JP2016031814A - プラズマジェットプラグ - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマジェットプラグの性能を向上する
【解決手段】プラズマジェットプラグは、中心電極の表面と、絶縁体の内面と、接地電極の表面と、によって形成されるキャビティを有している。キャビティのうち中心電極の先端よりも先端側の部分の容積を第１容積Ｖ１とし、キャビティのうち中心電極の先端よりも後端側の部分の容積を第２容積Ｖ２とする場合に、Ｖ１／Ｖ２≧０．２０が満たされる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、内燃機関において混合気に点火するためのプラズマジェットプラグに関するものである。

内燃機関において混合気に点火するための点火プラグの１つとして、プラズマジェットプラグが知られている（例えば、特許文献１）。プラズマジェットプラグでは、セラミック等の絶縁体で囲まれた放電空間（キャビティとも呼ぶ）の内部に、中心電極と接地電極との間のギャップが配置される。ギャップで火花（放電）が発生すると、キャビティ内の気体が励起されることによって、キャビティ内でプラズマが生成される。そして、生成されたプラズマがキャビティの外部に噴出することによって、混合気が点火される。噴出するプラズマは、プラズマジェットプラグから遠い位置に素早く到達可能である。従って、プラズマジェットプラグは、火花（放電）によって直接的に混合気に点火するスパークプラグと比較して、空燃比の高い希薄混合気に対しても適切に点火することができる。

特開２０１１−２１０７０９号公報 米国特許第４７１３５７４号明細書

ところが、プラズマジェットプラグによるプラズマの噴出を強くすることは容易ではなかった。例えば、プラズマの噴出を強くするためにキャビティの大きさを小さくすると、キャビティを形成する絶縁体が火花によって損傷を受けてしまい、プラズマの強い噴出を継続的に利用することができない場合があった。

本発明の主な利点は、プラズマジェットプラグの性能を向上することである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
軸線に沿って延びる軸孔を形成する内面を有する筒状の絶縁体と、
前記絶縁体の前記軸孔の内部に配置され、前記軸線に沿って延びる棒状の中心電極と、
前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
前記主体金具に電気的に接続され、貫通孔を形成し前記絶縁体の先端側に配置される接地電極と、
を備え、
前記中心電極の表面と、前記絶縁体の前記内面と、前記接地電極の表面と、によってキャビティが形成されるプラズマジェットプラグであって、
前記キャビティのうち前記中心電極の先端よりも先端側の部分の容積を第１容積Ｖ１とし、前記キャビティのうち前記中心電極の前記先端よりも後端側の部分の容積を第２容積Ｖ２とする場合に、
Ｖ１／Ｖ２≧０．２０が満たされる、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、キャビティのうちの後端側の部分の第２容積Ｖ２に対する先端側の部分の第１容積Ｖ１の割合が低い場合と比べて、プラズマジェットプラグの性能を向上できる。

［適用例２］
適用例１に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記貫通孔の最大幅は、０．７ｍｍ以下である、
プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、貫通孔の最大幅が大きい場合と比べて、プラズマの噴出性能を向上できる。

［適用例３］
適用例１または２に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記中心電極の前記先端の最大幅は、１．３ｍｍ以上である、
プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、中心電極の先端の最大幅が小さい場合と比べて、中心電極の消耗に起因して中心電極と接地電極との間のキャップが拡がることが抑制されるので、プラズマジェットプラグの耐久性を向上しつつ、プラズマの噴出性能を向上できる。

［適用例４］
適用例１から３のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記キャビティは、
先端側に形成される第１部分と、
前記第１部分よりも後端側に位置し、前記第１部分の内径よりも小さい内径を有する第２部分と、
を含む、
プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、絶縁体の内面上を通る放電が生じる可能性を低減できるので、絶縁体が火花によって損傷を受けることを抑制できる。この結果、絶縁体の損傷を抑制しつつ、プラズマの噴出性能を向上できる。

［適用例５］
適用例４に記載のプラズマジェットプラグであって、
前記第２部分は、前記中心電極の前記先端よりも後端側に位置している、
プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、絶縁体の内面上を通る放電が生じる可能性を更に低減できるので、絶縁体の損傷を抑制しつつ、プラズマの噴出性能を向上できる。

［適用例６］
適用例１から５のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
Ｖ１／Ｖ２≦０．６２が満たされる、プラズマジェットプラグ。

この構成によれば、キャビティの容積が過度に大きくなることを抑制しつつ、キャビティの先端側の部分で適切にプラズマを生成できるので、噴出性能を向上できる

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、プラズマジェットプラグやプラズマジェットプラグを用いた点火装置、そのプラズマジェットプラグを搭載する内燃機関や、そのプラズマジェットプラグを用いた点火装置を搭載する内燃機関等の態様で実現することができる。

実施形態のプラズマジェットプラグ１００の全体を示す図である。 プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０近傍の断面図である。 点火装置１２０の例の概略構成を示すブロック図である。 プラズマジェットプラグ１００の先端近傍の断面図である。 第２実施形態のプラズマジェットプラグ１００ａの説明図である。 第３実施形態のプラズマジェットプラグ１００ｂの説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．プラズマジェットプラグの全体構成：
図１は実施形態のプラズマジェットプラグ１００の全体を示す図である。図１の軸線ＣＯより右側には、プラズマジェットプラグ１００の外観が図示され、軸線ＣＯの左側には、軸線ＣＯを含む面で切断した断面図が示されている。図２は、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０近傍の断面図である。図１、図２の一点破線ＣＯは、プラズマジェットプラグ１００の軸線を示している。軸線ＣＯと平行な方向（図１、図２の上下方向）を、「軸線ＣＯの方向」、あるいは、単に「軸線方向」とも呼ぶ。軸線ＣＯを中心とする円の径方向を、単に「径方向」とも呼び、軸線ＣＯを中心とする円の周方向を、単に「周方向」とも呼ぶ。図１、図２における下方向を先端方向Ｄ１と呼び、上方向を後端方向Ｄ２とも呼ぶ。図１、図２における下側をプラズマジェットプラグ１００の先端側と呼び、図１、図２における上側をプラズマジェットプラグ１００の後端側と呼ぶ。

プラズマジェットプラグ１００は、絶縁体１０（絶縁碍子とも呼ばれる）と、中心電極２０と、接地電極３０と、端子金具４０と、主体金具５０と、を有している（図１）。

絶縁体１０はアルミナ等を焼成して形成されている。絶縁体１０は、軸線方向に沿って延び、絶縁体１０を貫通する軸孔１２を有する略円筒形状の部材（筒状体）である。絶縁体１０は、鍔部１９と、後端側胴部１８と、先端側胴部１７と、段部１４と、脚長部１３と、を有している。後端側胴部１８は、鍔部１９より後端側に位置し、鍔部１９の外径より小さな外径を有している。先端側胴部１７は、鍔部１９より先端側に位置し、後端側胴部１８の外径より小さな外径を有している。脚長部１３は、先端側胴部１７より先端側に位置し、先端側胴部１７の外径より小さな外径を有している。段部１４は、先端方向Ｄ１に向かって外径が小さくなる部分であり、絶縁体１０の脚長部１３と先端側胴部１７との間に形成されている。

軸孔１２のうち脚長部１３の内面によって形成される部分は、電極収容孔１５として形成されている（図２）。電極収容孔１５の後端方向Ｄ２側には、先端方向Ｄ１側に向かって内径が小さくなる縮内径部１０ｚが、形成されている。縮内径部１０ｚよりも後端方向Ｄ２では、内径は、おおよそ一定である。

主体金具５０（図１）は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼材）で形成され、内燃機関のエンジンヘッド（図示省略）にプラズマジェットプラグ１００を固定するための略円筒形状の部材（筒状体）である。主体金具５０は、軸線ＣＯに沿って貫通する貫通孔５９が形成されている。主体金具５０は、絶縁体１０の後端側胴部１８の先端側の一部と、鍔部１９と、先端側胴部１７と、脚長部１３との外周に配置される。すなわち、主体金具５０の貫通孔５９内に、絶縁体１０が挿入、そして、保持されている。

