JP2012129042A - プラズマジェット点火プラグ - Google Patents

Abstract

【課題】 プレイグニッションの発生を抑制しつつ、プラズマ生成効率の高いプラズマジェット点火プラグを提供すること。
【解決手段】 主体金具の先端面と絶縁体の先端面と中心電極の先端面と主体金具棚部において絶縁体と当接している部分の軸線方向後端の位置Ｐ１を含む軸線方向に垂直な仮想平面Ｓ１と絶縁体棚部において中心電極と当接している部分の軸線方向後端の位置Ｐ２を含む軸線方向に垂直な仮想平面Ｓ２とは、この順に軸線方向の先端側から後端側に配置され、絶縁体の先端面から仮想平面Ｓ１までの軸線方向距離Ａと、仮想平面Ｓ１から仮想平面Ｓ２までの軸線方向距離Ｂとが、０．５×Ａ≦Ｂを満たすプラズマジェット点火プラグ。
【選択図】 図２

Description

この発明は、プラズマジェット点火プラグに関する。

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（単に「放電」ともいう。）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。近年では、内燃機関の高出力化や低燃費化が求められている。そのため、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確実に着火可能なプラズマジェット点火プラグの開発が進められている。

プラズマジェット点火プラグは、中心電極と接地電極との間の火花放電間隙の周囲をセラミックス等の絶縁碍子で包囲して、キャビティ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。プラズマジェット点火プラグの点火方式の一例を説明すると、混合気への点火の際には、まず、中心電極と接地電極との間に高電圧が印加され、火花放電が行われる。このときに生じた絶縁破壊によって、両者間には比較的低電圧で電流を流すことができるようになる。そこで更にエネルギーを供給することで放電状態を遷移させ、キャビティ内でプラズマを形成する。こうして形成されたプラズマが開口（いわゆるオリフィス）を通じて噴出されることによって、混合気への着火が行われる（例えば特許文献１参照）。

ところで、プラズマの幾何学的な形状の一つとして、例えばプラズマが火柱状に開口から噴出する形態がある（以下において、このようなプラズマの形態をフレーム状という。）。このフレーム状のプラズマは噴出方向に伸びるため、混合気との接触面積が大きく、着火性が高いという特徴を持つ。

特開２００６−２９４２５７号公報

しかし、フレーム状のプラズマを噴出させるためにはプラズマジェット点火プラグに高エネルギーの電流を供給する必要があった。高エネルギーの電流を供給すると、中心電極及び接地電極の消耗等が激しくなり、プラズマジェット点火プラグの耐久性が低下するおそれがあった。そこで、最低限のエネルギーの電流の供給で、フレーム状のプラズマを噴出させて、高着火性を確保できるのが望ましい。高着火性を確保しつつ投入エネルギーを低減させるためにはプラズマ生成効率の高いプラズマジェット点火プラグとすればよい。プラズマ生成効率を向上させる方法の一つとして、点火時のキャビティ内の温度を上昇させることが挙げられる。キャビティ内の温度を上昇させるためには、点火時の中心電極と絶縁体の温度とを上昇させることが考えられる。しかし、絶縁体の温度が上昇すると、絶縁体を熱源として正規の点火タイミングより早く着火してしまうプレイグニッションが引き起されるおそれがある。

この発明は、プレイグニッションの発生を抑制しつつ、プラズマ生成効率の高いプラズマジェット点火プラグを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段は、
（１） 中心電極と、
軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極を前記軸孔内に保持する絶縁体と、
前記絶縁体を保持する主体金具と、
前記主体金具に接合され、前記絶縁体よりも先端側に配置される接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
前記絶縁体は、前記中心電極と直接的又は間接的に当接して当該中心電極を保持する絶縁体棚部を有し、
前記中心電極は、前記絶縁体棚部に直接的又は間接的に当接するテーパ部と、前記テーパ部より前記軸線方向後端側に位置する胴部と、前記テーパ部より前記軸線方向先端側に位置する先端部とを有し、
前記主体金具は、前記絶縁体と直接的又は間接的に当接して当該絶縁体を保持する主体金具棚部を有し、
前記主体金具棚部において、前記絶縁体と直接的又は間接的に当接している部分の前記軸線方向後端の位置をＰ１、
前記絶縁体棚部において、前記中心電極と直接的又は間接的に当接している部分の前記軸線方向後端の位置をＰ２とし、
前記主体金具の先端面と前記絶縁体の先端面と前記中心電極の先端面と前記Ｐ１を含む前記軸線方向に垂直な仮想平面Ｓ１と前記Ｐ２を含む前記軸線方向に垂直な仮想平面Ｓ２とは、この順に軸線方向の先端側から後端側に配置され、
前記絶縁体の先端面から前記仮想平面Ｓ１までの軸線方向距離Ａと、前記仮想平面Ｓ１から前記仮想平面Ｓ２までの軸線方向距離Ｂとが、０．５×Ａ≦Ｂを満たすことを特徴とするプラズマジェット点火プラグである。

