JP2009176691A - プラズマジェット点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁碍子と接地電極とを軸線方向に互いに離間させて絶縁碍子の破損を防止すると共に、その間隙の大きさを規定することで、噴出されるプラズマのエネルギー損失を低減し、着火性の低下を抑制することができるプラズマジェット点火プラグを提供する。
【解決手段】プラズマジェット点火プラグ１００を構成する絶縁碍子１０の先端１６と接地電極３０との間に間隙（第１間隙）を設けた。キャビティ６０の容積Ｓを０．１以上１０ｍｍ^３以下としたので、キャビティ６０内で形成されるプラズマはキャビティ６０内で広がり分散されることが抑制される。また、第１間隙の大きさａを０＜ａ≦０．５［ｍｍ］としたので、十分なエネルギーをもってキャビティ６０から噴出されたプラズマが外方へ噴出するためオリフィス３１へ向かう途中で、そのエネルギーが第１間隙内に漏出することが抑制される。
【選択図】図２

Description

本発明は、プラズマを形成して混合気への点火を行う内燃機関用のプラズマジェット点火プラグに関するものである。

従来、例えば自動車用の内燃機関であるエンジンの点火プラグには、火花放電により混合気への着火を行うスパークプラグが使用されている。近年、内燃機関の高出力化や低燃費化が求められており、燃焼の広がりが速く、着火限界空燃比のより高い希薄混合気に対しても確実に着火できる着火性の高い点火プラグとして、プラズマジェット点火プラグが知られている。

このようなプラズマジェット点火プラグは、中心電極と、主体金具と一体になった接地電極（外部電極）との間の火花放電間隙（ギャップ）の周囲をセラミックス等からなる絶縁碍子（絶縁体，ハウジング）で包囲して、キャビティ（チャンバー）と称する小さな容積の放電空間を形成した構造を有している。そして、中心電極と接地電極との間に高電圧を印加して火花放電を行い、このときに生じた絶縁破壊によって比較的低電圧で電流を流すことができるようになるため、更にエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、これによりキャビティ内で形成されるプラズマをオリフィスと呼ばれる開口部（外部電極孔）から噴出させて、混合気への着火を行うものである（例えば、特許文献１または特許文献２参照。）。

特許文献１や特許文献２に記載のプラズマジェット点火プラグは、筒状に形成された主体金具の先端側の端部を閉じ、この端部を接地電極として中央にオリフィスを開口すると共に、この接地電極の内面に、外部電極内に収容する絶縁碍子の先端面を当接させて、オリフィスとキャビティとが同軸状に連続する形態を有している。また、主体金具の先端部に別体の接地電極を接合し、その接地電極の中央にオリフィスを開口すると共に、絶縁碍子の先端面を接地電極の内面（内部側の面）に当接させた形態のものもある（特許文献１の第２図参照）。
特開平２−７２５７７号公報 特開２００６−２９４２５７号公報

しかしながら、プラズマジェット点火プラグを製造するにあたって、絶縁碍子、主体金具および接地電極を作製する際の寸法管理を厳密に行い、特許文献１や特許文献２に記載のプラズマジェット点火プラグのように、絶縁碍子の先端面と接地電極の内面とを密着させた場合、使用時に冷熱サイクルの影響を受けると、絶縁碍子や主体金具および接地電極を構成する材料の熱膨張係数差に起因して、絶縁碍子が破損してしまう虞があった。一方、製造公差によって、絶縁碍子の先端面と接地電極の内面との間に大きな間隙が生じた場合、キャビティ内で形成されたプラズマがオリフィスを介して噴出される際に、プラズマのエネルギーがその間隙へ逃げてしまい意図する方向に噴出されなかったり、噴出量（噴出長さ）が少なく（短く）なってしまったりする虞もある。更に、絶縁碍子を保持するにあたり、主体金具内に配置され加締められることにより保持されているが、絶縁碍子と主体金具の両者の製造公差によって絶縁碍子の先端面が接地電極の内面に強く押し当てられた状態で加締められると、内部応力の高まりによって絶縁碍子に破損を生じてしまう虞もある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、絶縁碍子と接地電極とを軸線方向に互いに離間させて絶縁碍子の破損を防止すると共に、その間隙の大きさを規定することで、噴出されるプラズマのエネルギー損失を低減し、着火性の低下を抑制することができるプラズマジェット点火プラグを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明のプラズマジェット点火プラグは、中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面を前記軸孔内に収容すると共に前記中心電極を保持する絶縁碍子と、当該絶縁碍子の先端側で、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面とを壁面とする凹部状に形成されたキャビティと、前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、前記主体金具に接合されて前記主体金具と電気的に接続されると共に、前記絶縁碍子よりも先端側に配置される電極で、前記キャビティを外気と連通させる開口部を有する接地電極とを備え、前記中心電極と前記接地電極との間で行う放電に伴い前記キャビティ内にてプラズマを生ずるプラズマジェット点火プラグであって、前記絶縁碍子と前記接地電極とは前記軸線方向に互いに離間した状態で配置されており、前記軸線方向における前記絶縁碍子と前記接地電極との間隙の大きさをａとし、前記キャビティの容積をＳとしたときに、０＜ａ≦０．５［ｍｍ］であると共に、０．１≦Ｓ≦１０［ｍｍ^３］であることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明のプラズマジェット点火プラグは、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記軸線方向で前記キャビティの形成位置において、前記絶縁碍子と前記主体金具とは、前記軸線方向と直交する径方向に互いに離間した状態で配置されており、前記軸線方向と直交する径方向における前記絶縁碍子と前記主体金具との間隙の大きさをｂとしたときに、ｂ≦１．１［ｍｍ］であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のプラズマジェット点火プラグは、請求項２に記載の発明の構成に加え、前記ｂは、０．１≦ｂ≦１．１［ｍｍ］であることを特徴とする。