主体金具５０は、スパークプラグレンチが係合する六角柱形状の工具係合部５１と、内燃機関に取り付けるための取付ネジ部５２と、工具係合部５１と取付ネジ部５２との間に形成された鍔状の座部５４と、を有している。

主体金具５０の取付ネジ部５２と座部５４との間には、金属板を折り曲げて形成され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、プラズマジェットプラグ１００が内燃機関に取り付けられた際に、プラズマジェットプラグ１００と内燃機関（エンジンヘッド）との隙間を封止する。

主体金具５０は、さらに、工具係合部５１の後端側に設けられた薄肉の加締部５３と、座部５４と工具係合部５１との間に設けられた薄肉の圧縮変形部５８と、を有している。主体金具５０における工具係合部５１から加締部５３に至る部位の内面と、絶縁体１０の後端側胴部１８の外周面との間に形成される環状の領域には、環状のリング部材６、７が配置されている。当該領域における２つのリング部材６、７の間には、タルク（滑石）９の粉末が充填されている。また、主体金具５０の貫通孔５９を形成する内面は、取付ネジ部５２の軸方向の中央部で後端側から先端側に向かって縮径しており、これによって内面に段状の係止部５６が形成されている（図２）。

加締部５３（図１）の後端は、径方向内側に折り曲げられている。主体金具５０の圧縮変形部５８は、製造時において、絶縁体１０の外周面に固定された加締部５３が先端側に押圧されることにより、圧縮変形する。圧縮変形部５８の圧縮変形によって、リング部材６、７およびタルク９を介し、絶縁体１０が主体金具５０内で先端側に向け押圧される。この結果、金属製の環状の板パッキン８０（図２）を介して、主体金具５０の内面の係止部５６に、絶縁体１０の段部１４が押圧される。この結果、絶縁体１０の段部１４と、主体金具５０の係止部５６との間は、板パッキン８０を挟んで封止される。この結果、内燃機関の燃焼室内のガスが、主体金具５０と絶縁体１０との隙間から外部に漏れることが、防止される。

中心電極２０（図２）は、軸線ＣＯに沿って延びる棒状の部材であり、絶縁体１０の軸孔１２の内部に配置されている。本実施形態では、中心電極２０は、タングステン等の高融点材料で形成された一体成形品である。ただし、中心電極２０の構成としては、他の種々の構成を採用可能である。例えば、母材と、母材内に埋設された芯材と、の２重構造を有する構成を採用してもよい。母材は、例えば、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金（インコネル６００等（アルファベットのINCONELは登録商標））で形成される。主成分は、含有率（重量％）が最も高い成分を意味している。芯材は、例えば、母材を形成する材料よりも熱伝導性に優れる材料（例えば、銅または銅を主成分とする合金）で形成される。

また、中心電極２０は、頭部２１と、頭部２１よりも先端側に位置し、頭部２１より外径が小さい脚部２２と、を有している。中心電極２０の脚部２２は、絶縁体１０の軸孔１２のうちの電極収容孔１５に収容され、中心電極２０の頭部２１は、軸孔１２のうちの縮内径部１０ｚから後端方向Ｄ２側の部分に収容されている。後述するように、端子金具４０（図１）が軸孔１２の後端側に挿入されることによって、頭部２１は、縮内径部１０ｚに向かって押圧される。この結果、頭部２１の先端方向Ｄ１側の面と縮内径部１０ｚの後端方向Ｄ２側の面とが密着する。そして、頭部２１と縮内径部１０ｚとの間は、周方向の全周に亘って、封止される。図中の位置Ｐｚは、この封止された領域の先端方向Ｄ１側の端の位置である（以下、シール位置Ｐｚとも呼ぶ）。

中心電極２０の脚部２２は、先端を含む第１部分２７と、第１部分２７と頭部２１とを接続する第２部分２９と、を有している。第１部分２７の外径は、第２部分２９の外径よりも小さい。

接地電極３０（図２）は、主体金具５０の先端面５７の内周側の部分に形成され後端方向Ｄ２に向かって凹んだ凹部５７Ａに嵌め込まれている。図２に示すように、接地電極３０は中央に貫通孔３１を有するＯ字形状の板状部材（すなわち、円板部材）である。接地電極３０は、厚み方向を軸線ＣＯ方向とし、絶縁体１０の先端面１６に当接した状態、あるいは、先端面１６と微小な隙間（例えば、０．０５ｍｍ以下の隙間）を有する状態で、凹部５７Ａに嵌め込まれ、そして、接地電極３０の縁は、全周に亘って、レーザー溶接などによって主体金具５０に接合されている。これにより、主体金具５０と接地電極３０は電気的に導通している。また、接地電極３０は、主体金具５０の先端方向Ｄ１側の開口を覆っている。なお、接地電極３０は、主成分としてイリジウムを含む合金で形成されている（他の材料も採用可能である）。

なお、詳細は後述するが、絶縁体１０の電極収容孔１５内であって、中心電極２０の先端方向Ｄ１側の面と、接地電極３０の後端方向Ｄ２側の面との間には、プラズマを生成するためのキャビティＣＶが形成されている。中心電極２０と接地電極３０との間に電圧が印加されることによって、キャビティＣＶ内の中心電極２０と、中心電極２０よりも先端方向Ｄ１側に配置された接地電極３０との間（すなわち、ギャップ）で放電が生じる。

端子金具４０（図１）は、軸線ＣＯに沿って延びる棒状の部材である。端子金具４０は、導電性の金属材料（例えば、低炭素鋼）で形成され、その表面は、防食のための金属層（例えば、Ｎｉ層）がめっきなどによって形成されている。端子金具４０は、軸線方向の所定位置に形成された鍔部４２と、鍔部４２より後端側に位置するキャップ装着部４１と、鍔部４２より先端側の脚部４３と、を有している。端子金具４０の後端を含むキャップ装着部４１は、絶縁体１０の後端側に露出している。端子金具４０の先端を含む脚部４３は、絶縁体１０の軸孔１２に挿入されている。キャップ装着部４１には、高圧ケーブル（図示省略）が接続されたプラグキャップが装着され、火花を発生するための高電圧が印加される。

絶縁体１０の軸孔１２内において、端子金具４０の脚部４３と中心電極２０との間の領域には、導電性シール４が配置されている。この導電性シール４を通じて、端子金具４０と中心電極２０とは、電気的に導通している。導電性シール４は、例えば、金属粒子とガラスなどのセラミックス粒子を含む組成物で形成されている。

Ａ−２．プラズマジェットプラグの動作：
図３は、点火装置１２０の例の概略構成を示すブロック図である。プラズマジェットプラグ１００は、図３に一例を示す点火装置１２０に接続され、点火装置１２０から電力の供給を受けることにより、内燃機関の燃焼室内の混合気への点火を行う。

点火装置１２０は、例えば、自動車のＥＣＵ（電子制御回路）からの指示に従ってプラズマジェットプラグ１００に電力を供給する。点火装置１２０は、火花放電回路部１４０と、プラズマ放電回路部１６０と、制御回路部１３０、１５０と、逆流防止用の２つのダイオード１４５、１６５と、を有している。

火花放電回路部１４０は、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０と接地電極３０の間のギャップに、高電圧を印加することで絶縁破壊させて火花放電を生じさせる、いわゆるトリガー放電を行うための電源回路である。火花放電回路部１４０は、ＥＣＵに接続された制御回路部１３０によって制御される。火花放電回路部１４０は、ダイオード１４５を介し、電力供給先となるプラズマジェットプラグ１００の中心電極２０に電気的に接続されている。

また、プラズマ放電回路部１６０は、火花放電回路部１４０によって行われるトリガー放電により絶縁破壊が生じたギャップに高エネルギーを供給するための電源回路である。プラズマ放電回路部１６０は、ＥＣＵに接続された制御回路部１５０によって制御される。プラズマ放電回路部１６０も同様に、逆流防止用のダイオード１６５を介し、プラズマジェットプラグ１００の中心電極２０に接続されている。なお、プラズマジェットプラグ１００の接地電極３０は、主体金具５０を介し、接地されている。

