１図に示す通り、プラグ１２はプラズマ発生空所３０
を下端に形成する。空所内壁３１は磁界発生装置３３に
よって画成される。磁界発生装置の部分を含む実際の内
壁はハウジング１２の一体の内壁である。他の設計は、
ハウジング１２の下部３４に固着したシュラウド３２の
一部として内壁を形成する。プラズマ空所シュラウド３
２はプラズマ発生位置２２に接して開口部３５を有する
。開口部３５は電極放電装置ハウジング１２に固着する
。一体壁又はシュラウドは本発明の構成の２種の実施例
を示す。第１の実施例は磁界発生装置をプラグ１２の他
の部分と一体に較正する。第２の実施例はシュラウド３
２を使用して通常のプラズマジェットプラグ設計に取付
け１本発明の磁界発生装置による強化を後述する通りに
得られる。

ハウジング又はシュラウドの形成する空所３０はプラズ
マ発生位′ｆ１２２に接して入ロ開ロ即ら開口部３５を
有する。空所に出口オリフィス排出装置のオリフィス３
６を有する。入口開口３５はプラズマ発生位置２２と空
所３０と空所排出オリフィス装置１ｉ！３６との間の流
体連通を行う。第１図に示す空所３０はオリフィス３６
に向う円錐形部３７を有し、オリフィス３６は空所３０
に向う円錐形部３８を有する。プラグ１２を内燃機関に
取付ける時は出口オリフィスは燃焼室と流体連通しプラ
ズマジェットは空所から燃焼室内に入って室内燃料を点
火する。好適な例で、空所３０の容積はほぼ５０ｎ＋ｎ
？とし、オリフィス３６の開口直径は１龍とする。空所
容積、オリフィス直径は変更可能であり、この変更はプ
ラズマジェットの速度と到達量に影響し各種の変化がで
きる。

本発明によって磁界発生装置３３を設けて磁界を発生さ
せ、プラズマ発生位置２２から空所３０を通りオリフィ
ス３６から出るプラズマのジェット化を加速する。磁界
発生装置３３はプラズマ発生空所３０を囲んで画成する
磁界コイル４０を含む。この磁界コイル４０は好適な例
でセラミックキャップ４１内に埋設する。このキャップ
４１はプラグハウジング１２と一体とすることもシュラ
ウド３２の一部とすることもできる。磁界発生装置３３
に更に磁界電気エネルギ装置４２を設け、磁界コイル４
０に電気的に接触して電気エネルギを磁界コイル４０に
導入して所要の磁界を発生させプラズマが空所３０から
オリフィス３６を出るのを加速する。電気エネルギ装置
４２は磁界コイル４０にトリガ装置５４を回路５９によ
って電気接触させる。電気エネルギ装置４２の機能は好
適な例について後述する。

好適な例で１本発明はタイミング装置４４．４５を有し
１プラズマ媒体導入装置によるプラズマ媒体の導入、電
極放電装置によるエネルギの放出、磁界発生装置による
プラズマの加速のタイミングを行う。タイミング装置に
ディストリビュータ４４゜４５を設ける。ディストリビ
ュータ４４はプラズマ媒体導入装置２５に接触する。一
方は回路４６によって第１のソレノイド弁４７に接触し
、他方は回路４９を経てソレノイド弁４８に接触する。

ディストリビュータ４４は通常の１２Ｖ電源５０に回路
５１を経て接続される。ディストリビュータ４５は回路
５７によって高エネルギ点火コイル５６に電気接触し１
回路５８によって電極１８も電気接触する。タイミング
装置の機能は好適な例によって後述する。