前記（１）の好ましい態様は、
（２）前記軸線方向距離Ａと前記軸線方向距離Ｂとが、Ａ≦Ｂを満たし、
（３）前記主体金具の先端面から前記仮想平面Ｓ１までの軸線方向距離Ｃが、Ｃ≧３（ｍｍ）を満たし、
（４）前記接地電極は、前記絶縁体の先端面と対向する前記接地電極の対向面の少なくとも一部が前記絶縁体の先端面と接触する接触部を有し、
（５）前記接触部は、前記軸孔を中心にして一周にわたって連続している。

この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、中心電極の先端面が絶縁体の先端面より後端側に配置されているので、新しい混合気が燃焼室内に導入されることにより中心電極が冷却されるのを防ぐことができる。また、絶縁体の先端面が主体金具の先端面より後端側に配置されているので、絶縁体の先端部外周面が燃焼ガスからの熱を受け難く、絶縁体の温度上昇を防ぐことができる。また、中心電極のテーパ部より主体金具棚部が先端側に配置されているので、中心電極の熱引き経路より絶縁体の熱引き経路の方が短くなり、その結果、絶縁体の先端部の熱は下がり易く、中心電極の熱は下がり難くなる。

さらに、この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、０．５×Ａ≦Ｂを満たし、好ましくはＡ≦Ｂを満たすので、絶縁体の先端部の熱引きが促進され、中心電極の先端部の熱引きが低減されるので、プレイグニッションの発生を抑制しつつ、プラズマ生成効率の高いプラズマジェット点火プラグを提供することができる。

また、前記軸線方向距離ＣがＣ≧３（ｍｍ）を満たすと、主体金具５が受熱した熱を絶縁体４が逆に受けてしまうのを防ぐことができる。したがって、絶縁体４の先端部の熱が高くなり過ぎずに、プレイグニッションの発生を抑制することができる。

前記接地電極が、前記絶縁体の先端面と対向する前記接地電極の対向面の少なくとも一部が前記絶縁体の先端面と接触する接触部を有していると、絶縁体の先端部の熱が主体金具棚部を介して逃がされるだけでなく、この接触部を介して熱が逃がされるので、プレイグニッションの発生をより一層抑制することができる。

さらに、前記接触部が前記軸孔を中心にして一周にわたって連続していると、燃焼ガスが絶縁体と接地電極との間に侵入することがないので、燃焼ガスによる絶縁体の温度上昇を防ぐことができ、プレイグニッションの発生をより一層抑制することができる。

図１は、この発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグの一部断面全体説明図である。 図２は、この発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグの主要部分を示す断面説明図である。 図３は、接触部を通り、軸線方向に直交する断面で切断したプラズマジェット点火プラグの断面説明図である。 図４は、Ａ＝３（ｍｍ）のプラズマジェット点火プラグを使用して評価試験を行った結果を示す。 図５は、Ａ＝１０（ｍｍ）のプラズマジェット点火プラグを使用して評価試験を行った結果を示す。 図６は、耐プレイグニッション性能の評価試験を行った結果を示す。 図７は、耐プレイグニッション性能の評価試験を行った結果を示す。

この発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグを図１に示す。図１はこの発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグ１の一部断面全体説明図であり、図２はこの発明に係るプラズマジェット点火プラグの一実施例であるプラズマジェット点火プラグ１の主要部分を示す断面説明図である。なお、図１及び２では紙面下方を軸線Ｏの先端方向、紙面上方を軸線Ｏの後端方向として説明する。

このプラズマジェット点火プラグ１は、図１及び２に示されるように、軸線Ｏ方向に沿った軸孔３を有する略筒状の絶縁体４と、この絶縁体４の軸孔３内の先端側に収容される中心電極２と、絶縁体４の軸孔３内の後端側にその一部が収容される端子金具２０と、絶縁体４を保持する主体金具５と、主体金具５に接合され、絶縁体４よりも先端側に配置される接地電極６と、を備えている。