プラズマ放電回路部１６０は、電気エネルギーを蓄えておくコンデンサ１６２と、コンデンサ１６２を充電するための高電圧発生回路１６１と、を有している。コンデンサ１６２は、一端が接地され、他端が、高電圧発生回路１６１と、上記ダイオード１６５を介して中心電極２０に接続されている。ここで、１回のプラズマ噴出を行うため、火花ギャップに供給されるエネルギー量ＥＧ（単位は、ｍＪ）は、トリガー放電によるエネルギーの供給量と、コンデンサ１６２からのエネルギーの供給量との和である。コンデンサ１６２の静電容量は、エネルギー量ＥＧが、所定量となるように調整されている。なお、プラズマジェットプラグ１００は、例えば、プラズマ放電回路部１６０を有していないタイプの点火装置、すなわち、トリガー放電によるエネルギーのみを供給するタイプの点火装置でも駆動することができるが、図３に示すような点火装置１２０を用いることによって、より高エネルギーのプラズマを生成することができる。

点火装置１２０によって高電圧が供給されることによって、プラズマジェットプラグ１００のギャップで放電が生じると、点火装置１２０から供給されるエネルギーによって、図２に示すキャビティＣＶ内の気体が励起されて、キャビティＣＶ内にプラズマが形成される。キャビティＣＶ内に形成されたプラズマが膨張し、キャビティＣＶ内の圧力が高まると、キャビティＣＶ内のプラズマは、火柱状に、接地電極３０の貫通孔３１から噴出される。噴出されたプラズマによって、内燃機関の燃焼室内の混合気が着火される。

Ａ−３．プラズマジェットプラグ１００の先端近傍の構成：
上記で説明したプラズマジェットプラグ１００の先端近傍の構成について、さらに、詳細に説明する。図４は、プラズマジェットプラグ１００の先端近傍を、軸線ＣＯが含まれる面で切断した断面図である。なお、図４では、先端方向Ｄ１は上向きであり、後端方向Ｄ２は下向きである。

電極収容孔１５の内径は、中心電極２０の脚部２２を収容している部分から先端面１６まで、一定である。中心電極２０の脚部２２は、中心電極２０の先端面２７１を有する第１部分２７と、第１部分２７よりも大きな外径を有し第１部分２７の後端側に接続された第２部分２９と、を有している。第１部分２７の形状は、外径Ｄを有し軸線ＣＯを中心とする円柱形状である。外径Ｄは、中心電極２０の先端面２７１の外径、すなわち、径方向の幅Ｄということもできる。第２部分２９は、軸線ＣＯを中心とする円柱形状を有し、頭部２１（図２）と第１部分２７とを接続している。第２部分２９の外径は、電極収容孔１５の内径よりも若干小さい。第２部分２９の外周面２９２と脚長部１３の内周面１３２との間の隙間ＳＴの幅（ここでは、径方向の幅）は、脚部２２の熱膨張に起因して脚長部１３が破損しない程度の小さい幅に、設定されている（おおよそ０．０５ｍｍ程度）。この隙間ＳＴは、図２のシール位置Ｐｚまで延びている。

キャビティＣＶは、中心電極２０の表面と、絶縁体１０の内面と、接地電極３０の後端方向Ｄ２側の表面と、によって形成されている。具体的には、キャビティＣＶの主な部分は、接地電極３０の後端方向Ｄ２側の表面３０９と、絶縁体１０の電極収容孔１５を形成する内周面１３２と、中心電極２０の第２部分２９の先端方向Ｄ１側の表面２９１と、中心電極２０の第１部分２７の外周面２７２と先端面２７１と、に囲まれる空間である。本実施形態では、キャビティＣＶは、さらに、上記の隙間ＳＴも含んでいる。接地電極３０の貫通孔３１は、キャビティＣＶから除外される。このように、キャビティＣＶは、貫通孔３１から噴出する前のプラズマが到達し得る空間である。換言すれば、キャビティＣＶは、接地電極３０の貫通孔３１に連通する空間である。なお、図中の内径Ｅは、貫通孔３１の内径である。本実施形態では、内径Ｅは、中心電極２０の先端面２７１の外径Ｄよりも、小さい。

図２、図４には、キャビティＣＶの先部分ＣＶ１と後部分ＣＶ２とが示されている。先部分ＣＶ１は、キャビティＣＶのうちの、中心電極２０の先端（ここでは、先端面２７１）よりも先端方向Ｄ１側の部分である。先部分ＣＶ１は、キャビティＣＶのうち火花が通ることが意図されている部分である。図中の第１容積Ｖ１は、先部分ＣＶ１の容積である。また、内径Ｒは、先部分ＣＶ１の内径である（キャビティ径Ｒとも呼ぶ）。本実施形態では、キャビティ径Ｒは、外径Ｄよりも、大きい。後部分ＣＶ２は、キャビティＣＶのうちの、中心電極２０の先端（ここでは、先端面２７１）よりも後端方向Ｄ２側の部分である。後部分ＣＶ２は、キャビティＣＶのうち火花が通ることが意図されていない部分である。図２に示すように、後部分ＣＶ２は、シール位置Ｐｚと中心電極２０の先端（先端面２７１）との間の部分である。図中の第２容積Ｖ２は、後部分ＣＶ２の容積である。軸長Ｌは、キャビティＣＶの主な部分における中心電極２０の軸線ＣＯの方向の長さである。すなわち、軸長Ｌは、中心電極２０のうちキャビティＣＶ内で突出する部分の長さである。本実施形態では、軸長Ｌは、中心電極２０の先端面２７１と第２部分２９の表面２９１との間の軸線ＣＯに平行な距離である。ギャップ長Ｇは、中心電極２０と接地電極３０との間の最短距離である。本実施形態では、ギャップ長Ｇは、中心電極２０の先端面２７１と接地電極３０の表面３０９との間の軸線ＣＯに平行な距離である。ギャップ長Ｇは、先部分ＣＶ１の軸線ＣＯに平行な長さと同じである。

図４中には、中心電極２０から接地電極３０へ至る放電経路の例として、３つの経路Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が示されている。放電経路には、気中経路と、沿面経路と、の２種類の経路が考えられる。気中経路は、キャビティＣＶ内の空間を通る経路である。沿面経路は、プラズマジェットプラグ１００の部材の表面上（例えば、絶縁体１０の内周面１３２上）を通る経路である。

第１経路Ｑ１は、中心電極２０の先端面２７１から、軸線ＣＯに平行に先端方向Ｄ１に延びて、キャビティＣＶ内の空間を通って、接地電極３０に至る気中経路である（気中経路Ｑ１とも呼ぶ）。気中経路Ｑ１は、中心電極２０と接地電極３０とを結ぶ最短の放電経路である。本実施形態では、このような気中経路Ｑ１に沿って放電が生じることが、想定されている。

第２経路Ｑ２は、第１部分Ｑ２１と第２部分Ｑ２２とで構成されている。第１部分Ｑ２１は、中心電極２０の先端（先端面２７１の縁）から絶縁体１０の内周面１３２に至る径方向の気中経路である。第２部分Ｑ２２は、絶縁体１０の内周面１３２上における第１部分Ｑ２１の端の位置から、絶縁体１０の内周面１３２に沿って、軸線ＣＯに平行に先端方向Ｄ１に延びて、接地電極３０に至る沿面経路である。

第３経路Ｑ３は、絶縁体１０の内周面１３２上における、中心電極２０の第２部分２９の先端方向Ｄ１側の端と径方向に対向する位置から、絶縁体１０の内周面１３２に沿って、軸線ＣＯに平行に先端方向Ｄ１に延びて、接地電極３０に至る沿面経路である（沿面経路Ｑ３とも呼ぶ）。

沿面経路を含む経路に沿って放電が生じる場合には、沿面経路の長さが短いことが好ましい。この理由は、以下の通りである。すなわち、沿面経路を通る放電が生じる場合、火花のエネルギーによって絶縁体１０が損傷を受け得る。例えば、絶縁体１０に傷や、チャンネリングと呼ばれる溝状の削れなどが発生し得る。この結果、プラズマジェットプラグ１００の耐久性能が低下し得る。

