igniter Pulsed Flame Jet - 自動車技術会

九州大学 

村瀬英一

1. 点火システムの変遷 

1.1 火焔式点火システムと熱管式点火システム 

1.2 低電圧式電気火花点火システム 

1.3 バイブレータ式電気火花点火システム 

1.4 マグネット式電気火花点火システム 

1.5 接点開閉式電気火花点火システム 

1.6 電子式電気火花点火システム 

2.スパークプラグの変遷 

3. 点火強化 

3.1 1980 年代における点火強化 

3.2 プラズマジェット(PJ) 点火とパルスジェット(PFJ) 点火

1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 年 

火焔式点火 

●1794 Street ●1820 Cecil 

●1823 Brown 

●1838 Barnett ●1865 Hugon 

●1867 Otto and Langen 

●1876 Otto 

点火装置の変遷 

熱管式点火 

●1855 Newton 

●1878 Clerk 

●1883 Daimler 

低電圧式電気火花点火 

●1807 Rivaz 

マグネット式電気火花点火 

●1887 Bosch( 低電圧マグネット式 ) 

●1902 Bosch( 高電圧マグネット式 ) 

バイブレータ式電気火花点火 

●1850 Barsanti 

●1860 Lenoir 

●1886 Benz 

●1896 Ford 

接点開閉式電気火花点火 

●1890 Kettering 

●1900 Bosch 

電子式電気火花点火 

●1962 Delco 

セミトランジスタ 

●1971 Ford 

フルトランジスタ 

ディストリビュータ・レス 

電子式火花点火 

●1980 代 

ダイレクト 

イグニッション

1.1 火焔式点火システムと熱管式点火システム 

火焔式点火 (1794 年 ~1900 年頃 ) 



●1823 Brown 



●1876 Otto 

Flame 

of a lamp 

1794 R. Street 

・テレピン油蒸気と空気の 

混合気に火焔で点火 

・負圧利用機関 

1820 W. Cecil 

・水素と空気の混合気 

・ランプの焔で点火 


< 出典 > 富塚清 : 内燃機関の歴史 < 出典 >http://www.eng.cam.ac.uk/DesignOffice/projects/cecil/engine.html



●1823 Brown 



●1876 Otto 

1823 S. Brown 

・初めての実用ガス機関 


1838 W. Barnett 

・パイロットバーナーHで、 

ガスバーナーFを点火 

・コック式 

・混合気圧縮を特許に明記 

< 出典 > 富塚清 : 内燃機関の歴史



●1823 Brown 



●1876 Otto 

1865 Hugon 

・すべり弁式 

・ガス機関 

1867 Otto and Langen 

・フリーピストン機関 






●1823 Brown 



●1876 Otto 

1876 N. A. Otto 

・混合気圧縮 

・すべり弁式 

・4サイクル 



熱管式点火 (1855 年 ~1900 年頃 → 焼玉機関 ) 


●1855 Newton 

●1878 Clerk 


1855 A.V. Newton 1878 D. Clerk 

・2サイクル 

・白金を加熱 




(●1794 Street ●1823 Brown ) ●1855 Newton 

●1878 Clerk 


1883 G. Daimler 

・ガソリン機関 


1.2 低電圧式電気火花点火システム(1807 年 ) 

低電圧式電気火花点火 

●1807 Rivaz 

1807 I. D. Rivaz 

・水素 


< 出典 > 樋口健治 : 自動車技術史の事典 

< 出典 >http://www.liberauto.com/articulos/historia/isaac-de-rivaz-y-el-motor-de-combustion-interna/art11.aspx

1.3 バイブレータ式電気火花点火システム(1850 年 ~) 




●1886 Benz 

●1896 FORD 

Benzの電気回路 (1886) 

1850 E. Barsanti 


・フリーピストン機関 






●1886 Benz 

●1896 FORD 

1860 Lenoir 


・無圧縮 





●1886 Benz 

●1896 FORD 

1886 C. Benz 


< 出典 > 樋口健治 : 自動車技術史の事典




●1886 Benz 

●1896 Ford 

1896 H. Ford 


< 出典 > 樋口健治 : 自動車技術史の事典

1.4 マグネット式電気火花点火システム(1887 年 ~) 