好適な例による作動を説明する。本発明はプラズマジェ
ットを燃焼室等内に射出する方法と装置とを提供する。

このジェットは静圧と加速磁界の組合せ作用によって加
速される。サイクルの最初に、タイミングディストリビ
ュータ４４はソレノイド弁４７をトリガし、水素とした
プラズマ媒体はプラズマ媒体源２９から較正射出空所５
２に流れる。この時は弁４８は閉である。好適な例で、
射出空所はほぼ０．０５ｍｇの水素を保持する。ディス
トリビュータ４５は弁４７を閉鎖しソレノイド弁４８を
トリガして較正量の水素は５０ｍｒＪのプラズマ発生空
所３０に出口開口２７から導入される。ディストリビュ
ータ４５はディストリビュータ４４に対してタイミング
を定め、ディストリビュータ４５は電気放電装置の電気
値！２３をトリガする。このタイミングは機関負荷に関
係するが通常は水素がプラズマ発生空所に入った僅かに
後とする。好適な例で、これによって高エネルギ火花、
約０．７ジユールがプラズマ発生位置２２で電極Ｉ８に
よって放出される。この高エネルギ火花は水素を高温イ
オン化ガス即ちプラズマとする。好適な例で、電気エネ
ルギの放電は著しく短時間、約５０μｓであり、プラズ
マ空所３０内に急激な温度圧力の上昇が生ずる。この圧
力は空所外の圧力より著し←高いため発生したプラズマ
は空所３０からオリフィス３６を経て放出される。

ジェットの侵徹を改良し制御して最も有効な侵徹を得る
ために、プラズマ形成間は磁界装置３３を付勢する。磁
界電気装置４２をトリガ電圧源５４を経て電源５０に接
続する。磁界電気装置４２は電極放電の時にコンデンサ
にＭ電された大量のエネルギ。

約ＩＯジュールを空所３０の廻りに巻いた磁界コイル４
０に放電する。これは所要の磁界を形成してプラズマジ
ェットを加速して良い侵徹を生ずる。上述の好適な例と
した寸法の場合に本発明によるプラズマジェットは燃焼
室内に所要の５ｃｍの深さに達する。炎速度と渦流の増
加、多点点火による大きな炎前線のため、良い燃焼が得
られる。

本発明の他の詳細な実施例を第３〜６図に示しジエソｉ
一点火装者７０にはセラミック本体７１．電極７２．７
３．磁極７４，７５．空所７６、支持部材７７、ホルダ
７８を含む。磁極７４．７５は外部巻線８１と鉄コア８
２との組合せによって生じ、はぼ平行の２個の電極７２
゜７３の直上の空所７６の両側に配置し、電極は出口オ
リフィス８５から反対側の空所底部でアーク間隙を形成
する。電極の上端はセラミ・７り本体の対応面と同一平
面とし、電極間に形成されるアークは夫々の端部から発
生し、電極本体の側面からではない。この特別の関係は
熱損失を制御し減少して全体の効率を増加する。

更に、出口オリフィス８５の反対側の空所底部に生じた
アークによって発生する放出ジェットの構造はリング渦
流である。リング渦流構造には２種に利点がある。第１
の利点は、リング渦流の侵徹は周囲の密度に関係が少な
く、近代の高圧縮比。

高フーストの機関に好適である。他の利点は、リング渦
流は燃焼室を横切って移動する間に順次空気燃料混合物
を随伴させ１点火位置の良い制御となる。

セラミック本体７Ｉは電極７２．７３を収容する通路を
形成する。更にセラミック本体７１の一部として外方に
延長する環状肩部８３を形成する。肩部８３は支持部材
７７の頂面に接触しホルダ７８と支持部材７７とのねじ
係合によってクランプする。０リング８４をホルダ７８
の頂面と肩部８３の上面との間に係合させ部材間の所要
のシールとする。

セラミック本体７１の上部を加工して本体７１の外周面
上に延長する空所７６を形成する。空所７６の寸法と膨
軟を画成する空所ハウジング７６ａはほぼ長方形の実体
であり本体７１の他の部分に固着する。