また、沿面経路を通る放電が生じる場合には、放電経路が接地電極３０の貫通孔３１から遠い位置を通る。プラズマは、放電経路に沿って生じる。従って、沿面経路を通る放電が生じる場合には、貫通孔３１から遠い位置でプラズマが生成されるので、プラズマの噴出力が低下し易い。プラズマの噴出力が低下すると、燃焼室内の混合気に着火するためのエネルギーが低下するので、プラズマジェットプラグ１００の着火性能が低下する。

また、プラズマの噴出力は、キャビティＣＶの容積が過度に大きい場合に、低下し易い。この理由は、キャビティＣＶの容積に対して放電によって生成されたプラズマによるエネルギーが小さいので、キャビティＣＶ内の圧力上昇が小さくなり、噴出力が低下するからである。上記のチャンネリングが発生すると、キャビティＣＶの容積が大きくなるので、プラズマの噴出力が低下し得る。

プラズマジェットプラグ１００の構成と性能との関係を評価するために、プラズマジェットプラグのサンプルを用いた評価試験を行った。評価試験では、図４の第１実施形態のサンプルに加えて、以下に説明する第２実施形態のサンプルと、第３実施形態のサンプルも、評価された。まず、これらの実施形態について説明し、次に、評価試験について説明する。

Ｂ．第２実施形態：
図５は、第２実施形態のプラズマジェットプラグ１００ａの説明図である。図中には、プラズマジェットプラグ１００ａの先端近傍を、軸線ＣＯが含まれる面で切断した断面図が示されている。図４のプラズマジェットプラグ１００との差異は、中心電極２０ａの脚部２２ａの第１部分２７ａと第２部分２９ａとの接続位置が後端方向Ｄ２側に移動している点と、絶縁体１０ａに小径部１３ｋが追加されている点と、だけである。プラズマジェットプラグ１００ａの他の構成は、図１、図２、図４のプラズマジェットプラグ１００の構成と同じである。以下、プラズマジェットプラグ１００ａの要素のうちプラズマジェットプラグ１００の要素と同じ要素には、同じ符号を付して、説明を省略する。

中心電極２０ａの脚部２２ａの第１部分２７ａの構成は、図４の第１部分２７を後端方向Ｄ２に延長して得られる構成と同じである。図中の外径Ｄは、中心電極２０ａの先端面２７ａ１の外径である。本実施形態では、外径Ｄは、第１部分２７ａの外径である。脚部２２ａの第２部分２９ａの構成は、図４の第２部分２９を後端方向Ｄ２に短縮して得られる構成と同じである。第２部分２９ａの先端方向Ｄ１側に、第１部分２７ａが接続されている。

絶縁体１０ａの脚長部１３ａの構成は、図４の脚長部１３に、小径部１３ｋを追加して得られる構成と同じである。小径部１３ｋの形状は、軸線ＣＯを中心とする円筒状である。脚長部１３ａのうち小径部１３ｋ以外の部分の内周面１３ａ２の構成は、図４の内周面１３２の構成と、同じである。小径部１３ｋの内径は、脚長部１３ａの内周面１３ａ２の内径よりも、小さい。小径部１３ｋは、中心電極２０ａの第２部分２９ａの先端方向Ｄ１側に配置されている。中心電極２０の第１部分２７ａは、小径部１３ｋの内周側に配置されている。第１部分２７ａの先端部は、小径部１３ｋよりも先端方向Ｄ１側に突出している。小径部１３ｋの内径は、第１部分２７ａの外径よりも若干大きい。小径部１３ｋの先端方向Ｄ１側の表面１３ｋ１から後端方向Ｄ２側では、絶縁体１０ａと中心電極２０ａとの間の隙間ＳＴａは、図４の隙間ＳＴと同程度の幅を有し、そして、図２のシール位置Ｐｚまで延びている。以下、小径部１３ｋの先端方向Ｄ１側の表面１３ｋ１を、「先端側表面１３ｋ１」とも呼ぶ。

図中のキャビティＣＶａは、中心電極２０ａの表面と、絶縁体１０ａの軸孔１２ａを形成する内面と、接地電極３０の後端方向Ｄ２側の表面３０９と、によって形成されている。具体的には、キャビティＣＶａの主な部分は、接地電極３０の後端方向Ｄ２側の表面３０９と、絶縁体１０ａの電極収容孔１５ａを形成する内周面１３ａ２のうち小径部１３ｋよりも先端方向Ｄ１側の部分と、小径部１３ｋの先端側表面１３ｋ１と、中心電極２０ａの第１部分２７ａの外周面２７ａ２と先端面２７ａ１と、に囲まれる空間である。本実施形態では、キャビティＣＶａは、さらに、上記の隙間ＳＴａを含んでいる。

図中には、キャビティＣＶａの先部分ＣＶ１ａと後部分ＣＶ２ａとが示されている。先部分ＣＶ１ａは、キャビティＣＶａのうちの、中心電極２０ａの先端（ここでは、先端面２７ａ１）よりも先端方向Ｄ１側の部分である。第１容積Ｖ１は、先部分ＣＶ１ａの容積である。キャビティ径Ｒは、先部分ＣＶ１ａの内径である。後部分ＣＶ２ａは、キャビティＣＶａのうちの、中心電極２０ａの先端（ここでは、先端面２７ａ１）よりも後端方向Ｄ２側の部分である。後部分ＣＶ２ａは、シール位置Ｐｚ（図２）と中心電極２０ａの先端（先端面２７ａ１）との間の部分である。第２容積Ｖ２は、後部分ＣＶ２ａの容積である。軸長Ｌは、キャビティＣＶａの主な部分における中心電極２０ａの軸線ＣＯの方向の長さである。すなわち、軸長Ｌは、中心電極２０ａのうちキャビティＣＶａ内で突出する部分の長さである。本実施形態では、軸長Ｌは、中心電極２０ａの先端面２７ａ１と絶縁体１０ａの小径部１３ｋの先端側表面１３ｋ１との間の軸線ＣＯに平行な距離である。ギャップ長Ｇは、中心電極２０ａと接地電極３０との間の最短距離である。本実施形態では、ギャップ長Ｇは、中心電極２０ａの先端面２７ａ１と接地電極３０の表面３０９との間の軸線ＣＯに平行な距離である。

図中には、中心電極２０ａから接地電極３０へ至る放電経路の例として、３つの経路Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３ａが示されている。第１経路Ｑ１と第２経路Ｑ２とは、図４の第１経路Ｑ１と第２経路Ｑ２と、同じである。第３経路Ｑ３ａは、中心電極２０ａの第１部分２７ａの外周面２７ａ２から、小径部１３ｋの先端側表面１３ｋ１上を径方向に延びて内周面１３ａ２に至り、そして、内周面１３ａ２上を軸線ＣＯに平行に先端方向Ｄ１に延びて、接地電極３０に至る沿面経路である（沿面経路Ｑ３ａとも呼ぶ）。

Ｃ．第３実施形態：
図６は、第３実施形態のプラズマジェットプラグ１００ｂの説明図である。図中には、プラズマジェットプラグ１００ｂの先端近傍を、軸線ＣＯが含まれる面で切断した断面図が示されている。図５のプラズマジェットプラグ１００との差異は、中心電極２０ｂの脚部２２ｂのうち、小径部１３ｋの先端側表面１３ｋ１よりも先端方向Ｄ１側の部分２７ｂの外径が、絶縁体１０ａの小径部１３ｋの内周側に配置された部分２８ｂの外径よりも、小さい点だけである。プラズマジェットプラグ１００ｂの他の構成は、図５のプラズマジェットプラグ１００ａの構成と同じである。以下、プラズマジェットプラグ１００ｂの要素のうちプラズマジェットプラグ１００ａの要素と同じ要素には、同じ符号を付して、説明を省略する。

中心電極２０ｂの脚部２２ｂの第２部分２９ａの構成は、図５の第２部分２９ａの構成と同じである。

中心電極２０ｂの脚部２２ｂのうち、絶縁体１０ａの小径部１３ｋの内周側に収容された部分２８ｂ（「中部分２８ｂ」と呼ぶ）の構成は、図５の第１部分２７ａのうち小径部１３ｋの内周側に収容された部分の構成と同じである。中部分２８ｂの形状は、軸線ＣＯを中心とする円柱形状である。絶縁体１０ａと中心電極２０ｂとの間の隙間ＳＴａは、図５の隙間ＳＴａと同じである。