また、請求項４に係る発明のプラズマジェット点火プラグは、中心電極と、軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面を前記軸孔内に収容すると共に前記中心電極を保持する絶縁碍子と、当該絶縁碍子の先端側で、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面とを壁面とする凹部状に形成されたキャビティと、前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、前記主体金具に接合されて前記主体金具と電気的に接続されると共に、前記絶縁碍子よりも先端側に配置される電極で、前記キャビティを外気と連通させる開口部を有する接地電極とを備え、前記中心電極と前記接地電極との間で行う放電に伴い前記キャビティ内にてプラズマを生ずるプラズマジェット点火プラグであって、前記主体金具の前記接地電極との接合部および前記接地電極のうちの少なくとも一方と、前記絶縁碍子とは前記軸線方向に互いに離間した状態で配置されており、前記主体金具の前記接地電極との接合部および前記接地電極のうちの少なくとも一方と、前記絶縁碍子との間の間隙には、それぞれと密着する第１パッキンが介在されていることを特徴とする。

また、請求項５に係る発明のプラズマジェット点火プラグは、請求項４に記載の発明の構成に加え、前記絶縁碍子の外周面のうち、前記主体金具の先端部側に設けられた取付部における当該主体金具の径方向内側に収容される部位には、自身の後端側の外径を先端側の外径よりも大きく構成した碍子段部が形成されると共に、前記主体金具の内周面には、自身と前記碍子段部との向き合う面同士が互いに対向するように前記主体金具の径方向内向きに膨出する金具段部が形成され、前記碍子段部と前記金具段部との間に両者と密着する第２パッキンが介在されており、当該第２パッキンは、前記第１パッキンよりも硬度が高いことを特徴とする。

また、請求項６に係る発明のプラズマジェット点火プラグは、請求項４または５に記載の発明の構成に加え、前記軸線方向における前記主体金具の前記接地電極との接合部および前記接地電極のうちの少なくとも一方と、前記絶縁碍子との間の間隙の大きさをａとし、前記キャビティの容積をＳとしたときに、０＜ａ≦０．８［ｍｍ］であると共に、０．１≦Ｓ≦１０［ｍｍ^３］であることを特徴とする。

また、請求項７に係る発明のプラズマジェット点火プラグは、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明の構成に加え、前記軸線方向における前記中心電極と前記接地電極との間の間隙の大きさをＧとしたときに、１．０≦Ｇ≦３．０［ｍｍ］であることを特徴とする。

請求項１に係る発明のプラズマジェット点火プラグでは、軸線方向における絶縁碍子と接地電極との間に間隙（第１間隙）を有しているので、両者が密着している場合に熱膨張係数の差から生じ得る内部応力の高まりによって破損する虞がない。また、プラズマジェット点火プラグの製造過程においても、絶縁碍子と接地電極との間に第１間隙を有する（すなわち、軸線方向における絶縁碍子記接地電極との間隙の大きさａ＞０［ｍｍ］）ように設計を行えば、両者の製造公差により絶縁碍子が接地電極に対し押圧状態のまま主体金具に保持されることが防止されるので、絶縁碍子の破損を防止することができる。

このような第１間隙を有するプラズマジェット点火プラグにおいて、キャビティの容積Ｓが０．１≦Ｓ≦１０［ｍｍ^３］を満たす。よって、キャビティ内で形成されるプラズマを開口部から噴出させるのに必要な最低限のエネルギーを確保しつつ、そのエネルギーがキャビティ内で広がって分散してしまうことが抑制され、キャビティから十分なエネルギー量をもったプラズマを噴出することができる。更に、第１間隙の大きさａが０＜ａ≦０．５［ｍｍ］を満たすので、キャビティから噴出されるプラズマが開口部へ向かう途中で、そのエネルギーが第１間隙内に漏出しにくい。このため、開口部から外方へ向けて十分に有効な大きさのプラズマを噴出することができ、良好な着火性を得ることができる。

そして、請求項２に係る発明のように、軸線方向と直交する径方向における絶縁碍子と主体金具との間隙（第２間隙）の大きさｂがｂ≦１．１［ｍｍ］を満たせば、第１間隙と第２間隙とを含めた間隙全体の容積が大きくならないよう抑えることができる。これにより、キャビティから噴出されるプラズマが開口部へ向かう途中で、第１間隙内に漏出したプラズマのエネルギーが更に第２間隙内へ流れてしまうことでプラズマのエネルギーが大幅に奪われてしまうことを抑制することができるので、開口部から外方へ向けて十分に有効な大きさのプラズマを噴出することができ、良好な着火性を得ることができる。

プラズマジェット点火プラグ単体としての耐熱性の観点では、大きさｂは、０に近いほど好ましい。一方、絶縁碍子と主体金具との組み付け挿入性や使用に伴う冷熱サイクルにより、プラズマジェット点火プラグを構成する部品が膨張・収縮する。このため、大きさｂは、請求項３に係る発明のように、０．１［ｍｍ］以上であることが好ましい。大きさｂの下限値を０．１［ｍｍ］と設定することにより、使用時における部品の膨張・収縮による破損の被害を軽減することができる。

また、請求項４に係る発明のプラズマジェット点火プラグでは、主体金具の接合部および接地電極のうちの少なくとも一方と絶縁碍子との間隙（第１間隙）に第１パッキンを介在させたので、この第１パッキンにより第１間隙を封止することができる。従って、キャビティから噴出されるプラズマが開口部へ向かう途中で、そのエネルギーが第１間隙内の奧へ向けて漏出することがないので、開口部から外方へ向けて十分に有効な大きさのプラズマを噴出することができ、良好な着火性を得ることができる。