空所ハウジング７６ａの中央にオリフィス８５を形成し
１空所７６の頂部から外方に延長する。空所ハウジング
７６ａに第５．６図に示す外周壁８８を設け、内部に内
方にテーバした平面の長方形面８９　、９０を設はオリ
フィス８５の内縁で終る。

第１図に示す通り、プラズマ媒体が液又はガスの場合に
電極７２．７３の付近にプラズマ媒体を導入する装置を
必要とする。この装置は第３．７図には図示しないが、
省略は図示を明瞭にするためであり、全部の素子は記入
しない。

本発明の好適な例によって、プラズマ媒体は最初は固体
であり実際に空所７６内に置く。第５八図にこの実施例
を示す。ポリエーテルエーテルケトン等の特別な固体プ
ラズマ材料から平面の長方形面８９ａ、９０ａを形成し
、上述のプラズマ導入装置は不必要になる。この長方形
面をスリーブ又はインサートとし、はぼ長方形の空所７
６内に嵌合する。この固体プラズマ材料は電極アークの
高温度を受けた時に変換する。固体材料の極めて小部分
が気化し、化学的結合は離れ、材料は基としてプラズマ
となる。固体材料の減少の割合は電極の摩耗度と同程度
である。本発明による固体プラズマ材料として好適な材
料は英国のインペリアルケミカルインダストリー（Ｉｃ
Ｉ）の商品名ピクトレックスであり、この社のポリエー
テルエーテルケトン（ＰＥＦ、Ｋ）は高温熱可塑性樹脂
であり、押出又は射出成形に適している。

電極７２．７３の設計配置は露出端を空所ハウジングの
下縁とほぼ平面とする。２個の電極はハウジング縁より
内方として長方形面８９．９０に一致し。

オリフィス８５に両側にほぼ対称とする。オリフィス８
５の直径は重要であり９図示の例ではオリフィス８５の
寸法は空所の長さの約１／３とする。長方形面８９．９
０の投影長さは夫々空所の長さの約１７３とする。空所
の容積は１０〜２０ｍｒｒｒ程度とする。

前述した通り、磁極７４．７５を空所の両側に配置し、
互いに一致してプラズマジェットを加速するに必要な磁
界を生ずる。両電極間のアークの方向と磁界がアークに
対して９０°であることがプラズマジェットの方向を制
御する。左手の法則と磁界電界間のベクトル関係からプ
ラズマジェットの加速を生ずる力ベクトルは次の式で示
される。

Ｆ＝ＪＸＢ　　　　　　　　、、、、、、　　（１）こ
こにＪはアークのヘクトル、Ｂは磁界ベクトルＦは加速
力ベクトルである。プラズマジェット加速の方向は常に
両ベクトルＪ、Ｂの面に対して９０゜である。Ｊ、Ｂが
互いに９０°である時に加速ベクトルは最大であるが、
Ｊ、Ｂベクトル間が９０°以外の時も小さいが存在する
。

第７図は第３〜６図の実施例とは別の実施例を示す。ジ
ェット点火装置９５は装置７０とぼぼ同様であるが、鉄
コア、巻線、磁極の形状が異なる。第７図の巻線はホル
ダの内方であり、セラミック本体の形状を変えてこの変
化に適合する。磁気コイル９６．９７は空所の両側に配
置し、２１［１！ｌのほぼ平行の電極９８．９９から９
０°離れる。

第８図は装置７０．又は装置１０．９５に共働する回路
装置を示す。回路装置１０２は２部分１０３．１０４か
ら成り導Ｉ！１１０５．１０６によって互いに接続する
。回路部分１０３は端子１０７．１０８間のＡＣ電圧入
力、蓄電コンデンサ１０９．変圧器１１０．コンデンサ
１１１を有する。回路部分１０４は磁界コイル１１４．
電流変換器１１５を有する。回路部分１０４０機能は高
電流を電流変換器１１５に供給し、磁界コイル１１４に
多（のエネルギを供給するにある。