中心電極２０ｂの脚部２２ｂのうち、絶縁体１０ａの小径部１３ｋの先端側表面１３ｋ１から先端方向Ｄ１に突出した部分２７ｂ（「突出部２７ｂ」と呼ぶ）の形状は、軸線ＣＯを中心とする円柱形状である。突出部２７ｂの外径は、中部分２８ｂの外径よりも小さい。図中の外径Ｄは、中心電極２０ａの先端面２７ｂ１の外径である。本実施形態では、外径Ｄは、突出部２７ｂの外径である。

図中のキャビティＣＶｂは、中心電極２０ｂの表面と、絶縁体１０ａの軸孔１２ａを形成する内面と、接地電極３０の後端方向Ｄ２側の表面３０９と、によって形成されている。具体的には、キャビティＣＶｂの主な部分は、接地電極３０の後端方向Ｄ２側の表面３０９と、絶縁体１０ａの電極収容孔１５ａを形成する内周面１３ａ２のうち小径部１３ｋよりも先端方向Ｄ１側の部分と、小径部１３ｋの先端側表面１３ｋ１と、中心電極２０ｂの中部分２８ｂの先端方向Ｄ１側の表面２８ｂ１と、突出部２７ｂの外周面２７ｂ２と先端面２７ｂ１と、に囲まれる空間である。本実施形態では、キャビティＣＶｂは、さらに、上記の隙間ＳＴａを含んでいる。

図中には、キャビティＣＶｂの先部分ＣＶ１ｂと後部分ＣＶ２ｂとが示されている。先部分ＣＶ１ｂは、キャビティＣＶｂのうちの、中心電極２０ｂの先端（ここでは、先端面２７ｂ１）よりも先端方向Ｄ１側の部分である。第１容積Ｖ１は、先部分ＣＶ１ｂの容積である。キャビティ径Ｒは、先部分ＣＶ１ｂの内径である。後部分ＣＶ２ｂは、キャビティＣＶｂのうちの、中心電極２０ｂの先端（ここでは、先端面２７ｂ１）よりも後端方向Ｄ２側の部分である。後部分ＣＶ２ｂは、シール位置Ｐｚ（図２）と中心電極２０ｂの先端（先端面２７ｂ１）との間の部分である。第２容積Ｖ２は、後部分ＣＶ２ｂの容積である。軸長Ｌは、キャビティＣＶｂの主な部分における中心電極２０ｂの軸線ＣＯの方向の長さである。すなわち、軸長Ｌは、中心電極２０ｂのうちキャビティＣＶｂ内で突出する部分の長さである。本実施形態では、軸長Ｌは、中心電極２０ｂの先端面２７ｂ１と絶縁体１０ａの小径部１３ｋの先端側表面１３ｋ１との間の軸線ＣＯに平行な距離である。ギャップ長Ｇは、中心電極２０ｂと接地電極３０との間の最短距離である。本実施形態では、ギャップ長Ｇは、中心電極２０ｂの先端面２７ｂ１と接地電極３０の表面３０９との間の軸線ＣＯに平行な距離である。

図中には、中心電極２０ｂから接地電極３０へ至る放電経路の例として、３つの経路Ｑ１、Ｑ２ｂ、Ｑ３ａが示されている。第１経路Ｑ１と第３経路Ｑ３ａとは、図５の第１経路Ｑ１と第３経路Ｑ３ａと、同じである。第２経路Ｑ２ｂは、第１部分Ｑ２１ｂと第２部分Ｑ２２とで構成されている。第１部分Ｑ２１ｂは、中心電極２０ｂの先端（先端面２７ｂ１の縁）から絶縁体１０ａの内周面１３ａ２に至る径方向の気中経路である。第２部分Ｑ２２は、図５の第２部分Ｑ２２と同じである。具体的には、第２部分Ｑ２２は、絶縁体１０の内周面１３ａ２上における第１部分Ｑ２１ｂの端の位置から、絶縁体１０ａの内周面１３ａ２に沿って、軸線ＣＯに平行に先端方向Ｄ１に延びて、接地電極３０に至る沿面経路である。

Ｄ．評価試験：
プラズマジェットプラグのサンプルを用いた評価試験について説明する。この評価試験では、プラズマの噴出性能と、チャンネリングの生じ易さと、耐久性と、が評価された。以下の表１は、第１評価試験の結果を示している。

表１は、サンプルの番号と、第１容積Ｖ１と、第２容積Ｖ２と、第２容積Ｖ２に対する第１容積Ｖ１の割合ＶＲと、サンプルの形状と、接地電極３０の貫通孔３１の内径Ｅと、中心電極の先端面の外径Ｄと、噴出性能の評価結果と、チャンネリングの評価結果と、耐久性の評価結果と、の対応関係を示している。容積Ｖ１、Ｖ２と割合ＶＲとは、中心電極の各部分の寸法と絶縁体の各部分の寸法とからの計算値である。第１容積Ｖ１は、小数第２位で四捨五入され、第２容積Ｖ２は、小数第２位で四捨五入され、割合ＶＲは、小数第４位で四捨五入されている。容積Ｖ１、Ｖ２の単位は、「ｍｍ^３」である。形状は、プラズマジェットプラグの符号（具体的には、１００（図４）、１００ａ（図５）、１００ｂ（図６）のいずれか）によって、表されている。表に示すように、１５番の形状は、図５のプラズマジェットプラグ１００ａの形状と同じであり、１６番の形状は、図６のプラズマジェットプラグ１００ｂの形状と同じであり、他のサンプルの形状は、図４のプラズマジェットプラグ１００の形状と同じである。内径Ｅと外径Ｄとの単位は、「ｍｍ」である。

ここで、各サンプルの構成について、補足する。全てのサンプルのキャビティ径Ｒは、３．５ｍｍであった。８番から１４番の４個のサンプルのギャップ長Ｇは、０．５ｍｍであり、他のサンプルのギャップ長Ｇは、０．８ｍｍであった。表１に示すように、１番から７番の７個のサンプルの間では、第１容積Ｖ１（７．７ｍｍ^３）が共通で、第２容積Ｖ２が互いに異なっている。８番から１４番の７個のサンプルの間では、第１容積Ｖ１（４．８ｍｍ^３）が共通で、第２容積Ｖ２が互いに異なっている。１５番から１８番の４個のサンプルの間では、第１容積Ｖ１（７．７ｍｍ^３）と第２容積Ｖ２（３８．０ｍｍ^３）とが共通で、形状と内径Ｅとのいずれかが互いに異なっている。１９番から２１番の３個のサンプルの間では、第１容積Ｖ１（７．７ｍｍ^３）が共通で、第２容積Ｖ２と外径Ｄとが互いに異なっている。第２容積Ｖ２の調整は、軸長Ｌ（すなわち、中心電極の先端部の長さと絶縁体の脚長部の長さ）を調整することによって、実現された。

噴出性能の評価試験では、いわゆるシュリーレン撮影により、接地電極３０の貫通孔３１から噴出されたプラズマ（フレーム）のサイズを測定した。具体的には、０．６ＭＰａに加圧したチャンバー内で、所定の電源装置（ここでは、フルトランジスタ点火装置）を用いて、１００ｍＪの放電エネルギーを供給して、１回の火花放電を行った。そして、火花放電から１００μｓ後に、接地電極３０の貫通孔３１から噴出されたプラズマのシュリーレン画像を撮影した。そして、撮影されたシュリーレン画像を所定の閾値で二値化して、シュリーレン画像を構成する複数個の画素を、高密度部分を表す画素と、低密度部分を表す画素と、に分類した。そして、高密度部分を表す画素の個数を、噴出されたプラズマのサイズとして算出した。噴出されたプラズマのサイズは、プラズマの噴出力が大きいほど大きくなる。なお、サンプルごとに１０回のシュリーレン撮影を実行し、１０回の撮影により算出されたプラズマのサイズの平均値を、そのサンプルのプラズマのサイズとした。