また、請求項５に係る発明のように、この第１パッキンの硬度よりも、主体金具で絶縁碍子を保持する際に使用される第２パッキンの硬度を高くすれば、第１パッキンは、第２パッキンの変形（封止効果を高めるためその表面において生じ得る変形）を阻害しない。つまり、プラズマジェット点火プラグの製造過程において主体金具による絶縁碍子の保持（加締めによる保持）のため必要な力を加えた場合に、第１パッキンはその力で容易に変形し、第２パッキンの表面の変形を妨げないので、第２パッキンは主体金具および絶縁碍子の双方に密着することができ、両者間を通じた燃焼ガスの漏出を防止することができる。また、第１パッキンは、主体金具による絶縁碍子の加締め保持の際に、絶縁碍子と接地電極との間で緩衝材としても機能することができ、プラズマジェット点火プラグの製造過程において、絶縁碍子の破損を防止することができる。

そして、請求項６に係る発明のように、キャビティの容積Ｓが０．１≦Ｓ≦１０［ｍｍ^３］を満たす構成とすれば、キャビティ内で形成されるプラズマのエネルギーがキャビティ内で広がって分散してしまうことがなく、十分なエネルギー量をもったプラズマを噴出することができる。更に、第１間隙の大きさａが０＜ａ≦０．８［ｍｍ］を満たす構成とすれば、キャビティから噴出されるプラズマが開口部へ向かう途中で、そのエネルギーが第１間隙内に漏出しにくい。このため、開口部から外方へ向けて十分に有効な大きさのプラズマを噴出することができ、良好な着火性を得ることができる。

また、請求項７に係る発明のように、軸線方向における中心電極と接地電極との間の間隙（火花放電間隙）の大きさＧが、Ｇ≦３．０［ｍｍ］を満たす構成とすれば、良好な着火性を得ることができる。この根拠は後述する試験（実施例２）により説明するが、火花放電間隙の大きさＧが３．０ｍｍを超えてしまうと３．０ｍｍ以下の場合と比較してその着火性が著しく低下してしまうためである。その一方で、火花放電間隙の大きさＧが、１．０≦Ｇ［ｍｍ］を満たす構成とすれば、キャビティの深さを十分に確保することができ、噴出されるプラズマを有効なフレーム状とすることができ、着火性を向上させることができる。

以下、本発明を具体化したプラズマジェット点火プラグの第１の実施の形態について、図面を参照して説明する。まず、図１，図２を参照して、一例としてのプラズマジェット点火プラグ１００の構造について説明する。図１は、第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００の部分断面図である。図２は、第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００の先端部分を拡大した断面図である。なお、図１において、プラズマジェット点火プラグ１００の軸線Ｏ方向を図面における上下方向とし、下側をプラズマジェット点火プラグ１００の先端側（前方）、上側を後端側（後方）として説明する。

図１に示す、第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００は、概略、絶縁碍子１０と、この絶縁碍子１０を保持する主体金具５０と、絶縁碍子１０内に軸線Ｏ方向に保持された中心電極２０と、主体金具５０の先端部６５に溶接された接地電極３０と、絶縁碍子１０の後端部に設けられた端子金具４０とから構成されている。

絶縁碍子１０は、周知のようにアルミナ等を焼成して形成され、軸線Ｏ方向に軸孔１２を有する筒状の絶縁部材である。軸線Ｏ方向の略中央には外径が最も大きな鍔部１９が形成されており、これより後端側には後端側胴部１８が形成されている。後端側胴部１８の後端側の外周面には、主体金具５０と端子金具４０との間の沿面距離を稼ぐためのコルゲーションとよばれる凹凸状の加工がなされている。また、鍔部１９より先端側には後端側胴部１８より外径が小さい先端側胴部１７と、その先端側胴部１７よりも先端側で先端側胴部１７よりも更に外径の小さな脚長部１３とが形成されている。この脚長部１３と先端側胴部１７との間は段状をなす段部１４が形成されている。なお、段部１４が、本発明における「碍子段部」に相当する。

軸孔１２の脚長部１３の内周部分は、先端側胴部１７，鍔部１９および後端側胴部１８の内周部分よりも縮径された電極収容部１５として形成されている。この電極収容部１５の内部には中心電極２０が保持される。図２に示すように、軸孔１２は、電極収容部１５の先端側において内周が更に縮径されており、先端小径部６１として形成されている。この先端小径部６１は、絶縁碍子１０の先端（先端面）１６にて開口している。

次に、中心電極２０は、インコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル系合金等で形成された円柱状の電極棒で、内部に熱伝導性に優れる銅等からなる金属芯２３を有している。中心電極２０の先端部２１には、貴金属やＷ（タングステン）を主成分とする合金からなる円盤状の電極チップ２５が、中心電極２０と一体となるように溶接されている。なお、第１の実施の形態では、中心電極２０と一体になった電極チップ２５も含め「中心電極」と称する。

また、図１に示すように、中心電極２０の後端側は鍔状に拡径され、この鍔状の部分が軸孔１２内において電極収容部１５のうちの段状の部位に当接されており、電極収容部１５内で中心電極２０が位置決めされている。そして図２に示すように、中心電極２０の先端部２１の先端面２６（より具体的には中心電極２０の先端部２１にて中心電極２０と一体に接合された電極チップ２５の先端面２６）の周縁が、径の異なる電極収容部１５と先端小径部６１との間の段部に当接された状態となっている。この構成により、軸孔１２の先端小径部６１の内周面と、中心電極２０の先端面２６とで包囲された有底円筒状をなす容積の小さな放電空間が形成されている。プラズマジェット点火プラグ１００では、接地電極３０と中心電極２０との間にて形成される火花放電間隙にて火花放電が行われるが、その火花放電の経路はこの放電空間内を通過することとなる。この放電空間はキャビティ６０と称され、火花放電の際にはこのキャビティ６０でプラズマが形成され、先端１６の開口より前方へ噴出される。