本発明の技法に関して各種変形及び設計パラメータを評
価する場合に多数の関数例えば位置関係寸法、形状等を
評価する。各側について効率、信頼性等の基準を評価し
た。この各種関数は後述し上述の各実施例についての構
造性能説明はこの関数の評価に合致し、この関係位置１
寸法、形状等に関する後述の説明は本発明の細部、適用
１基準と物理学法則の密着と適用に別の明察を行う。

アーク電流と空所容積は重要なパラメータであり外部磁
界に対する点火装置の感度を定める。低エネルギ密度の
点火装置のみが外部磁界を利用する。磁気コイルがアー
ク間隙に直列であれば、著しいプラズマ速度増加を得ら
れる。

プラズマジェットが磁界に感応しないエネルギ密度（Ｅ
Ｉ））の下限値が存在し、外囲圧力（Ｐ）に関して次の
式となる。

Ｏ１≠ｉ。

ＥＤＬ　＝　６　ｘ　Ｐ　　　（Ｊ／ｍｇ）、、、、、
、、（２）低電流プラズマジェットでは磁力と熱力との
比は１００に達する。磁界の存在によるプラズマ速度の
増加は磁気コイル内の巻きの数の平方根に比例する。狭
い磁界は空気力学ジェットを生ずる。

電気アークは低電圧高電流放電と定義される。

反対に高電圧低電流放電はスパークと称する。アークは
スパークよりも著しく高いガス温度を生じ高密度プラズ
マを生ずるには極めて有効である。

どの電気導線を使用しても、アークは電磁見学の法則に
従う。（Ｊ）をアーク内の電流密度ベクトル（Ｂ）を（
Ｊ）に垂直の磁気インダクシリンベクトルとすれば、力
（ＪｘＢ）は（Ｊ）　（Ｂ）共に直角の方向にアークに
作用する。アーク偏向の振幅と速度とは（Ｊ）に比例し
、アーク運動間に遭遇する空気力学抵抗（Ｒ）に比例す
る。空気力学抵抗はアーク表面積（八）と環境密度（ρ
ｏｏ）とに比例し、アーク速度ｍ　の二乗と抗力係数（
ＣＤ）に比例する。

ＲとＡρ■■　ＣＤ アーク偏向速度最大３０ｍ／ｓを大気条件で測定し。

磁気インダクション強さＢ＝　Ｉ　、　６Ｋｇａｕｓ　
、　　アーク電流ｉ・８ａｍｐｓとした。磁気インダク
シジン（Ｂ）の最大値は電極が平行である時に得られ次
式となる。

Ｂ−μｏ　　ｉ／πｄ　　　　、、、、（３）ここに（
μ０）は透磁性、（ｉ）は電極内の電流、（ｄ）は両電
極間の距離である。電極及び空所の腐食を含むためには
電流値（＋）をできるだけ低くり、（Ｂ）の減少の補正
には外部磁界を付加する。このためにはアーク放電位置
を囲んで巻いたソレノイドを使用する。ソレノイドの軸
線に沿う磁気インダクションは次式となる。

Ｂ３　＝μｏＮｉ／Ｌ、、、、　、（４）ここに（Ｎ）
は巻き数、（ｉ）はソレノイド巻線内の電流、（Ｌ）は
ソレノイドの長さである。式（３）　（４）を比較すれ
ば。

Ｂ３／Ｂ＝Ｎπｄ／Ｌ　　　、、、、（５）Ｌ＝３　ｄ
の時は、８５７ＢはＮに比例する。実用上は巻き数（Ｎ
）は１００とし得る。即ち、外部ソレノイドの存在は磁
気インダクション（Ｂ）を１００倍に増加できる。