表１中の噴出性能のＡ、Ｂ、Ｃの評価は、以下の結果を示している。
Ａ評価： １５００画素≦プラズマサイズ
Ｂ評価： ８００画素≦プラズマサイズ＜１５００画素
Ｃ評価： プラズマサイズ＜ ８００画素

チャンネリングの評価試験では、所定回数（ここでは、５０回）の放電を行い、沿面経路を含む経路を通る放電の回数に対する沿面経路を通らずに気中経路のみを通る放電の回数の割合が評価された（「気中割合」と呼ぶ）。具体的には、放電可能な高電圧をサンプルに印加して、１回の火花放電を行った。高速度カメラを用いて、接地電極３０の貫通孔３１を通じて、キャビティ内の放電経路を撮影した。そして、撮影された画像を用いて、放電が沿面経路を通ったか否かを確認した。このような処理を５０回行って、気中割合を算出した。表１中のチャンネリングのＡ、Ｂ、Ｃの評価は、以下の結果を示している。
Ａ評価： ０．７≦気中割合
Ｂ評価： ０．５≦気中割合＜０．７
Ｃ評価： 気中割合＜０．５

耐久性の評価試験では、まず、各サンプルに対して所定の耐久試験を行った。耐久試験では、各サンプルに対し、１秒間に２０回の火花放電を発生させる放電試験を３０時間行った。この耐久試験済のサンプルに対して、上記のチャンネリングの評価試験を行った。表１中の耐久性のＡ、Ｂ、Ｃの評価の基準は、上記のチャネリングのＡ、Ｂ、Ｃの評価の基準と同じである。

１番から７番、そして、８番から１４番が示すように、割合ＶＲが小さい場合の噴出性能（Ｃ評価：ＶＲ＝０．１９４）よりも、割合ＶＲが大きい場合の噴出性能（Ｂ評価：ＶＲ＝０．２０３、０．２１２、０．２２３、０．５８１、０．６２２、０．６７０、０．２０９、０．２２７、０．２４７、０．５４４、０．６０５、０．６８１）の方が、良好であった。この理由は、割合ＶＲが大きい場合には、キャビティの容積が過度に大きくなることを抑制しつつ、キャビティの先部分で適切にプラズマを生成できるからだと推定される。

また、１番から７番の第１容積Ｖ１は、７．７ｍｍ^３であり、８番から１４番の第１容積Ｖ１は、４．８ｍｍ^３であった。このように大きく異なる２つの第１容積Ｖ１に対して、割合ＶＲが０．２０未満である場合（１番と８番）、噴出性能がＣ評価であり、割合ＶＲが０．２０以上である場合（２番から７番、９番から１４番）、噴出性能がＢ評価であった。以上により、種々の第１容積Ｖ１に対して、０．２０以上の割合ＶＲを適用することによって、噴出性能を向上できると推定される。

また、１番から７番、そして、８番から１４番が示すように、割合ＶＲが大きい場合のチャンネリングの評価結果（Ｃ評価：ＶＲ＝０．６７０、０．６８１）よりも、割合ＶＲが小さい場合のチャンネリングの評価結果（Ｂ評価：ＶＲ＝０．１９４、０．２０３、０．２１２、０．２２３、０．５８１、０．６２２、０．２０９、０．２２７、０．２４７、０．５４４、０．６０５）の方が、良好であった。この理由は、以下のように推定される。すなわち、割合ＶＲが小さい場合には、先部分ＣＶ１（図４）の容積Ｖ１に対する後部分ＣＶ２の第２容積Ｖ２の割合が大きい。従って、中心電極２０の先端（ここでは、先端面２７１）よりも後端方向Ｄ２側で絶縁体１０の内周面１３２を通る放電経路（例えば、第３経路Ｑ３）の長さが長くなる傾向にある。この結果、沿面経路を含む放電経路（例えば、第３経路Ｑ３）を通る放電の可能性を低減でき、チャンネリングの評価結果が向上する。

また、１番から７番の第１容積Ｖ１は、７．７ｍｍ^３であり、８番から１４番の第１容積Ｖ１は、４．８ｍｍ^３であった。このように大きく異なる２つの第１容積Ｖ１に対して、割合ＶＲが０．６２２を超える場合（７番と１４番）、チャンネリングの評価結果がＣ評価であり、割合ＶＲが０．６２２以下である場合（１番から６番、８番から１３番）、チャンネリングの評価結果がＢ評価であった。以上により、種々の第１容積Ｖ１に対して、０．６２２以下、ひいては、０．６２以下の割合ＶＲを適用することによって、チャンネリングの評価結果を向上できると推定される。

また、１番から１４番のいずれのサンプルも、Ｂ評価の耐久性を実現できた。従って、０．２０以上の割合ＶＲを採用することによって、絶縁体の損傷を抑制しつつ、噴出性能を向上できると推定される。また、０．６２以下の割合ＶＲを採用することによって、絶縁体の損傷を抑制しつつ、チャンネリングの評価結果を向上できると推定される。

さらに、第２実施形態のサンプルである１５番と、第３実施形態のサンプルである１６番と、貫通孔３１の内径Ｅが変更された１７番、１８番と、中心電極の外径Ｄが変更された１９番、２０番、２１番に関しても、割合ＶＲが０．２０以上であり、そして、噴出性能がＢ評価以上であった。以上により、プラズマジェットプラグの種々の構成（例えば、パラメータＤ、Ｅ、Ｇ、Ｌの種々の値や、図４、図５、図６に示す種々の構成）に対して、０．２０以上の割合ＶＲを適用することによって、噴出性能を向上できると推定される。

また、これら１５番から２１番に関して、割合ＶＲは０．６２以下であり、そして、チャンネリングの評価結果はＢ評価以上であった。以上により、プラズマジェットプラグの種々の構成（例えば、パラメータＤ、Ｅ、Ｇ、Ｌの種々の値や、図４、図５、図６に示す種々の構成）に対して、０．６２以下の割合ＶＲを適用することによって、チャンネリングの評価結果を向上できると推定される。

なお、Ｂ評価以上の噴出性能とＢ評価以上のチャンネリングの評価結果とを実現した割合ＶＲは、０．２０３（２番、１５番、１６番、１７番、１８番）、０．２０９（９番）、０．２１２（３番）、０．２１６（１９番）、０．２２３（４番）、０．２２７（１０番）、０．２２８（２０番）、０．２４７（１１番）、０．２６８（２１番）、０．５４４（１２番）、０．５８１（５番）、０．６０５（１３番）、０．６２２（６番）の１７個のサンプルを用いて評価された１３個の値であった。これらの１３個の値から任意に選択された値を、割合ＶＲの好ましい範囲（下限以上、上限以下）の下限として採用可能である。例えば、割合ＶＲとして、０．２０３以上の値を採用してもよい。また、評価された割合ＶＲのうち、上記の１３個の値の最小値である０．２０３よりも小さい割合ＶＲのうちの最大の割合ＶＲは、０．１９４である。そこで、これらの値（０．１９４と０．２０３）の間の値、例えば、０．２０を、割合ＶＲの好ましい範囲の下限として採用してもよい。また、これら１３個の値のうち、下限以上の任意の値を上限として採用してもよい。例えば、割合ＶＲとして、０．６２２以下の値、ひいては、０．６２以下の値を採用してもよい。なお、割合ＶＲの下限と上限は、プラズマジェットプラグの種々の構成（例えば、パラメータＤ、Ｅ、Ｇ、Ｌの種々の値や、図４、図５、図６に示す種々の構成）に対して、適用可能と推定される。

また、同程度の割合ＶＲと共通の第１容積Ｖ１とを有する１番から４番、１７番、１８番が示すように、接地電極３０の内径Ｅが大きい場合の噴出性能（Ｂ評価以下：Ｅ＝１．０（ｍｍ））よりも、内径Ｅが小さい場合の噴出性能（Ａ評価：Ｅ＝０．７、０．５（ｍｍ））の方が、良好であった。この理由は、放電によるキャビティ内の圧力上昇が同じ場合に、内径Ｅが大きい場合よりも小さい場合の方が、貫通孔３１から噴出するプラズマの勢いを増すことができるからだと推定される。