また図１に示すように、中心電極２０は、軸孔１２の内部に設けられた金属とガラスの混合物からなる導電性のシール体４を経由して、先端側胴部１７内で端子金具４０と電気的に接続されている。中心電極２０と端子金具４０は、このシール体４によって軸孔１２内で導通されつつ軸孔１２内に固定される。端子金具４０は軸孔１２内を後方へ延び、後端部４１が絶縁碍子１０の後端より外部に突出されている。この後端部４１には、プラグキャップ（図示外）を介して高圧ケーブル（図示外）が接続され、点火装置（図示外）から高電圧が印加されるようになっている。

次に、主体金具５０について説明する。主体金具５０は、内燃機関のエンジンヘッド（図示外）にプラズマジェット点火プラグ１００を固定するための筒状の金具であり、絶縁碍子１０の脚長部１３から後端側胴部１８の先端側にかけての部位の周囲を取り囲むようにして、自身の筒孔５９内に絶縁碍子１０を保持している。主体金具５０は低炭素鋼材より形成されており、略中央から先端側にかけて太径の取付部５２が形成されている。取付部５２の外周面には雄ねじ状のねじ山が形成されており、エンジンヘッドの取付孔（図示外）に形成された雌ねじに螺合する。なお、主体金具５０は耐熱性を重視し、ステンレスやインコネル（商標名）等を用いてもよい。

また、取付部５２の後端側には、鍔状のシール部５４が形成されている。そしてシール部５４と取付部５２との間の部位には、板体を折り曲げて形成した環状のガスケット５が嵌挿されている。ガスケット５は、プラズマジェット点火プラグ１００をエンジンヘッドの取付孔（図示外）に取り付けた際に、シール部５４の先端向きの面である座面５５と、取付孔の開口の周縁部位との間に挟まれ変形し、両者間を封止することで、取付孔を介した燃焼ガスの流出が防止するものである。

シール部５４の後端側には、図示外のプラグレンチが嵌合する工具係合部５１が形成されている。工具係合部５１より後端側には薄肉の加締部５３が設けられており、工具係合部５１とシール部５４との間にも薄肉の座屈部５８が設けられている。そして、工具係合部５１から加締部５３にかけての内周面と絶縁碍子１０の後端側胴部１８の外周面との間には円環状のリング部材６，７が介在されており、更に両リング部材６，７間にタルク（滑石）９の粉末が充填されている。

また、図２に示すように、取付部５２の内周面には段状の段部５６が形成され、絶縁碍子１０を保持する際には、この段部５６に、絶縁碍子１０の段部１４が環状の第２パッキン８０を介して支持される。この第２パッキン８０には、例えばニッケル材が用いられる。そして、図１に示すように、加締部５３の端部を内側に折り曲げるようにして加締めることにより、リング部材６，７およびタルク９を介し、絶縁碍子１０が先端側に向け押圧される。この加締めの際に座屈部５８は加熱され、圧縮力の付加に伴い膨らむように変形されることで、加締部５３の圧縮ストロークを稼ぐ。これにより、主体金具５０の加締部５３と段部５６との間に、絶縁碍子１０の段部１４と鍔部１９との間の部位が確実に挟まれ、主体金具５０に絶縁碍子１０が一体になるように保持される。主体金具５０の筒孔５９の内周面と絶縁碍子１０の脚長部１３の外周面との間には間隙が設けられている。第２パッキン８０により主体金具５０と絶縁碍子１０との間の気密性は保持され、筒孔５９を介した燃焼ガスの流出が防止される。なお、段部５６が、本発明における「金具段部」に相当する。

また、主体金具５０の先端部６５には接地電極３０が設けられている。接地電極３０は耐熱性に優れた金属から構成されており、一例としてインコネル（商標名）６００または６０１等のニッケル系合金が用いられる。図２に示すように、接地電極３０は中央にオリフィス３１とよばれる開口（厚み方向の貫通孔）を有する円盤状に形成されている。そして接地電極３０は、厚み方向を軸線Ｏ方向に揃え、絶縁碍子１０の先端１６よりも前方に配置された状態で、すなわち絶縁碍子１０との間に間隙を有した状態で、主体金具５０の先端部６５の内周面に形成された係合部５７に係合されている。この状態で外周縁が一周にわたって係合部５７にレーザ溶接され、接地電極３０は主体金具５０と一体に接合されている。接地電極３０のオリフィス３１は絶縁碍子１０のキャビティ６０と略同軸に連ねられた配置となり、オリフィス３１を介し、キャビティ６０の内部が外気と連通している。なお、オリフィス３１が、本発明における「開口部」に相当する。

このように構成されたプラズマジェット点火プラグ１００では、内燃機関の稼働に伴い、中心電極２０と接地電極３０との間の火花放電間隙に高電圧が印加されると、接地電極３０と中心電極２０との間の絶縁が破壊され、火花放電が生ずる（トリガー放電ともいう）。この状態で更なるエネルギーが火花放電間隙に供給されると、周囲を壁面に囲まれた小空間からなるキャビティ６０内で高エネルギーのプラズマが形成される。このプラズマは、キャビティ６０から噴出される際に火柱のような形状、いわゆるフレーム状となり、接地電極３０のオリフィス３１を介し、外方、すなわち燃焼室内に向けて噴出される。そして燃焼室内の混合気に着火し、形成された火炎核が成長して燃焼が行われる。

このような形態をなすプラズマジェット点火プラグ１００は、接地電極３０と絶縁碍子１０の先端１６との間に間隙（以下、「第１間隙」という。）を有している。第１の実施の形態では、この第１間隙の大きさをａとし、キャビティ６０の容積をＳとしたときに、後述する実施例１に基づいて、０＜ａ≦０．５［ｍｍ］が満たされると共に、０．１≦Ｓ≦１０［ｍｍ^３］が満たされることとして規定している。キャビティ６０の容積Ｓが１０［ｍｍ^３］より大きくなると、形成されるプラズマのエネルギーがキャビティ６０内で広がり分散してしまい、開口側から噴出されるプラズマのエネルギー量が少なくなって（フレームの長さが短くなって）着火性が低下する虞がある。また、第１間隙の大きさａが０．５ｍｍより大きいと、キャビティ６０で形成されたプラズマがオリフィス３１へ向かう途中でそのエネルギーが第１間隙内に漏出し、同様に、プラズマの噴出量が少なくなるため着火性が低下する虞がある。上記のように、０＜ａ≦０．５［ｍｍ］が満たされると共に、０．１≦Ｓ≦１０［ｍｍ^３］が満たされれば十分に良好な着火性を得られることが、後述する実施例１の結果より確認されている。