前記絶縁体４は、アルミナ等を焼成して形成され、軸線Ｏ方向に沿った軸孔３を有する略円筒状の絶縁部材である。絶縁体４は、軸線Ｏ方向における略中央に外径が最も大きな鍔部７が形成されている。鍔部７の軸線Ｏ方向後端側には鍔部７より外径の小さい後端側胴部８が延在し、この後端側胴部８の内部に端子金具２０の一部が収容されている。鍔部７の軸線Ｏ方向先端側には鍔部７よりも外径の小さい先端側胴部９が延在し、この先端側胴部９の内部にシール体２５及び中心電極２の一部が収容されている。さらに、先端側胴部９から外径が縮径してテーパ状に形成される絶縁体テーパ部１１を介して先端側胴部９より外径の小さい絶縁体先端部１４が延在し、この絶縁体先端部１４の内部に中心電極２が収容されている。絶縁体４の軸孔３内は、後端側から後端側胴部８、鍔部７、及び先端側胴部９の内径が略同一のままで延在し、先端側胴部９から内径が縮径して棚状に形成される絶縁体棚部１５を介して先端側胴部９より内径の小さい絶縁体先端部１４が延在している。絶縁体先端部１４は、絶縁体棚部１５より先端側に、さらに内径が縮径して棚状に形成される第２絶縁体棚部１７を有し、この第２絶縁体棚部１７より先端側に中心電極２の最先端部２３が収容されている。最先端部２３を収容している絶縁体先端部１４の内周面である絶縁体最先端部内周面１８と最先端部２３の先端面４０とにより囲まれる空間がキャビティ５０と称される放電空間を形成している。

前記中心電極２は、熱伝導性に優れるＮｉ、Ｎｉ基合金等の金属により形成された略円柱状の電極棒である。中心電極２の内部にＮｉより熱伝導性に優れるＣｕ等からなる金属芯（図示せず）を有していてもよい。また、中心電極２の先端に、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｗ、及びＮｉを主成分とする合金により形成される円盤状の電極チップが中心電極２と一体となるように溶接等により設けられていてもよい。前記電極チップが設けられていると、耐火花消耗性が向上するので好ましい。電極チップの軸線Ｏ方向の厚みは、少なくとも０．３ｍｍであるのが好ましい。前記厚みが少なくとも０．３ｍｍであると、十分な耐久性を得ることが可能となり、長い期間使用しても電極間ギャップが増加し難く、しいては火花を飛ばすための放電電圧の上昇を低く維持することが可能となる。また、中心電極母材に溶接する際にも十分な厚みとなる。なお、この実施の形態では、中心電極２と一体となって形成される電極チップも含めて「中心電極」と称する。

前記中心電極２は、前記絶縁体棚部１５に直接的又は間接的に当接するテーパ部１９と、このテーパ部１９より軸線Ｏ方向後端側に位置する胴部１３と、このテーパ部１９よりも軸線Ｏ方向先端側に位置する先端部２１とを有し、先端部２１の外径は胴部１３の外径より小さく形成されている。この実施の形態においては、さらに先端部２１より軸線Ｏ方向先端側に第２テーパ部２２を介して先端部２１より外径の小さい最先端部２３が設けられている。

この実施の形態においては、中心電極２は、テーパ部１９がパッキン２４を介して絶縁体棚部１５と間接的に当接されている。パッキン２４は、熱伝導率の高いＣｕ又はＦｅ等により形成される。テーパ部１９と絶縁体棚部１５とは、絶縁体４がめっきを施されることにより、めっきを介して間接的に当接されていてもよく、他の部材を介さずに直接的に当接されていてもよい。また、テーパ部１９と絶縁体棚部１５とが間接的に当接するという場合には、テーパ部１９と絶縁体棚部１５との間に空気が介されている場合を除く。

中心電極２は、軸孔３の内部に設けられた金属とガラスの混合物により形成される導電性のシール体２５を介して、端子金具２０に電気的に接続されている。中心電極２と端子金具２０とは、このシール体２５により軸孔３内で固定されると共に導通される。そして、端子金具２０にはプラグキャップを介して高圧ケーブルに接続され、電力供給装置から高電圧が印加される（図示外）。

前記主体金具５は、導電性の鉄鋼材料、例えば、低炭素鋼により形成され、軸孔３と同心円状に形成された貫通孔２６を有する略円筒状の金具である。主体金具５は、内燃機関（図示せず。）のエンジンヘッドにプラズマジェット点火プラグ１を固定するための金具であり、貫通孔２６内に絶縁体４を保持している。主体金具５は、内燃機関のエンジンヘッドに螺合するねじ部２７を有し、ねじ部２７の後端側の外周面には座部２８が形成され、ねじ部２７後端と座部２８との間のねじ首にはリング状のガスケット４７が嵌め込まれている。さらに、座部２８の後端側には、主体金具５をエンジンヘッドに取付ける際にプラグレンチ等の工具が嵌合する工具係合部２９が設けられ、その後端部において絶縁体４を保持するための加締め部３０が設けられている。工具係合部２９から加締め部３０にかけての主体金具５と絶縁体４の後端側胴部８との間には円環状のリング部材３１，３２が介在されており、さらに両リング部材３１，３２の間にタルク（滑石）３３の粉末が充填されている。