なお、Ａ評価の噴出性能を実現した内径Ｅは、０．７ｍｍ（１７番）と、０．５ｍｍ（１８番）との２個の値であった。これら２個の値から任意に選択された値を、内径Ｅの好ましい範囲（下限以上、上限以下）の上限として採用可能である。例えば、内径Ｅとして、０．７ｍｍ以下の値を採用してもよい。また、これら２個の値のうち、上限以下の任意の値（例えば、０．５ｍｍ）を下限として採用してもよい。なお、内径Ｅの下限としては、さらに小さい値（例えば、０．２ｍｍ）を採用可能である。０．２ｍｍ以上の内径Ｅを採用すれば、プラズマが貫通孔３１から噴出できなくなることを抑制できる。

内径Ｅと噴出性能との関係は、主に、放電によるキャビティ内の圧力上昇から大きな影響を受けると推定される。キャビティと中心電極と接地電極との具体的な構成（例えば、パラメータＤ、Ｇ、Ｌの値や、図４、図５、図６等の構成）からの影響は、小さいと推定される。従って、Ｂ評価以上の噴出性能を実現可能な種々のプラズマジェットプラグ、例えば、０．２０以上の割合ＶＲを有する種々のプラズマジェットプラグに、内径Ｅの上記の好ましい範囲を適用可能と推定される。ただし、内径Ｅが、上記の好ましい範囲外であってもよい。

また、共通の第１容積Ｖ１と同程度の割合ＶＲとを有する１番から４番、１９番、２０番、２１番が示すように、中心電極の先端面の外径Ｄが小さい場合の耐久性（Ｂ評価：Ｄ＝１．０（ｍｍ））よりも、外径Ｄが大きい場合の耐久性（Ａ評価：Ｄ＝１．３、１．５、１．７（ｍｍ））の方が、良好であった。この理由は、外径Ｄが小さい場合よりも大きい場合の方が、中心電極の消耗に起因するギャップ長Ｇ（中心電極と接地電極との最短距離）の増大を抑制できるからである。

なお、Ａ評価の耐久性を実現した外径Ｄは、１．３ｍｍ（１９番）、１．５ｍｍ（２０番）と、１．７ｍｍ（２１番）との３個の値であった。これら３個の値から任意に選択された値を、外径Ｄの好ましい範囲（下限以上、上限以下）の下限として採用可能である。例えば、外径Ｄとして、１．３ｍｍ以上の値を採用してもよい。また、これら３個の値のうち、下限以上の任意の値（例えば、１．７ｍｍ）を上限として採用してもよい。

また、外径Ｄの上限としては、さらに大きい値（例えば、２．０ｍｍ）を採用してもよい。ただし、外径Ｄが過剰に大きい場合には、中心電極の先端面と絶縁体の内面との間の径方向の最短距離（例えば、図４の（Ｒ−Ｄ）／２）が短くなるので、沿面経路を含む放電経路（例えば、図４の第２経路Ｑ２）を通る放電が生じ易い。従って、外径Ｄの上限は、沿面経路を含む放電経路よりも、気中経路のみを含む放電経路（例えば、図４の気中経路Ｑ１）で放電が生じ易いように、決定されることが好ましい。

ここで、同じ経路長であっても、気中経路の抵抗は、沿面経路の抵抗より大きいことが知られている。そして、沿面経路の経路長を、気中経路の経路長の２倍以上確保すれば、同じ電圧が印加された場合に、気中経路で火花放電を発生させることができると考えられる。したがって、沿面経路の経路長に係数として（１／２）を乗じて得られる値を用いて算出される補正付き経路長を用いることによって、２つの経路の間で、放電の生じ易さを比較可能と考えられる。例えば、図４の実施形態では、沿面経路を含む第２経路Ｑ２の補正付き経路長が、気中経路Ｑ１の経路長以上になるように、外径Ｄの上限を決定すれば、気中経路Ｑ１で火花放電を発生させることができると考えられる。ここで、第２経路Ｑ２は、第１部分Ｑ２１（距離＝（Ｒ−Ｄ）／２）＋第２部分Ｑ２２（距離＝Ｇ）であるので、第２経路Ｑ２の補正付き経路長は、「（Ｒ−Ｄ）／２＋Ｇ／２＝（Ｒ−Ｄ＋Ｇ）／２」である。気中経路Ｑ１の経路長は、距離Ｇとほぼ等しい。したがって、（Ｒ−Ｄ＋Ｇ）／２≧Ｇ、すなわち、（Ｒ−Ｇ）≧Ｄを満たすように、外径Ｄを決定することが好ましい。このように、外径Ｄとしては、「キャビティ径Ｒ−ギャップ長Ｇ」以下の値を採用することが、好ましい。図５、図６の実施形態を採用する場合も、同様に、外径Ｄの上限を決定可能である。いずれの場合も、中心電極の先端面の外径Ｄは、接地電極３０の貫通孔３１の内径Ｅよりも、大きいことが好ましい。

また、外径Ｄと耐久性との関係は、主に、中心電極が消耗した場合の中心電極と接地電極との間の最短距離の変化（増大）から大きな影響を受けると推定される。キャビティと中心電極と接地電極との具体的な構成（例えば、パラメータＥ、Ｇ、Ｌの値や、図４、図５、図６等の構成）からの影響は、小さいと推定される。従って、Ｂ評価以上の噴出性能を実現可能な種々のプラズマジェットプラグ、例えば、０．２０以上の割合ＶＲを有する種々のプラズマジェットプラグに、外径Ｄの上記の好ましい範囲を適用可能と推定される。ただし、外径Ｄが、上記の好ましい範囲外であってもよい。

また、同程度の割合ＶＲと共通の第１容積Ｖ１とを有する１番から４番、１５番、１６番が示すように、第１実施形態のサンプル（１番から４番）のチャンネリングの評価結果（Ｂ評価）よりも、第２実施形態のサンプル（１５番）と第３実施形態のサンプル（１６番）のチャンネリングの評価結果（Ａ評価）の方が、良好であった。

この理由は、以下のように推定される。すなわち、図５、図６の実施形態では、キャビティＣＶａ、ＣＶｂは、先端側に形成される先部分ＣＶ１ａ、ＣＶ１ｂ（第１部分ＣＶ１ａ、ＣＶ１ｂとも呼ぶ）の内径Ｒよりも小さい内径を有する部分ＣＶｓａ、ＣＶｓｂを含んでいる（以下、「第２部分ＣＶｓａ、ＣＶｓｂ」と呼ぶ）。第２部分ＣＶｓａ、ＣＶｓｂは、絶縁体１０ａの小径部１３ｋの内周面１３ｋ２によって形成される部分である。そして、第２部分ＣＶｓａ、ＣＶｓｂは、第１部分ＣＶ１ａ、ＣＶ１ｂよりも後端方向Ｄ２側に位置している。このような構成は、絶縁体１０ａが、内径Ｒよりも小さい内径を有する部分（ここでは、小径部１３ｋ）を含むことによって、実現される。このような構成においては、中心電極２０ａ、２０ｂから絶縁体１０ａの内面上のみを通って接地電極３０に至る放電経路Ｑ３ａは、小径部１３ｋの先端側表面１３ｋ１を通るので、図４の沿面経路Ｑ３と比べて長くなりやすい。この結果、図４の実施形態と比べて、図５、図６の実施形態では、沿面経路Ｑ３ａを通る放電が生じる可能性を低減できる。以上により、第１実施形態のサンプル（１番から４番）よりも、第２実施形態のサンプル（１５番）と第３実施形態のサンプル（１６番）の方が、チャンネリングの評価結果が良いと推定される。