なお、接地電極３０は、主体金具５０の係合部５７に接合されることによって主体金具５０に対し位置決めされている。また、絶縁碍子１０の先端１６は、主体金具５０の段部５６に第２パッキン８０を介して絶縁碍子１０の段部１４が支持されることによって、主体金具５０に対し位置決めされる。すなわち、接地電極３０と絶縁碍子１０の先端１６との間の第１間隙の大きさａは、加締部５３の加締め具合や、第２パッキン８０の厚み、硬さ等によって、製造公差を含めた管理がなされるものである。

また、プラズマジェット点火プラグ１００は、絶縁碍子１０の脚長部１３の外周面と主体金具５０の筒孔５９の内周面との間に、第１間隙と繋がった間隙（以下、「第２間隙」という。）を有している。第１の実施の形態では、この第２間隙の大きさをｂとしたときに、後述する実施例２に基づいて、０．１≦ｂ≦１．１［ｍｍ］が満たされることとして規定している。第２間隙の大きさｂが１．１ｍｍより大きいと、第１間隙と第２間隙とを含めた間隙全体の容積が大きくなるため、第１間隙内に漏出したプラズマのエネルギーが第２間隙内へ流れやすくなり、その結果、プラズマのエネルギーが大幅に奪われて噴出量が少なくなり着火性が低下する虞がある。また、プラズマジェット点火プラグ単体としての耐熱性の観点では、第２間隙の大きさｂは、０に近いほど好ましいが、絶縁碍子１０と主体金具５０との組み付け挿入性や使用に伴う冷熱サイクルにより、プラズマジェット点火プラグ１００を構成する部品が膨張・収縮する。このため、第２間隙の大きさｂは、０に近づけた場合、部品の膨張・収縮による破損する虞がある。上記のように、０．１≦ｂ≦１．１［ｍｍ］が満たされれば、部品の膨張・収縮によりプラズマジェット点火プラグが破損することなく、十分に良好な着火性を得られることが、後述する実施例２の結果より確認されている。

更に、第１の実施の形態では、軸線方向における中心電極２０と接地電極３０との間に形成される火花放電間隙の大きさをＧとしたときに、後述する実施例２に基づいて、１．０≦Ｇ≦３．０［ｍｍ］が満たされることとして規定している。火花放電間隙の大きさＧが３．０ｍｍより大きくなると、着火性が低下してしまうためである。これを解決するためには、中心電極２０と接地電極３０との間で火花放電を生じさせるために印加する電圧を、より高いものとすればよいが、過剰な電圧の印加により絶縁碍子１０が貫通破壊してしまう虞もある。また、電源をより高価なものを用いなければならなくなったりする。このような観点からも火花放電間隙の大きさＧは３．０ｍｍ以下としておくことが好ましい。一方、火花放電間隙の大きさＧが１．０ｍｍ未満となると、キャビティ６０の軸線Ｏ方向の長さ（キャビティ６０の深さ）を十分に確保できず、噴出されるプラズマが有効なフレーム状とならず、着火性が低下する虞がある。上記のように、１．０≦Ｇ≦３．０［ｍｍ］が満たされれば火花放電の確実性を高め、十分に良好な着火性を得られることが、後述する実施例２の結果より確認されている。

なお、上述のプラズマジェット点火プラグ１００の説明においては、絶縁碍子１０の主体金具５０による保持方法についていわゆる熱加締めによる構成を説明したが、この保持方法についてはなんら限定されることはない。例えば、加熱を行わず冷間加工にて加締めを行ってもよいし、タルク９を用いず、直接またはパッキン等を介して間接的に加締部５３の端部が絶縁碍子１０を押圧して絶縁碍子１０を保持してもよい。更には、加締めによらずとも絶縁碍子１０を保持できればよく、その方法を限定するものではない。しかしながら、保持方法として加締め等により絶縁碍子１０が軸線Ｏ方向の先端側へ押圧される方法を用いる場合には、例示した熱加締めによる構成は製造過程における絶縁碍子１０の破損を防ぐ効果を有する面で効果的である。

次に、本発明に係るプラズマジェット点火プラグの第２の実施の形態について、図３を参照して説明する。図３は、第２の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ２００の部分拡大断面図である。図３に示す、第２の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ２００は、第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００（図２参照）の接地電極３０と絶縁碍子１０の先端１６との間の間隙に、第１パッキン２７０を介在させたものである。この第１パッキン２７０は、例えば冷間圧延鋼板を用いて円環状に形成したものである。第１パッキン２７０の内径Ｅはキャビティ６０の内径Ｄよりも大きく構成され、少なくとも第１パッキン２７０の内径Ｅとキャビティ６０の内径Ｄとの径差の１／２が、第１隙間の大きさａよりも大きくなるように規定されている。つまり、中心電極２０と接地電極３０との間で生じ得る沿面放電および気中放電の絶縁破壊電圧値よりも、中心電極２０と第１パッキン２７０との間で生じ得る沿面放電の絶縁破壊電圧値の方が大きくなるように構成されている。なお、第２の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ２００の構造は、第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００の構造と比べ、第１パッキン２７０の有無のみ異なり、その他の部位については同一であるため、その他の部位の構造についての説明は省略または簡略化する。