また、主体金具５の貫通孔２６は、座部２８より先端側に絶縁体４と直接的又は間接的に当接して絶縁体４を保持する棚状の主体金具棚部３４を有し、主体金具棚部３４より軸線Ｏ方向後端側に主体金具胴部３５が延在し、先端側に主体金具先端部３６が延在し、主体金具胴部３５は主体金具先端部３６の内径よりも大きい内径を有している。

この実施の形態においては、主体金具５は、主体金具棚部３４がパッキン３７を介して絶縁体テーパ部１１と間接的に当接されている。パッキン３７は、熱伝導率の高いＣｕ又はＦｅ等により形成される。主体金具棚部３４と絶縁体テーパ部１１とは、絶縁体４及び／又は主体金具５がめっきを施されることにより、めっきを介して間接的に当接されていてもよく、他の部材を介さずに直接的に当接されていてもよい。また、主体金具棚部３４と絶縁体テーパ部１１とが間接的に当接するという場合には、主体金具棚部３４と絶縁体テーパ部１１との間に空気が介されている場合を除く。

絶縁体４は、この絶縁体テーパ部１１が主体金具棚部３４に支持されて、主体金具５と一体にされる。主体金具５と絶縁体４との間の気密性は、例えばパッキン３７によって保持され、燃焼ガスの流出が防止される。

この発明では、点火時におけるキャビティ５０内の温度を上昇させることでプラズマ生成効率を高くするために、中心電極２の熱引きを低減させることのできる構造を有し、また、キャビティ５０内の温度を上昇させながらもプレイグニッションの発生を抑制するために、絶縁体４の温度が高くなり過ぎない構造を有するプラズマジェット点火プラグを提案する。

図２に示すように、この発明のプラズマジェット点火プラグは、主体金具棚部３４において、絶縁体３と直接的又は間接的に当接している部分の軸線Ｏ方向後端の位置をＰ１、絶縁体棚部３４において、中心電極２と直接的又は間接的に当接している部分の軸線Ｏ方向後端の位置をＰ２とすると、主体金具５の先端面３８と絶縁体の先端面３９と中心電極２の先端面４０とＰ１を含む軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面Ｓ１とＰ２を含む軸線Ｏ方向に垂直な仮想平面Ｓ２とが、この順に軸線Ｏ方向の先端側から後端側に配置されている。また、仮想平面Ｓ１はねじ部２７の先端より後端側に配置されている。

この発明のプラズマジェット点火プラグは、中心電極２の先端面４０が絶縁体４の先端面３９より後端側に配置されているので、絶縁体４が壁となることにより、新しい混合気が燃焼室内に導入されても、中心電極２は低温の混合気による影響を受け難く、中心電極２が冷却されるのを防ぐことができる。また、この発明のプラズマジェット点火プラグは、絶縁体４の先端面３９が主体金具５の先端面３８より後端側に配置されているので、絶縁体４の先端部外周面１２が燃焼ガスからの熱を受け難く、絶縁体４の温度上昇を防ぐことができる。

また、中心電極２の先端からテーパ部１９までの間の中心電極２の外周面と絶縁体４の先端から絶縁体棚部１５までの間の絶縁体４の内周面とは実質的に接触していない、すなわち中心電極２の先端からテーパ部１９までの間の中心電極２の外周面と絶縁体４の先端から絶縁体棚部１５までの間の絶縁体４の内周面とは、中心電極２の熱が絶縁体４へと伝導される経路となっていない。したがって、中心電極２の最先端部２３及び先端部２１において熱が伝導される経路がないので、熱が逃げ難く、中心電極２の温度が維持され易い。

中心電極２の最先端部２３及び先端部２１の熱は、中心電極２のテーパ部１９と絶縁体棚部１５とが当接されている部位が熱の伝導経路となって絶縁体へと伝導される。さらに絶縁体先端部１４の熱は、絶縁体テーパ部１１と主体金具棚部３４とが当接されている部位が熱の伝導経路となって主体金具５へと伝導される。さらに主体金具５の熱は、主体金具５のねじ部２７と螺合する内燃機関のねじ孔が伝導経路となって、外部へと熱が逃がされる。したがって、中心電極２及び絶縁体４の熱引きに関して、熱の伝導経路となる、中心電極２のテーパ部１９、絶縁体棚部１５、絶縁体テーパ部１１、及び主体金具棚部３４の配置による影響が特に大きいと発明者は考えた。