アーク放電間、大量の熱がアーク付近に放散される。こ
の熱はアークを囲むガスをイオン化してプラズマを生ず
る。アークが動けばプラズマはアークパターンに沿って
生ずる。プラズマを電極間隙から離れて発生させたい時
はアークを変位できる。これは標準の発光ブルームを発
生する。空気力学の見地からガス内のアーク運動は低密
度媒体内の固体の運動と同様である。アークチャンネル
内に発生する高温は熱バリアとして作用しアーク運動に
対して空気力学抵抗となる。高温ガスのアークチャンネ
ルを円筒と仮定すれば抗力は次に比例する。

ＣＤ　ａ　ｓ　ｕ　　ρ■ ここに（Ｃ）は抗力係数、（ａ）はチャンネル半径、（
Ｓ）はアーク長、（Ｕ）はアーク変位速度、（９頭）は
外囲密度である。アークが間隙から離れるモーメンタム
の式は次に示す。

做し得るため、上式は次式となる。

ここに（ρ）はアークチャンネル内の高温ガスの密度で
ある。矩形パルスでは（＋）　（Ｂ）は時間に対して一
定であり９式（７）の近似精分はアシントチイックガス
速度を示す。

ｐ＝　　ｉ　Ｂ／ａＣｏ　ｐｏｏ　　　　　　　　　（
８）式（７）と近似解の式（８）とを使用して磁界によ
って移動するアークの力学を示すことができる。

アーク放電によって形成されたプラズマは部分的にイオ
ン化された高温ガスであり、上述の通りアークを囲んで
形成される。アークが加速されれば周囲のプラズマも加
速されて発光ブルームを形成する。安定したアークに対
して形成プラズマは安定でなく、アークチャンネルから
離れる傾向が強い。この現象はアークを囲むガス温度の
急激な上昇による。了−りが小さな空所内に閉鎖されれ
ば、圧力増加は著しく大きく、開口付の小さな空所内の
場合はプラズマのジェットが形成される。

これが現在までプラズマを電極間隙から遠くに放出する
通常の機構である。極めて大きな放電エネルギ密度の場
合はこの機構は渦流の強い侵徹性のジェットを形成する
。低放電エネルギ密度を使用する必要のある場合は、ジ
ェットの有効性は著しく減少する。比エネルギロを放出
した後の空所内の圧力は次式となる。

Ｐ＝　（ＲｏＱ／ＶＣｐ）　十Ｐｏ　　　　（９）ＲＯ
／ＶＣρは通常は大きな数であるため、（１の減少はＰ
の著しい減少を生ずる。磁気的に加速されるプラズマの
式は。

１１＝　ｉＢ／ａ（４）Ｐ”　　　　　　　　（１０）
低比エネルギに対しては、外部磁界により、（ａ）（Ｃ
Ｄ）の減少、高圧による（Ｂ）の増加は、電流（ｉ）の
減少、密度（ｐｏｏ）の増加を補正する。原理的には適
切な設計は熱及び磁気の力を共に最大にする。式（９）
の示す通り、熱力を最大にするには所定エネルギパルス
において、空所容積をできるだけ小さくする。この最大
化基準は磁力の場合は複雑である。式（１０）に示す通
り、抗力係数ＣＤの数値はできるだけ小さくする。放出
が空気力学空所内で生ずる時のみにこの条件を満足する
。低電流アークの場合に熱力は磁力に比較して著しく小
さい。磁力によって生ずる理想ジェット速度は熱力のみ
によって生ずる理想ジェット速度のほぼ１００倍である
。このため、低電流プラズマジェットの設計は磁力を最
大にする。実験の示すことは平行電極形状の場合にアー
ク電流（ｉ）の限界値があり、これ以上では外部磁界の
追加はプラズマ加速を改善しない。大気条件での限界値
は約１５ａｍｐｓである。