このような構成のプラズマジェット点火プラグ２００は、その製造過程において、第１の実施の形態と同様に、主体金具５０の加締部５３を加締めることによって、絶縁碍子１０が主体金具５０の筒孔５９内に保持される。このときに、第１間隙に挟み込まれる第１パッキン２７０によって、段部１４，５６間に挟まれる第２パッキン８０の変形が阻害されないように、第１パッキン２７０は、その硬度が第２パッキン８０の硬度よりも低くなるように、自身を構成する材料が選択されている。一例として、第１パッキン２７０にはＪＩＳ Ｇ３１４１で規定される冷間圧延鋼板でビッカース硬度が１１０ＨＶ程度のものを用い、第２パッキン８０にはＪＩＳ Ｈ４５０１で規定される電子管用ニッケル材でビッカース硬度が２００ＨＶ程度のものを用いるとよい。

更に、第１パッキン２７０は、第１間隙を介したプラズマのエネルギーの漏出を防止できるように両者間を封止するため、プラズマジェット点火プラグ２００への組み付け前の厚みが、第１間隙の大きさａと同じか、それよりやや大きくなるように構成されている。なお、主体金具５０の筒孔５９を介した燃焼ガスの流出は第２パッキン８０により防止されれば十分であり、第１パッキン２７０ではプラズマのエネルギーの漏出を封止できるだけの抗力を、接地電極３０や絶縁碍子１０の先端１６に対して有すればよい。

このように、第２の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ２００では、第１間隙に第１パッキン２７０を介在させることで、確実に、接地電極３０と絶縁碍子１０の先端１６との間に隙間を生じさせ、第１間隙を有することができる。キャビティ６０の容積Ｓや火花放電間隙の大きさＧについての各規定は第１の実施の形態と同様であるが、第１間隙に第１パッキン２７０が介在されることにより、プラズマのエネルギーが第２間隙に漏出することはなく、第１間隙内に漏出するエネルギー量も低減される。従って、第１間隙の大きさａを更に拡張しても十分に、プラズマジェット点火プラグ２００の着火性は維持される。具体的には第１間隙の大きさａが０．８ｍｍ以下であれば十分に良好な着火性を得られることが、後述する実施例３の結果より確認されている。

以上説明したように、プラズマジェット点火プラグに第１間隙を設けたり（第１の実施の形態）、第１間隙に第１パッキン２７０を介在させたり（第２の実施の形態）することで、使用時の熱応力の影響や製造時にかかる応力によって絶縁碍子１０が破損することを防止できるようにしつつ、上記のように各部の大きさを規定することで良好な着火性が得られることを確認するため評価試験を行った。

［実施例１］
まず、キャビティ６０の容積Ｓや第１間隙の大きさａと着火性の良否との関係について確認するため評価試験を行った。この評価試験では、キャビティの内径Ｄを異ならせ容積Ｓが５，１０，１５，２０ｍｍ^３となるように調整した４種類の絶縁碍子を用い、各種類ごとに、第１間隙の大きさａを０．１〜０．７ｍｍの範囲で異ならせた複数のプラズマジェット点火プラグのサンプルを作製した。なお、各サンプルは、火花放電間隙の大きさＧを３．０ｍｍとし、第２間隙の大きさｂを１．０ｍｍとした。また、第１間隙に第１パッキンは介在させていない。

これらのサンプルを個々に加圧チャンバーに取り付け、着火性の確認を行った。具体的には、まず、サンプルをチャンバーに取り付けた後、チャンバー内を空気とＣ_３Ｈ_８ガスとの混合比（空燃比）を２２とした混合気で充填し、気圧を０．０５ＭＰａとする（ガス充填工程）。次にサンプルを１５０ｍＪのエネルギー量を供給可能な電源に接続し、高電圧を印加して点火を試み、混合気が着火したかどうか確認する（着火確認工程）。なお、着火したかどうかの検出は、圧力センサでチャンバー内気圧を測定し、チャンバー内の圧力変化を観察することにより行った。この一連の工程を１００回試行し、着火確率を求めた。この評価試験をサンプルごとに行った結果をグラフ化したものを図４に示す。

図４のグラフに示すように、第１間隙の大きさａが大きくなるに従い、着火確率が低下する傾向がみられた。そして、キャビティの容積Ｓが０．１ｍｍ^３，５ｍｍ^３，および１０ｍｍ^３のサンプルはそれぞれ、第１間隙の大きさａが０．５ｍｍ以下の場合に着火確率が１００％であり、第１間隙の大きさａが０．５ｍｍより大きくなるに従って、着火確率が低下することが確認できた。しかし、キャビティの容積Ｓが０．０５ｍｍ^３，１５ｍｍ^３，および２０ｍｍ^３のサンプルではそれぞれ、第１間隙の大きさａが０．１ｍｍであっても着火確率が１００％とはならなかった。この評価試験の結果より、プラズマジェット点火プラグの第１間隙の大きさａを０より大きく０．５ｍｍ以下とすると共に、キャビティの容積Ｓを０．１以上１０ｍｍ^３以下とすれば、プラズマジェット点火プラグを破損させることなく１００％の着火確率を得られることがわかった。

［実施例２］
次に、火花放電間隙の大きさＧや第２間隙の大きさｂと着火性の良否との関係について確認するため評価試験を行った。この評価試験では、第２間隙の大きさｂが０．５，１．０，１．１，１．５ｍｍの４種類となるように脚長部の外径を調整すると共に、第２間隙の大きさｂの種類ごとに、火花放電間隙の大きさＧを１．０から４．０の範囲で異ならせた複数の絶縁碍子を用い、プラズマジェット点火プラグのサンプルを作製した。なお、いずれのサンプルも第１間隙の大きさａを０．５ｍｍとし、火花放電間隙の大きさＧの調整はキャビティの深さを調整することで行った。このとき、キャビティの容積Ｓが１０ｍｍ^３となるように、各サンプルともキャビティの内径Ｄを調整した。すなわち、この評価試験は、実施例１において１００％の着火性を得られた限界値として確認された値を用いて行うものである。また、実施例１と同様に第１間隙に第１パッキンは介在させていない。