低電圧マグネット方式 





高電圧マグネット方式 

< 出典 > 荒井久治 : 自動車の発達史

1.5 接点開閉式電気火花点火システム(1890 年 ~) 

接点開閉式電気火花点火 

●1890 Kettering 

●1900 Bosch

1.6 電子式電気火花点火システム(1962 年 ~) 

電子式電気火花点火 

●1962 Delco 

セミトランジスタ 

●1971 FORD 

フルトランジスタ 

接点式 

セミトランジスタ式 

フルトランジスタ式

ディストリビュータ・レス電子式電気火花点火 (1980 年代 ~) 

コイルの種類 

ディストリビュータ・レス 

電子式火花点火 

●1980 代 

ダイレクト 

イグニッション 

コイルオンプラグ 

プラグホールコイル 

(PHC) 

< 出典 > 自動車エンジン要素 Ⅱ

2.スパークプラグの変遷 

初期のプラグ 

1860 Lenoir 

大正 15 年 

国産第 1 号 

昭和 9 年 ~ 16 年頃 

< 出典 > 西尾兼光 : スパークプラグの知識と特性

最近のプラグ 

プラグ小型化 

ニッケルプラグ 

白金プラグ 

イリジウムプラグ 

< 出典 > 自動車エンジン要素 Ⅱ

3. 点火強化 

3.1 1980 年代における点火強化 J.C. Dale and A.K. Oppenheim (SAE 810146) 

1978 Two plugs 

(Datsun) 

1975 Plasma Jet Igniter 

1970 Photochemical 

Laser, Microwave

Torch Cells 

1976, Toyota TGP 

1978, Prototype of Ford 1980, Prototype of VW 

Divided Chamber Stratified 

1974 

Honda CVCC 

Compound 

Vortex 

Controlled 

Combustion 

1976, VW

Flame Jet 

1966 L.A. Gussak 

1978 Combustion Jet 

EGR 

1979 EGR ignition

3.2 プラズマジェット(PJ) 点火とパルスジェット(PFJ) 点火 

点点火 (スパークプラグ) 

・放電エネルギーの増加 

・長時間放電 

・複数回放電 

・火花間隙拡大 

・複数個 → 多点点火 

非平衡プラズマ 

容積的点火 

トーチ点火 

ジェット点火 

副室から主室への連続的な 

火炎伝ぱ 

プラズマジェット点火 

パルスジェット点火

レーザー点火 

光ファイバ 

励起光学系 

レーザー共振器 

集光光学系 

ブレークダウン 

Ep=2.4 mJ, Pp=2.8MW 

< 出典 >N. Pavel et al., Optics Express, 19(10), 9378 (2011) 

< 出典 >http://www.osa.org/about_osa/newsroom/news_releases/releases/04.2011/lasersparksrevolution.aspx

Slow Combustion Process by CVCC 

LAG Process by Gussak 

1989 Flame Jet Igniter by A.K. Oppenheim 

1984 Swirl-chamber spark plug by Bosch

Plasma Jet (PJ) igniter 

Hollow electrode 

2.0 mm outer diam. 

1.5 mm inner diam. 

φ 1.0 mm ×2 

Injection pressure 

0.1 MPa (gauge) 

Pulsed Flame Jet (PFJ) igniter 

τ 2 

= 50 ms, τ 3 

= 55 ms 

Ignition delay* = 50 ms 

* time interval between triggers for injector 

opening and start of ignition spark discharge

静止希薄混合気中の燃焼促進 

diameter 100 mm 

width 30 mm 

volume 236 cm 3 

Methane-air mixture: 

atmospheric pressure 

room temperature 

Combustion chamber A

1 ms 3ms 5 ms 7 ms 9 ms 

Spark ignition (SI) 

Plasma Jet (PJ) 

充電エネルギー:0.9J 

Q* 

∝ 

+ 

L E 

L + = Vp A 

A= π d 2 4 

Vp = 37 mm 3 

d = 2.5 mm 

Vp = 170 mm 3 

d = 2.5 mm 

Vp = 170 mm 3 

d = 4.0 mm 

Pulsed Flame Jet (PFJ) 