この限界値の存在する理由は、高電流では自己誘起磁力
が著しく強く完全なアーク伸長を生じ。

このため外力の付加は見るべき効果を生じない。

高圧力ではアークに作用する空気力学力がアークの完全
な伸長を遅延させるため電流限界値は増加する。磁力を
推進媒体として使用する場合の他の限界は空所の寸法形
状である。空所が過小であり又は形状がアークの面との
接触を最小にするために不適当である場合は、アーク生
長は抑制され。

磁力は完全に利用できない。特に、放電エネルギ密度が
６　Ｊ／ｍｇ以下の場合は、プラズマジェット速度及び
侵徹量は外部磁界の付加によって著しく改良される。エ
ネルギ密度が６Ｊ／ｍｇより高い時はプラズマジェット
は外部磁界の付加に対して実際上影響がない。このエネ
ルギ密度の圧力と共に増加する。実験式を次に示す。

ＥＤＬ　＝　ＥＤＱ　Ｘ　Ｐｋ（Ｊ／ｍｇ）ここに、［
！工はこれ以上では磁界が著しい効果を生じない限度、
［！閲は大気条件で実験値はＧＪ／ｍｇ、　Ｐは外部圧
力、には実験上０．４５である。

空所の深さｄはアークが通常の横方向の拡張を開始する
点からの最大有効アーク伸長の半径に等しくする。完全
に伸長したアークと空所の横壁との直接接触を減少する
ためには、長さｌを電極の根元でのプラズマのない時に
得られる完全伸長アーク直径よりも大きくする。

平行電極形状と、出口オリフィスの反対側の空所底部の
アーク間隙と、アーク間隙に作用する横磁界とは１面電
極形状と軸線磁界の場合より簡単な作動原理となる。こ
の設計の開始点は所要電極直径の選択である。一般的基
準では小さな電極直径は磁気誘起を最大にする。更に、
小さな磁気間隙を可能にし外部磁界強度を増し点火装置
中を減少して標準点火栓ねじに適合させる。空所内の電
極突出はできるだけ短（する。突出部が長い時は発光ブ
ルーム長の著しい減少となる。多分、長い電極はアーク
生長間に急冷媒体として作用する。

所定の点火装置作動条件としてアーク尾流、エネルギ１
電極直径と間隙９周囲圧力、空所の容積と形状を定める
。オリフィス直径は充分に長くしアークが分裂せずに通
過可能とする。反対に、過大なオリフィスはジェットの
正面面積を大にして空気力学抵抗を増加させる。

実験結果の示すことは、ジェットの構造は、空所の底部
で生じたアークによって発生し横磁界に作用され、リン
グ渦流から成る。リング渦流の組織化運動は少量のエネ
ルギで発生し、渦流ジェットの不規則運動は高いエネル
ギを必要とする。第２の利点は外囲媒体がリング渦流内
に順次多く随伴される。これはジェット侵徹を長＜シ、
基をを効に保持して過早の再組合せを防ぐ。