これらのサンプルを個々に、実施例１と同様に、空気とＣ_３Ｈ_８ガスとの混合比（空燃比）を２２とした混合気を充填し、気圧を０．０５ＭＰａとしたチャンバーに取り付け、１５０ｍＪのエネルギー量を供給可能な電源に接続し、上記したガス充填工程および着火確認工程を１００回試行して着火確率を求めた。この評価試験をサンプルごとに行った結果をグラフ化したものを図５に示す。

図５のグラフに示すように、いずれのサンプルも、火花放電間隙の大きさＧが３．０ｍｍを超えると急激に着火確率が低下することがわかった。つまり、火花放電間隙の大きさＧが３．０ｍｍを超えると火花放電間隙における絶縁破壊が生じにくくなるといえる。なお、火花放電間隙の大きさＧが１．０ｍｍ未満の場合はキャビティの深さを十分に確保できず、有効なフレーム状のプラズマが噴出できなくなる虞があるため評価していない。このことから、火花放電間隙の大きさＧを１．０ｍｍ以上３．０ｍｍ以下とするとよいことがわかった。

また、図５のグラフにおいて、火花放電間隙の大きさＧが３．０ｍｍ以下の場合、第２間隙の大きさｂが１．０ｍｍ以下のサンプルでは１００％の着火確率を得られることが確認できた。このまま第２間隙の大きさｂを１．１ｍｍとすると着火確率は１００％を下回ったが、おおむね８０％以上の着火確率を得られた。更に第２間隙の大きさｂを１．５ｍｍとすると、着火確率は大きく低下してしまった。この評価試験の結果より、プラズマジェット点火プラグの第２間隙の大きさｂを１．１ｍｍ以下とすれば、良好な着火性を得られることが確認できた。なお、第２間隙の大きさｂを１．０ｍｍ以下とすれば、１００％の着火確率を得られ、より好ましい。

［実施例３］
次に、第１間隙に配置する第１パッキンの有無によって着火性が向上するか確認するため評価試験を行った。この評価試験では、第１間隙に第１パッキンを介在させたものと介在させなかったものとの２種類を、種類ごとに、第１間隙の大きさａが０．３〜０．９ｍｍの範囲で異なるようにして作製した複数のプラズマジェット点火プラグのサンプルを用意した。各サンプルは、第２間隙の大きさｂを１．０ｍｍとした。また、第１間隙の大きさａによらず火花放電間隙の大きさＧが３．０ｍｍとなるように、各サンプルのキャビティの深さを調整した。更に、キャビティの内径Ｄを調整することで、いずれのサンプルもキャビティの容積Ｓが１０ｍｍ^３となるようにした。すなわちこの評価試験は、上記同様に実施例１，２において１００％の着火性を得られた限界値として確認された値を用いて行うものである。

これらのサンプルを個々に、実施例１，２と同様に、空気とＣ_３Ｈ_８ガスとの混合比（空燃比）を２２とした混合気を充填し、気圧を０．０５ＭＰａとしたチャンバーに取り付け、１５０ｍＪのエネルギー量を供給可能な電源に接続し、上記したガス充填工程および着火確認工程を１００回試行して着火確率を求めた。この評価試験をサンプルごとに行った結果をグラフ化したものを図６に示す。

図６のグラフに示すように、第１間隙に第１パッキンを介在させなかったサンプルでは、第１間隙の大きさａが０．５ｍｍ以下の場合には１００％の着火確率が得られ、０．５ｍｍを超えると着火確率が低下することは、実施例１の結果と同様である。一方、第１間隙に第１パッキンを介在させたサンプルでは、第１間隙の大きさａが０．８ｍｍを超えるまで（０．８ｍｍ以下であれば）、１００％の着火確率を維持することができることがわかった。

なお、本発明は各種の変形が可能なことはいうまでもない。第１，第２の実施の形態は、主体金具５０の筒孔５９の先端側の開口を接地電極３０で塞ぐような形態としたが、図７に示すプラズマジェット点火プラグ３００のように、筒孔３５９の先端側の開口周縁を延ばして径方向内側へ折り曲げた形態の接合部３６５を形成し、その接合部３６５の中央に設けた開口３５７に、オリフィス３３１が形成された接地電極３３０を接合してもよい。また、この接合部３６５と絶縁碍子１０の先端１６との間の間隙に第１パッキン３７０を介在させてもよい。もちろん、第１パッキン３７０は接地電極３３０に接していてもよい。また、プラズマジェット点火プラグ３００の接地電極３３０がなく、主体金具３５０の接合部３６５の中央の開口３５７がそのままオリフィスとして構成されてもよい。なお、プラズマジェット点火プラグ３００における各間隙の大きさ等の寸法は、第１，第２の実施の形態に準ずるものとする。

また、第１，第２の実施の形態では、いずれの例においても、絶縁碍子１０の先端（先端面）１６および先端１６に対向する接地電極３０の後端向き面を平面とし、互いに平行に配置した場合を例示していた。しかし、絶縁碍子１０の先端１６および接地電極３０の後端向き面の形状や配置は種々変更可能である。例えば、先端１６および接地電極３０の後端向き面の少なくとも一方は、平面に変えて曲面としてもよいし、段付きの形状としてもよい。また例えば、絶縁碍子１０の先端１６および接地電極３０の後端向き面は、互いに平行に配置されなくてもよい。本発明の趣旨は、絶縁碍子の先端面と接地電極との間へのプラズマの進入を防ぐことにあるので、上記のような変形を加えた場合、第１間隙の大きさａは、オリフィス３１側（絶縁碍子の径方向において、最も内側）において測定されればよい。また、第２間隙の大きさｂについては、図２に示す如く最も先端側の部位（但しＣ面取りやＲ面取り部位を除く）にて測定されればよい。