なお、キャビティのうち先端側に形成される第１部分（例えば、図５、図６の第１部分ＣＶ１ａ、ＣＶ１ｂ）の内径Ｒよりも小さい内径を有する第２部分は、中心電極の先端よりも先端方向Ｄ１側に配置される部分を含んでも良い。ただし、沿面経路のみを通る放電を抑制するためには、図５、図６の実施形態のように、第２部分ＣＶｓａ、ＣＶｓｂが、中心電極の先端（ここでは、先端面２７ａ１、２７ｂ１）よりも後端方向Ｄ２側に位置していることが好ましい。このように、絶縁体が、中心電極の先端よりも後端方向Ｄ２側においてキャビティの内径が先端方向Ｄ１に向かって大きくなる拡径部（例えば、図５の小径部１３ｋの先端側表面１３ｋ１を形成する部分）を有する場合には、中心電極の先端と絶縁体の内面との間の径方向の最短距離を大きくできる。従って、沿面経路を通る放電が生じる可能性を低減できる。

Ｅ．変形例：
（１）接地電極３０の貫通孔３１の断面形状（具体的には、軸線ＣＯに垂直な断面形状）が、非円形状であってもよい。いずれの場合も、貫通孔３１の最大幅（具体的には、軸線ＣＯに垂直な断面における最大幅）が、上記の内径Ｅの好ましい範囲内であることが好ましい。

（２）中心電極の先端面の形状が、非円形状であってもよい。いずれの場合も、中心電極の先端の最大幅（具体的には、中心電極の先端面の軸線ＣＯに垂直な方向の最大幅）が、上記の外径Ｄの好ましい範囲内であることが好ましい。

（３）接地電極の貫通孔の最大幅は、中心電極の先端面の最大幅よりも大きくてもよく、中心電極の先端面の最大幅と同じであってもよく、中心電極の先端面の最大幅よりも小さくてもよい。また、接地電極の貫通孔の中心軸がプラズマジェットプラグの軸線ＣＯから離れた位置に配置されるように、接地電極の貫通孔が形成されていてもよい。同様に、中心電極の先端面の中心軸がプラズマジェットプラグの軸線ＣＯから離れた位置に配置されるように、中心電極が構成されていてもよい。いずれの場合も、軸線ＣＯに垂直な投影面に接地電極と中心電極とを軸線ＣＯに平行に投影する場合に、その投影面上において、接地電極の貫通孔の少なくとも一部が、中心電極の先端面に重なっていることが好ましい。こうすれば、放電は、接地電極の貫通孔の近傍を通る経路で生じ易いので、着火性能を向上できる。なお、上記の投影面上において、接地電極の貫通孔と、中心電極の先端面と、のうちの一方の全体が他方の内に包含されてもよい。また、貫通孔の一部が先端面の外に配置されてもよい。また、先端面の一部が貫通孔の外に配置されてもよい。

（４）中心電極の構成としては、上記の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、図４の第１部分２７と第２部分２９との間に、後端側から先端側に向かって外径が小さくなる円錐台の形状の部分が設けられても良い。また、中心電極の先端に、放電に対する耐久性の良好なチップが接続（例えば、溶接）されていてもよい。チップの材料としては、高融点金属を採用可能である。高融点金属としては、例えば、貴金属（例えば、イリジウム、白金等）、タングステン、貴金属とタングステンとから選択された金属を主成分として含む合金、などを採用可能である。

（５）接地電極３０の構成としては、上記の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、接地電極３０のうちの放電が生じる部分（例えば、図４の貫通孔３１を形成する部分、すなわち、内周面を含む部分）は、中心電極の材料として説明した上記の高融点の金属材料によって形成されていることが好ましい。高融点の金属材料を用いることによって、火花放電による接地電極３０の消耗を抑制することができる。

なお、接地電極３０のうちの、高融点の金属材料（例えば、主成分として貴金属またはタングステンを含む材料）で形成される部分は、接地電極３０のうちの放電が生じる部分を含むことが好ましく、また、接地電極３０の一部分であってもよい。ここで、中心電極の放電が生じる部分と接地電極の放電が生じる部分との間で、材料が異なっていても良い。また、接地電極３０から、高融点の材料で形成される部分が省略されてもよい。この場合、接地電極３０の材料としては、例えば、ニッケルまたはニッケルを主成分とする合金を採用可能である。

（６）プラズマジェットプラグの構成としては、上記の構成に代えて、他の種々の構成を採用可能である。例えば、キャビティの先部分（例えば、図４の先部分ＣＶ１）の内径が、軸線ＣＯの方向の位置に応じて変化してもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本発明について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれる。

４...導電性シール、５...ガスケット、６、７...リング部材、９...タルク、１０、１０ａ...絶縁体、１０ｚ...縮内径部、１２、１２ａ...軸孔、１３、１３ａ...脚長部、１３ｋ...小径部、１３２、１３ａ２...内周面、１３ｋ１...先端側表面、１３ｋ２...内周面、１４...段部、１５、１５ａ...電極収容孔、１６...先端面、１７...先端側胴部、１８...後端側胴部、１９...鍔部、２０、２０ａ、２０ｂ...中心電極、２１...頭部、２２、２２ａ、２２ｂ...脚部、２７、２７ａ...第１部分、２７ｂ...突出部、２７１、２７ａ１、２７ｂ１...先端面、２７２、２７ａ２、２７ｂ２...外周面、２８ｂ...中部分、２８ｂ１...表面、２９、２９ａ...第２部分、２９１...表面、２９２...外周面、３０...接地電極、３１...貫通孔、３０９...表面、４０...端子金具、４１...キャップ装着部、４２...鍔部、４３...脚部、５０...主体金具、５１...工具係合部、５２...取付ネジ部、５３...加締部、５４...座部、５６...係止部、５７...先端面、５７Ａ...凹部、５８...圧縮変形部、５９...貫通孔、８０...板パッキン、１００、１００ａ、１００ｂ...プラズマジェットプラグ、１２０...点火装置、１３０...制御回路部、１４０...火花放電回路部、１４５...ダイオード、１５０...制御回路部、１６０...プラズマ放電回路部、１６１...高電圧発生回路、１６２...コンデンサ、１６５...ダイオード、ＣＯ...軸線、Ｄ...外径、Ｅ...内径、Ｒ...キャビティ径（内径）、Ｌ...軸長、Ｇ...ギャップ長、Ｐ...シール位置、ＣＶ、ＣＶａ、ＣＶｂ...キャビティ、ＣＶ１、ＣＶ１ａ、ＣＶ１ｂ...先部分、Ｖ１...第１容積、ＣＶ２、ＣＶ２ａ、ＣＶ２ｂ...後部分、Ｖ２...第２容積、ＣＶｓａ...第２部分、Ｄ１...先端方向、Ｄ２...後端方向、ＣＯ...軸線、ＳＴ...隙間、ＳＴａ...隙間、Ｐｚ...シール位置

Claims (6)

1. 軸線に沿って延びる軸孔を形成する内面を有する筒状の絶縁体と、
   前記絶縁体の前記軸孔の内部に配置され、前記軸線に沿って延びる棒状の中心電極と、
   前記絶縁体の外周に配置される主体金具と、
   前記主体金具に電気的に接続され、貫通孔を形成し前記絶縁体の先端側に配置される接地電極と、
   を備え、
   前記中心電極の表面と、前記絶縁体の前記内面と、前記接地電極の表面と、によってキャビティが形成されるプラズマジェットプラグであって、
   前記キャビティのうち前記中心電極の先端よりも先端側の部分の容積を第１容積Ｖ１とし、前記キャビティのうち前記中心電極の前記先端よりも後端側の部分の容積を第２容積Ｖ２とする場合に、
   Ｖ１／Ｖ２≧０．２０が満たされる、プラズマジェットプラグ。
2. 請求項１に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記貫通孔の最大幅は、０．７ｍｍ以下である、
   プラズマジェットプラグ。
3. 請求項１または２に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記中心電極の前記先端の最大幅は、１．３ｍｍ以上である、
   プラズマジェットプラグ。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記キャビティは、
   先端側に形成される第１部分と、
   前記第１部分よりも後端側に位置し、前記第１部分の内径よりも小さい内径を有する第２部分と、
   を含む、
   プラズマジェットプラグ。
5. 請求項４に記載のプラズマジェットプラグであって、
   前記第２部分は、前記中心電極の前記先端よりも後端側に位置している、
   プラズマジェットプラグ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマジェットプラグであって、
   Ｖ１／Ｖ２≦０．６２が満たされる、プラズマジェットプラグ。

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