本発明を好適な実施例について説明したが実施例並びに
図面は例示であって発明を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるプラズマジェット点火装置の実施
例の部分縦断面図、第２図は本発明の実施例によるプラ
ズマジェット点火装置のブロック線図、第３図は本発明
プラズマジェット点火装置の側面図、第４図は第３図の
プラズマジェット点火装置の平面図、第５図は第３図に
９０°とした部分拡大断面図、第５Ａ図は第１図とは別
の実施例のプラズマジェット点火装置の部分断面図、第
６図は第３図のプラズマジェット点火装置の空所ハウジ
ングを反転した斜視図、第７図は他の実施例のプラズマ
ジェット点火装置の断面図、第８図は本発明プラズマジ
ェット点火装置用の回路線図である。 ＋０．７０，９５．、プラズマジェット点火装置１５４
．電極放電装置　１６，７１．、、セラミック本体１８
、７２．７３．９８．９９．　、電極２５０．プラズマ
媒体導入装置 ２９１．プラズマ媒体供給−ｆ！Ａ３０，７６、、、空
所３２１．シェラウド　３３１．磁界発生装置３６．８
５．、、オリフィス　４０．９６．９７．　、磁界コイ
ル４２０．磁界電気エネルギ装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマを発生してプラズマを点火装置から推進す
   るためのプラズマ点火装置であって、空所を画成する装
   置と、 空所内に配置した固体プラズマ媒体インサートと、 該固体プラズマ媒体インサートの付近に低エネルギ放電
   を発生し固体プラズマ媒体インサートの一部を空所内で
   発生プラズマ基に変換する電気エネルギ放電装置と、 該空所内に磁界を生ずる設計配置とした磁界発生装置と
   を備え、磁界は発生プラズマ基と共働して発生プラズマ
   基に推進力を生じて発生プラズマ基を空所外に動かし、
   磁界の発生は電気エネルギ放電の電流電圧とは別個に生
   じさせることを特徴とするプラズマ点火装置。 ２、前記磁界発生装置は空所の両側に対向した２個の磁
   極を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載のプラズマ点火装置。 ３、前記電気エネルギ放電装置に２個のほぼ平行の電極
   を設け、各電極は電極放電端を有し、電極放電端を空所
   に接して配置することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のプラズマ点火装置。 ４、前記電気エネルギ放電装置の設計配置は放電が磁界
   の方向にほぼ直角となるようにすることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載のプラズマ点火装置。 ５、前記磁界発生装置にプラズマ空所の両側に対向させ
   た２個の磁極を設け、電気エネルギ放電装置に２個にほ
   ぼ平行の電極を設け、放電は２個の電極間で発生し磁界
   にほぼ直角となることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のプラズマ点火装置。 ６、プラズマを発生してプラズマを点火装置から推進す
   るプラズマ点火装置であって、 空所を画成する装置と、 空所に共働する配置とした２個のほぼ平行の電極を設け
   て空所内で電極間に放電を発生する設計配置とし放電に
   よってプラズマを発生する電気エネルギ放電装置と、 空所の両側に対向配置とした２個の磁極を有する磁界発
   生装置とを備え、該磁界発生装置の設計配置は空所内に
   磁界を発生し、磁界は発生プラズマと共働し、該放電は
   磁界にほぼ直角の方向に発生して発生プラズマに推進力
   を生じて発生プラズマを空所外に動かし、磁界の発生は
   放電の電流電圧値とは無関係に生ずることを特徴とする
   プラズマ点火装置。 ７、プラズマを発生してプラズマを点火装置から推進す
   るためのプラズマ点火装置であって、空所を画成する装
   置と、 空所内に配置した固体プラズマ媒体インサートと、 空所に共働する配置とし空所内に放電の形式とした電気
   エネルギ放電を発生して固体プラズマ媒体インサートの
   一部を空所内で発生プラズマ基に変換する電極装置と、 電極装置と共働する配置とし電極装置の放電する電流電
   圧値を制御する第１の回路装置と、空所内で磁界を発生
   する設計配置とした磁界発生装置とを備え、磁界は発生
   プラズマ基と共働して発生プラズマ基に推進力を生じて
   発生プラズマ基を空所外に動かし、 磁界発生装置に共働する配置として磁界の発生を制御す
   る第２の回路装置を備え、磁界の発生を電気エネルギ放
   電装置の電流電圧値と無関係として電極装置によって放
   電する電気エネルギ値を減少することを特徴とするプラ
   ズマ点火装置。 ８、前記電極装置に２個のほぼ平行の電極を設け、前記
   放電を２個に電極間で発生させることを特徴とする特許
   請求の範囲第７項に記載のプラズマ点火装置。 ９、前記磁界発生装置に空所の両側に対向配置した２個
   の磁極を設けることを特徴とする特許請求の範囲第７項
   に記載のプラズマ点火装置。 １０、前記放電は磁界にほぼ直角の方向に発生させるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載のプラズマ
   点火装置。