この発明のプラズマジェット点火プラグは、中心電極２のテーパ部１９は主体金具棚部３４より後端側に配置されている。絶縁体先端部１４の熱は主体金具棚部３４を経由してねじ部２７へと伝導される。一方、中心電極２の最先端部２３及び先端部２１の熱は、主体金具棚部３４より後端側に配置されているテーパ部１９を経由し、さらに主体金具棚部３４を経由してねじ部２７へと伝導される。したがって、中心電極２の熱引き経路より絶縁体４の熱引き経路の方が短くなる。その結果、絶縁体先端部１４の熱引きが促進され、絶縁体４の熱は下がり易くなるのに対して、中心電極２の熱引きが低減され、中心電極２の熱は下がり難くなる。

この発明のプラズマジェット点火プラグは、絶縁体４の先端面３９から仮想平面Ｓ１までの軸線Ｏ方向距離Ａと、仮想平面Ｓ１から仮想平面Ｓ２までの軸線方向距離Ｂとが、０．５×Ａ≦Ｂを満たし、Ａ≦Ｂを満たすのが好ましい。ＡとＢとが０．５×Ａ≦Ｂを満たすと、絶縁体４の熱引き経路が短く、中心電極２の熱引き経路が相対的に長くなるので、絶縁体４の先端部の熱引きが促進され、中心電極２の最先端部２３及び先端部２１の熱引きが低減されるので、プレイグニッションの発生を抑制しつつ、プラズマ生成効率の高いプラズマジェット点火プラグを提供することができる。

この発明のプラズマジェット点火プラグは、主体金具５の先端面３８から仮想平面Ｓ１までの軸線Ｏ方向距離Ｃが、Ｃ≧３（ｍｍ）を満たすのが好ましい。軸線Ｏ方向距離ＣがＣ≧３（ｍｍ）を満たすと、主体金具５が受熱した熱を絶縁体４が逆に受けてしまうのを防ぐことができる。したがって、絶縁体先端部１４の熱が高くなり過ぎずに、プレイグニッションの発生を抑制することができる。

接地電極６は、公知の耐火花消耗性に優れた金属で形成されればよく、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、及びＮｉを主成分とする合金等で形成されるのが好ましい。接地電極６が前記合金で形成されると、耐火花消耗性に優れ、接地電極６が円盤状で、その中央に開口部４１を有している場合には、その開口部４１の内径の拡大を抑えることができ、電極間ギャップが増加し難く、中心電極同様に放電電圧の上昇を抑えることが可能となる。接地電極６は、例えば、厚さが０．３〜１ｍｍの円盤状の形状を有し、その中央に、キャビティ５０が外気と連通するように開口部４１を有している。この実施の形態における接地電極６は、主体金具５の主体金具先端部３６の内周面に形成された係合部４２に係合され、接地電極６の先端面４３と主体金具５の先端面３８とを揃えた状態で、接地電極６の外周縁が係合部４２と全周にわたって例えばレーザ溶接され、接地電極６は主体金具５と一体に接合されている。この実施の形態における接地電極６は、開口部４１の内周面と絶縁体４の最先端部内周面１８とが同径で同心円状に形成されているが、接地電極６の開口部４１の内径が最先端部内周面１８の内径よりも大きく形成されていてもよい。

また、この実施の形態の接地電極６は、絶縁体４の先端面３９と対向する接地電極６の対向面４４の一部が絶縁体４の先端面３９と接触する接触部４５を有している。図３に、接触部を通り、軸線方向に直交する断面で切断したプラズマジェット点火プラグの断面説明図を示し、接触部４５ａ，４５ｂの形状の例を説明する。図３（ａ）に示すように、接地電極は、開口部４１ａを有する円盤状の接地電極に、開口部４１ａすなわち軸孔３ａを中心にして円形に等間隔に配置された円柱状の接触部４５ａを有していてもよい。また、図３（ｂ）に示すように、接地電極は、円盤状の接地電極に開口部４１ｂすなわち軸孔３ｂを中心にして一周にわたって連続して形成される円環状の接触部４５ｂを有していてもよい。この円環状の接触部４５ｂは、その内周面が絶縁体最先端部内周面１８と揃うように配置されていてもよい。このとき、接触部の大きさは、絶縁体４ｂの先端面の一部において接触する大きさであってもよいし、絶縁体４ｂの先端面の全面において接触する大きさであってもよい。また、円環状の接触部の内径が絶縁体最先端部の内径より大きく、接触部がキャビティを形成する内周面よりも主体金具側に配置されていてもよい（図示せず）。

前記接地電極６が、前記接触部４５を有していると、絶縁体先端部１４の熱が主体金具棚部３４を介して逃がされるだけでなく、この接触部４５を介して熱が逃がされるので、プレイグニッションの発生をより一層抑制することができる。さらに、前記接触部４５が前記軸孔３を中心にして一周にわたって連続して形成されていると、燃焼ガスが絶縁体４と接地電極６との間に侵入することがないので、燃焼ガスによる絶縁体４の温度上昇を防ぐことができ、プレイグニッションの発生をより一層抑制することができる。