Equivalence ratio in the cavity 

φ c = 1.5 

Vp = 37 mm 3 

d = 2.5 mm 

Vp = 170 mm 3 

d = 2.5 mm 

Vp = 170 mm 3 

d = 4.0 mm 

Schlieren records of combustion in methane-air mixture at an equivalence ratio of φ = 0.8 

1, 3, 5, 7, 9 ms after electric discharge 視野径 :100 mm

PJ 

PFJ 

SI 

(a) Vp = 37 mm 3 , d = 2.5 mm 

PFJ 

PJ 

PJ 

PFJ 

SI 

SI 

(b) Vp = 170 mm 3 , d = 2.5 mm 

(c) Vp = 170 mm 3 , d = 4.0 mm 

Pressure records of combustion in methane-air mixture at an equivalence ratio of φ = 0.8

流動希薄混合気中の燃焼促進 

Methane-air mixture: 

atmospheric pressure 

room temperature 

SI 

Type A 

Swirl velocity distribution 

PJ 

Type B

1 ms 3ms 5 ms 7 ms 9 ms 

PFJ 

PJ:Type B 

SI 

PJ:Type A 

SI 

Vp =170 mm 3 

d =2.5 mm 

Pressure records of combustion in the 

swirl at an equivalence ratio of φ = 0.8 

PJ: Type A, 0.9 J 

Vp =170 mm 3 

d =2.5 mm 

SI 

PJ:Type B 

PFJ 

PJ: Type B, 0.9 J 

PJ:Type A 

dP/dτ in the swirl at an quivalence ratio 

of φ = 0.8 

PFJ 

Schlieren records of combustion in the swirl by SI, PJ, and PFJ 

at an equivalence ratio of φ = 0.8: Vp = 170 mm 3 d = 2.5 mm

Lean limit and combustion efficiency 

PFJ 

PJ 

SI 

Lean limit φ L 

; leanest equivalence ratio at which the pressure rise in the combustion 

chamber was detected in all ten tests

高温・高圧場におけるPFJ 点火 

φ70 mm×26 mm 

ε = 10.6 

Fuel: methane-air 

Combustion chamber B 

Rapid compression machine

1 ms 3 ms 5 ms 7 ms 9 ms 

SI 

PFJ: Vp = 500 mm 3 

d = 4.0 mm 

Pulsed Flame Jet (PFJ) igniter 

and detail of its cavity 

Pressure and schlieren records (interframe time; 2.0 ms) 

of combustion after spark discharge at an equivalence ratio 

of 0.65 視野径 :70 mm

PFJ 点火におけるOHラジカル蛍光計測 

Vp =340 mm 3 

d =2.5 mm 

Vp =170 mm 3 

d =2.5 mm 

Vp =340 mm 3 

d =4.0 mm 

Vp =170 mm 3 

d =4.0 mm 

PLIF images of OH at an equivalence ratio of φ = 0.8: view region 36 ×44 mm 

Times: 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.5, 3.0, 4.5 ms after spark discharge

PFJによるHCCI 燃焼の着火時期制御と発光スペクトル 

φ50 mm×28.9 mm 

ε = 13.5, 14.7 

Fuel: n-butane-air 

Combustion chamber C

Pressure records of autoignition with different initial temperatures, T 1 , and equivalence ratios, φ

⎣3700 fps 

⎣Gate width of the image 

intensifier was 260 μs 

Observed diameter:50 mm 

Pressure (MPa) 

Emission intensity (a.u.) 

5 

4 

3 

2 

1 

5 

0 

ε = 14.7 

φ = 0.3 

T 1 = 313 K 

Blue light 

Pressure 

Cool 

flame 

Blue 

flame 

dP/dτ 

Hot 

flame 

50 60 70 

Time from beginning of compression (ms) 

0.5 

0 

dP/dτ (MPa/ms) 

48.8 ms 50.4 ms 52.0 ms 53.6 ms 55.2 ms 56.9 ms 

58.5 ms 60.1 ms 61.7 ms 63.3 ms 65.0 ms 66.6 ms 

64.1 ms 64.6 ms 65.1 ms 65.7 ms 66.2 ms 66.8 ms 

Pressure, dP/dτ, and light 

emission in autoignition: 