また、本発明の効果を確認する試験において、キャビティ６０の深さや先端小径部６１の径を変更することでその容積Ｓを変更させているが、任意の容積Ｓを設定する際に、その形態を特に限定するものではない。第１，第２の実施の形態のように先端小径部６１の内周面と中心電極２０の先端面２６とからキャビティ６０を構成する形態（図２，図３参照）でもよく、特に図示しないが、先端小径部６１よりも後端側の先端小径部６１の内径よりも拡径した電極収容部１５の一部を含むようにキャビティ６０を構成してもよい。また、先端小径部６１の内径を適宜変更してもよい。無論、その際には接地電極３０のオリフィス３１の開口径は先端小径部６１の内径よりも大きくした方が、プラズマが第１間隙へ漏出しにくく好ましいことは言うまでもない。

第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００の部分断面図である。 第１の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ１００の先端部分を拡大した断面図である。 第２の実施の形態のプラズマジェット点火プラグ２００の部分拡大断面図である。 キャビティの容積Ｓと第１間隙の大きさａと着火確率との関係を示すグラフである。 火花放電間隙の大きさＧと第２間隙の大きさｂと着火確率との関係を示すグラフである。 第１間隙の第１パッキンの有無と第１間隙の大きさａと着火確率との関係を示すグラフである。 変形例としてのプラズマジェット点火プラグ３００の部分拡大断面図である。

符号の説明

１０ 絶縁碍子
１２ 軸孔
１４，５６ 段部
２０ 中心電極
２６ 先端面
３０，３３０ 接地電極
３１，３３１ オリフィス
５０ 主体金具
５２ 取付部
６０ キャビティ
８０ 第２パッキン
１００，２００，３００ プラズマジェット点火プラグ
２７０，３７０ 第１パッキン
３３１ オリフィス
３５７ 開口
３６５ 接合部

Claims (7)

1. 中心電極と、
   軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面を前記軸孔内に収容すると共に前記中心電極を保持する絶縁碍子と、
   当該絶縁碍子の先端側で、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面とを壁面とする凹部状に形成されたキャビティと、
   前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、
   前記主体金具に接合されて前記主体金具と電気的に接続されると共に、前記絶縁碍子よりも先端側に配置される電極で、前記キャビティを外気と連通させる開口部を有する接地電極と
   を備え、
   前記中心電極と前記接地電極との間で行う放電に伴い前記キャビティ内にてプラズマを生ずるプラズマジェット点火プラグであって、
   前記絶縁碍子と前記接地電極とは前記軸線方向に互いに離間した状態で配置されており、
   前記軸線方向における前記絶縁碍子と前記接地電極との間隙の大きさをａとし、前記キャビティの容積をＳとしたときに、
   ０＜ａ≦０．５［ｍｍ］であると共に、０．１≦Ｓ≦１０［ｍｍ^３］であることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
2. 前記軸線方向で前記キャビティの形成位置において、前記絶縁碍子と前記主体金具とは、前記軸線方向と直交する径方向に互いに離間した状態で配置されており、
   前記軸線方向と直交する径方向における前記絶縁碍子と前記主体金具との間隙の大きさをｂとしたときに、
   ｂ≦１．１［ｍｍ］であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマジェット点火プラグ。
3. 前記ｂは、
   ０．１≦ｂ≦１．１［ｍｍ］であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマジェット点火プラグ。
4. 中心電極と、
   軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極の先端面を前記軸孔内に収容すると共に前記中心電極を保持する絶縁碍子と、
   当該絶縁碍子の先端側で、前記軸孔の内周面と前記中心電極の先端面とを壁面とする凹部状に形成されたキャビティと、
   前記絶縁碍子の径方向周囲を取り囲んで保持する主体金具と、
   前記主体金具に接合されて前記主体金具と電気的に接続されると共に、前記絶縁碍子よりも先端側に配置される電極で、前記キャビティを外気と連通させる開口部を有する接地電極と
   を備え、
   前記中心電極と前記接地電極との間で行う放電に伴い前記キャビティ内にてプラズマを生ずるプラズマジェット点火プラグであって、
   前記主体金具の前記接地電極との接合部および前記接地電極のうちの少なくとも一方と、前記絶縁碍子とは前記軸線方向に互いに離間した状態で配置されており、
   前記主体金具の前記接地電極との接合部および前記接地電極のうちの少なくとも一方と、前記絶縁碍子との間の間隙には、それぞれと密着する第１パッキンが介在されていることを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
5. 前記絶縁碍子の外周面のうち、前記主体金具の先端部側に設けられた取付部における当該主体金具の径方向内側に収容される部位には、自身の後端側の外径を先端側の外径よりも大きく構成した碍子段部が形成されると共に、
   前記主体金具の内周面には、自身と前記碍子段部との向き合う面同士が互いに対向するように前記主体金具の径方向内向きに膨出する金具段部が形成され、
   前記碍子段部と前記金具段部との間に両者と密着する第２パッキンが介在されており、
   当該第２パッキンは、前記第１パッキンよりも硬度が高いことを特徴とする請求項４に記載のプラズマジェット点火プラグ。
6. 前記軸線方向における前記主体金具の前記接地電極との接合部および前記接地電極のうちの少なくとも一方と、前記絶縁碍子との間の間隙の大きさをａとし、前記キャビティの容積をＳとしたときに、
   ０＜ａ≦０．８［ｍｍ］であると共に、０．１≦Ｓ≦１０［ｍｍ^３］であることを特徴とする請求項４または５に記載のプラズマジェット点火プラグ。
7. 前記軸線方向における前記中心電極と前記接地電極との間の間隙の大きさをＧとしたときに、
   １．０≦Ｇ≦３．０［ｍｍ］であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のプラズマジェット点火プラグ。

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