以上のような構造を有するプラズマジェット点火プラグ１では、例えば、次のようにしてプラズマを形成し、混合気への着火が行なわれる。混合気への点火の際に、まず、中心電極２と接地電極６との間に高電圧を印加し、火花放電を行う。このときに生じる絶縁破壊によって、中心電極２と接地電極６との間には比較的低電圧で電流を流すことができるようになる。そこで更に、中心電極２と接地電極６との間に任意の出力を有する電源から３０〜２００ｍＪの高エネルギーの電流を供給することで放電状態を遷移させ、キャビティ５０内でプラズマを形成する。こうして形成されたプラズマが接地電極６に形成された開口部４１からフレーム状に噴出され、混合気への着火が行われる。

以上のような構造を有するプラズマジェット点火プラグ１によると、絶縁体４の温度が高くなり過ぎないようにすることで耐プレイグニッション性能を向上させ、中心電極２の熱引きを低減することでキャビティ５０内の温度を維持することができるので、プレイグニッションの発生を抑制しつつ、プラズマ生成効率の高いプラズマジェット点火プラグを提供することができる。

前記プラズマジェット点火プラグ１は、公知の方法で製造される。まず、例えばＮｉ基合金等の周知の電極材料を加工して所望の位置にテーパ部１９を有するように中心電極２を作成する。このとき、前述したように耐消耗性に優れる材料により形成される円盤状の電極チップを作成して、例えばレーザ溶接により前記電極チップを中心電極２の先端面に溶接して一体になるように形成してもよい。別工程にて、周知の電極材料を加工して、例えば円環状の接地電極６を作製する。このとき円環状の一方の面に、絶縁体４の先端面３９と対向させたときに接触する接触部４５を形成しておくのが好ましい。

次いで、セラミック等を所定の形状に焼成することによって、所望の位置に絶縁体棚部１５及び絶縁体テーパ部１１を有するように絶縁体４を作製し、中心電極２を絶縁体４に公知の手法により組み付け、テーパ部１９と絶縁体棚部１５とを当接させる。

一方、低炭素鋼等により筒状に形成された筒状体の外周面に切削加工を施し、座部２８、工具係合部２９、及びねじ部２７等を形成し、筒状体の内周面の所望の位置に主体金具棚部３４を形成して、主体金具５を作製する。次いで、この主体金具５の先端部内周面４６に設けた係合部４２に、作製した接地電極６をレーザ溶接又は電気抵抗溶接等により接合する。

この接地電極６が接合された主体金具５に、中心電極２が組み付けられた絶縁体４を組み付け、加締め部３０を加締めることにより、絶縁体４が主体金具５内で先端側に押圧されて、絶縁体テーパ部１１が主体金具棚部３４に支持されて、主体金具５と絶縁体４とが一体にされる。このようにして、プラズマジェット点火プラグ１が製造される。

本発明に係るプラズマジェット点火プラグは、自動車用の内燃機関例えばガソリンエンジン等の点火栓として使用され、内燃機関の燃焼室を区画形成するヘッド（図示せず）に設けられたねじ穴に前記ねじ部２７が螺合されて、所定の位置に固定される。この発明に係るプラズマジェット点火プラグは、如何なる内燃機関にも使用することができるが、プレイグニッションの発生を抑制しつつ、最低限の投入エネルギーで高着火性を有するから、特に空燃比の高い内燃機関に好適に使用されることができる。

この発明に係るプラズマジェット点火プラグ１は、前記した実施例に限定されることはなく、本願発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。

<プラズマ生成効率の評価＞
軸線方向距離Ａと軸線方向距離Ｂと絶縁体の軸孔における先端部の内径（キャビティ径）とを変化させて形成したプラズマジェット点火プラグのプラズマ生成効率について評価試験を行った。

この評価試験を行うにあたり、図１に示されるプラズマジェット点火プラグと同様のプラズマジェット点火プラグを作製した。このとき、軸線方向距離Ａと軸線方向距離Ｄとの差（Ａ−Ｄ）は１（ｍｍ）であり、中心にキャビティ径と同径の開口部を有する厚さ（Ｃ−Ａ）は０．５（ｍｍ）の円盤状の接地電極が主体金具の先端部内周面に接合され、絶縁体の先端面とこれに対向する接地電極の対向面とは軸孔を中心にして一周にわたって連続して接触していた。

作製したプラズマジェット点火プラグを、標準ガスを０．４ＭＰａの圧力で充填した加圧チャンバーに設置して、５０ｍＪのエネルギーを投入して放電を行った。

放電させたプラズマジェット点火プラグのプラズマ生成効率は、シュリーレン可視化法を用いて、噴出されたプラズマのフレーム面積を測定することにより評価した。トリガー点火後１００μｓ後のシュリーレン画像を撮影し、撮影された画像を２値化して、黒色部分の面積をプラズマフレームの高密度部として測定した。結果を図４、５に示す。