ε =14.7, φ = 0.3, T 1 = 313 K 

67.3 ms 67.8 ms 68.4 ms 68.9 ms 69.5 ms 70.0 ms 

Photographs of autoignition: ε =14.7, φ = 0.3, T 1 = 313 K 

Upper two rows: High-speed camera with image intensifier 

Lower two rows: Color high-speed camera

Observed diameter:50 mm 


5 

4 

3 

2 

1 

ε = 14.7 

φ = 0.45 

T 1 = 333 K 

Pressure 

dP/dτ 

3 

2 

1 

0 

dP/dτ (MPa/ms) 

48.0 ms 48.5 ms 49.0 ms 49.6 ms 50.1 ms 50.7 ms 

51.2 ms 51.7 ms 52.3 ms 52.8 ms 53.4 ms 53.9 ms 


5 

Blue light 

0 

45 50 55 60 


52.2 ms 52.5 ms 52.8 ms 53.1 ms 53.3 ms 53.6 ms 


emission in autoignition: 

ε =14.7, φ = 0.45, T 1 = 333 K 

53.9 ms 54.1 ms 54.4 ms 54.7 ms 54.9 ms 55.2 ms 

Photographs of autoignition: ε =14.7, φ = 0.45, T 1 = 333 K 

Upper two rows: High-speed camera with image intensifier 

Lower two rows: Color high-speed camera

ε =13.5, φ = 0.55, T 1 = 323 K 

formaldehyde (HCHO) chemiluminescence 

Cool flame 

54.5 ms 55.6 ms 56.7 ms 

Cool flame emission spectra and images of cool flames obtained by high-speed camera with image intensifier 

Blue flame 

OH 

306.4 

58.2 ms 58.7 ms 58.9 ms 

HCO 

CO+O 

Hot flame 

59.2 ms 59.5 ms 59.8 ms 

OH 

306.4 

H 2 

O 

60.6 ms 62.5 ms 64.4 ms 66.5 ms 

Post-main heat release period 

Light emission spectra and color images of blue flame to hot flame

PFJ igniter 

Cavity volume : Vp = 500 mm 3 

Orifice diameter 

: d = 2.5 mm 

Equivalence ratio of injected fuel : φ c = 3.0 

Injection pressure 

Injection duration 

Ignition timing* 

: P i = 4.9 MPa (gauge) 

: Δτ i = 20.0 ms 

: τ i = 42.5 ms or 45.0 ms 

* time from beginning of compression


6 

4 

d = 4.0 mm 

φ = 0.3 

τ i = 42.5 ms 


6 

4 

d = 4.0 mm 

φ = 0.3 

τ i = 45.0 ms 

2 

T 1 = 333 K 

T 1 = 323 K 

T 1 = 313 K 

2 

T 1 = 333 K 

T 1 = 323 K 

T 1 = 313 K 

0 

40 50 60 70 


0 

40 50 60 70 


(a) τ i 

= 42.5 ms 

(b) τ i 

= 45.0 ms 

Pressure records initiated by PFJ at different initial temperatures, T 1 

In both ignition timings, the onset of pressure rise was controlled appropriately by PFJ. 

It was revealed that PFJ has a potential for controlling the start of HCCI combustion.

43.5 ms 44.6 ms 45.7 ms 46.7 ms 47.8 ms 48.9 ms 

50.0 ms 51.1 ms 52.1 ms 53.2 ms 54.3 ms 55.4 ms 

Photographs with color high-speed camera of combustion 

initiated by PFJ: ε =14.7, φ = 0.4, T 1 = 313 K, τ i = 42.5 ms 


emission in PFJ: 

ε =14.7, φ = 0.4, T 1 = 313 K, 

τ i = 42.5 ms 


5 

4 

3 

2 

1 

0 

42.5~46.5 ms 

OH 

306.4 

50.5~54.5 ms 

CH 

431.5 

46.5~50.5 ms 

54.5~58.5 ms 

Sodium D-line 

589.0, 589.6 

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 

Wavelength (nm) 

Light emission spectra in PFJ: ε =14.7, φ = 0.4, T 1 = 313 K , τ i = 42.5 ms

igniter Pulsed Flame Jet - 自動車技術会

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