図４は軸線方向距離Ａ＝３（ｍｍ）のプラズマジェット点火プラグを使用して評価試験を行った結果を示す。横軸は軸線方向距離Ｂであり、縦軸は軸線方向距離Ｂ＝１（ｍｍ）のときのフレーム面積に対する、Ｂを１〜７(ｍｍ)の範囲で変化させたときのフレーム面積比を示す。また、キャビティ径を０．５（ｍｍ）から０．５（ｍｍ）間隔で２．０（ｍｍ）まで変化させて、それぞれのフレーム面積を測定し、フレーム面積比を算出した。

Ａ＝３（ｍｍ）のときＢ≧１．５（ｍｍ）でフレーム面積比が大きくなり、Ｂ≧３（ｍｍ）でフレーム面積比がより大きくなった。この結果から、０．５×Ａ≦Ｂ、特にＡ≦Ｂのとき、プラズマ生成効率が向上することが示された。また、キャビティ径が小さいほどフレーム面積比が大きく、プラズマ生成効率の効果が高かった。

図５は軸線方向距離Ａ＝１０（ｍｍ）のプラズマジェット点火プラグを使用して評価試験を行った結果を示す。図４に示した軸線方向距離Ａ＝３（ｍｍ）のプラズマジェット点火プラグを使用して評価試験を行った場合と同様にして、Ｂを４〜１６(ｍｍ)の範囲で変化させて、Ｂ＝４(ｍｍ)のときのフレーム面積に対するフレーム面積比を算出した。

Ａ＝１０（ｍｍ）のときＢ≧５（ｍｍ）でフレーム面積比が大きくなり、Ｂ≧１０（ｍｍ）でフレーム面積比がより大きくなった。この結果から、０．５×Ａ≦Ｂ、特にＡ≦Ｂのとき、プラズマ生成効率が向上することが示された。また、キャビティ径が小さいほどフレーム面積比が大きく、プラズマ生成効率の効果が高かった。

<耐プレイグニッション性能の評価＞
（１）軸線方向距離Ａと軸線方向距離Ｂとを変化させて形成したプラズマジェット点火プラグの耐プレイグニッション性能について評価試験を行った。

この評価試験を行うにあたり、図１に示されるプラズマジェット点火プラグと同様のプラズマジェット点火プラグを作製した。このとき、キャビティ径は１．０（ｍｍ）、軸線方向距離Ａと軸線方向距離Ｄとの差（Ａ−Ｄ）は１．０（ｍｍ）であり、中心にキャビティ径と同径の開口部を有する厚さ（Ｃ−Ａ）は０．５（ｍｍ）の円盤状の接地電極が主体金具の先端部内周面に接合され、絶縁体の先端面とこれに対向する接地電極の対向面とは軸孔を中心にして一周にわたって連続して接触していた。

作製したプラズマジェット点火プラグを、単気筒の１２５ｃｃエンジンに取り付け、エンジン回転数９０００ｒｐｍのスロットル全開状態で各評価条件で(図６の縦軸に示すとおり、クランク角０．５°ごと)１分間測定し、プレイグニッションが発生するまで運転を行った。

作製したプラズマジェット点火プラグの耐プレイグニッション性能は、１分間で１回以上プレイグニッションが発生した点火時期として、プレイグニッション発生クランク角度を測定して評価した。結果を図６に示す。

図６の横軸はＢであり、縦軸はＢ＝２（ｍｍ）のときのプレイグニッション発生クランク角度を基準にして、Ｂを２（ｍｍ）から２（ｍｍ）間隔で１０（ｍｍ）まで変化させたときのプレイグニッション発生クランク角度差である。また、Ａを３〜１０（ｍｍ）の範囲で変化させて、それぞれのプレイグニッション発生クランク角度を測定し、プレイグニッション発生クランク角度差を算出した。負の値は遅角側であり、耐プレイグニッション性能が低下していることを示す。正の値は進角側であり、耐プレイグニッション性能が向上していることを示す。

図６に示されるように、Ｂの値が大きくなるほどプレイグニッション角度差が大きくなり、プレイグニッション性能が向上した。また、Ａの値が小さいほどプレイグニッション性能の向上効果が高かった。Ａ＝１０（ｍｍ）のときにはＢの値が大きくなってもプレイグニッション性能の向上効果が見られず、性能劣化することもなかった。

Ａの値が小さいと中心電極の先端部の軸線方向長さも小さくなるので、Ｂの値が小さいほど中心電極から絶縁体へと伝導される熱量が大きく、絶縁体の熱引きへの影響が大きくなる。したがって、Ａの値が小さいとき、Ｂの値が大きいほど耐プレイグニッション性能が向上したと考えられる。一方、Ａの値が大きいと、中心電極の先端部の軸線方向長さが大きくなるので、Ｂの値によらず中心電極から絶縁体へと伝導される熱量が小さく、絶縁体の熱引きへの影響が少なくなる。したがって、Ａの値が大きいほど、Ｂの値による耐プレイグニッション性能への変化が小さくなったと考えられる。

（２）主体金具の先端面から仮想平面Ｓ１までの軸線方向距離Ｃを変化させて形成したプラズマジェット点火プラグの耐プレイグニッション性能について前記（１）における試験と同様にして評価試験を行った。

図７の横軸はＣであり、縦軸はＣ＝４（ｍｍ）のときのプレイグニッション発生クランク角度を基準にして、Ｃを２（ｍｍ）から２（ｍｍ）間隔で１０（ｍｍ）まで変化させたときのプレイグニッション発生クランク角度差である。

図７に示されるように、Ｃの値が３（ｍｍ）より小さくなると急激にプレイグニッション発生角度差が低下し、プレイグニッション性能が低下した。

１ プラズマジェット点火プラグ
２ 中心電極
３ 軸孔
４ 絶縁体
５ 主体金具
６ 接地電極
７ 鍔部
８ 後端側胴部
９ 先端側胴部
１０ 絶縁体胴部外周面
１１ 絶縁体テーパ部
１２ 絶縁体先端部外周面
１３ 胴部
１４ 絶縁体先端部
１５ 絶縁体棚部
１７ 第２絶縁体棚部
１８ 絶縁体最先端部内周面
１９ テーパ部
２０ 端子金具
２１ 先端部
２２ 第２テーパ部
２３ 最先端部
２４，３７ パッキン
２５ シール体
２６ 貫通孔
２７ ねじ部
２８ 座部
２９ 工具係合部
３０ 加締め部
３１，３２ リング部材
３３ タルク
３４ 主体金具棚部
３５ 主体金具胴部
３６ 主体金具先端部
３８ 主体金具の先端面
３９ 絶縁体の先端面
４０ 中心電極の先端面
４１ 開口部
４２ 係合部
４３ 接地電極の先端面
４４ 対向面
４５ 接触部
４６ 主体金具先端部内周面
４７ ガスケット
５０ キャビティ

Claims (5)

1. 中心電極と、
   軸線方向に延びる軸孔を有し、前記中心電極を前記軸孔内に保持する絶縁体と、
   前記絶縁体を保持する主体金具と、
   前記主体金具に接合され、前記絶縁体よりも先端側に配置される接地電極とを備えたプラズマジェット点火プラグにおいて、
   前記絶縁体は、前記中心電極と直接的又は間接的に当接して当該中心電極を保持する絶縁体棚部を有し、
   前記中心電極は、前記絶縁体棚部に直接的又は間接的に当接するテーパ部と、前記テーパ部より前記軸線方向後端側に位置する胴部と、前記テーパ部より前記軸線方向先端側に位置する先端部とを有し、
   前記主体金具は、前記絶縁体と直接的又は間接的に当接して当該絶縁体を保持する主体金具棚部を有し、
   前記主体金具棚部において、前記絶縁体と直接的又は間接的に当接している部分の前記軸線方向後端の位置をＰ１、
   前記絶縁体棚部において、前記中心電極と直接的又は間接的に当接している部分の前記軸線方向後端の位置をＰ２とし、
   前記主体金具の先端面と前記絶縁体の先端面と前記中心電極の先端面と前記Ｐ１を含む前記軸線方向に垂直な仮想平面Ｓ１と前記Ｐ２を含む前記軸線方向に垂直な仮想平面Ｓ２とは、この順に軸線方向の先端側から後端側に配置され、
   前記絶縁体の先端面から前記仮想平面Ｓ１までの軸線方向距離Ａと、前記仮想平面Ｓ１から前記仮想平面Ｓ２までの軸線方向距離Ｂとが、０．５×Ａ≦Ｂを満たすことを特徴とするプラズマジェット点火プラグ。
2. 前記軸線方向距離Ａと前記軸線方向距離Ｂとが、Ａ≦Ｂを満たす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. 前記主体金具の先端面から前記仮想平面Ｓ１までの軸線方向距離Ｃが、Ｃ≧３（ｍｍ）を満たすことを特徴とする請求項１又は２に記載のプラズマジェット点火プラグ。
4. 前記接地電極は、前記絶縁体の先端面と対向する前記接地電極の対向面の少なくとも一部が前記絶縁体の先端面と接触する接触部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマジェット点火プラグ。
5. 前記接触部は、前記軸孔を中心にして一周にわたって連続している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。

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